FR3159351A1 - Dispositif de stockage d’énergie pour un véhicule comprenant un réservoir et une batterie électrochimique - Google Patents

Dispositif de stockage d’énergie pour un véhicule comprenant un réservoir et une batterie électrochimique

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Panagiotis CHRISTOU
Laurent Grenier
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Renault SAS
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Abstract

Dispositif de stockage d’énergie pour un véhicule comprenant un réservoir et une batterie électrochimique Dispositif de stockage d’énergie (2) pour un véhicule (1) automobile, comprenant :- un ensemble de cellules électrochimiques (21), - un réservoir (3, 3’) destiné à stocker un fluide énergétique, et - un carter (30) destiné à être fixé à un châssis (31) du véhicule, le carter supportant l’ensemble des cellules électrochimiques et le réservoir. Figure pour l’abrégé : figure 2

Description

Dispositif de stockage d’énergie pour un véhicule comprenant un réservoir et une batterie électrochimique Domaine Technique de l'invention
L’invention concerne un dispositif de stockage d’énergie pour un véhicule comprenant un réservoir destiné à stocker un fluide énergétique, notamment de l'hydrogène, et une batterie électrochimique. L’invention porte également sur un véhicule, notamment un véhicule automobile, comprenant un tel dispositif de stockage d’énergie.
 Etat de la technique antérieure
Afin de rendre l'utilisation des véhicules moins polluante, on connaît des véhicules équipés d'une pile à combustible alimentée en énergie par de l'hydrogène. Ces véhicules embarquent donc un réservoir dans lequel de l'hydrogène est stocké avant d'être consommé par la pile à combustible. La pile à combustible fournit de l'énergie électrique qui peut être consommée directement par un moteur électrique pour faire avancer le véhicule, ou bien stockée dans une batterie électrochimique embarquée dans le véhicule. La batterie électrochimique peut donc être rechargée au moyen de la pile à combustible. En complément, la batterie électrochimique peut aussi être configurée pour être rechargée via un réseau de distribution d'électricité. De tels véhicules comprennent deux moyens de stockage d'énergie formés d'une part par le réservoir d'hydrogène, et d'autre part par la batterie électrochimique.
La pression de l'hydrogène dans le réservoir peut être très importante, par exemple de l'ordre de 700 Bar. Le réservoir doit donc être particulièrement résistant aux contraintes mécaniques exercées par l'hydrogène sous pression. De plus, l'hydrogène est un gaz hautement inflammable qui provoque des risques d'incendie en cas de fuite. Les réservoirs d'hydrogène doivent donc aussi être résistants aux chocs, de manière à garantir la sécurité des passagers en cas d'accident du véhicule. Les réservoirs connus de l'état de la technique prennent généralement la forme d'une ou plusieurs bonbonnes embarquées dans le véhicule. De telles bonbonnes sont particulièrement encombrantes et complexes à intégrer au sein du véhicule.
D’autre part, les batteries électrochimiques destinées à alimenter un moteur électrique sont des réserves d'énergie également dangereuses. En cas d'endommagement, elles peuvent s'enflammer et/ou provoquer des électrisations ou électrocutions. Une batterie électrochimique comprend classiquement un ensemble de cellules électrochimiques agencées dans un carter supportant et protégeant les cellules électrochimiques de l’environnement extérieur. Le carter protège les autres organes du véhicule de tout risque de contact avec des conducteurs électriques de la batterie électrochimique et prévient l’échappement de gaz en cas de dysfonctionnement d’une cellule électrochimique. Une batterie électrochimique est également un dispositif très volumineux et complexe à intégrer au sein du véhicule. La batterie électrochimique s’étend généralement au niveau d’un plancher du véhicule.
Ainsi, les véhicules connus de l’état de la technique qui comprennent à la fois un réservoir pour un fluide énergétique et une batterie électrochimique pour alimenter un moteur électrique présentent un mauvais compromis entre autonomie, espace disponible pour les passagers ou pour le rangement d'objets, et taille du véhicule.
 Présentation de l'invention
Le but de l’invention est de fournir un dispositif de stockage d’énergie pour un véhicule remédiant aux inconvénients ci-dessus et améliorant les dispositifs de stockage d’énergie connus de l’art antérieur.
Plus précisément, un premier objet de l’invention est de fournir un dispositif de stockage d’énergie comprenant un réservoir et d'une batterie électrochimique qui soit peu volumineux et qui offre une sécurité optimale pour les utilisateurs du véhicule.
L’invention se rapporte à un dispositif de stockage d’énergie pour un véhicule automobile, le dispositif de stockage d’énergie comprenant :
- un ensemble de cellules électrochimiques,
- un réservoir destiné à stocker un fluide énergétique, et
- un carter destiné à être fixé à un châssis du véhicule, le carter supportant l’ensemble des cellules électrochimiques et le réservoir.
Le carter peut comprendre un cadre s’étendant latéralement autour des cellules électrochimiques et du réservoir.
Le cadre peut être formé par une série d’éléments profilés fixés, notamment soudés, les uns à la suite des autres.
Le carter peut comprendre en outre:
- des pattes de fixation adaptées pour la fixation du dispositif de stockage d’énergie au châssis du véhicule, et/ou
- des absorbeurs de choc aptes à absorber l’énergie d’un choc en cas de collision du véhicule contre un obstacle.
Le réservoir peut comprendre une collerette entourant au moins partiellement le réservoir, et le réservoir peut être fixé au carter par l’intermédiaire de sa collerette.
Le réservoir peut comprendre une structure rigide constituée d’un matériau composite, et la collerette peut être ancrée dans le matériau composite.
