FR3041488A1 - Dispositif de stockage d'energie cineto-chimique - Google Patents

Abstract

Dispositif de stockage d'énergie cinéto-chimique qui comprend une batterie rechargeable montée à rotation autour d'un axe, un rotor solidaire de la batterie et un stator. Le rotor et le stator forment une machine électrique réversible. Le rotor est alimenté par la batterie de façon réversible.

Description

Dispositif de stockage d'énergie cinéto-chimique L'invention concerne un dispositif de stockage d'énergie cinéto-chimique. En particulier, le dispositif comprend une batterie mobile dont l'énergie chimique peut être récupérée sous forme d'énergie électrique et dont l'énergie mécanique peut également être récupérée sous forme d'énergie mécanique ou d'énergie électrique.

La recherche d'économies d'énergie en particulier la réduction de consommation d'hydrocarbures et d'émission de gaz polluants et de gaz à effet de serre conduit à mettre au point des solutions de stockage réversible de l'énergie à poste fixe ou embarqué dans un véhicule. A poste fixe, si les contraintes d'encombrement et de masse sont souvent moins sévères, les exigences de disponibilité, de rendement, de fiabilité et de quantité d'énergie stockée sont élevées. Dans un système embarqué, en particulier à bord d'une voiture, les contraintes d'encombrement et de masse sont sévères et les contraintes de temps de réaction le sont également. Pour les véhicules, les solutions de stockage d'énergie à air comprimé n'ont pas dépassé le stade de l'industrialisation en raison d'un rendement faible. Les batteries peuvent être de type Ni-Cd, nickel métal, hydrocarbure, lithium-ion, lithium-ion polymère, zinc-air ou à sel fondu. Toutefois, l'autonomie offerte aux véhicules par les batteries est faible alors que les batteries sont relativement lourdes et à temps de recharge long. D'un autre point de vue, les volants d'inertie sont connus pour régulariser le couple de différents types de moteur, actuellement les moteurs à combustion interne. Dans un moteur de voiture, un volant d'inertie est en général monté sur l'arbre de sortie du moteur. Un tel volant d'inertie ajoute une contrainte d'encombrement diamétrale significative au moteur.

Une batterie électromécanique a été proposée dans laquelle la masse de la batterie est mise à profit pour former la masse rotative du volant d'inertie. Toutefois, ce dispositif nécessite un joint électrique tournant qui limite la vitesse de rotation du volant d'inertie alors qu'une vitesse de rotation élevée est souhaitable pour stocker une grande quantité d'énergie mécanique. Les demandeurs ont identifié un besoin d'améliorer la quantité d'énergie stockée rapportée à la masse et le temps de réponse.

Dans un mode de réalisation, le dispositif de stockage d’énergie cinéto-chimique, comprend une batterie rechargeable montée à rotation autour d’un axe, un rotor solidaire de la batterie et un stator, le rotor et le stator formant une machine électrique réversible, le rotor étant alimenté par la batterie de façon réversible.

Dans un mode de réalisation, le rotor est supporté par des paliers magnétiques et le rotor et la batterie sont disposés dans une enceinte à pression inférieure à la pression atmosphérique. Les pertes sont réduites.

Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un étage d’alimentation bidirectionnelle, disposé entre le rotor et la batterie. L’étage d’alimentation peut être solidaire en rotation du rotor. On évite de recourir à un joint tournant de puissance. L’inertie est accrue. Les pertes et le risque de pannes sont réduits.

Dans un mode de réalisation, ledit étage d’alimentation est commandé à distance par un organe de commande non tournant avec liaison de communication préférentiellement optique ou inductive. La fiabilité est accrue.

Dans un mode de réalisation, la batterie est de technologie Li-ion.

Dans un mode de réalisation, l’axe est horizontal et perpendiculaire à un sens d’avancement normal d’un véhicule dans lequel le dispositif est insérable, de façon qu’un virage du véhicule provoque par effet gyroscopique un appui sur la roue intérieure, le rotor étant tournant. La tenue de route est améliorée. Il est possible de simplifier les liaisons au sol, par exemple de supprimer la barre anti-roulis.

Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un organe de commande configuré pour solliciter l’énergie cinétique du rotor avant de solliciter la batterie. La durée de vie de la batterie est accrue. L’énergie massique de la batterie est améliorée.

Dans un mode de réalisation, la machine électrique est pas à pas. La vitesse peut être gérée finement.

