FR2996193A1

FR2996193A1 - Dispositif embarque de pose et de depose de la batterie amovible d'un vehicule electrique ou hybride et son utilisation comme connecteur automatique pour chargeur de forte puissance

Info

Publication number: FR2996193A1
Application number: FR1202582A
Authority: FR
Inventors: Denis Ernest Celestin Buffet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-04
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: FR2996193B1

Abstract

L'invention concerne un dispositif embarqué de pose et de dépose de la batterie amovible (2) d'un véhicule électrique ou hybride. Le véhicule (1) utilise son assistance au stationnement pour se positionner par rapport à sa batterie (2) déposée au sol. Le véhicule (1) est équipé d'un vérin oscillant (3) pour compenser l'écart résiduel de positionnement associé à divers moyens de préhension et de guidage de la batterie (2). Une fois saisie, soulevée et mise en place, la batterie (2) est verrouillée par des verrous électromagnétiques (4) à manque de courant. Cette invention est plus particulièrement destinée aux véhicules électriques pratiquant l'échange de batteries, aux véhicules hybrides à batterie dédiée au plug-in. En outre, ce système permet une connexion automatique à des chargeurs de forte puissance pour des temps de charge minimaux.

Description

Les batteries pour véhicules électriques ou hybrides peuvent être fréquemment posées ou déposées pour les raisons suivantes : - Dans le cas où la batterie "vide" est prévue être permutée avec une batterie "pleine" dans une station spécialisée. - Dans le cas où la batterie est louée ou partagée. - Dans le cas où les opérations d'entretien l'imposent, par exemple pour l'équilibrage des cellules élémentaires. - Quand la batterie doit être adaptée à différentes utilisations du véhicule en fonction : de l'autonomie, du poids embarqué, de la disponibilité des stations de recharge et du style de conduite. La pose et la dépose de la batterie est une opération complexe en raison : de son poids, de son encombrement, de sa fragilité, de ses connexions haute tension, de sa ventilation et de son emplacement soit sous, soit dans le véhicule. Elles nécessitent des moyens de manutention lourds basés sur des chariots plus ou moins spécialisés voir des robots et du personnel hautement qualifié. Ces opérations font l'objet de nombreux brevets tels le brevet W0/2002/004275. Ils sont tous tributaires de moyens importants extérieurs au véhicule.

Le dispositif selon l'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en intégrant au véhicule un mécanisme de pose et de dépose relativement simple, ne nécessitant ni moyen extérieur, ni personnel qualifié. Il a en plus l'avantage d'offrir une possibilité de connexion automatique de forte puissance pour la recharge du véhicule. En effet, la tendance actuelle est de minimiser les temps de recharge, ce qui impose des puissances de plus en plus élevées et des connecteurs ou prises de moins en moins humainement manipulables ou esthétiquement intégrables à la carrosserie.

Le dispositif selon l'invention utilise avantageusement les moyens, de plus en plus présents sur les véhicules, d'aide au stationnement pour se pré-positionner par rapport à sa batterie restée au sol. Nous verrons ultérieurement comment le véhicule peut garder une relative mobilité sans sa batterie. L'utilisation de ce système peut être totale ou partielle si des capteurs dédiés sont utilisés pour le positionnement par rapport à la batterie. Dans les deux cas le système de pose et de la batterie doit être compatible avec la précision finale de positionnement du véhicule, soit quelques centimètres.

