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FR3150149A1 - Compressed air-electricity drive chain, engine kit and vehicle equipped with such a drive chain - Google Patents

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FR3150149A1
FR3150149A1 FR2306372A FR2306372A FR3150149A1 FR 3150149 A1 FR3150149 A1 FR 3150149A1 FR 2306372 A FR2306372 A FR 2306372A FR 2306372 A FR2306372 A FR 2306372A FR 3150149 A1 FR3150149 A1 FR 3150149A1
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FR
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electric motor
relay electrical
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FR2306372A
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Inventor
Pierre Villeneuve
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Individual
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Abstract

L’invention concerne une chaîne motrice hybride air/électricité puissante, avec un fort rendement et une autonomie compatible avec l’usage standard d’un véhicule, quelle que soit la phase de roulage (démarrage ou déplacement en montée, déplacement stabilisé, et freinage ou déplacement en descente). Selon l’invention, la chaîne motrice (100) comprenant un réservoir d’air comprimé (110) relié à un moteur à pistons à air comprimé (120) en prise avec un générateur électrique (130) relié une réserve électrique relais (160) de capacité comprise entre 0,2 et 2,2 Watts-heure par kilo de véhicule à équiper (Wh/kg de véhicule), elle-même reliée au moteur électrique (140) en prise avec l’organe de déplacement 151, 152). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 The invention relates to a powerful hybrid air/electric drive train, with high efficiency and autonomy compatible with the standard use of a vehicle, regardless of the driving phase (starting or moving uphill, stabilized movement, and braking or moving downhill). According to the invention, the drive train (100) comprising a compressed air tank (110) connected to a compressed air piston engine (120) engaged with an electric generator (130) connected to a relay electric reserve (160) with a capacity of between 0.2 and 2.2 Watt-hours per kilo of vehicle to be equipped (Wh/kg of vehicle), itself connected to the electric motor (140) engaged with the movement member 151, 152). Figure for the abstract: Fig. 1

Description

Chaîne motrice air comprimé-électricité, kit moteur et véhicule équipé d’une telle chaîne motriceCompressed air-electricity drive chain, engine kit and vehicle equipped with such a drive chain

La présente invention concerne une chaîne motrice utilisant l’air comprimé et l’électricité.The present invention relates to a drive chain using compressed air and electricity.

L’invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans le domaine de la motorisation de véhicules terrestres (tels que des voitures ou des véhicules utilitaires) ou de véhicules marins (tels que des bateaux).The invention finds a particularly important, although not exclusive, application in the field of the motorization of land vehicles (such as cars or utility vehicles) or marine vehicles (such as boats).

Il existe de nombreuses solutions de chaînes motrices fondées sur des moteurs thermiques, sur des moteurs électriques ou sur une combinaison des deux (appelée chaîne motrice hybride).There are many drive train solutions based on thermal engines, electric motors or a combination of the two (called hybrid drive train).

Les véhicules dits « thermiques » nécessitent l’utilisation de carburant fossile et polluant, ce qui a conduit les autorités de nombreux pays à favoriser d’autres types de chaînes motrices moins polluantes. Leur principal avantage vient de leur autonomie et de la rapidité de recharge du réservoir en carburant.So-called "thermal" vehicles require the use of fossil and polluting fuel, which has led the authorities of many countries to favor other types of less polluting powertrains. Their main advantage comes from their autonomy and the speed at which the fuel tank can be recharged.

Ces véhicules thermiques comprennent toujours une petite batterie permettant le démarrage du moteur thermique et le fonctionnement des équipements électriques du véhicule. Cette batterie est rechargée par un alternateur entraîné par le moteur thermique lorsque celui-ci est en marche. Ce type de batterie est impropre à l’entraînement des roues et ne fait donc pas partie de la chaîne motrice. Ce type de batterie ne concerne donc pas l’invention.These thermal vehicles always include a small battery allowing the thermal engine to start and the electrical equipment of the vehicle to operate. This battery is recharged by an alternator driven by the thermal engine when it is running. This type of battery is unsuitable for driving the wheels and is therefore not part of the drive chain. This type of battery therefore does not concern the invention.

Les véhicules dits « électriques » présentent une chaîne motrice composée d’une batterie de puissance de forte capacité propre à alimenter le ou les moteurs électriques capables d’entraîner une transmission reliée à un organe de déplacement (les roues d’une voiture ou l’hélice d’un bateau par exemple). Ce type de batterie fait donc partie de la chaîne motrice.So-called "electric" vehicles have a drive train composed of a high-capacity power battery capable of powering the electric motor(s) capable of driving a transmission connected to a moving part (the wheels of a car or the propeller of a boat, for example). This type of battery is therefore part of the drive train.

Une batterie de puissance est composée d’une pluralité de cellules électriques reliées entre elles et supervisées par un circuit électronique. Leur nombre, la taille de chaque cellule et la façon dont elles sont agencées déterminent à la fois la tension délivrée par la batterie et sa capacité, c’est-à-dire la quantité d’électricité qu’elle est en mesure de stocker, ce qui définit l’autonomie de la voiture dans des conditions standards. Ces batteries sont dites « de forte capacité » car elles doivent permettre une autonomie de plusieurs centaines de kilomètres. Typiquement, elles ont une capacité allant de 40kWh pour les plus petites à 100 kWh pour les plus grandes.A power battery is made up of a plurality of electrical cells connected together and supervised by an electronic circuit. Their number, the size of each cell and the way they are arranged determine both the voltage delivered by the battery and its capacity, i.e. the amount of electricity it is able to store, which defines the autonomy of the car under standard conditions. These batteries are called "high capacity" because they must allow an autonomy of several hundred kilometers. Typically, they have a capacity ranging from 40kWh for the smallest to 100 kWh for the largest.

Les batteries de puissance utilisées dans les véhicules électriques sont généralement des batteries lithium-ion, car seul ce type de batterie permet actuellement une puissance et une autonomie adaptée à cette utilisation.The power batteries used in electric vehicles are generally lithium-ion batteries, because only this type of battery currently provides the power and autonomy suitable for this use.

L’inconvénient majeur de ce type de chaîne motrice réside justement dans la batterie.The major drawback of this type of drive chain lies precisely in the battery.

En effet, sa fabrication et sa fin de vie sont écologiquement dramatiques : les réserves de lithium sont théoriquement insuffisantes pour équiper tous les véhicules du monde, le cobalt est extrait dans des conditions souvent inhumaines et le procédé de recyclage est à ce jour inconnu. Il n’est actuellement pas possible de les retraiter à plus de cinquante pour cent, les procédés mis en œuvre étant en outre dangereux chimiquement et électriquement.Indeed, its manufacture and end of life are ecologically dramatic: lithium reserves are theoretically insufficient to equip all the vehicles in the world, cobalt is extracted in often inhumane conditions and the recycling process is unknown to this day. It is currently not possible to reprocess them at more than fifty percent, the processes implemented being also chemically and electrically dangerous.

Durant la phase d’utilisation, ce type de chaîne motrice présente l’avantage de ne produire que très peu de CO2 (cela dépend de la source énergétique utilisée pour produire l’électricité à charger dans la batterie).During the use phase, this type of drive chain has the advantage of producing very little CO2 (this depends on the energy source used to produce the electricity to be charged into the battery).

En revanche, les batteries de puissance, et particulier les batteries lithium-ion, ont une tendance problématique à chauffer pendant leur charge, voir pendant leur utilisation, et nécessitent un système souvent complexe de refroidissement.On the other hand, power batteries, and particularly lithium-ion batteries, have a problematic tendency to heat up during charging, or even during use, and often require a complex cooling system.