Dans un mode de réalisation, le stator de la machine électrique est tournant pour l’entraînement des roues d’un véhicule, le stator étant configuré pour liaison à un organe de transmission de puissance aux roues, le stator étant disposé à l’intérieur du rotor.

Dans un mode de réalisation, le dispositif est prévu avec une vitesse nominale faible de l'ordre de 3 000 à 5 000 tours par minute générant des contraintes relativement faibles d'où la mise en œuvre de matériaux couramment utilisés dans la construction automobile, notamment d'acier. La faible vitesse de rotation peut être compensée par un rayon significatif augmentant l'inertie du volant d'inertie. Les contraintes appliquées à la batterie restent modérées. Le dispositif est bien adapté à une assistance au démarrage et au freinage pour des véhicules urbains et des véhicules de livraison effectuant des arrêts fréquents.

Dans un deuxième mode de réalisation, plus particulièrement destiné aux véhicules particuliers, le dispositif est conçu avec une vitesse nominale élevée de l'ordre d'au moins 20 000, préférablement au moins 30 000 tours par minute offrant un stockage d'énergie élevé y compris avec un rayon plus faible que dans le mode précédent. Le dispositif de stockage peut alors assurer une assistance dans des conditions variées de conduite, notamment en récupération dans les descentes et en fourniture d'énergie dans les côtes. Ce mode est également adapté à des camions, autobus et véhicules ferroviaires.

La mise en œuvre de la machine électrique réversible avec le rotor solidaire de la batterie et alimentée de façon réversible par la batterie permet de réduire les joints tournants électriques au minimum tout en bénéficiant de la masse de la batterie pour le stockage d'énergie mécanique et de son aptitude intrinsèque au stockage d'énergie chimique. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés : - la figure 1 illustre de façon schématique un premier mode de réalisation ; - la figure 2 illustre de façon schématique un deuxième mode de réalisation ; - la figure 3 illustre de façon schématique un troisième mode de réalisation ; - la figure 4 illustre un mode de réalisation du refroidissement ; - la figure 5 est une vue schématique d’un véhicule équipé d’un dispositif de stockage selon un mode de réalisation; et - la figure 6 est un schéma logique de fonctionnement de l'unité de commande.

Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.

Un stockage d'énergie devant être rendue rapidement sous sa forme électrique est généralement réalisé sous forme électrochimique dans des batteries d'accumulateurs, sous forme électrique dans des condensateurs notamment des super-condensateurs, ou sous forme mécanique dans un volant d'inertie relié à une machine électrique se comportant soit en moteur, soit en génératrice selon la phase de fonctionnement du système de stockage.

Les performances de ces systèmes sont appréciées par plusieurs paramètres, l'énergie rapportée à la masse, l'énergie rapportée au volume, la puissance instantanée délivrable, etc.. Ainsi, les batteries sont capables de stocker et de conserver l'énergie emmagasinée pendant une durée élevée avec une perte très faible. En outre, les systèmes de stockage à volant d'inertie sont intéressants en ce que leur usure dans le temps est quasi inexistante, ils ne polluent pas et en fin de vie, leur éventuel recyclage ne demande pas de moyens chimiques contrairement aux batteries d'accumulateur, par exemple dont le recyclage en fin de vie suppose des moyens industriels importants. Les super-condensateurs sont capables de délivrer une puissance très élevée mais sont inaptes à la conservation de l'énergie pendant une durée même moyenne.

Les volants d'inertie stockent l'énergie cinétique de rotation. Leur aptitude à une conservation longue dépend de la réduction des frottements aérodynamiques et des frottements mécaniques des paliers sur lesquels reposent le volant d'inertie et la machine électrique associée. Les volants d'inertie les plus performants tournent dans des enceintes sous vide et reposent sur des paliers magnétiques d'où une aptitude à une durée de stockage comparable à celle des batteries. En outre, le délai d'inversion du sens du courant dans une batterie, de la charge vers la décharge ou à l'inverse de la décharge vers la charge, est significatif. Ce délai ne correspond aux besoins de la conduite, en particulier en zone urbaine ou en compétition automobile, qui nécessite un basculement rapide de l'accélération vers la décélération et l'inverse. Les demandeurs se sont rendu compte que la durée de commutation qui s'apparente à une inversion du sens de fonctionnement était un facteur important. En effet, les batteries ne peuvent pas voir le courant s'inverser rapidement car la réaction chimique nécessite une certaine durée pour passer d'un sens à l'autre, d'un état de charge à un état de décharge électrique. Les super-condensateurs et les volants d'inertie peuvent supporter des inversions de puissance (inversion de l'état charge/décharge) rapides.