Pour se faire, un vérin électrique de levage est fixé verticalement sur le châssis du véhicule avec la particularité de pouvoir osciller légèrement par rapport à la verticale grâce à une rotule ou à un support élastique. Un cône de guidage de la tête du vérin est aménagé en creux dans la batterie à la verticale de son centre de gravité. Il permet d'absorber l'écart de positionnement par inclinaison du vérin (jusqu'à 100). La tête du vérin, ou tête de préhension, dispose d'un système automatique d'accrochage et de décrochage de la batterie au sommet, c'est-à-dire au point le plus bas de son cône de guidage. En effet, un palpeur central alterne, à chaque poussée de la tige de vérin, l'accrochage ou le décrochage de la batterie suivant un mécanisme bistable à la manière d'un stylo à bille rétractable. Malgré le poids de la batterie qui peut atteindre 250 kg, la puissance du vérin ne dépasse pas une centaine de watts, en raison de la faible vitesse de levage. Il peut donc être avantageusement alimenté par la batterie secondaire basse tension du véhicule qui reste opérationnelle. De plus, le taux de réduction est tel que le système n'est pas réversible ; donc le poids de la batterie ne peut pas entrainer le moteur par manque de courant. Au décollage de la batterie, les efforts d'adhérence au sol sont réduits ce qui permet à l'ensemble de se réaligner sur la verticale du vérin. Pour maintenir la batterie dans un plan approximativement horizontal, l'alésage dans la batterie a un jeu juste suffisant pour recevoir la tête de préhension à son inclinaison maximale, pour mémoire 100 maxi. Ce jeu réduit limite l'inclinaison maximale de la batterie. Le système de préhension impose aussi une certaine horizontalité tout comme la faible hauteur de soulèvement de la batterie par rapport à ses dimensions. Ce système est aussi apte à absorber les déplacements du véhicule au moment du transfert de charge. Au cours du levage, le positionnement de la batterie est parachevé par un cône lié au châssis du véhicule. Ce cône à base elliptique est complémentaire à celui de la batterie, ce qui assure non seulement la coïncidence des axes verticaux mais aussi le positionnement angulaire dans le plan horizontal. A la fin du guidage conique, la précision du positionnement n'est plus que de 5 quelques millimètres. Ils sont pris en charge par des guidages fins aménagés sur au moins 3 verrous de préférence installés aux coins de la batterie. En effet, une fois en place la batterie est verrouillée en position par des verrous électromagnétiques à manque de courant afin de la maintenir en cas de chocs violents avec perte de la batterie secondaire. Ils peuvent être équipés de capteur 10 de position pour indiquer et surveiller la bonne mise en place selon des techniques connues. A la fin du guidage conique, la précision du positionnement est aussi suffisante pour permette la connexion électrique entre un connecteur mâle aménagé à la 15 base du cône fixe de guidage et un connecteur femelle aménagé sur le haut du cône de guidage de la batterie. L'agencement concentrique au vérin, leur confère une grande dimension circulaire permettant des surfaces de contact importantes pour des intensités élevées de plusieurs centaines d'ampères. La place est aussi suffisante pour des contacts dédiés aux transferts d'information sans être 20 parasités par les courants forts donc à bonne distance. Pour interdire l'accès aux bornes de la batterie une fois déposée, les contacts du connecteur femelle sont recouverts et protégés par un cache concentrique seulement repoussé par une forme adaptée du connecteur mâle lors de la connexion. S'agissant d'une manoeuvre par vérin, l'effort nécessaire peut être élevé pour la sécurité des 25 personnes. Le connecteur peut aussi être complété par un coupe-circuit, toujours concentrique, accessible depuis l'habitacle, pour isoler la batterie en cas d'urgence, notamment en cas d'accident ou de maintenance. Un joint assure l'étanchéité du connecteur aux projections d'eau sans perturber la ventilation de la batterie qui reste un élément extérieur au véhicule. 30 La dépose de la batterie se fait conformément aux opérations précédentes dans l'ordre inverse. A la fin de la dépose et après rétractation de la tige du vérin, deux demi capots articulés viennent protéger tous le système embarqué des salissures éventuelles. De même, des capots individuels escamotables à la mise en place de la batterie peuvent protéger les verrous selon des techniques connues. Bien entendu ces capots et demi capots seront prévus que si le véhicule doit rouler en extérieur sans sa batterie ou que s'ils sont utilisés pour stabiliser la batterie dans le plan horizontal au cours du levage comme nous le verrons plus loin. Pour éviter la multiplication des motorisations, les demi capots sont actionnés ou escamotés par la batterie elle-même ou/et par une liaison mécanique avec l'arrière de la tige du vérin. Toutes les opérations de contrôle, en particulier les fins de course et l'accrochage - décrochage de la tête de vérin, sont basées sur la surveillance de la signature de l'intensité du moteur électrique conformément à des dispositifs connus. La commande du système est de préférence faite à partir d'un bouton poussoir à maintien de pression situé dans l'habitacle pour éviter au maximum tout risque d'accident de personne, bien qu'en principe, personne ne doit se trouver sous le véhicule sans consignation du dispositif comme pour d'autres équipements. Le système peut aussi être utilisé en connecteur automatique pour chargeur de forte intensité. Avoir de fortes intensités est la tendance actuelle pour minimiser les temps de charge. Le connecteur femelle reproduit alors tous les arrangements en coopération avec le dispositif selon l'invention vus précédemment sur la batterie. Un réceptacle et une goulotte sont aménagés au sol pour sa mise au repos avec ses cordons d'alimentation. Le but est noyer ces équipements et de créer un obstacle minimal à la circulation. Un système de ressorts ou de contrepoids peut être envisagé pour le rappel en position repos. Le connecteur mâle, fixé sous le véhicule, n'a aucune incidence sur son esthétique. Les demi capots peuvent être mis à contribution pour stabiliser horizontalement la batterie pendant ses déplacements en les synchronisant avec un dispositif à engrenages, à chaînes ou autres. En effet, l'effort d'escamotage se concentre sur le côté de la batterie le plus relevé dans une tendance au rééquilibrage.