De très nombreux incidents ont été recensés au cours desquels les batteries ont pris feu du fait de cette surchauffe, dite « run-away ». Or, ces feux chimiques sont excessivement difficiles à éteindre. L’utilisation d’eau, par exemple, peut avoir tendance, selon les conditions, à attiser les flammes. En outre, ces feux dégagent une très forte chaleur qui tend à enflammer les véhicules alentour. Enfin, les vapeurs dégagées sont également dangereuses pour la santé et très probablement pour l’environnement. Dans ces conditions, certains constructeurs ont prévu de proposer des véhicules de secours munis de bains spéciaux dans lesquels une grue plonge le véhicule en feu pour tenter de limiter la propagation du sinistre. Cette solution pose à ce jour de nombreuses questions et ne semble pas viable.A great many incidents have been recorded in which batteries have caught fire due to this overheating, known as "run-away". However, these chemical fires are extremely difficult to extinguish. The use of water, for example, can tend, depending on the conditions, to fan the flames. In addition, these fires give off very high heat which tends to ignite surrounding vehicles. Finally, the vapours released are also dangerous for health and very probably for the environment. In these conditions, some manufacturers have planned to offer emergency vehicles equipped with special baths in which a crane plunges the burning vehicle to try to limit the spread of the fire. This solution currently raises many questions and does not seem viable.

Il a également été proposé des chaînes motrices hybrides dans lesquelles un moteur thermique vient soit assister le moteur électrique, soit recharger la batterie de puissance, soit les deux.Hybrid powertrains have also been proposed in which a thermal engine either assists the electric motor, recharges the power battery, or both.

Ces véhicules hybrides sont intéressants pour des véhicules nécessitant une grande autonomie (permise par le moteur thermique), tout en réduisant leur consommation de carburant lors des trajets courts pour lesquels la batterie de puissance est suffisante. Ils présentent, cependant, les défauts des deux technologies : pollution, risque de feu, recyclage complexe, voire impossible dans certains cas, etc.These hybrid vehicles are interesting for vehicles requiring a long range (allowed by the thermal engine), while reducing their fuel consumption during short journeys for which the power battery is sufficient. However, they have the drawbacks of both technologies: pollution, risk of fire, complex recycling, even impossible in certain cases, etc.

Il existe donc un besoin de proposer une chaîne motrice réduisant la pollution générée et les risques d’exploitation.There is therefore a need to propose a drive chain reducing the pollution generated and the operating risks.

Il a déjà été proposé des moteurs à air pour entraîner des véhicules. Cependant, les moteurs utilisés sont des turbines (ou moteurs rotatifs) similaires dans leur structure et leur fonctionnement, aux turbines pneumatiques utilisées dans les outils pneumatiques.Air motors have been proposed to power vehicles. However, the motors used are turbines (or rotary motors) similar in structure and operation to the pneumatic turbines used in pneumatic tools.

Si ces turbines permettent, en théorie, d’obtenir suffisamment de puissance, c’est au prix d’une consommation d’air comprimé très importante.Although these turbines theoretically provide sufficient power, they do so at the cost of very high compressed air consumption.

L’aspect de la consommation n’est pas important dans ce type d’application, car l’outil est relié à un compresseur d’air alimenté en électricité et qui fonctionne en continu pour alimenter l’outil. Ce n’est évidemment pas le cas pour un véhicule qui ne dispose pas d’un compresseur, mais d’une réserve d’air à recharger régulièrement, ce qui implique que les problèmes de consommation d’une part, et de puissance suffisante d’autre part, ont entraîné l’abandon de ce type de chaîne motrice à air qui n’a eu aucun succès commercial pour l’équipement de véhicules.The consumption aspect is not important in this type of application, because the tool is connected to an air compressor powered by electricity and which operates continuously to power the tool. This is obviously not the case for a vehicle that does not have a compressor, but an air reserve to be recharged regularly, which implies that the problems of consumption on the one hand, and of sufficient power on the other, have led to the abandonment of this type of air drive chain which has had no commercial success for vehicle equipment.

L’objectif de la présente invention est donc de proposer une solution à ces problèmes pour permettre d’équiper des véhicules terrestres ou marins intégrant une chaîne motrice à air comprimé, et qui soit efficace à la fois en termes de puissance, mais également en termes de rendement et donc d’autonomie, quelle que soit la phase de roulage (démarrage ou déplacement en montée, déplacement stabilisé, et freinage ou déplacement en descente).The objective of the present invention is therefore to propose a solution to these problems to enable the equipping of land or sea vehicles incorporating a compressed air drive chain, and which is efficient both in terms of power, but also in terms of efficiency and therefore autonomy, whatever the driving phase (starting or moving uphill, stabilized movement, and braking or moving downhill).

L’idée qui sous-tend l’invention consiste à proposer une chaîne motrice hybride air/électricité comprenant un réservoir d’air comprimé sous haute pression relié à un moteur à pistons à air comprimé (c’est-à-dire un moteur qui n’est pas une turbine pneumatique), lui-même en prise avec un générateur électrique apte à générer de l’électricité lorsqu’il est entraîné par le moteur à pistons à air, le générateur électrique étant relié au(x) moteur(s) électrique(s) du véhicule, lui-même (eux-mêmes) relié(s) à une transmission en prise avec un organe de déplacement (roues, hélice, etc.). Selon l’invention, le générateur et le(s) moteur(s) électriques sont reliés également à une réserve électrique relais de capacité comprise entre 0,2 et 2,2 Watts-heure par kilo de véhicule à équiper (Wh/kg de véhicule).The idea underlying the invention consists in proposing a hybrid air/electric powertrain comprising a high-pressure compressed air tank connected to a compressed air piston engine (i.e. an engine that is not a pneumatic turbine), itself engaged with an electric generator capable of generating electricity when it is driven by the air piston engine, the electric generator being connected to the electric motor(s) of the vehicle, itself (themselves) connected to a transmission engaged with a movement member (wheels, propeller, etc.). According to the invention, the generator and the electric motor(s) are also connected to a relay electric reserve with a capacity of between 0.2 and 2.2 Watt-hours per kilo of vehicle to be equipped (Wh/kg of vehicle).

Lorsqu’il s’agit d’adapter la chaîne motrice selon l’invention à un véhicule électrique, on peut soit choisir de ne garder qu’une portion (par exemple 10% ou moins, de préférence entre 5% et 8%) des cellules de la batterie initiale pour réaliser la réserve électrique relais, soit on peut supprimer simplement la batterie de puissance initiale (la revendre éventuellement lorsqu’il s’agit d’une modification d’un véhicule électrique existant), et incorporer une réserve électrique relais constituée d’un ensemble de supercondensateurs.When it comes to adapting the drive chain according to the invention to an electric vehicle, one can either choose to keep only a portion (for example 10% or less, preferably between 5% and 8%) of the cells of the initial battery to create the relay electrical reserve, or one can simply remove the initial power battery (possibly reselling it when it involves a modification of an existing electric vehicle), and incorporate a relay electrical reserve consisting of a set of supercapacitors.

Dans le premier cas, la réserve électrique relais constituée d’une partie des cellules de la batterie de puissance, a une capacité comprise entre 1,2 et 2,2 Watts-heure par kilo de véhicule à équiper, de préférence entre 1,2 et 2 Wh/kg de véhicule à équiper, ce qui représente entre 5% et 10% de la capacité de la batterie de puissance initiale du véhicule électrique correspondant.In the first case, the relay electrical reserve consisting of part of the cells of the power battery, has a capacity of between 1.2 and 2.2 Watt-hours per kilo of vehicle to be equipped, preferably between 1.2 and 2 Wh/kg of vehicle to be equipped, which represents between 5% and 10% of the capacity of the initial power battery of the corresponding electric vehicle.