Par ailleurs, un inconvénient des batteries pour une utilisation dans des véhicules est leur masse. Une voiture électrique emporte une masse de batterie généralement comprise entre 200 et 400 kg, masse qui s'avère relativement constante de 1995 à 2014 en dépit des évolutions technologiques. Au cours de cette même période, l'autonomie des véhicules électriques a légèrement progressé en passant de 75 à environ 150 km. La densité massique des batteries Cd-Ni des années 1990 était inférieure à 60 Watt.heure par kilo tandis que les batteries des années 2010 de technologie Li-ion ou Li-polymère se situaient aux alentours de 80 Watt.heure par kilo. Enfin, un facteur significatif mais où les progrès sont lents est la consommation d'énergie en fonction de la distance, en général exprimée en watt.heure par kilomètre. Cette consommation s'avère en baisse lente de 1 à 2 pour cent par an depuis une vingtaine d'années.

De l’analyse qu’ils ont mené, les demandeurs ont déduit que les changements de technologie des batteries ne permettaient pas de progrès suffisants pour généraliser l'utilisation de véhicules électriques.

Les demandeurs ont alors recherché des solutions d'ordre différent afin d'offrir des performances permettant d'augmenter significativement l'utilisation réaliste de véhicules à stockage et motorisation électriques. .

Les super-condensateurs permettent de répondre à un besoin de réversibilité rapide en conduite urbaine mais ne permettent pas d'augmenter significativement l'autonomie du véhicule. US 2010/143771 propose une batterie rotative à refroidissement par air de telle sorte que la masse tournante de la batterie contribue à la masse du volant d'inertie. En d'autres termes, la batterie est à la fois un stockage d'énergie cinétique et un stockage d'énergie chimique. La partie tournante est supportée par des roulements à billes et reliée à un moteur électrique par un réducteur. Toutefois, les volants d'inertie stockent une quantité d'énergie en fonction du carré de la vitesse de rotation. Or, cette technologie nécessite un joint tournant permettant de transférer un courant électrique de la batterie tournante vers l'extérieur ou l'inverse. Les joints tournants limitent la vitesse de rotation et présentent par ailleurs des fragilités intrinsèques.

Les demandeurs ont alors mis au point un dispositif de stockage d'énergie cinéto-chimique dans lequel une batterie rechargeable est montée à rotation et associée mécaniquement et électriquement à un rotor de machine électrique. Le rotor et un stator forment la machine électrique. Le rotor et la batterie étant assemblés au sein d'un même ensemble mécanique tournant. L'énergie électrique peut être dirigée du rotor vers la batterie ou de la batterie vers le rotor selon le sens de fonctionnement. On réduit considérablement le risque de panne en raison de la défaillance d'un joint tournant. Par ailleurs, les commandes à transmettre au rotor peuvent être effectuées par voie optique particulièrement fiable et pratiquement indépendante de la vitesse de rotation. Le stator peut être stationnaire par rapport au châssis du véhicule ou tournant, lié en rotation aux roues motrices du véhicule.

Par ailleurs, les demandeurs ont cherché à améliorer significativement le refroidissement. Dans le cas d'une enceinte à pression réduite par rapport à la pression atmosphérique contenant le volant d'inertie et les batteries, le refroidissement des batteries devient d'autant plus difficile que la pression est faible. La circulation de gaz, en général de l'air, contenu dans l'enceinte assure un refroidissement d'autant plus faible que la pression est faible. Les demandeurs ont mis au point un système de refroidissement amélioré, le transfert thermique étant radiatif. En d'autres termes, un transfert d'énergie sans contact est assuré entre d'une part, une zone d'émission solidaire du rotor et une zone de réception qui peut être non tournante. La zone de réception peut être un corps noir. La zone d'émission peut comprendre un module à effet Peltier alimenté par la batterie. La zone de réception peut également comprendre un module à effet Peltier. La zone de réception peut comprendre un échangeur à fluide caloporteur.

Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, le dispositif de stockage d'énergie cinéto-chimique référencé 1 dans son ensemble comprend un ensemble batterie 2, un système de gestion de batteries 5 et un rotor de machine électrique 6. L'ensemble batterie 2, le système de gestion de batteries 5 et le rotor de machine électrique 6 sont montés sur un arbre 16 commun. L’ensemble batterie 2 comprend au moins une batterie, par exemple de technologie Li-ion. La machine électrique peut être pas à pas.