Le réservoir peut comprendre au moins une première paire de parois opposées reliées l'une à l'autre par un premier ensemble d'éléments de liaison, traversant le réservoir et s'étendant parallèlement à un premier axe, le réservoir comprenant au moins une interface de fixation agencée à une extrémité d'au moins un élément de liaison, la collerette étant fixée au réservoir par l’intermédiaire de l’au moins une interface de fixation.
La collerette peut être fixée contre une face supérieure du cadre ou contre une face inférieure du cadre.
L’invention se rapporte également à un véhicule, notamment un véhicule automobile, comprenant un châssis et un dispositif de stockage d’énergie tel que défini précédemment, le carter du dispositif de stockage d’énergie étant fixé au châssis.
L’invention se rapporte également à un procédé de conception d’un dispositif de stockage d’énergie tel que défini précédemment, le procédé comprenant:
- l’identification d’un dispositif de stockage d’énergie existant comprenant un carter et un ensemble de cellules électrochimiques supportées par ledit carter, puis
- l’enlèvement d’une partie des cellules électrochimiques dudit ensemble de cellules électrochimiques, puis
- la conception d’un réservoir destiné à stocker un fluide énergétique, le réservoir comprenant une forme géométrique adaptée pour que le réservoir occupe la place libérée par l’enlèvement de ladite partie des cellules électrochimiques.
Présentation des figures
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
LaFIG. 1est une vue schématique de profil d'un véhicule automobile équipé d’un dispositif de stockage d’énergie selon un mode de réalisation de l'invention.
LaFIG. 2est une en perspective d’un premier mode de réalisation d’un réservoir du dispositif de stockage d’énergie.
LaFIG. 3est une vue partielle et en perspective du réservoir selon le premier mode de réalisation.
LaFIG. 4est une vue partielle et en transparence du réservoir selon le premier mode de réalisation.
LaFIG. 5est une vue en coupe d'une interface de fixation du réservoir selon le premier mode de réalisation.
LaFIG. 6est une vue en perspective d’un deuxième mode de réalisation d’un réservoir du dispositif de stockage d’énergie.
LaFIG. 7est une vue en perspective d’un dispositif de stockage d’énergie selon un mode de réalisation de l'invention.
LaFIG. 8est une vue en perspective de dessus du dispositif de stockage d’énergie de laFIG. 7, un réservoir du dispositif de stockage d’énergie étant masqué.
LaFIG. 9est une vue en perspective de dessous du dispositif de stockage d’énergie de laFIG. 7, le réservoir du dispositif de stockage d’énergie étant masqué.
LaFIG. 10est une vue de côté du dispositif de stockage d’énergie de laFIG. 7.
 Description détaillée
LaFIG. 1illustre schématiquement un véhicule 1 automobile selon un mode de réalisation de l'invention. Le véhicule 1 peut être, par exemple, un véhicule particulier ou un véhicule utilitaire. En variante, il pourrait être un camion, un bus, un engin de levage, un engin agricole ou même tout autre type de véhicule terrestre. L'invention peut également être adaptée à un aéronef ou à un bateau.
Dans ce document, l’axe X désigne l’axe longitudinal du véhicule 1. En marche avant et en ligne droite, le véhicule 1 progresse de l’arrière vers l’avant selon une direction parallèle à son axe longitudinal. L’axe X est orienté de l’avant vers l’arrière du véhicule, c’est-à-dire dans le sens de la marche arrière. L’axe Y désigne l’axe transversal du véhicule. L’axe Y est orienté de la gauche vers la droite, la gauche et la droite étant définies selon le point de vue d’un conducteur du véhicule 1. L’axe Z désigne l’axe perpendiculaire à l’axe X et à l’axe Y. On considère que le véhicule 1 repose sur un sol horizontal. L’axe Z est un axe vertical, orienté de bas en haut. Les axes X, Y et Z forment un repère orthogonal. Ce repère défini en relation au véhicule 1 pourra être utilisé pour décrire un dispositif de stockage d’énergie 2 du véhicule 1, même considéré en dehors du véhicule, puisque le réservoir est destiné à être intégré dans le véhicule selon une orientation particulière.
Le véhicule 1 est équipé d'un dispositif de stockage d’énergie 2 selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif de stockage d’énergie 2 comprend un réservoir 3, 3’ et une batterie électrochimique 4. Le véhicule 1 comprend également une pile à combustible 5 apte à transformer de l'hydrogène en un courant électrique, et un moteur électrique 6 alimenté en énergie par un courant électrique issu de la pile à combustible 5. Le moteur électrique 6 est configuré pour entraîner des roues motrices du véhicule 1. Le véhicule 1 comprend en outre un châssis 31 supportant entre autres le dispositif de stockage d’énergie 2, la pile à combustible 5 et le moteur électrique 6.
Les figures 2 et 6 illustrent respectivement un premier mode de réalisation du réservoir 3 et un deuxième mode de réalisation du réservoir 3’. Lorsque cela est possible, les mêmes références sont utilisées pour décrire les mêmes caractéristiques du réservoir 3 et du réservoir 3’.
Selon les modes de réalisation illustrés, le réservoir 3, 3’ est destiné à stocker de l'hydrogène ou plus précisément du dihydrogène. Selon d'autres variantes, le réservoir 3, 3’ pourrait être configuré pour stocker d'autres formes de gaz énergétiques, par exemple du gaz de pétrole liquéfié ou du gaz naturel. Le réservoir pourrait même être destiné à stocker un carburant liquide tel que de l'essence, du gazole ou encore de l'éthanol. Dans une telle hypothèse, le véhicule pourrait comprendre un moteur à combustion apte à transformer l’énergie du fluide énergétique en force électromotrice.
D’une manière générale, le réservoir 3, 3’ est destiné à contenir un fluide énergétique, c’est-à-dire un fluide formant une réserve d'énergie fluide, convertible en une force électromotrice apte à déplacer le véhicule. Le réservoir est donc un organe du véhicule 1 qui lui confère une certaine autonomie. Le réservoir comprend notamment une ouverture d'entrée permettant de remplir le réservoir avec un fluide énergétique et une ouverture de sortie pour délivrer puis consommer le fluide énergétique contenu dans le réservoir.