On entend par véhicule électrique correspondant, le même véhicule que celui équipé, ou destiné à être équipé de la chaîne motrice selon l’invention, mais équipé d’une chaîne 100% électrique comprenant une batterie de puissance adaptée à son utilisation, notamment en termes de puissance et d’autonomie. Ce type de véhicule comprend généralement une batterie de capacité supérieure à 35kWh, de sorte que la réserve électrique relais selon l’invention ne présente qu’une capacité au plus égale à 10% de cette capacité (plus ou moins 1 point de pourcentage), c’est-à-dire inférieure ou égale à 3,5 kWh environ. En valeur, cette limite supérieure peut être plus haute lorsque le véhicule électrique correspondant comprend une batterie de capacité supérieure, comme par exemple certains véhicules utilitaires, un bus, un camion ou un bateau, et nécessite une batterie de puissance de capacité supérieure à 100 kWh pour son utilisation normale (en termes de puissance et d’autonomie).The term “corresponding electric vehicle” means the same vehicle as that equipped, or intended to be equipped, with the drive train according to the invention, but equipped with a 100% electric train comprising a power battery adapted to its use, in particular in terms of power and autonomy. This type of vehicle generally comprises a battery with a capacity greater than 35 kWh, such that the relay electric reserve according to the invention only has a capacity at most equal to 10% of this capacity (plus or minus 1 percentage point), i.e. less than or equal to approximately 3.5 kWh. In value, this upper limit may be higher when the corresponding electric vehicle comprises a battery with a higher capacity, such as for example certain utility vehicles, a bus, a truck or a boat, and requires a power battery with a capacity greater than 100 kWh for its normal use (in terms of power and autonomy).

Dans le deuxième cas, la capacité de l’ensemble de supercondensateur est comprise entre 0,2 et 1,2 Wh/kg de véhicule à équiper, avantageusement 0,2 et 0,5 Wh/kg de véhicule à équiper, ce qui représente 0,5 à 5 % de la capacité de la batterie de puissance initiale du véhicule correspondant.In the second case, the capacity of the supercapacitor assembly is between 0.2 and 1.2 Wh/kg of vehicle to be equipped, advantageously 0.2 and 0.5 Wh/kg of vehicle to be equipped, which represents 0.5 to 5% of the capacity of the initial power battery of the corresponding vehicle.

La chaîne motrice selon l’invention comporte un circuit électronique, comprenant notamment un contrôleur et avantageusement un répartiteur d’énergie, programmé pour permettre une alimentation électrique du moteur à partir de la réserve électrique relais en fonction de la demande de puissance, par exemple lorsque le conducteur du véhicule commande une accélération ou lorsque le véhicule détecte la nécessité immédiate d’un surcroît de puissance (par exemple lors d’une montée).The drive chain according to the invention comprises an electronic circuit, comprising in particular a controller and advantageously an energy distributor, programmed to allow an electrical supply to the motor from the relay electrical reserve according to the power demand, for example when the driver of the vehicle commands acceleration or when the vehicle detects the immediate need for additional power (for example when going uphill).

À cette fin l’invention a pour objet une chaîne motrice hybride destinée à équiper un véhicule de poids déterminé et comprenant un réservoir d’air comprimé sous haute pression relié à un moteur à pistons à air comprimé, lui-même en prise avec un générateur électrique apte à générer de l’électricité lorsqu’il est entraîné par le moteur à pistons à air, au moins un moteur électrique relié à une transmission en prise avec un organe de déplacement, le générateur et ledit au moins un moteur étant reliés par l’intermédiaire d’une réserve électrique relais de capacité comprise entre 0,2 et 2,2 Watts-heure par kilo de véhicule (Wh/kg de véhicule), la chaîne motrice comprenant, en outre, une commande d’accélérateur déplaçable entre une position d’arrêt et une position d’accélération maximale et reliée à un circuit électronique de commande comprenant un contrôleur programmé pour alimenter le moteur électrique à partir de la réserve électrique relais en fonction d’un signal capté par au moins un capteur.To this end, the invention relates to a hybrid powertrain intended to equip a vehicle of a given weight and comprising a high-pressure compressed air tank connected to a compressed air piston engine, itself engaged with an electric generator capable of generating electricity when it is driven by the air piston engine, at least one electric motor connected to a transmission engaged with a movement member, the generator and said at least one motor being connected via a relay electrical reserve with a capacity of between 0.2 and 2.2 Watt-hours per kilogram of vehicle (Wh/kg of vehicle), the powertrain further comprising an accelerator control movable between a stop position and a maximum acceleration position and connected to an electronic control circuit comprising a controller programmed to power the electric motor from the relay electrical reserve according to a signal captured by at least one sensor.

Selon de modes de réalisations particuliers, on a de plus recours à l’une et/ou à l’autre des dispositions suivantes :
- le générateur et le moteur peuvent également être reliés directement, le circuit électronique de commande comprenant, en outre, un répartiteur d’énergie relié au contrôleur et apte à alimenter le moteur électrique à partir du générateur et/ou de la réserve électrique relais sur instructions reçues du contrôleur en fonction d’un signal capté par au moins un capteur ;
- la réserve électrique relais peut être constituée d’une portion d’une batterie de puissance initiale équipant préalablement le véhicule ;
- la réserve électrique relais peut avoir une capacité comprise entre 1,2 et 2,2 Wh/kg de véhicule ;
- la réserve électrique relais peut être constituée d’au moins un supercondensateur, de préférence un ensemble de supercondensateurs ;
- la réserve électrique relais peut avoir une capacité comprise entre 0,2 et 1,2 Wh/kg de véhicule, de préférence entre 0,2 et 0,5 Wh/kg de véhicule ;
- la chaîne motrice peut comprendre, en outre, un capteur de position de la commande d’accélérateur, et dans laquelle le contrôleur est programmé pour alimenter le moteur électrique à partir de la réserve électrique relais et/ou du générateur en fonction, notamment, de la position de la commande d’accélérateur ;
- la chaîne motrice peut comprendre, en outre, un capteur de vitesse de déplacement de la commande d’accélérateur, et dans laquelle le contrôleur est programmé pour alimenter le moteur électrique à partir de la réserve électrique relais et/ou du générateur en fonction, notamment, de la vitesse de déplacement de la commande d’accélérateur ;
- la chaîne motrice peut comprendre, en outre, un capteur de vitesse de déplacement du véhicule, et dans laquelle le contrôleur est programmé pour alimenter le moteur électrique à partir de la réserve électrique relais et/ou du générateur en fonction, notamment, de la vitesse de déplacement du véhicule ; et/ou
- la chaîne motrice peut comprendre, en outre, un récupérateur d’énergie cinétique relié à la réserve électrique relais pour charger la réserve électrique relais lors d’un freinage du véhicule.
According to particular embodiments, one and/or the other of the following provisions is also used:
- the generator and the motor can also be directly connected, the electronic control circuit further comprising an energy distributor connected to the controller and capable of supplying the electric motor from the generator and/or the relay electrical reserve on instructions received from the controller as a function of a signal captured by at least one sensor;
- the relay electrical reserve can be made up of a portion of an initial power battery previously fitted to the vehicle;
- the relay electrical reserve can have a capacity of between 1.2 and 2.2 Wh/kg of vehicle;
- the relay electrical reserve may consist of at least one supercapacitor, preferably a set of supercapacitors;
- the relay electrical reserve may have a capacity of between 0.2 and 1.2 Wh/kg of vehicle, preferably between 0.2 and 0.5 Wh/kg of vehicle;
- the drive chain may further comprise an accelerator control position sensor, and in which the controller is programmed to power the electric motor from the relay electrical reserve and/or the generator depending, in particular, on the position of the accelerator control;
- the drive chain may further comprise a sensor for the speed of movement of the accelerator control, and in which the controller is programmed to supply the electric motor from the relay electrical reserve and/or the generator depending, in particular, on the speed of movement of the accelerator control;
- the drive chain may further comprise a vehicle travel speed sensor, and in which the controller is programmed to power the electric motor from the relay electrical reserve and/or the generator depending, in particular, on the vehicle travel speed; and/or
- the drive chain may further comprise a kinetic energy recuperator connected to the relay electrical reserve to charge the relay electrical reserve when the vehicle brakes.