Le rotor de machine électrique 6 coopère électriquement avec un stator de machine électrique 7 stationnaire. L'ensemble batterie 2, le système de gestion de batteries 5 et le rotor de machine électrique 6 sont supportés par des paliers magnétiques 8. Les paliers magnétiques sont disposés sur l'arbre 16. L'un des paliers magnétiques 8 repose sur le stator de machine électrique 7. L'autre palier magnétique 8 repose sur un support stationnaire. Le terme « stationnaire » est ici utilisé dans un sens relatif. Dans le mode de réalisation représenté, les paliers magnétiques 8 sont montés à l'une et à l'autre extrémité de la partie tournante formée par l'ensemble batterie 2, le système de gestion de batteries 5 et le rotor de machine électrique 6.

Le rotor de machine électrique 6 présente une surface extérieure 6a disposée en regard d'une surface intérieure 7a du stator de machine électrique 7. L’entrefer est, ici radial. Dans une alternative permettant d'optimiser l'inertie, le montage est inversé avec un rotor de machine électrique 6 entourant le stator de machine électrique 7. L'ensemble batterie 2 et le système de gestion de batteries 5 sont, ici, séparés par un espace permettant de faciliter le refroidissement de l'ensemble batterie 2. Des liaisons électriques 3 sont montées entre l'ensemble batterie 2 et le système de gestion de batteries 5. Des liaisons électriques 4 sont montées entre le système de gestion de batteries 5 et le rotor de machine électrique 6. Le système de gestion de batteries 5 forme interface électrique entre l'ensemble batterie 2 et le rotor de machine électrique 6.

Ainsi, dans un premier mode de fonctionnement de l'ensemble batterie, l'ensemble batterie 2 se décharge et alimente le rotor de machine électrique 6 par l'intermédiaire du système de gestion de batteries 5, ce qui permet d'augmenter la vitesse de rotation de la partie tournante formée par l'ensemble batterie 2, le système de gestion de batteries 5 et le rotor de machine électrique 6 ou de fournir de l’énergie à l’extérieur du dispositif de stockage 1.

Dans un deuxième mode de fonctionnement de l'ensemble batterie, l'ensemble batterie 2 est en charge. La partie tournante formée par l'ensemble batterie 2, le système de gestion de batteries 5 et le rotor de machine électrique 6 ralentit, fournissant de l'énergie électrique à l'ensemble batterie 2 par l'intermédiaire des liaisons électriques 3 et 4 et du système de gestion de batteries 5 ou à l’extérieur du dispositif de stockage 1. Dans un troisième mode de fonctionnement de l'ensemble batterie, l'ensemble batterie 2 conserve sa charge d'énergie.

La machine électrique formée par le rotor de machine électrique 6 et le stator de machine électrique 7 est en fonctionnement moteur ou en fonctionnement génératrice.

En cas de changement rapide du sens de transfert de l’énergie, la priorité est donnée par une unité de commande 13 à la sollicitation du volant d’inertie.

Ainsi, dans un premier mode de fonctionnement du volant d’inertie, le volant d’inertie est récepteur d’énergie. Sa vitesse de rotation s’accroît. Le volant d’inertie est entraîné par la machine électrique. Ce mode peut correspondre à un freinage d’un véhicule avec récupération d’énergie. Ce mode peut aussi correspondre à une décharge de l'ensemble batterie 2.

Dans un deuxième mode de fonctionnement du volant d’inertie, le volant d’inertie est donneur d’énergie. Sa vitesse de rotation diminue. Le volant d’inertie est freiné par la machine électrique. Ce mode peut correspondre à une accélération d’un véhicule avec récupération d’énergie. Ce mode peut aussi correspondre à une charge de l'ensemble batterie 2. Ce mode peut aussi être simultané à une décharge de l'ensemble batterie 2 en cas de forte sollicitation externe.

Dans un troisième mode de fonctionnement du volant d’inertie, le volant d’inertie est à vitesse constante, le cas échéant nulle.