Après dépose de sa batterie, le véhicule peut garder une relative mobilité en utilisant : - son générateur de bord pour les véhicules hybrides ou les véhicules équipés de « range extender », - sa seconde batterie pour les véhicules disposant d'une seconde batterie ou de tout autre moyen de stockage de l'énergie, - d'une batterie temporaire, ou même d'un cordon d'alimentation pour des déplacements décamétriques.

Ce dispositif est particulièrement destiné : - aux véhicules électriques qui pratiquent l'échange de batteries (vide contre pleine) en station. L'intérêt est de considérablement simplifier les opérations et les moyens de manutention tout en minimisant le personnel. - aux véhicules électriques qui pratiquent la recharge rapide. - aux véhicules hybrides à deux batteries (hors batterie basse tension) associées par un séparateur comme le prévoit le brevet FR10 04546. Une première batterie assure les besoins de base du véhicule hybride et une seconde batterie, non rechargeable par la génératrice de bord, est uniquement destinée au "plug in". Pour mémoire, cette configuration permet de s'assurer que l'énergie additionnelle provient bien du réseau et non pas du carburant embarqué dans une transformation à rendement plus ou moins médiocre. Dans ce système qui permet des gains importants en CO2et en carburant, l'utilisateur peut vouloir adapter la configuration batterie en fonction de l'utilisation prévisible de son véhicule (autonomie versus poids) en laissant temporairement, par exemple, la seconde batterie "plug in" au garage.

Les figures ci-après décrivent une réalisation possible, mais non exclusive, du système selon l'invention. La figure 1, représente une implantation possible des principaux éléments du dispositif selon l'invention sur le véhicule. La figure 2, représente en coupe verticale le dispositif selon l'invention pour 30 positionner les équipements principaux. La figure 3, représente en coupe verticale le dispositif selon l'invention avant le levage de la batterie. La figure 4, représente en coupe verticale le dispositif de préhension de la batterie selon l'invention.

La figure 5, représente en coupe verticale le dispositif selon l'invention après le levage de la batterie. La figure 6, représente en coupe verticale le dispositif de verrouillage de la batterie selon l'invention.