L’invention a également pour objet un véhicule terrestre, tel qu’une voiture ou un utilitaire, comprenant une chaîne motrice hybride précédente, dans lequel l’organe de déplacement comprend au moins une paire de roues.The invention also relates to a land vehicle, such as a car or a utility vehicle, comprising a previous hybrid drive chain, in which the movement member comprises at least one pair of wheels.

L’invention a également pour objet un bateau comprenant une chaîne motrice hybride précédente, dans lequel l’organe de déplacement comprend au moins une hélice ou une turbine.The invention also relates to a boat comprising a preceding hybrid drive chain, in which the displacement member comprises at least one propeller or one turbine.

L’invention a également pour objet un procédé de modification d’un véhicule électrique muni d’un moteur électrique, d’une batterie de puissance et d’un connecteur de recharge à partir d’une source extérieure, pour l’équiper d’une chaîne motrice hybride précédente, comprenant les étapes suivantes :
a) retirer la batterie de puissance équipant le véhicule pour libérer un volume d’installation ;
b) insérer la réserve d’air comprimé dans le volume d’installation et remplacer le connecteur de recharge par une soupape de recharge reliée à la réserve d’air comprimé ;
c) ajouter le moteur à piston à air, le générateur et le contrôleur dans le véhicule, de préférence dans le volume d’installation ;
d) ajouter une réserve électrique relais dans le véhicule, de préférence dans le volume d’installation, reliée entre le générateur et le moteur électrique, la réserve électrique relais étant constituée d’une partie de la batterie de puissance présentant une capacité comprise entre 1,2 et 2,2 Wh/kg de véhicule, ou comprenant au moins un supercondensateur, de préférence un ensemble de supercondensateurs de capacité comprise entre 0,2 et 0,5 Wh/kg de véhicule.
The invention also relates to a method for modifying an electric vehicle equipped with an electric motor, a power battery and a connector for recharging from an external source, to equip it with a previous hybrid powertrain, comprising the following steps:
a) remove the power battery fitted to the vehicle to free up installation space;
b) insert the compressed air reserve into the installation volume and replace the recharge connector with a recharge valve connected to the compressed air reserve;
c) add the air piston motor, generator and controller into the vehicle, preferably within the installation volume;
d) adding a relay electrical reserve in the vehicle, preferably in the installation volume, connected between the generator and the electric motor, the relay electrical reserve consisting of a part of the power battery having a capacity of between 1.2 and 2.2 Wh/kg of vehicle, or comprising at least one supercapacitor, preferably a set of supercapacitors with a capacity of between 0.2 and 0.5 Wh/kg of vehicle.

D'autres caractéristiques de l'invention seront énoncées dans la description détaillée ci-après faite en référence aux figures annexées, données à titre d'exemple, et qui représentent, respectivement :Other characteristics of the invention will be set out in the detailed description below given with reference to the appended figures, given by way of example, and which represent, respectively:

, une vue schématique d’un diagramme de fonctionnement d’un premier mode de réalisation d’une chaîne motrice selon l’invention en cours de démarrage ; , a schematic view of an operating diagram of a first embodiment of a drive chain according to the invention during start-up;

, une vue schématique d’un diagramme de fonctionnement du premier mode de réalisation d’une chaîne motrice selon l’invention après le démarrage ou en phase de déplacement stabilisé (régime stationnaire) ; , a schematic view of an operating diagram of the first embodiment of a drive chain according to the invention after start-up or in the stabilized movement phase (stationary regime);

, une vue schématique d’un diagramme de fonctionnement du premier mode de réalisation d’une chaîne motrice selon l’invention lors d’un freinage ; , a schematic view of an operating diagram of the first embodiment of a drive chain according to the invention during braking;

, une vue schématique d’un diagramme de fonctionnement d’un deuxième mode de réalisation d’une chaîne motrice selon l’invention permettant une alimentation du moteur directement à partir du générateur et/ou indirectement à partir de la réserve électrique relais, en cours de démarrage ; , a schematic view of an operating diagram of a second embodiment of a drive chain according to the invention allowing the engine to be powered directly from the generator and/or indirectly from the relay electrical reserve, during start-up;

, une vue schématique d’un diagramme de fonctionnement du deuxième mode de réalisation d’une chaîne motrice selon l’invention après le démarrage ou en phase de déplacement stabilisé (régime stationnaire) ; et , a schematic view of an operating diagram of the second embodiment of a drive chain according to the invention after start-up or in the stabilized movement phase (stationary regime); and

, une vue schématique d’un diagramme de fonctionnement du deuxième mode de réalisation d’une chaîne motrice selon l’invention lors d’un freinage ; , a schematic view of an operating diagram of the second embodiment of a drive chain according to the invention during braking;

Les figures 1 à 3 illustrent un premier mode de réalisation dans lequel la chaîne motrice 100 comprend un réservoir 110 d’air comprimé sous haute pression (c’est-à-dire entre 40 et 700 bars) connecté à un moteur à pistons à air comprimé 120.Figures 1 to 3 illustrate a first embodiment in which the drive chain 100 comprises a tank 110 of compressed air under high pressure (i.e. between 40 and 700 bars) connected to a compressed air piston engine 120.

Dans la suite de l’exposé, le gaz utilisé est de préférence de l’air pour une utilisation facile et peu coûteuse de la chaîne mobile selon l’invention, notamment lors de la recharge.In the remainder of the description, the gas used is preferably air for easy and inexpensive use of the mobile chain according to the invention, in particular during recharging.

De préférence, le réservoir 110 est relié à un volume de détente d’air 112 par une vanne 111, le volume de détente d’air étant lui-même relié au moteur 120 par une vanne 113. Le volume de détente d’air permet d’amener l’air comprimé depuis la haute pression de stockage, à une pression d’utilisation compatible avec le moteur à piston à air comprimé 120.Preferably, the reservoir 110 is connected to an air expansion volume 112 by a valve 111, the air expansion volume itself being connected to the motor 120 by a valve 113. The air expansion volume makes it possible to bring the compressed air from the high storage pressure to a use pressure compatible with the compressed air piston motor 120.

Un exemple de moteur à pistons à air comprimé est le moteur décrit dans le document FR3115313.An example of a compressed air piston engine is the engine described in document FR3115313.

Avantageusement, il s’agit d’un moteur deux-temps qui, à puissance égale, est deux fois plus petit et plus léger que les moteurs thermiques équivalents, et présente un rendement supérieur de presque 50% avec de l’air comprimé.Advantageously, it is a two-stroke engine which, for equal power, is half the size and half the weight of equivalent thermal engines, and has a higher efficiency of almost 50% with compressed air.

Le moteur à pistons à air 120 est en prise avec un générateur électrique 130 apte à générer de l’électricité lorsqu’il est entraîné par le moteur à pistons à air 120.The air piston engine 120 is engaged with an electric generator 130 capable of generating electricity when driven by the air piston engine 120.