Le stator de machine électrique 7 est apte à fournir de l'énergie électrique à l'extérieur, par exemple à un moteur, ou à en prélever sur une source. En d’autres termes, il y a trois modes de fonctionnement du volant d’inertie, trois modes de fonctionnement de l'ensemble batterie 2 et trois modes de fonctionnement des organes extérieurs, utilisateur ou fournisseur d’énergie, soit 33 = 27 modes de fonctionnement. On peut éliminer les modes de fonctionnement dans lesquels les organes extérieurs et l’un parmi l'ensemble batterie 2 et le volant d’inertie est au repos, soit en pratique 25 modes de fonctionnement. Bien entendu, l'ensemble batterie 2 peut être en charge depuis une source extérieure telle que le secteur par l’intermédiaire de la machine électrique et du système de gestion de batteries 5. A cet effet, il est en général prévu une machine électrique 9 réversible reliée à une transmission mécanique 10 du véhicule ou plus généralement d'un organe utilisateur d'énergie. La machine électrique 9 est associée à une unité de commande 13 reliée par une liaison électrique 11 au stator de machine électrique 7 et à la machine électrique 9 par une liaison électrique 12. Le stator de machine électrique 7 peut ainsi fournir de l'énergie à la machine électrique 9 ou être alimenté en énergie par la machine électrique 9, selon le mode de fonctionnement. En outre, le système de gestion de batteries 5 est relié à l'unité de commande 13 par une liaison distante 14, par exemple optique ou inductive. L'unité de commande 13 communique avec le système de gestion de batteries 5 en envoyant des ordres et en recevant des états de charge et des mesures de température. L'unité de commande 13 gère le courant, la tension et les fréquences électriques du dispositif de stockage 1 selon le mode de fonctionnement de la machine électrique 9 imposé par l’extérieur. L'unité de commande 13 commande le mode de fonctionnement du volant d’inertie et de l’ensemble batterie 2.

Le dispositif de stockage d'énergie cinéto-chimique 1 offre une excellente conservation de l'énergie cinétique en raison notamment de l'absence de joint tournant et d'engrenage. Le dispositif de stockage d'énergie cinéto-chimique peut ainsi être facilement encapsulé, notamment pour pouvoir fonctionner dans une ambiance à pression réduite. Une pression réduite permet de diminuer les pertes liées à la rotation du volant d'inertie formé par la partie tournante comprenant l'ensemble batterie 2, le système de gestion de batteries 5 et le rotor de machine électrique 6. L'inertie de la partie tournante peut être accrue en disposant des éléments de masse élevée dans les zones les plus éloignées de l'axe de rotation. La transmission à distance des données par la liaison 14 et la transmission d'énergie à distance par la machine électrique formée par le rotor de machine électrique 6 et le stator de machine électrique 7 permettent une fiabilité élevée.

Sur la figure 1, l'unité de commande 13 est reliée électriquement et électroniquement aux différents composants du dispositif. La liaison 14, optique ou inductive, transmet et reçoit des signaux vers ou depuis le système de gestion de batteries 5. L'unité de commande 13 est donc renseignée et peut ainsi agir sur les valeurs suivantes : • tension de la batterie 2 : U2 • intensité délivrée ou reçue de la batterie : 12 • temps pendant lequel la batterie 2 est soumise à tel ou tel fonctionnement : t • tension délivrée ou reçue par le rotor 6 : U6 • fréquence délivrée ou reçue par le rotor 6 : fu6 • intensité délivrée ou reçue par le rotor 6 : ir> • vitesse de rotation du rotor : W6

Le schéma de la figure 6 représente ces liaisons dans le cas de la réalisation illustrée sur la figure 1.

Premier exemple de fonctionnement de l'unité de commande 13 dans le cas de la figure 1 :

Dans ce mode de fonctionnement, on se place dans le cas où la vitesse de rotation W9 de la machine 9 est inférieure à la vitesse de rotation souhaitée. C'est par exemple le cas d'un véhicule en phase de démarrage ou d'accélération. L'unité de commande 13 reçoit de l'utilisateur une valeur W9c souhaitée et la compare à la vitesse mesurée W9.

Les deux vitesses peuvent être traduites sous forme numérique et l'unité de commande traduit cette différence en faisant référence à un programme mémorisé qui prévoit les différents modes de fonctionnement. Le programme prévoit, dans un mode de réalisation, deux cas : a. L'énergie supplémentaire peut être apportée en utilisant l'énergie cinétique stockée de par la rotation de l'ensemble fixé sur l'axe 16. A cet effet, l'unité de commande 13 va transmettre au système de gestion des batteries 5 l'ordre d'alimenter le rotor 6 en énergie électrique (u6, fÙ6, if,) de telle sorte que l'ensemble rotor 6 et stator 7 se comporte en génératrice et alimente via la liaison électrique 11 et via l'unité de commande 13, la machine électrique 9 qui se comporte alors en moteur. b. L'énergie électrique supplémentaire peut également être apportée directement par la batterie 2. La délivrance d'une tension U2, une intensité 12 par la batterie 2 vers le rotor 6 permettent à l'ensemble rotor 6 et stator 7 de se comporter en transformateur. Un cas limite de fonctionnement est possible lorsque la vitesse de rotation de l'axe 16 est nulle. Le système de gestion des batteries 5 comporte une électronique de puissance capable de transformer un courant continu en courant alternatif de fréquence variable et vice versa.