La figure 7, représente en vue latérale le système de protection du dispositif selon l'invention. La figure 8, représente le système d'accompagnement de la batterie selon l'invention. La figure 9, représente en coupe verticale le système selon l'invention dans sa 10 fonction de connecteur automatique pour chargeur de forte intensité. La figurel 0, regroupe des sections et des repères de coupes. La figure 1, la vue d'ensemble donne une implantation possible sur le véhicule (1), en vue de coté figure la, de dessus figure lb, des principaux éléments du 15 dispositif selon l'invention avec la batterie amovible (2), le vérin oscillant de levage (3), les 4 dispositifs de verrouillage de la batterie (4) à ses quatre coins et enfin les 4 sondes (5) du système d'aide au stationnement du véhicule. Le positionnement du véhicule par rapport aux éléments externes du lieu comme les murs d'un garage ou par rapport à des balises intentionnellement positionnées 20 n'est pas représenté. La figure 2 est une vue en coupe verticale C-C du dispositif selon l'invention qui donne la position relative des différents équipements avec : le vérin oscillant (3) avec sa tige (9) et sa tête de préhension (13), la batterie (2) et son connecteur 25 femelle (15), le cône de guidage à section elliptique (12), le connecteur mâle (20) avec son coupe-circuit (23) et enfin les demi capots de protection (39) et (40). La figure 2a représente le dispositif juste avant levage de la batterie et la figure 2b après levage et verrouillage de la batterie par les verrous (4). 30 La figure 3 est une vue en coupe verticale C-C du dispositif de levage selon l'invention avec le moteur électrique d'entrainement (6), le réducteur (7) qui entraine l'écrou (8) en rotation. L'écrou (8) pousse la tige filetée du vérin (9) qui est bloquée en rotation et guidée en translation par le guide fixe (10) lié au corps du vérin. L'ensemble est ici monté sur un élément élastique (11) permettant l'inclinaison par rapport à l'axe vertical comme le ferait une rotule. Le cône fixe à base elliptique (12) guide et oriente dans le plan horizontal la batterie au cours de son levage. Pour cela la batterie (2) reprend en creux la forme conique (14) du guidage (12). Le socle isolant du connecteur femelle (15) est fixé concentrique dans la batterie (2) avec des contacts (16) couverts par un cache en anneau (17) poussé verticalement par le ressort (18) de telle sorte qu'il soit repoussé vers le bas par le connecteur mâle (20) au moment de la connexion. Le joint (19) assure l'étanchéité de la connexion qui peut être à une tension relativement élevée. La partie fixe reçoit le connecteur mâle (20) avec ses contacts (21) positif et négatif du bus courant continu (22) du véhicule. Les contacts pour le bus dédié aux informations ne sont pas représentés mais construits sur le même principe dans des dimentions plus réduites. En option, le connecteur femelle (20) peut être dégagé vers le haut en tournant la poignée (24) d'une came (23) concentrique manoeuvrable en cas d'urgence ou pour l'entretien du véhicule. D'une manière générale, les fins de course, la préhension et la surveillance du bon fonctionnement est assurée par le contrôle de la signature de l'intensité du moteur (6). La figure 4 représente en coupe verticale le dispositif d'accrochage et de décrochage de la batterie au bout de la tige de vérin (9). Le système est semblable à un mécanisme de stylo à bille rétractable. Un palpeur (25) vient appuyer sur le fond (26) de la batterie en comprimant le ressort (27) jusqu'à mettre en contact les deux cames (28) et (29) provoquant la rotation du palpeur (25) d'un demi pas. A chaque pression, donc à chaque demi pas, le palpeur (25) repose alternativement sur le haut ou sur le bas de la came (70), eux aussi décalés d'un demi pas. Le palpeur (25) pousse radialernent au minimum 3 billes (30) en appui soit sur son grand diamètre soit sur son petit diamètre. En appui sur le petit diamètre, la tête (13) passe au travers de l'alésage (31) aménagé dans la batterie alors qu'elle ne passe plus en appui sur le grand diamètre. Il en résulte qu'après chaque pression du palpeur (25) sur le fond (26) la tête de préhension (13) alterne accrochage et décrochage de la batterie. Le bon accrochage est contrôlé par l'intensité moteur. Au début du levage, l'horizontalité de la batterie est maintenue par la faible hauteur relative du décollement par rapport à ses dimensions et par le jeu limité entre l'alésage (31) et la tête de vérin (13). L'orientation est maintenue par le frottement résiduel au sol et par le frottement des billes (30) sur l'épaulement de l'alésage (31) augmenté par sa conicité. Au cas où les dimensions de la batterie seraient insuffisantes, un dispositif optionnel d'accompagnement est décrit ci-dessous.