La chaîne motrice selon l’invention comprend également au moins un moteur électrique 140 relié à une transmission 150 en prise avec un organe de déplacement qui peut être des roues 151, une hélice 152 ou une turbine (non illustré).The drive chain according to the invention also comprises at least one electric motor 140 connected to a transmission 150 engaged with a movement member which can be wheels 151, a propeller 152 or a turbine (not illustrated).

Selon l’invention, le générateur 130 et ledit au moins un moteur 140 sont reliés par l’intermédiaire d’une réserve électrique relais 160 de capacité comprise entre 0,2 et 2,2 Wh/kg de véhicule à équiper, ce qui correspond à moins de 10% de la capacité de la batterie de puissance du véhicule électrique correspondant au véhicule équipé ou destiné à être équipé de la chaîne motrice selon l’invention.According to the invention, the generator 130 and said at least one motor 140 are connected via an electrical relay reserve 160 with a capacity of between 0.2 and 2.2 Wh/kg of vehicle to be equipped, which corresponds to less than 10% of the capacity of the power battery of the electric vehicle corresponding to the vehicle equipped or intended to be equipped with the drive chain according to the invention.

Par exemple, pour l’équipement d’un véhicule Renault Master e-Tech ™ ayant un PTAC de 3,5 tonnes (soit 2,4 tonnes à vide environ) ayant une batterie de puissance initiale de 52kWh, on équipera le véhicule d’une réserve électrique relai de 2,8 à 7 kWh, correspondant à une capacité comprise entre 1,2 et 2,2 Wh/kg de véhicule à vide et à plein, si la réserve électrique relai est constituée par une batterie.For example, to equip a Renault Master e-Tech ™ vehicle with a GVW of 3.5 tonnes (i.e. approximately 2.4 tonnes when empty) with an initial battery power of 52kWh, the vehicle will be equipped with a relay electrical reserve of 2.8 to 7 kWh, corresponding to a capacity of between 1.2 and 2.2 Wh/kg of vehicle when empty and when full, if the relay electrical reserve is made up of a battery.

Cette réserve électrique relais 160 est ainsi suffisante pour alimenter temporairement (quelques secondes à quelques minutes) le moteur électrique, le temps que le générateur soit entraîné et réalimente la réserve électrique relais 160.This electrical reserve relay 160 is thus sufficient to temporarily supply (a few seconds to a few minutes) the electric motor, while the generator is driven and re-supplies the electrical reserve relay 160.

Alternativement, la réserve électrique relais 160 est avantageusement et de préférence constituée d’un ensemble de supercondensateurs qui permet un stockage d’énergie important et suffisamment puissant pour permettre l’entraînement des roues et le déplacement du véhicule pendant une durée de quelques secondes à quelques dizaines de secondes, le temps qu’ils soient rechargés par le générateur entraîné par le moteur à piston à air ou par la récupération au freinage. Ils permettent également de réguler le courant.Alternatively, the relay electrical reserve 160 is advantageously and preferably made up of a set of supercapacitors which allows significant energy storage and is sufficiently powerful to allow the wheels to be driven and the vehicle to move for a period of a few seconds to a few tens of seconds, the time it takes for them to be recharged by the generator driven by the air piston engine or by the brake recovery. They also allow the current to be regulated.

Dans ce cas, la capacité des supercondensateurs est choisie de préférence comprise entre 0,2 et 1,2 Wh/kg de véhicule à équiper, ce qui correspond à 0,5 à 5% de la batterie de puissance du véhicule électrique correspondant.In this case, the capacity of the supercapacitors is preferably chosen to be between 0.2 and 1.2 Wh/kg of vehicle to be equipped, which corresponds to 0.5 to 5% of the power battery of the corresponding electric vehicle.

Dans l’exemple du véhicule Renault Master e-Tech ™, en cas d’utilisation de supercondensateurs, on l’équipera d’une réserve électrique relai de 0,48 à 4,2 kWh, correspondant à une capacité comprise entre 0,2 et 1,2 Wh/kg de véhicule à vide et à plein.In the example of the Renault Master e-Tech ™ vehicle, if supercapacitors are used, it will be equipped with a relay electrical reserve of 0.48 to 4.2 kWh, corresponding to a capacity of between 0.2 and 1.2 Wh/kg of vehicle when empty and when full.

Ce qui importe, c’est que la réserve électrique relais soit apte à propulser le véhicule en cas de besoin supérieur en énergie, le temps que l’air comprimé puisse prendre le relais pour alimenter suffisamment le moteur à piston, le générateur puis le moteur électrique et satisfaire le besoin d’énergie.What matters is that the relay electrical reserve is able to propel the vehicle in the event of a greater energy requirement, while the compressed air can take over to sufficiently supply the piston engine, the generator and then the electric motor and satisfy the energy requirement.

À cet effet, la chaîne motrice 100 selon l’invention comprend, en outre, une commande d’accélérateur 170 déplaçable entre une position d’arrêt et une position d’accélération maximale et reliée, par exemple, à un capteur de déplacement de la commande d’accélérateur (non illustré) et à un circuit électronique de commande comprenant un contrôleur 180 programmé pour commander l’alimentation du moteur électrique 140 à partir de la réserve électrique relais 160 en fonction, notamment, de la position détectée de la commande d’accélérateur 170.For this purpose, the drive chain 100 according to the invention further comprises an accelerator control 170 movable between a stop position and a maximum acceleration position and connected, for example, to an accelerator control movement sensor (not shown) and to an electronic control circuit comprising a controller 180 programmed to control the power supply of the electric motor 140 from the relay electrical reserve 160 as a function, in particular, of the detected position of the accelerator control 170.

Le fonctionnement de la chaîne motrice selon l’invention est détaillé pour trois phases importantes.The operation of the drive chain according to the invention is detailed for three important phases.

La illustre une phase durant laquelle un surcroît de puissance est demandé par le conducteur, comme schématisé par le cadran 171. Cette phase est très courte et suivie de la phase illustrée en .There illustrates a phase during which additional power is requested by the driver, as shown diagrammatically by dial 171. This phase is very short and followed by the phase illustrated in .

Il peut s’agir, par exemple, du démarrage du véhicule, auquel cas une forte puissance est nécessaire et doit être immédiatement disponible pour lutter contre l’inertie du véhicule et le mettre en mouvement. Il peut s’agir également d’une phase de dépassement d’un autre véhicule, ou d’un déplacement en montée d’une côte, auquel cas le conducteur appuie fortement sur l’accélérateur.This could be, for example, starting the vehicle, in which case a high power is required and must be immediately available to counteract the vehicle's inertia and set it in motion. It could also be a phase of overtaking another vehicle, or driving up a hill, in which case the driver presses the accelerator hard.

Dans ce cas, l’énergie doit être immédiatement disponible, mais l’inertie du système à air comprimé peut entraîner un retard de réponse.In this case, energy must be immediately available, but the inertia of the compressed air system can cause a response delay.

Lorsque le capteur de position de la commande d’accélérateur détecte un déplacement de cette dernière, il envoie l’information au contrôleur 180 qui analyse ce déplacement et le relie à une demande d’accélération.When the accelerator control position sensor detects a movement of the latter, it sends the information to the controller 180 which analyzes this movement and links it to an acceleration request.

Dans le cas de la , ce déplacement est maximal, par exemple dans le cas d’une accélération importante.In the case of the , this displacement is maximal, for example in the case of significant acceleration.