Deuxième exemple de fonctionnement de l'unité de commande 13 dans le cas de la figure 1 :

Dans ce mode de fonctionnement, on se place dans le cas où la machine électrique 9 et son utilisation mécanique 10 (organe utilisateur d'énergie) tournent à une vitesse plus élevée que la vitesse souhaitée (cas par exemple d'un véhicule en phase de freinage ou de ralentissement ou d'un véhicule dont on souhaite réguler la vitesse sur une rampe descendante). L'unité de commande 13 est en mesure de recevoir une énergie électrique de la machine 9 sous forme d'une tension U9, une fréquence fÙ9 et une intensité 19. L'unité de commande 13 reçoit également la vitesse de rotation W9. Selon un programme mémorisé, l'unité de commande 13 analyse l'état de charge des deux composants susceptibles de stocker de l'énergie électrique : l'ensemble cinétique fixé sur l'axe 16 et la batterie 2.

Selon le programme, si on suppose par exemple qu'à cet instant la batterie 2 est totalement chargée et ne peut donc recevoir une énergie supplémentaire, le système de gestion de batterie 5 indiquera cet état à l'unité de commande 13 et l'énergie électrique issue de la machine 9 sera orientée vers le stator 7 tandis que le système de gestion de batterie 5 fournira depuis la batterie 2 vers le rotor 7 les tension U7, fréquence fu7 et intensité 17 telles que l'ensemble rotor 6 et stator 7 se comporte en moteur, accélérant ainsi la vitesse de rotation des éléments fixés sur l'axe 16.

Selon le programme, si à cet instant, il s'avère que la vitesse de rotation des éléments fixés sur l'axe 16 a atteint une valeur limite de fonctionnement, l'énergie électrique est orientée vers la batterie 2. La liaison 11 reçoit et transmet les indications sur l'état du stator 7 sous forme de tension U7, fréquence fu7 et intensité 17. La liaison 12 reçoit et transmet les indications sur l'état de la machine électrique 9 sous forme de tension U9 fréquence fu9, intensité 19 et vitesse de rotation W9.

Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, l'organisation générale du dispositif de stockage d'énergie cinéto-chimique 1 est semblable à celui du mode de réalisation à ceci près que le stator de machine électrique 7 est rotatif. Vu en coupe axiale, le stator de machine électrique 7 présente une forme de U. Le stator de machine électrique 7 entoure le rotor de machine électrique 6, notamment par deux flasques 7b et 7c radiaux. Les flasques 7b et 7c délimitent la surface intérieure 7a. Les flasques 7b et 7c sont de forme annulaire. Les flasques 7b et 7c se prolongent par un rebord 7d, 7e vers l'arbre 16. Chaque rebord 7d, 7e est fixé à un palier magnétique 15. Le stator de machine électrique 7 délimite un espace annulaire cylindrique dans lequel est disposé le rotor de machine électrique 6. L'entrefer est, ici, radial.

Le stator de machine électrique 7 est monté sur des paliers magnétiques 15 eux-mêmes montés sur l'arbre 16 de la partie tournante formée par l'ensemble batterie 2, le système de gestion de batteries 5 et le rotor de machine électrique 6. Alternativement, le stator de machine électrique 7 rotatif peut être monté en rotation par rapport à un organe stationnaire.

Le stator de machine électrique 7 peut être à aimants permanents. Le stator de machine électrique 7 est prévu pour entraîner mécaniquement de façon réversible une transmission 18, par exemple reliée aux roues 17 du véhicule ou à un autre organe consommateur/foumisseur d'énergie. Les paliers magnétiques 8 reposent sur des supports stationnaires. Les modes de fonctionnement sont les mêmes que dans le mode de réalisation de la figure 1.

Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, le stator de machine électrique 7 est remplacé par deux stators de machine électrique 7 et 19. Chaque stator de machine électrique 7, 19 présente la forme d'une moitié du stator de mode de réalisation de la figure 2. Chaque stator de machine électrique 7, 19 est lié à une transmission mécanique 18, 21, par exemple liée à une roue 17, 20 d’un véhicule. Les stators de machine électrique 7 et 19 peuvent être symétriques par rapport à un plan perpendiculaire à l’axe de rotation. Ce mode est réalisation permet de se passer des différentiels mécaniques d'où un gain de masse significatif sur le véhicule. Ce mode est réalisation permet de commander individuellement la vitesse de chaque roue, d’où une meilleure tenue de route et une traction améliorée. Les modes de fonctionnement sont les mêmes que dans le mode de réalisation de la figure 1 à ceci près de quelques situations où l’un des stators est consommateur d’énergie et l’autre stator est fournisseur d’énergie.