Le réservoir 3, 3’ est destiné à stocker le fluide énergétique sous pression, c’est-à-dire à une pression strictement supérieure à la pression atmosphérique. En l'espèce, le réservoir est destiné à stocker le fluide énergétique, notamment de l'hydrogène, à une pression supérieure ou égale à 700 Bar. En variante, le réservoir pourrait être destiné à stocker le fluide énergétique à une pression différente, par exemple une pression supérieure ou égale à 300 Bar, ou 500 Bar, ou 1000 Bar, ou encore toute autre valeur. Le réservoir comprend ainsi une structure rigide apte à supporter les efforts exercés par le fluide sous pression qu'il contient, c’est-à-dire des efforts centrifuges agissant depuis l'intérieur du réservoir et qui tendent à le faire éclater.
En outre, le réservoir 3, 3’ peut avoir une contenance supérieure ou égale à 50 litres, de préférence supérieure ou égale à 100 litres, voire supérieure ou égale à 150 litres. Un réservoir de 100 litres permet de stocker environ 4 kg d'hydrogène à 700 Bar, ce qui confère une autonomie de l'ordre de 300 km à un véhicule automobile.
La structure du réservoir 3, 3’ est également apte à supporter des chocs importants, notamment des chocs se produisant en cas d'accident du véhicule 1, sans générer de fuite du fluide énergétique vers l'extérieur. Les données d'accidentologie et/ou des simulations et/ou des crash test permettent de dimensionner la structure, notamment des épaisseurs de parois requises, de sorte qu'aucune fuite de fluide énergétique ne se produise, même pour les accidents les plus violents.
Avantageusement, le réservoir 3,3’ dont la grande résistance est nécessaire pour supporter des pressions élevées du fluide énergétique qu'il contient ainsi que pour garantir la sécurité des passagers du véhicule 1 en cas d'accident, peut être mis à profit pour rigidifier le dispositif de stockage d’énergie 2, et plus généralement pour rigidifier la structure du véhicule. Le réservoir est apte à supporter le poids exercé par d'autres équipements du véhicule, et fournit également un support permettant de fixer ces équipements.
Le réservoir 3, 3’ est apte à supporter des charges qui peuvent atteindre au moins cent kilogrammes, voire plusieurs centaines de kilogrammes. Ces charges peuvent être des charges statiques comme celles qui sont exercées par le poids d'équipements tels que des sièges du véhicule et/ou le poids des passagers du véhicule. Ces charges peuvent également être des charges dynamiques comme celles qui apparaissent dans des situations particulières comme lors d'un choc contre le véhicule. Ces différentes charges statiques ou dynamiques peuvent exercer des efforts de compression ou de cisaillement sur le réservoir. Ces efforts sont donc orientés dans une direction différente des efforts centrifuges exercés par le fluide énergétique sous pression à l'intérieur du réservoir. Avantageusement, la résistance du réservoir nécessaire pour résister à la pression exercée par le fluide énergétique qu'il contient est donc aussi utilisée pour supporter des charges qui s'exercent dans des directions différentes.
Le réservoir 3, 3’ dont il est question dans l’invention est typiquement un réservoir structurel polymorphe réalisé en matériaux composites à partir d’un procédé de tissage analogue à celui qui est présenté dans le document FR 2 888 915 A1. Ce réservoir comprend des puits de renforcement internes qui traversent le volume intérieur du réservoir et qui relient deux à deux des parois opposées du réservoir 3 de façon à les arrimer ensemble. Cette structure et cet agencement assurent un maintien mécanique du réservoir adapté à recevoir des gaz à forte pression, en particulier pour contenir de l’hydrogène. Le réservoir étant rigide, il est de ce fait utilisé comme élément structurel du véhicule, en complément des éléments de structure classiques du soubassement du véhicule.
Le réservoir 3, 3’ comprend typiquement une forme grossièrement parallélépipédique. Dans cet exemple de réalisation il comprend trois paires de parois opposées. Une première paire de parois opposées est composée d'une paroi avant 7A et d'une paroi arrière 7B. Les parois 7A et 7B s'étendent sensiblement parallèlement aux axes Y et Z. Une deuxième paire de parois opposées est composée d'une paroi latérale gauche 8A et d'une paroi latéral droite 8B. Les parois 8A et 8B s'étendent sensiblement parallèlement aux axes X et Z. Une troisième paire de parois opposées est composée d'une paroi supérieure 9A et d'une paroi inférieure 9B. Les parois 9A et 9B s'étendent sensiblement parallèlement aux axes X et Y. En variante, toute autre forme du réservoir pourrait être envisagée.
Le réservoir 3, 3’ est agencé en partie arrière du véhicule 1, notamment au niveau d’une partie arrière d’un soubassement du véhicule. Le réservoir 3, 3’ s’étend notamment sous une rangée de sièges arrière du véhicule et/ou sous un coffre du véhicule, voire jusqu'au niveau d'un parechoc arrière du véhicule. Le réservoir peut ainsi être destiné à supporter la charge exercée par les sièges arrière et l'ensemble des objets rangés dans le coffre du véhicule.
La paroi supérieure 9A peut comprendre des renfoncements 10 destinés à recevoir l'assise de sièges du véhicule, de sorte que les passagers assis sur ces sièges ne soient pas installés trop haut. Entre les renfoncements 10, la paroi supérieure 9A comprend une nervure centrale 11 en saillie qui permet d’augmenter le volume du réservoir sans pénaliser le confort des passagers installés sur les sièges au-dessus du réservoir.