Alternativement ou en combinaison, la chaîne motrice comprend un capteur de vitesse de déplacement de la commande d’accélérateur et/ou un capteur de vitesse de déplacement du véhicule.Alternatively or in combination, the drive train includes a throttle control travel speed sensor and/or a vehicle travel speed sensor.

Le capteur de vitesse de déplacement de la commande d’accélérateur permet de détecter un déplacement rapide de la commande d’accélérateur et, par conséquent, une demande rapide de puissance, par exemple dans le cadre d’un dépassement.The throttle control travel speed sensor is used to detect rapid throttle control travel and therefore rapid power demand, for example when overtaking.

Le capteur de vitesse de déplacement du véhicule permet de détecter que le véhicule est à l’arrêt et en cas de déplacement de la commande d’accélérateur, le contrôleur 180 comprend (flèche 181) qu’une forte puissance est nécessaire pour mettre le véhicule en mouvement.The vehicle speed sensor detects that the vehicle is stationary and if the accelerator control is moved, the controller 180 understands (arrow 181) that a high power is required to set the vehicle in motion.

Ainsi, dans la chaîne motrice ainsi équipée, le contrôleur 180 est programmé pour commander (flèche 182) la réserve électrique relais 160 qui alimente alors le moteur électrique 140 (flèche 161) en fonction des informations captées (flèche 181 ; vitesse de déplacement de la commande d’accélérateur et/ou vitesse de déplacement du véhicule).Thus, in the powertrain thus equipped, the controller 180 is programmed to control (arrow 182) the electrical reserve relay 160 which then supplies the electric motor 140 (arrow 161) according to the information captured (arrow 181; speed of movement of the accelerator control and/or speed of movement of the vehicle).

Grâce à la réserve électrique relais 160, l’énergie requise par l’action du conducteur sur la commande d’accélérateur est envoyée immédiatement à l’organe de déplacement 151-152, le temps que l’air comprimé soit envoyé au moteur à pistons à air 120 et que ce dernier entraîne le générateur 130 (phase illustrée en ).Thanks to the electrical reserve relay 160, the energy required by the driver's action on the accelerator control is sent immediately to the displacement member 151-152, the time that the compressed air is sent to the air piston motor 120 and that the latter drives the generator 130 (phase illustrated in ).

Cette illustre ainsi la phase ultérieure à la forte demande d’énergie de la ou la phase de déplacement stabilisé, en régime permanent, par exemple lors du roulage sur une route plate à vitesse sensiblement constante où la demande d’énergie est modérée et régulière, comme illustré par le cadran 172 qui indique une accélération modérée.This thus illustrates the subsequent phase of the high energy demand of the or the steady-state, steady-state movement phase, for example when driving on a flat road at a substantially constant speed where the energy demand is moderate and regular, as illustrated by dial 172 which indicates moderate acceleration.

Dans ce cas, le contrôleur 180 reçoit l’information de déplacement de la commande d’accélérateur et/ou de sa vitesse (nulle ou très faible) de déplacement grâce aux capteurs (flèche 181). Le contrôleur 180 commande alors la vanne 113 (flèche 183) afin d’alimenter en air comprimé sous pression d’utilisation le moteur à pistons 120 à partir du volume de détente 112 (flèches 121).In this case, the controller 180 receives the information on the movement of the accelerator control and/or its speed (zero or very low) of movement thanks to the sensors (arrow 181). The controller 180 then controls the valve 113 (arrow 183) in order to supply compressed air under operating pressure to the piston engine 120 from the expansion volume 112 (arrows 121).

Le moteur à pistons 120 entraîne alors le générateur 130 (flèche 131), qui alimente en électricité la réserve relais 160 (flèche 132) qui elle-même alimente (flèche 161) le moteur électrique 140 qui entraîne l’organe de déplacement 151-152 via la transmission 150.The piston engine 120 then drives the generator 130 (arrow 131), which supplies electricity to the relay reserve 160 (arrow 132) which itself supplies (arrow 161) the electric motor 140 which drives the movement member 151-152 via the transmission 150.

La réserve relais fonctionne alors en continu, c’est-à-dire qu’elle transmet l’électricité qu’elle reçoit. Étant constituée de plusieurs cellules ou de plusieurs supercondensateur, l’obtention d’une alimentation continue se fait en pilotant l’entrée/sortie de chaque cellule ou supercondensateur de manière cadencée pour linéariser le courant de sortie. Une électronique de traitement du courant peut avantageusement être ajoutée pour stabiliser le courant de sortie alimentant le moteur.The relay reserve then operates continuously, that is to say it transmits the electricity it receives. Being made up of several cells or several supercapacitors, obtaining a continuous power supply is done by controlling the input/output of each cell or supercapacitor in a timed manner to linearize the output current. Current processing electronics can advantageously be added to stabilize the output current supplying the motor.

La illustre la possibilité pour la chaîne motrice selon l’invention de récupérer de l’énergie cinétique, par exemple lors d’un freinage (comme illustré par le cadrant 173 qui indique une accélération nulle) afin, de préférence, de recharger la réserve électrique relais 160 pour limiter la consommation d’air, et/ou pour alimenter un petit compresseur d’appoint (non illustré) apte à recharger le volume 112 à la pression d‘utilisation afin d’augmenter l’autonomie du véhicule.There illustrates the possibility for the drive chain according to the invention to recover kinetic energy, for example during braking (as illustrated by quadrant 173 which indicates zero acceleration) in order, preferably, to recharge the relay electrical reserve 160 to limit air consumption, and/or to power a small auxiliary compressor (not illustrated) capable of recharging the volume 112 to the operating pressure in order to increase the autonomy of the vehicle.

À cette fin, la chaîne motrice 100 selon l’invention comprend par exemple un système de récupération d’énergie du freinage 195 (ou « KERS » pour « Kinetic Energy Recovery System » en anglais) relié à la réserve électrique relais 160 afin de la recharger sans consommation d’air (flèche 196).To this end, the drive chain 100 according to the invention comprises, for example, a braking energy recovery system 195 (or “KERS” for “Kinetic Energy Recovery System” in English) connected to the relay electrical reserve 160 in order to recharge it without consuming air (arrow 196).

Le circuit électronique de commande est ainsi programmé pour gérer le moment, le rythme et la source de rechargement de la réserve électrique relais.The electronic control circuit is thus programmed to manage the time, the rhythm and the source of recharging of the relay electrical reserve.

Les figures 4 à 6 illustrent un mode de réalisation préféré de l’invention dans lequel la chaîne motrice 200 comprend un générateur 130 qui peut alimenter non seulement la réserve électrique relais 260, mais également directement le moteur électrique 240.Figures 4 to 6 illustrate a preferred embodiment of the invention in which the drive chain 200 comprises a generator 130 which can supply not only the relay electrical reserve 260, but also directly the electric motor 240.

À cette fin, le circuit électronique de commande comprend, en outre, un répartiteur d’énergie 285 en sortie du générateur 130 (il peut être indépendant ou incorporé dans le générateur). Ce répartiteur d’énergie 285 est connecté au contrôleur 280.For this purpose, the electronic control circuit further comprises an energy distributor 285 at the output of the generator 130 (it may be independent or incorporated into the generator). This energy distributor 285 is connected to the controller 280.

Il est apte à alimenter le moteur électrique 240 directement à partir du générateur 130 (flèche 241 sur la ) et/ou indirectement à partir de la réserve électrique relais 260 (flèches 242-243 sur les figures 4 et 5) sur instructions reçues du contrôleur 280 en fonction d’un signal capté par au moins un capteur, par exemple, un capteur de la position de la commande d’accélérateur, un capteur de vitesse déplacement de la commande d’accélérateur, un capteur de vitesse de déplacement du véhicule ou une combinaison de ceux-ci.It is capable of powering the electric motor 240 directly from the generator 130 (arrow 241 on the ) and/or indirectly from the electrical reserve relay 260 (arrows 242-243 in FIGS. 4 and 5) on instructions received from the controller 280 as a function of a signal captured by at least one sensor, for example, an accelerator control position sensor, an accelerator control movement speed sensor, a vehicle movement speed sensor or a combination thereof.