Cas du fonctionnement de l'unité de commande dans les exemples de réalisations illustrés sur les figures 2 et 3 :

On notera l'absence de liaison électrique dans les stators tournants 7 (figure 2) et 7 et 19 (figure 3).

Vis-à-vis de la charge mécanique - roues 17, ou roues 17 et 20, - ces stators sont perçus de manière statique. C'est pourquoi électriquement, vis-à-vis des rotors 6, on peut effectivement les considérer comme des stators.

Lesdits stators peuvent comporter soit des aimants permanents, soit des dispositifs recevant des courants induits comparables à des moteurs à cage d'écureuil ou des pôles magnétiques équipés de bobinages qui reçoivent eux-mêmes les courants induits, transformant ainsi les différents pôles en aimants en fonction de la rotation et des intensité, tension et fréquence appliquées sur le rotor 6.

Les modes de fonctionnement de l'unité de commande 13 (figures 2 et 3) sont identiques aux modes de fonctionnement de l'unité de commande 13 décrits plus haut à ceci près que l'unité de commande 13 ne peut pas appliquer directement une consigne électrique, un courant ou une tension sur les stators 7 (figure 2) ou 7 et 19 (figure 3).

Selon un programme type de référence pour la gestion des modes "génératrice" ou "moteur" des machines électriques, le système de gestion des batteries 5 fournit auxdites machines électriques les valeurs de tension U6, fréquence fu6, intensité ie (dans l'un ou l'autre sens selon que l'on fonctionne en moteur ou en génératrice) afin de retrouver les modes de gestion de l'énergie souhaitée dans les différents cas de fonctionnement toutefois simplifiés du fait que le stator est désormais tournant. On retrouvera donc identiquement à la figure 1 : o un mode accélération où la batterie 2 fournit au rotor 6 les valeurs électriques de telle sorte que la machine électrique correspondante se comporte en moteur et qu'elle réduise la vitesse de rotation des composants fixés sur l'axe 16. Dans ce mode, selon la quantité d'énergie électrique prélevée sur la batterie 2, on peut ajouter les quantités énergétiques issues du ralentissement de la rotation de l'axe 16 et l'énergie provenant de la batterie 2 au profit de l'accélération de l'utilisation mécanique, par les roues 17 ou les roues 17 et 20. o un mode freinage où la batterie 2 fournit au rotor 6 les valeurs électriques de telle sorte que la machine électrique correspondante se comporte en génératrice. Le couple de réaction permettant l'augmentation de la vitesse de rotation de l'axe 16 et l'énergie récupérée dans le rotor 6 permettant éventuellement en complément la recharge de la batterie 2.

Sur la figure 4 est illustré un mode de réalisation du refroidissement. En effet, les demandeurs ont identifié un problème lié au refroidissement des batteries. Le refroidissement de batteries stationnaires était antérieurement effectué par circulation d'air ou d'un liquide caloporteur.

Sur la figure 4, une portion du dispositif de stockage cinéto-chimique 1 a été représentée. En effet, le refroidissement s'adresse en premier lieu à l'ensemble batterie 2. L'ensemble batterie 2 est équipé d'un circuit à circulation de fluide caloporteur 21, plus particulièrement de liquide caloporteur. Le circuit caloporteur 21 comprend une pompe 22. Le circuit caloporteur 21 peut être associé à des pièces solides caloporteuses 23, par exemple des lames métalliques, en particulier des lames à base de cuivre ou d’aluminium. Les pièces solides caloporteuses 23 peuvent être disposées dans les zones de grand diamètre de l'ensemble batterie 2 afin de bénéficier de l'évacuation de la chaleur y compris dans des zones diamétrales soumises à une forte accélération centrifuge. En effet, dans de telles zones, la présence d'un fluide caloporteur peut présenter des difficultés, par exemple en raison des risques de fuite induits par les pressions ponctuellement élevées dans le circuit caloporteur 21.