Avantageusement, le réservoir 3, 3’ comprend également un dispositif anti sous-marinage 12. Un tel dispositif forme une butée empêchant l'assise des sièges au-dessus du réservoir de glisser vers l'avant en cas d'accident. Le dispositif anti sous-marinage 12 est formé par une proéminence s'étendant vers l'avant et vers le haut devant les renfoncements 10. Le dispositif anti sous-marinage 12 peut comprendre une forme profilée selon l'axe Y et/ou s'étendre sur toute la largeur du réservoir selon l'axe Y. Outre l'amélioration de la sécurité des passagers, l'intégration du dispositif anti sous-marinage 12 au réservoir permet d'augmenter le volume du réservoir et donc d'augmenter sa capacité de stockage en fluide énergétique.
Le réservoir 3, 3’ peut être isolé de l’habitacle par un simple élément de protection, par exemple en plastique, qui recouvre le réservoir. Aucun élément structurel ne doit être intégré entre le réservoir 3, 3’ et les sièges du véhicule au-dessus du réservoir puisque ce dernier possède la résistance suffisante pour supporter le poids des sièges et des passagers assis sur ces sièges.
Le réservoir 3, 3’ peut également fournir un support pour la fixation d'un dispositif de sécurité. Le dispositif de sécurité vise à protéger les passagers du véhicule en cas d'accident. En particulier, le dispositif de sécurité peut comprendre une ceinture de sécurité et/ou un dispositif selon la norme ISO 13216-1:1999, plus couramment dénommé système « Isofix ». Ces dispositifs de sécurité peuvent être fixés à la paroi supérieure 9A du réservoir.
Avantageusement, la structure du réservoir 3, 3’ est en matériau composite. Un tel matériau est plus léger que l'acier et même que tout autre métal pour une résistance équivalente. De plus, les procédés de fabrication de composant en matériau composite permettent de réaliser des structures avec une grande diversité de formes géométriques. Des formes de structure plus complexes que celles obtenues en métal peuvent ainsi être envisagées de manière à exploiter tout volume disponible du véhicule et ainsi augmenter la contenance du réservoir. Des formes plus complexes de réservoir peuvent en particulier être préconisées lorsque les réservoirs sont destinés à stocker un gaz sous pression plutôt qu'un liquide car, contrairement à un liquide, le gaz ne présente pas de risque de rétention dans le réservoir.
Le matériau composite peut comprendre une structure drapée ou préformée, et/ou des matériaux tissés et/ou tressés et imprégnés de résine. Le matériau composite peut être constitué à base d'éléments de renforcement et d'une matrice. Les éléments de renforcement peuvent comprendre des fibres de carbone ou de verre, qui sont des matériaux légers, ou encore du Kevlar (marque déposée) qui présente une plus grande résistance aux chocs. La matrice peut être une matrice organique, par exemple de la résine époxyde, de la résine phénolique ou un polyester modifié. La matrice peut également être une matrice métallique.
Les figures 3 et 4 illustrent en vue de perspective la structure du réservoir 3 selon le premier mode de réalisation. Les parois 7A et 7B sont reliées l'une à l'autre par un premier ensemble d'éléments de liaison 51 s'étendant parallèlement à l'axe X. Ces éléments de liaisons forment des puits internes traversant le volume intérieur du réservoir et arrimant deux parois opposées l’une à l’autre et travaillant essentiellement en traction de façon à rigidifier la structure du réservoir. De même, les parois 8A et 8B sont reliées l'une à l'autre par un deuxième ensemble d'éléments de liaison 52 s'étendant parallèlement à l'axe Y et les parois 9A et 9B sont reliées l'une à l'autre par un troisième ensemble d'éléments de liaison 53 s'étendant parallèlement à l'axe Z.
Selon une variante de réalisation, le réservoir 3 pourrait ne comprendre qu'un seul ensemble d'éléments de liaison ou seulement deux ensembles d'éléments de liaison parmi les trois ensembles d'éléments de liaison 51, 52, 53. En variante, tout ou partie des ensembles d'éléments de liaison 51, 52, 53 pourraient s'étendre dans des directions différentes des axes X, Y et Z, pourvu que l'axe selon lequel chacun des ensembles d'éléments de liaison s'étend forme un angle non nul avec l'axe selon lequel les autres ensembles d'éléments de liaison s'étendent. Avantageusement, les trois axes selon lesquels s'étendent les trois ensembles d'éléments de liaison 51, 52 et 53 sont perpendiculaires entre eux de manière à rigidifier le réservoir de manière optimale.
Les éléments de liaison 51, 52, 53 traversent le réservoir 3 de part en part entre deux parois opposées. Les éléments de liaison agissent comme des tirants renforçant la résistance du réservoir : ils sont sollicités en traction lorsque le fluide énergétique contenu dans le réservoir exerce une pression sur les parois 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B. Les éléments de liaison 51, 52, 53 sont agencés à l'intérieur de l'enveloppe du réservoir 3 et non en périphérie de cette enveloppe.
De préférence, chaque élément de liaison 51, 52, 53 est distinct des autres éléments de liaison, c’est-à-dire que les éléments de liaison 51, 52, 53 sont sans contact entre eux ne se touchent pas à l'intérieur du réservoir. Ainsi, le réservoir 3 n'est pas compartimenté et le fluide énergétique peut circuler facilement à l'intérieur du réservoir 3.
Les éléments de liaison 51, 52, 53 sont creux. Notamment, les éléments de liaison, que l'on pourrait également dénommer "puits de renfort", peuvent être des tubes lorsqu'ils présentent une section circulaire. Toutefois, la section des éléments de liaison n'est pas nécessairement circulaire. Par exemple, la section des éléments de liaison pourrait aussi être carrée, rectangulaire, polygonale ou ovoïde.