Lorsque le conducteur appuie fortement sur l’accélérateur (par exemple lors d’un dépassement ou en côte), ou lorsque le véhicule est à l’arrêt et qu’une forte puissance est nécessaire pour le mettre en mouvement, l’inertie du système à air comprimé peut entraîner un retard de réponse.When the driver presses the accelerator hard (e.g. when overtaking or on a hill), or when the vehicle is stationary and a high power is required to get it moving, the inertia of the compressed air system can cause a delay in response.

Comme illustré en , la réserve électrique relais comble ce problème en alimentant immédiatement le moteur électrique (flèche 243) sur commande du répartiteur 285 (flèche 242) contrôlé par le contrôleur 280. Pendant ce temps, comme illustré en , le contrôleur commande la vanne 113 (flèche 283) pour que de l’air comprimé soit envoyé vers le moteur à pistons à air comprimé 120 (flèches 121) qui accélère et entraîne le générateur électrique 130 (flèche 131) qui prend la suite de la réserve électrique relais en permettant, via le répartiteur, une alimentation directe du moteur électrique 240 (flèche 241) et en rechargeant la réserve électrique relais 260 (flèche 242) soit pour une utilisation ultérieure, soit pour une utilisation immédiate en cas de besoin de surpuissance.As illustrated in , the relay electrical reserve overcomes this problem by immediately supplying power to the electric motor (arrow 243) on command from the distributor 285 (arrow 242) controlled by the controller 280. During this time, as illustrated in , the controller controls the valve 113 (arrow 283) so that compressed air is sent to the compressed air piston engine 120 (arrows 121) which accelerates and drives the electric generator 130 (arrow 131) which takes over from the relay electrical reserve by allowing, via the distributor, a direct supply of the electric motor 240 (arrow 241) and by recharging the relay electrical reserve 260 (arrow 242) either for later use or for immediate use in the event of a need for additional power.

La illustre également le cas d’un déplacement stabilisé au cours duquel le conducteur maintient la commande d’accélération dans une position intermédiaire (cadran 172) entre une position d’arrêt dans laquelle aucun air comprimé n’arrive au moteur à pistons, et une position d’accélération maximale dans laquelle l’air comprimé arrive au moteur à pistons avec un débit maximum.There also illustrates the case of a stabilized movement during which the driver maintains the acceleration control in an intermediate position (dial 172) between a stop position in which no compressed air reaches the piston engine, and a maximum acceleration position in which the compressed air reaches the piston engine with a maximum flow rate.

Dans cette position intermédiaire de croisière, le moteur à piston 120 entraîne le générateur électrique 130 (flèche 131), qui alimente directement, grâce au répartiteur 285, le moteur électrique 240 (flèche 241) qui lui-même entraîne l’organe de déplacement 151-152 (roues ou hélice, par exemple) via une transmission 150. Dans ce régime de croisière, la réserve électrique relais est rechargée et n’est utilisée que ponctuellement en cas d’accélération soudaine par exemple, si cette accélération dépasse la capacité d’accélération du moteur à pistons 120 et l’inertie de la partie air comprimé de la chaîne motrice 200.In this intermediate cruising position, the piston engine 120 drives the electric generator 130 (arrow 131), which directly supplies, via the distributor 285, the electric motor 240 (arrow 241) which itself drives the movement member 151-152 (wheels or propeller, for example) via a transmission 150. In this cruising mode, the relay electrical reserve is recharged and is only used occasionally in the event of sudden acceleration, for example, if this acceleration exceeds the acceleration capacity of the piston engine 120 and the inertia of the compressed air part of the drive chain 200.

Dans un mode de réalisation préféré, le circuit électronique de contrôle (contrôleur 280, répartiteur 285 et capteurs) pilote l’alimentation du moteur électrique 240 à partir d’une combinaison du générateur (voie directe 241) et de la réserve électrique relais 260 (flèches 242-243).In a preferred embodiment, the electronic control circuit (controller 280, distributor 285 and sensors) controls the power supply to the electric motor 240 from a combination of the generator (direct path 241) and the relay electrical reserve 260 (arrows 242-243).

En fonction de la position de la pédale d’accélération et/ou de la vitesse d’enfoncement de la pédale et/ou de la vitesse du véhicule, le répartiteur 285 attribue l’électricité produite par le générateur 130 à la voie directe (vitesse de croisière +/- 15% par exemple), à la voie indirecte (forte accélération ou démarrage) ou à une combinaison des deux permettant une optimisation de la consommation d’air comprimé.Depending on the position of the accelerator pedal and/or the speed of depressing the pedal and/or the speed of the vehicle, the distributor 285 allocates the electricity produced by the generator 130 to the direct path (cruising speed +/- 15% for example), to the indirect path (strong acceleration or start-up) or to a combination of the two allowing optimization of the consumption of compressed air.

Comme dans le premier mode de réalisation, il est avantageusement prévu un système 195 de récupération d’énergie du freinage (ou « KERS ») également relié à la réserve électrique relais afin de la recharger sans consommation d’air (flèche 196 sur la ).As in the first embodiment, a braking energy recovery system 195 (or “KERS”) is advantageously provided, also connected to the relay electrical reserve in order to recharge it without consuming air (arrow 196 on the ).

Le circuit électrique est ainsi programmé pour gérer le moment, le rythme et la source de rechargement de la réserve électrique relais.The electrical circuit is thus programmed to manage the time, the rhythm and the source of recharging of the relay electrical reserve.

Par exemple, la réserve électrique relais peut ne pas être rechargée immédiatement par le générateur (économisant ainsi de l’air comprimé), et n’être rechargée que lors d’un freinage ou lors d’un « freinage moteur » (stimulé dans un véhicule électrique par l’actionnement du système de récupération d’énergie qui freine le véhicule par frottement lorsque le conducteur relâche totalement la pédale d’accélération). Un délai peut également être mesuré, au-delà duquel, si le véhicule n’a ni freiné ni subi de frein moteur, le générateur électrique alimente la réserve électrique relais pour la recharger (flèche 242).For example, the relay electrical reserve may not be recharged immediately by the generator (thus saving compressed air), and may only be recharged during braking or during “engine braking” (stimulated in an electric vehicle by the actuation of the energy recovery system which brakes the vehicle by friction when the driver fully releases the accelerator pedal). A delay may also be measured, beyond which, if the vehicle has neither braked nor been subjected to engine braking, the electric generator supplies the relay electrical reserve to recharge it (arrow 242).

La réserve électrique relais peut être une cellule de batterie de puissance ou, avantageusement, un supercondensateur ou un ensemble de supercondensateurs.The relay power reserve may be a power battery cell or, advantageously, a supercapacitor or set of supercapacitors.

La chaîne motrice selon l’invention peut être intégrée dès le départ dans un véhicule neuf spécialement conçu et optimisé à cet effet.The drive train according to the invention can be integrated from the outset into a new vehicle specially designed and optimized for this purpose.

La chaîne motrice selon l’invention présente également l’avantage de pouvoir être adaptée à un véhicule électrique ou à un véhicule thermique existant, moyennant certaines modifications.The drive chain according to the invention also has the advantage of being able to be adapted to an electric vehicle or an existing thermal vehicle, subject to certain modifications.