La figure 5 représente en coupe verticale C-C le dispositif selon l'invention, batterie en place, connexion électrique établie. En fin de course, le connecteur mâle (20) a repoussé le cache isolant (17) du connecteur femelle pour établir le contact électrique entre les bornes (21) et (16). Le joint (19) finalise l'étanchéité du connecteur. La came (23), manoeuvrée par la poignée (24) depuis l'habitacle, permet en tirant sur les boulons (71) de remonter le connecteur mâle (20) et de déconnecter les contacts (21) et (16). Ce système permet d'isoler la batterie en cas d'urgence ou de maintenance du véhicule.

La figure 6 représente en coupe verticale C-C le dispositif de verrouillage (4) de la batterie (2) en place selon l'invention. La batterie (2) est énergiquement bloquée en position par au minimum 3 doigts coniques (33) poussés par les ressorts (34) des verrous (4) liés au châssis du véhicule. A la dépose, les doigts (33) sont repoussés par les électroaimants (35) auxquels on ajoute des détecteurs de position afin de s'assurer de la sécurité du verrouillage selon des techniques connues. Les dispositifs de verrouillage disposent de leurs propres guidages (36) et (37) si possible pour les coins de la batterie. Un amortisseur (38) en élastomère maintient un effort minimal pour éviter chocs et vibrations. Des capots escamotés par la batterie peuvent venir couvrir ces dispositifs si le véhicule doit circuler sans sa batterie. La figure 7 représente une vue latérale du dispositif selon l'invention, les deux demi capots venant couvrir et protéger le système de levage et de connexion après la dépose de la batterie. Les deux demi capots (39) et (40) sont articulés autour des axes (41) et (42) et poussés l'un contre l'autre ainsi que sur la face d'appui du joint (19) par les ressorts (43) et (44). Deux câbles (45) et (46) sont reliés à l'arrière de la tige de vérin qui dans son mouvement vertical entraine les demi capots (39) et (40) en rotation. Les câbles (45) et (46) sont mis en tension par les ressorts (47) et (48) de manière à absorber l'excès de course de la tige du vérin. Des butées réglables (63) et (64) limitent la course de l'extrémité des ressorts (47) et (48) de manière à provoquer un début d'ouverture des demi capots (39) et (40) en dominant l'effort contraire des ressorts (43) et (44). La batterie assure en suite elle-même la pleine ouverture des demis capots (39) et (40) par escamotage. La figure 8 représente en coupe C-C le système d'accompagnement de la batterie pour la maintenir approximativement horizontale pendant son levage. Les butées réglables (63) et (64) sont réglées de manière à ce qu'un des demi capots (39) ou (40) entre en contact avec la face supérieure de la batterie (2) quand ils se sont ouverts à environ 60° et que la batterie ne s'est soulevée que de quelques centimètres comme représenté sur la figure. Les capots (39) et (40) sont ensuite entrainés à l'ouverture par la batterie (2) elle-même, au cours de son levage. Pour assurer l'horizontalité, les demi capots (39) et (40) sont synchronisés par un système de chaîne, d'engrenages, ou autre.... ici une câble (67) en anneau fermé croisé entraînant les tambours (68) et (69) des deux demi capots (39) et (40). Du fait de la synchronisation, les actions des 2 ressorts (43) et (44) se conjuguent pour rétablir l'horizontalité de la batterie.