LaFIG. 5illustre plus en détail un élément de liaison 51, les autres éléments de liaison étant conçus de manière analogue. Chaque élément de liaison 51, 52, 53 comprend une forme tubulaire pourvue d'une face externe 54 et d'une face interne 55. La face externe 54 est tournée vers l'intérieur du réservoir et est donc destinée à être en contact avec le fluide énergétique, tandis que la face interne 55 communique avec l'extérieur du réservoir et est donc destinée à être en contact avec l'air ambiant.
Les éléments de liaison 51, 52, 53 peuvent être constitués de matériau composite ou de métal. Ils peuvent aussi comprendre à la fois un matériau composite et du métal. Ils peuvent notamment comprendre un tube métallique agencé à l'intérieur d'une structure en matériau composite.
La face interne 55 peut être prévue dans un matériau différent de celui formant la structure du réservoir. La face interne 55 peut notamment être équipée d'un tube métallique qui s'étend sur toute la longueur de l'élément de liaison 51, 52, 53 ou seulement au niveau des extrémités des éléments de liaison 51, 52, 53. Le tube métallique peut éventuellement être annelé sur son pourtour extérieur de manière à garantir un bon maintien dans la structure.
Chaque élément de liaison 51, 52, 53 comprend deux extrémités opposées au niveau des deux parois opposées qu'il relie. En raison du caractère creux des éléments de liaison 51, 52, 53, le réservoir 3 comprend, pour chaque élément de liaison, une ouverture 56 traversant le réservoir de part en part. Ces ouvertures 56 ne communiquent pas avec le volume de stockage de fluide énergétique. Ces ouvertures 56 ne sont donc pas utiles pour délivrer un fluide énergétique, notamment pour délivrer de l'hydrogène sous pression à la pile à combustible 5.
En revanche, les ouvertures 56 peuvent être utilisées pour le passage de fils électriques et/ou de conduits hydrauliques. On peut ainsi économiser l'espace prévu à l'extérieur du réservoir pour le passage de ces fils électriques et/ou de ces conduits hydrauliques tout en leur offrant un moyen de maintien en position. Les ouvertures 56 peuvent également être utilisées pour permettre l'évacuation d'un liquide hors du véhicule, voire pour réaliser des aérations visant à refroidir ou à réchauffer l'habitacle. Les ouvertures 56 peuvent aussi être utilisées pour fixer différents équipements du véhicule.
A cet effet, le réservoir 3 peut comprendre un ensemble d'interfaces de fixation 57, chacune agencée à une extrémité d'au moins un élément de liaison 51, 52, 53, notamment agencée dans une extrémité d'une ouverture 56. Comme illustré sur laFIG. 5, tout ou partie des interfaces de fixation 57 peut comprendre un insert destiné à coopérer avec une vis de fixation 58, par exemple une vis de fixation de type M8 ou M10. L'insert peut être formé dans le tube métallique équipant la face interne 55 des éléments de liaison ou être un élément additionnel emmanché contre la face interne 55 des éléments de liaison, par exemple une cheville en plastique. L'insert peut par exemple comprendre une longueur comprise entre 20mm et 60mm inclus. L'insert peut être taraudé ou non taraudé. L'insert fourni ainsi un moyen de fixation s'étendant profondément dans le volume du réservoir. Un tel moyen de fixation est particulièrement robuste et permet d'envisager la fixation de charges importantes.
Chaque interface de fixation 57 permet de fixer un équipement du véhicule contre une paroi du réservoir 3. Une interface de fixation 57 peut être agencée à l'extrémité de l'ouverture 56 située du côté de la paroi contre laquelle l'équipement est fixé. Alternativement, une interface de fixation 57 pourrait aussi être agencée à l'extrémité de l'ouverture 56 située du côté opposé de la paroi contre laquelle l'équipement est fixé. Dans ce cas, un axe ou un câble reliant l'interface de fixation 57 à l'équipement pourrait s'étendre à l'intérieur de l'ouverture 56 le long de celle-ci. Un tel agencement permettrait par exemple de prévoir des interfaces de fixation au niveau de la paroi inférieure 9B pour fixer des équipements contre la paroi supérieure 9A, ce qui faciliterait les opérations d'assemblage du véhicule ou de maintenance.
Avantageusement, de telles interfaces de fixation 57 peuvent être prévues aux extrémités de chaque ouverture 56 du réservoir 3. Chaque élément de liaison 51, 52, 53 peut ainsi supporter deux interfaces de fixation 57 agencées sur deux faces opposées du réservoir. Le réservoir peut ainsi être pourvu d'une multitude d'interfaces de fixation 57 permettant de fixer divers équipements en des positions très variées.
Un même équipement peut même être fixé au réservoir 3 en utilisant deux interfaces de fixations ou même davantage, de manière à bien sécuriser sa fixation. Un même équipement peut aussi facilement être fixé en des positions différentes du réservoir, sans devoir être modifié.
Un même réservoir 3 peut aussi être facilement réutilisé pour différents modèles de véhicule car la multitude d'interfaces de fixation fournit de nombreuses possibilités pour fixer des équipements.
Les ouvertures 56 qui ne sont pas destinées à fixer un équipement du véhicule peuvent être bouchées avec un moyen d'obturation de manière à éviter l'accumulation de boue, sable, terre, cailloux ou toutes autres particules. En particulier, les ouvertures 56 inutilisées peuvent être obturées avec des bouchons individuels ou avec un film entourant l'ensemble du réservoir ou tout autre dispositif de protection. Les ouvertures 56 inutilisées peuvent éventuellement être utilisées au cours de la vie du véhicule par exemple pour fixer un nouvel équipement ou un nouvel accessoire.