Le circuit caloporteur 21 comprend une zone d'évacuation de l'énergie 24 située à distance de l'ensemble batterie 2. La zone d'évacuation d'énergie 24 présente une dimension radiale suffisante en regard d'une paroi radiale de l'enceinte 25 dans laquelle est enfermé l'ensemble batterie 2. La zone d'évacuation d'énergie 24 est disposée à une distance faible par rapport à la paroi radiale de l'enceinte 25, par exemple inférieure à 1 mm. L'enceinte est munie d’ailettes de refroidissement 26 vers l’extérieur en direction opposée à la zone d'évacuation d'énergie 24.

Sur la figure 5 est illustré un mode de réalisation d’un dispositif de stockage d’énergie cinéto-chimique embarqué sur véhicule. Le véhicule 30 comprend un châssis 31 supportant le dispositif de stockage 1. Le véhicule 30 comprend une pluralité de roues assurant la liaison sol-châssis. Le sens d’avancement normal ou marche avant du véhicule est indiqué par une flèche. Le dispositif de stockage 1 comprend une partie tournante comme vu ci-avant. La partie tournante a un axe de rotation perpendiculaire à la direction d’avancement normal. Ledit axe de rotation est transversal. Ledit axe de rotation est horizontal en conditions normales sur sol horizontal. Le sens de rotation de la partie tournante est horaire en vue de droite, cf figure 5. Le sens de rotation de la partie tournante est identique au sens de rotation des roues du véhicule en marche avant. Un virage du véhicule provoque par effet gyroscopique un appui sur la roue intérieure, le rotor étant tournant.

Sur la figure 6 est illustré un mode de fonctionnement d’un dispositif de stockage d’énergie cinéto-chimique embarqué sur véhicule.

La liaison 14 transmet à l’unité de commande 13 un signal de synthèse des informations caractérisant la charge du système : • charge chimique de l’ensemble batterie 2 (tension U2, courant 12, temps t), et • charge cinétique de la partie tournante ou volant d’inertie W6. La liaison 14 peut également transmettre les données de tension rotorique U6, de courant rotorique ie et de fréquence fÜ6 de la tension rotorique U6.

Le système de gestion des batteries 5 gère les énergies électriques entre l’ensemble batterie 2 et le rotor 6. L’unité de commande 13 reçoit les données de tension statorique U7, de courant statorique 17 et de fréquence fu7 de la tension statorique U7 et les données de tension U9, de courant 19, de vitesse de rotation W9 et de fréquence fu9 de la tension statorique U9 de la machine électrique 9 ainsi que la consigne W9c.

Cette gestion peut être modulée en fonction du signal transmis par 1 ’ unité de commande 13 via la liaison 14. L’unité de commande 13 gère l’énergie électrique entre la machine électrique 9 et le stator 7. En fonction du besoin affiché en vitesse de rotation W9C soit une consigne, l’unité de commande 13 fait varier la relation entre le stator 7 et la machine électrique 9. L’unité de commande 13 transmet au système de gestion des batteries 5 les informations nécessaires pour exploiter les énergies chimiques et cinétiques des organes 2 et 6.

Claims (9)

1. Revendications

   1. Dispositif de stockage d’énergie cinéto-chimique (1), comprenant une batterie (2) rechargeable montée à rotation autour d’un axe, un rotor (6) solidaire de la batterie et un stator (7), le rotor et le stator formant une machine électrique réversible, le rotor (6) étant alimenté par la batterie (2) de façon réversible.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le rotor est supporté par des paliers magnétiques et le rotor (6) et la batterie (2) sont disposés dans une enceinte (25) à pression inférieure à la pression atmosphérique.
3. 3. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant un étage d’alimentation bidirectionnelle (5), disposé entre le rotor (6) et la batterie (2), ledit étage d’alimentation étant solidaire en rotation du rotor (6).
4. 4. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel ledit étage d’alimentation (5) est commandé à distance par un organe de commande (13) non tournant avec liaison de communication, préférentiellement optique ou inductive.
5. 5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la batterie (2) est de technologie Li-ion.
6. 6. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’axe est horizontal et perpendiculaire à un sens d’avancement normal d’un véhicule (30) dans lequel le dispositif est insérable, de façon qu’un virage du véhicule provoque par effet gyroscopique un appui sur la roue intérieure, le rotor (6) étant tournant.
7. 7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant un organe de commande (13) configuré pour solliciter l’énergie cinétique du rotor (6) avant de solliciter la batterie (2).
8. 8. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique est pas à pas.
9. 9. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le stator de la machine électrique est tournant pour l’entraînement des roues d’un véhicule, le stator (7) étant configuré pour liaison à un organe de transmission de puissance aux roues, le stator étant disposé à l’intérieur du rotor (6).