La figure 9 représente en coupe verticale C-C le système selon l'invention dans sa fonction de connecteur automatique pour forte intensité. Le connecteur femelle (49) reproduit l'ensemble des arrangements en coopération de la batterie du système précédent. Cependant les bornes de la batterie sont remplacées par deux câbles d'alimentation (50) et (51) qui circulent dans la galerie (60) du connecteur femelle (49) pour ressortir latéralement vers un chargeur non représenté en formant un S dans le plan vertical. Une forme conique (61), aménagée dans le sol, ou dans un support dédié, reçoit le connecteur femelle (49) au repos sous l'action de rappel d'un ressort de traction (62) ou d'un contre poids. Les deux câbles (50) et (51) rejoignent une goulotte (63) creusée dans le sol de manière à ce que le connecteur femelle (49) et les câbles (50) et (51) soient le plus possible noyés afin qu'ils soient un obstacle minimal à la circulation des véhicules. Nota : Les deux demi capots (39) et (40) restent en protection pendant la connexion. Le dispositif reste similaire en inversant les fonctions mâle et femelle des connecteurs.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif embarqué de pose et de dépose de la batterie amovible d'un véhicule 5 électrique ou hybride caractérisé en ce qu'il associe : - des moyens d'aide au stationnement et au positionnement du véhicule, - un vérin électrique oscillant fixé au châssis du véhicule et centré sur la verticale du centre de gravité de la batterie, - une tête de préhension alternant accrochage et décrochage de la batterie à 10 chaque poussée sur la tige du vérin, - un cône à base elliptique pour le guidage de la batterie, fixé concentrique au vérin, - un connecteur électrique mâle pour les connexions entre la batterie et le véhicule, fixé concentrique au vérin, 15 - au moins trois verrous pour le verrouillage de la batterie une fois en place, - tous les arrangements en coopération sur la batterie.
2. Dispositif embarqué de connecteur automatique pour la recharge à forte intensité 20 de véhicule électrique ou hybride caractérisé en ce qu'il associe : - des moyens d'aide au stationnement et au positionnement du véhicule, - un vérin électrique oscillant fixé au châssis du véhicule, - une tête de préhension alternant accrochage et décrochage du connecteur électrique femelle à chaque poussée sur la tige du vérin, 25 - un cône à base elliptique, pour le guidage du connecteur femelle, fixé concentrique au vérin, - un connecteur électrique mâle pour les connexions entre le chargeur et le véhicule, fixé concentrique au vérin. - tous les arrangements en coopération sur le connecteur femelle. 30
3. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le connecteur électrique comprenne un connecteur mâle concentrique aménagé à la base du cône fixe de guidage et un connecteur femelle concentrique aménagé sur le hautdu cône de guidage de la batterie de manière à ce que la connexion se fasse à la fin son guidage et de sa mise en place.
4. 5 Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le connecteur intègre un coupe-circuit pour isoler la batterie en cas d'urgence ou de maintenance, fixé concentrique au vérin.
5. 10 Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les contacts du connecteur femelle, coté batterie, sont recouverts et protégés par un cache isolant concentrique seulement repoussé par une forme adaptée du connecteur mâle lors de la connexion pour interdire l'accès aux bornes de la batterie une fois déposée.
6. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la batterie est verrouillée par au minimum 3 verrous électromagnétiques à manque de courant en fin de mise en place.
7. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le dispositif embarqué soit protégé des salissures par deux demi capots articulés actionnés ou escamotés par la batterie elle-même dans ses mouvements ou/et par une liaison mécanique avec l'arrière de la tige du vérin. 25
8. Dispositif selon les revendications 1 et 7 caractérisé en ce que les demi capots maintiennent la batterie dans un plan sensiblement horizontal pendant ses mouvements. 30
9. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la manoeuvre est commandée par un bouton à maintien de pression situé dans l'habitacle du véhicule.
10. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le connecteur femelle et ses câbles associés reposent dans un cône et une goulotte creusés dans le sol de 5 manière à être le plus possible noyés et être un obstacle minimal à la circulation des véhicules.