Avantageusement, les éléments de liaison 51, 52, 53 sont répartis selon un pas régulier, par exemple un pas compris entre 5 cm et 30 cm inclus, notamment entre 10cm et 20 cm inclus. Par conséquent, les interfaces de fixation 57 sont réparties sur les parois du réservoir selon un pas régulier. Les interfaces de fixation 57 sont ainsi agencées selon un quadrillage en surface du réservoir 3. Ceci facilite encore la réutilisation d'un même réservoir et d'un même équipement pour différents modèles de véhicule car ce même équipement peut être fixé en plusieurs endroit du réservoir sans nécessiter de pièce d'adaptation. Le réservoir forme ainsi une structure modulaire, sur laquelle de nombreux équipements peuvent être fixés. L'invention permet donc d'envisager une grande liberté de conception des véhicules automobiles tout en réalisant des économies d'échelle.
Selon le deuxième mode de réalisation, le réservoir 3’ est dépourvu d’éléments de liaison tel que décrits précédemment. La résistance du réservoir 3’ peut alors être conférée par l’épaisseur de ses parois, et éventuellement par l’ajouts d’autres inserts de renfort.
D’une manière générale, le réservoir 3, 3’ est positionné à l’arrière de la batterie électrochimique 4. La paroi avant 7A du réservoir fait face à la une paroi arrière de la batterie électrochimique 4
La batterie électrochimique 4 peut être configurée pour délivrer un courant électrique continu dont la tension est environ égale à 400V, ou éventuellement 800V. La batterie électrochimique 4 peut être rechargée par un courant électrique issu de la pile à combustible 5 et/ou par une connexion à un réseau de distribution d'électricité. Le moteur électrique 6 peut ainsi être alimenté en énergie par un courant électrique issu de la batterie électrochimique 4. Le réservoir 3, 3’ associé à la pile à combustible 5 peut ainsi faire fonction de prolongateur d'autonomie du véhicule, lorsque la batterie électrochimique 4 est déchargée.
La batterie électrochimique 4 comprend un ensemble de cellules électrochimiques 21, par exemple de type lithium-ion. Les cellules électrochimiques 21 sont reliées électriquement entre elles, par exemple en série et/ou en parallèle. Les cellules électrochimiques 21 peuvent être regroupées dans des modules électrochimiques. Chaque module électrochimique comprend ainsi plusieurs cellules électrochimiques 21. La batterie électrochimique 4 peut comprendre par exemple entre deux et vingt modules électrochimiques. Les modules électrochimiques sont de préférences répartis sur un même étage. La batterie électrochimique 4 présente ainsi une hauteur selon l’axe Z qui est relativement restreinte, ce qui permet d’intégrer la batterie électrochimique 4 dans le soubassement du véhicule. Les modules électrochimiques peuvent être séparés les uns des autres par des cloisons de séparation. La batterie électrochimique 4 comprend aussi un dispositif de refroidissement. Le dispositif de refroidissement peut comprendre une plaque de refroidissement, qui s’étend sous les modules électrochimiques pour les refroidir. Enfin, la batterie électrochimique 4 peut aussi comprendre un contrôleur électronique et des conducteurs électriques, notamment pour relier la batterie électrochimique 4 au moteur électrique 6.
Les différents composants d’une batterie électrochimique 4 sont classiquement supportés par un carter. Selon l’invention, et comme cela est également représenté sur les figures 7 à 10, le carter habituellement utilisé pour maintenir les cellules électrochimiques 21 est utilisé pour supporter également le réservoir 3, 3’ décrit précédemment. Par conséquent, le réservoir 3, 3’ peut s’intégrer en lieu et place d’une partie des cellules électrochimique 21. Le dispositif de stockage d’énergie 2 comprend donc un carter 30 supportant l’ensemble des cellules électrochimiques 21, ainsi que le réservoir 3, 3’. Le carter 30 est fixé au châssis 31 du véhicule.
Le châssis 31 est une partie de la caisse du véhicule, c’est-à-dire une structure rigide, de préférence en acier, qui supporte l’ensemble des organes du véhicule, parmi lesquels la pile à combustible 5, le moteur électrique 6, mais également un habitacle, une carrosserie ou encore un train roulant du véhicule.
Plus précisément, le carter 30 comprend un cadre 32 s’étendant latéralement autour des cellules électrochimiques 21 et du réservoir 3, 3’. Le cadre 32 forme ainsi une ceinture qui entoure les cellules électrochimiques 21 et le réservoir 3, 3’ à l’avant, à l’arrière, et le long de leurs côtés droit et gauche.
Le carter 30 est fixé au châssis 31 par l’intermédiaire du cadre 32. A cet effet, le carter 30 comprend des pattes de fixation 33 réparties autour du cadre 32. Les pattes de fixation 33 peuvent comprendre des trous coopérant avec des vis de fixation. Les pattes de fixation 33 peuvent être soudées au cadre 32.
Le carter 30 comprend également une plaque inférieure 34 fixée au cadre 32. La plaque inférieure 34 supporte l’ensemble des cellules électrochimiques 21. La plaque inférieure 34 s’étend sensiblement horizontalement sous les cellules électrochimiques 21 et se trouve de préférence en métal, par exemple en aluminium. La plaque de refroidissement précédemment décrite s’étend de préférence entre la plaque inférieure 34 et les cellules électrochimiques 21. La plaque inférieure 34 permet de protéger les cellules électrochimiques des chocs et/ou des projections orientés de bas en haut. Elle permet également de protéger les conducteurs électriques de la batterie électrochimique de tout contact indésirable. Comme cela est visible sur laFIG. 9, la plaque inférieure 34 ne s’étend pas sous le réservoir 3, 3’. En effet, le réservoir 3, 3’ comprend déjà une enveloppe étanche et résistante aux chocs. Les dimensions de la plaque inférieure 34 peuvent donc être limitées aux dimensions du volume occupé par les cellules électrochimiques 21. Le réservoir 3, 3’ peut néanmoins être protégé contre l’abrasion par un élément de protection plus léger, par exemple une plaque en plastique. La paroi inférieure 9B du réservoir 3, 3’ peut s’étendre plus bas que la plaque inférieure 34 de manière à augmenter la capacité du réservoir.
Le carter 30 comprend également une plaque supérieure 35 fixée au cadre 32. La plaque supérieure 35 s’étend sensiblement horizontalement au-dessus des cellules électrochimiques 21 et se trouve de préférence en métal, par exemple en aluminium. La plaque supérieure 35 protège les cellules électrochimiques 21 contre les projections orientées de haut en bas, notamment de l’eau de ruissellement, et protège également les conducteurs électriques de la batterie électrochimique de tout contact indésirable. Comme cela est visible sur laFIG. 8, la plaque supérieure 35 ne s’étend pas au-dessus du réservoir 3, 3’. Les dimensions de la plaque supérieure 35 peuvent donc être limitées aux dimensions du volume occupés par les cellules électrochimiques 21. La paroi supérieure 9A du réservoir 3, 3’ peut s’étendre plus haut que la plaque supérieure 35 de manière à augmenter la capacité du réservoir 3, 3’.
Avantageusement, le cadre 32 est formé par une série d’éléments profilés 36 fixés les uns à la suite des autres. Chaque élément profilé 36 est rectiligne et s’étend horizontalement. Chaque élément profilé 36 possède une section constante le long de la direction dans laquelle il s’étend. Cette section présente de préférence une forme rectangulaire avec un petit côté horizontal et un grand côté vertical. Les éléments profilés sont de préférence en aluminium, ce qui offre un très bon compromis entre légèreté et rigidité. Les différents éléments profilés 36 sont de préférence soudés les uns à la suite des autres. Ainsi la jonction entre les éléments profilés 36 est étanche.
La cadre 32 comprend grossièrement une forme rectangulaire. Le cadre 32 peut néanmoins être un plus étroit en partie arrière, à hauteur du réservoir 3, 3’. L’étroiture du cadre en partie arrière peut être utile pour aménager des passages de roue du véhicule.
Le carter 30 comprend également un séparateur 37 (représenté schématiquement sur laFIG. 1) séparant la batterie électrochimique 4 du réservoir 3, 3’. Le séparateur 37 peut avantageusement se trouver sous la forme d’au moins un élément profilé analogue aux éléments profilés 36 décrits précédemment. Le séparateur 37 peut s’étendre parallèlement à l’axe transversal Y et relier deux éléments profilés 36 formants des cotés latéraux du cadre 32. Le séparateur 37 peut également être soudés à ses deux extrémités aux éléments profilés 36 du cadre 32.
La plaque inférieure 34 est fixée, par exemple vissée, contre une face inférieure des éléments profilés 36 et contre une face inférieure du séparateur 37. De même, la plaque supérieure 35 est fixée, par exemple vissée, contre une face supérieure des éléments profilés 36 et contre une face supérieure du séparateur 37. La plaque inférieure 34, la plaque supérieure 35, les éléments profilés 36 et le séparateur 37 forment ainsi une enveloppe étanche autour des cellules électrochimiques 21.
Le carter 30 s’étend selon l’axe transversal Y sur la largeur du véhicule 1, et est donc exposé à d’éventuels chocs latéraux contre le véhicule. Avantageusement, le carter 30 comprend en outre des absorbeurs de choc 38 aptes à absorber l’énergie d’un choc en cas de collision du véhicule contre un obstacle. Les absorbeurs de chocs 38 sont notamment positionnés le long des côtés gauche et droit du carter 30. Les absorbeurs de chocs 38 s’étendent parallèlement à l’axe longitudinal X. Les absorbeurs de chocs 38 sont fixés, notamment vissés ou soudés, à des éléments profilés 36 latéraux.
Selon un autre aspect intéressant de l’invention, le réservoir 3, 3’ comprend une collerette 41, ou bride 41, entourant au moins partiellement le réservoir. La collerette 41 est configurée pour fixer le réservoir 3, 3’ au carter 30, et en particulier au cadre 32. De préférence, la collerette s’étend tout autour du réservoir 3, 3’. La collerette comprend une partie s’étendant horizontalement par l’intermédiaire de laquelle le réservoir 3, 3’ est fixé au carter 30. Cette partie de la collerette s’étend environ à mi-hauteur du réservoir 3, 3’ selon l’axe vertical Z. Cette partie de la collerette comprend une pluralité de trous de fixation ces trous coopérant avec des vis de fixation visées dans le cadre 32. De préférence, la collerette 41 est en métal, par exemple en acier ou en aluminium.
Selon un mode de réalisation, la collerette 41 est fixée contre une face supérieure du cadre 32, notamment sur une face supérieure d’une partie des éléments profilés 36. La collerette 41 peut également être fixée contre une face supérieure du séparateur 37. Selon ce mode de réalisation, le réservoir 3, 3’ est donc assemblé au cadre 32 en apportant le réservoir par le haut et en le translatant vers le bas. Alternativement, la collerette 41 pourrait aussi être fixée contre une face inférieure du cadre, notamment sur une face inférieure d’une partie des éléments profilés 36, et éventuellement une face inférieure du séparateur 37. Selon ce mode de réalisation, le réservoir 3, 3’ est donc assemblé au cadre 32 en apportant le réservoir par le bas et en le translatant vers le haut.
Selon un premier mode de réalisation, illustré sur laFIG. 2, la collerette 41 est rapportée sur la structure du réservoir 3. La collerette est alors avantageusement fixée au réservoir 3 en utilisant des interfaces de fixation 57 telles que décrites précédemment. Selon ce mode de réalisation, la collerette 41 s’étend donc complètement à l’extérieur de la structure du réservoir 3.
Selon un deuxième mode de réalisation, illustré sur laFIG. 6, la collerette 41 est ancrée dans le matériau composite formant la structure rigide du réservoir 3’. La collerette 41 comprend donc une partie noyée à l’intérieur de la structure du réservoir. La collerette 41 est ainsi intégrée au réservoir lors de la fabrication de la structure en composite du réservoir. En remarque, l’ancrage de la collerette 41 dans la structure rigide du réservoir serait également possible avec le réservoir 3 selon le premier mode de réalisation.
Pour concevoir le dispositif de stockage d’énergie 2 précédemment décrit, on peut adopter le procédé de conception suivant. Tout d’abord, on identifie un batterie électrochimique existante comprenant un carter et un ensemble de cellules électrochimiques supportés par ledit carter. La batterie électrochimique existante peut être par exemple une batterie électrochimique produite en série ou destinée à être produite en série pour un modèle de véhicule donné. Le carter de la batterie électrochimique existante comprend notamment un cadre, une plaque inférieure et une plaque supérieure. Ensuite, on enlève une partie des cellules électrochimiques dudit ensemble de cellules électrochimiques. L’enlèvement d’une partie des cellules électrochimiques permet de libérer de l’espace dans ledit carter. Ensuite, on conçoit un réservoir destiné à stocker un fluide énergétique dont la forme géométrique est adaptée pour occuper la place libérée par la suppression de ladite partie des cellules électrochimiques. Certains composants du dispositif de stockage d’énergie existant peuvent éventuellement être modifiés pour s’adapter à la forme du réservoir. Par exemple, la plaque inférieure et la plaque supérieure du dispositif de stockage d’énergie existant peuvent être réduites de manière à ne couvrir que les cellules électrochimiques, et non le réservoir. Le réservoir peut éventuellement occuper un volume plus important que le volume occupé par les cellules électrochimiques retirées.
En revanche, le cadre du réservoir demeure avantageusement inchangé. Les interfaces de fixation du cadre aux châssis du véhicule peuvent également rester inchangées. Ce procédé de conception peut être mis en œuvre de manière virtuelle sur ordinateur, par exemple au moyen d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO).
Le dispositif de stockage d’énergie 2 peut donc être conçu et fabriqué sans modifier ou en limitant les modifications apportées à un carter de batterie électrochimique initialement destiné à contenir uniquement des cellules électrochimique.
Finalement, grâce à l'invention, on bénéfice d'un véhicule équipé d'un dispositif de stockage d’énergie comprenant une batterie électrochimique et un réservoir pour un fluide énergétique. Le dispositif de stockage d’énergie est particulièrement compact et permet ainsi de conserver un large volume pour les passagers et/ou pour transporter des objets dans le véhicule. Le dispositif de stockage d’énergie est simple à installer puisqu’il peut se loger en lieu et place d’une batterie électrochimique préexistante. La batterie électrochimique et le réservoir peuvent également facilement être démontés, par exemple pour des opérations de maintenance.

Claims (10)

  1. Dispositif de stockage d’énergie (2) pour un véhicule (1) automobile, comprenant :
    - un ensemble de cellules électrochimiques (21),
    - un réservoir (3, 3’) destiné à stocker un fluide énergétique, et
    - un carter (30) destiné à être fixé à un châssis (31) du véhicule, le carter supportant l’ensemble des cellules électrochimiques et le réservoir.
  2. Dispositif de stockage d’énergie (2) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le carter (30) comprend un cadre (32) s’étendant latéralement autour des cellules électrochimiques et du réservoir.
  3. Dispositif de stockage d’énergie (2) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le cadre (32) est formé par une série d’éléments profilés (36) fixés, notamment soudés, les uns à la suite des autres.
  4. Dispositif de stockage d’énergie (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carter (30) comprend en outre:
    - des pattes de fixation (33) adaptées pour la fixation du dispositif de stockage d’énergie au châssis (31) du véhicule, et/ou
    - des absorbeurs de choc (38) aptes à absorber l’énergie d’un choc en cas de collision du véhicule contre un obstacle.
  5. Dispositif de stockage d’énergie (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir (3, 3’) comprend une collerette (41) entourant au moins partiellement le réservoir, et en ce que le réservoir est fixé au carter (30) par l’intermédiaire de sa collerette.
  6. Dispositif de stockage d’énergie (2) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le réservoir comprend une structure rigide constituée d’un matériau composite, et en ce que la collerette (41) est ancrée dans le matériau composite.
  7. Dispositif de stockage d’énergie (2) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réservoir (3) comprend au moins une première paire de parois opposées (7A, 7B) reliées l'une à l'autre par un premier ensemble d'éléments de liaison (51), traversant le réservoir et s'étendant parallèlement à un premier axe (X), le réservoir comprenant au moins une interface de fixation (57) agencée à une extrémité d'au moins un élément de liaison (51, 52, 53), la collerette (41) étant fixée au réservoir par l’intermédiaire de l’au moins une interface de fixation.
  8. Dispositif de stockage énergie (2) selon l’une des revendications 5 à 7 et selon l’une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la collerette (41) est fixée contre une face supérieure du cadre (32) ou contre une face inférieure du cadre.
  9. Véhicule (1), notamment véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un châssis (31) et un dispositif de stockage d’énergie (2) selon l'une des revendications précédentes, le carter (30) du dispositif de stockage d’énergie étant fixé au châssis.
  10. Procédé de conception d’un dispositif de stockage d’énergie (2) selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant :
    - l’identification d’un dispositif de stockage d’énergie existant comprenant un carter et un ensemble de cellules électrochimiques supportées par ledit carter, puis
    - l’enlèvement d’une partie des cellules électrochimiques dudit ensemble de cellules électrochimiques, puis
    - la conception d’un réservoir destiné à stocker un fluide énergétique, le réservoir comprenant une forme géométrique adaptée pour que le réservoir occupe la place libérée par l’enlèvement de ladite partie des cellules électrochimiques.
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