En particulier, pour les véhicules électriques, la batterie de puissance est retirée pour libérer un volume d’installation dans lequel est placée la réserve d’air comprimé 110. On remplace également le connecteur de recharge électrique ou la trappe de carburant par une soupape de recharge pneumatique reliée à la réserve d’air 110.In particular, for electric vehicles, the power battery is removed to free up an installation volume in which the compressed air reserve 110 is placed. The electric charging connector or the fuel flap is also replaced by a pneumatic charging valve connected to the air reserve 110.

Le moteur à air comprimé, le générateur et éventuellement les super condensateurs peuvent prendre place dans le volume d’installation et avoir un faible impact sur la capacité de chargement du véhicule.The compressed air motor, generator and possibly super capacitors can be accommodated in the installation volume and have little impact on the vehicle's loading capacity.

Dans le cas de véhicules électriques, une cellule de la batterie de puissance peut être réutilisée comme réserve électrique relais de capacité inférieure à 10 kWh, de sorte que la quantité de matière pour un seul véhicule est divisée par dix selon les types de batteries utilisés.In the case of electric vehicles, a cell of the power battery can be reused as a relay electrical reserve with a capacity of less than 10 kWh, so that the quantity of material for a single vehicle is divided by ten depending on the types of batteries used.

Avantageusement, la batterie est intégralement retirée et revendue pour utilisation dans une autre application si elle est réutilisable. Dans ce cas, la réserve électrique relais peut être avantageusement un supercondensateur ou un ensemble de supercondensateurs, et est installée dans le véhicule, de préférence dans le volume d’installation.Advantageously, the battery is completely removed and resold for use in another application if it is reusable. In this case, the relay electrical reserve can advantageously be a supercapacitor or a set of supercapacitors, and is installed in the vehicle, preferably in the installation volume.

Ainsi, le principe général de l’invention est de remplacer les batteries de puissance ou les moteurs à explosion par un système à base d’air comprimé qui génère l'électricité.Thus, the general principle of the invention is to replace power batteries or internal combustion engines with a system based on compressed air which generates electricity.

Le stockage est fait via un compresseur performant, même pour de petits systèmes.Storage is done via a high-performance compressor, even for small systems.

L'air est stocké dans les bonbonnes avec une pression de 40 à 700 bars (des versions avec des pressions plus élevées pourront être utilisées à l'avenir).The air is stored in the cylinders with a pressure of 40 to 700 bars (versions with higher pressures may be used in the future).

Pour descendre de la pression de stockage à la pression de service, le volume de détente d’air 112 peut être un détendeur, un turboalternateur, ou autre dispositif de baisse de pression, dont l'énergie électrique peut, par une troisième voie aboutissant de préférence au répartiteur 285 et contrôlée par le contrôleur 280, doper la traction en alimentant le moteur électrique 240, recharger la réserve électrique relais 260 (de préférence des supercondensateurs) ou permettre de réchauffer certaines parties de la chaîne motrice, en particulier le moteur à pistons à air 120).To lower the storage pressure to the service pressure, the air expansion volume 112 can be an expander, a turbo-alternator, or other pressure-reducing device, the electrical energy of which can, via a third route preferably leading to the distributor 285 and controlled by the controller 280, boost the traction by powering the electric motor 240, recharge the relay electrical reserve 260 (preferably supercapacitors) or allow certain parts of the drive train to be heated, in particular the air piston engine 120).

Le chargement de la ou des bonbonnes peut également être obtenu à partir d’une réserve d’air comprimé sous pression.The cylinder(s) can also be loaded using a reserve of compressed air under pressure.

L'air comprimé stocké sur le véhicule ou bateau peut être approvisionné par des centres de distribution externes en charge rapide ou lente suivant les besoins, le tout en quelques minutes ou de l’ordre de la dizaine de minutes, c’est-à-dire beaucoup plus rapidement que la recharge d’une batterie de puissance. Le transfert de l’air peut être amélioré en équilibrant les températures entre la réserve et l'utilisation.Compressed air stored on the vehicle or boat can be supplied by external distribution centers in fast or slow charge according to needs, all in a few minutes or of the order of ten minutes, that is to say much faster than the recharging of a power battery. The transfer of air can be improved by balancing the temperatures between the reserve and the use.

Cet air comprimé, une fois détendu à la pression de service, alimente un moteur à pistons à air comprimé qui fait tourner un générateur ou alternateur pour produire du courant, il peut être utilisé aussi en tant que groupe électrogène.This compressed air, once expanded to the operating pressure, powers a compressed air piston engine which turns a generator or alternator to produce current; it can also be used as a generator set.

Grâce au moteur à piston à air comprimé, le rapport poids/performance est optimisé. En outre, la consommation d’air est très sensiblement diminuée de sorte que l’autonomie du véhicule est parfaitement compatible avec une utilisation standard.Thanks to the compressed air piston engine, the weight/performance ratio is optimized. In addition, air consumption is significantly reduced so that the vehicle's range is perfectly compatible with standard use.

Ce courant peut être envoyé directement au(x) moteur(s) électrique(s) de traction et/ou transitant par des supercondensateurs pour permettre une fourniture d’énergie importante, rapide et ponctuelle (démarrage, accélération, etc). L’énergie récupérée au freinage ou en descente sur un véhicule peut être envoyée au super condensateur ou alimenter un compresseur pour remplir des bonbonnes d’appoint basse pression.This current can be sent directly to the electric traction motor(s) and/or transited by supercapacitors to enable a significant, rapid and punctual supply of energy (starting, acceleration, etc.). The energy recovered during braking or descent on a vehicle can be sent to the supercapacitor or power a compressor to fill low-pressure booster cylinders.

Le nouveau groupe moteur à pistons/générateur, de par son faible encombrement et poids, permet une intégration facile pour des performances élevées.The new piston engine/generator group, due to its small size and weight, allows easy integration for high performance.

Les performances globales du système pourront être améliorées par la récupération de chaleur par la compression du piston ou l'équilibrage avec l'air extérieur, par l'utilisation de l'énergie de la réduction de pression entre le stockage et la pression de service du moteur.The overall performance of the system can be improved by heat recovery from piston compression or balancing with outside air, using the energy from pressure reduction between storage and engine operating pressure.

L’invention est particulièrement adaptée aux véhicules pour lesquels le poids ne présente pas un enjeu majeur. On pense ainsi aux véhicules utilitaires, aux bus et aux bateaux.The invention is particularly suitable for vehicles for which weight is not a major issue. Examples include utility vehicles, buses and boats.

Claims (13)

Chaîne motrice hybride (100, 200) destinée à équiper un véhicule de poids déterminé et comprenant un réservoir d’air comprimé (110) sous haute pression relié à un moteur à pistons à air comprimé (120), lui-même en prise avec un générateur électrique (130) apte à générer de l’électricité lorsqu’il est entraîné par le moteur à pistons à air (120), au moins un moteur électrique (140, 240) relié à une transmission (150) en prise avec un organe de déplacement (151, 152), le générateur (130) et ledit au moins un moteur électrique (140, 240) étant reliés par l’intermédiaire d’une réserve électrique relais (160, 260) de capacité comprise entre 0,2 et 2,2 Watt-heure par kilo de véhicule à équiper (Wh/kg de véhicule), la chaîne motrice (100, 200) comprenant, en outre, une commande d’accélérateur (170) déplaçable entre une position d’arrêt et une position d’accélération maximale et reliée à un circuit électronique de commande comprenant un contrôleur (180, 280) programmé pour alimenter le moteur électrique (140, 240) à partir de la réserve électrique relais (160, 260) en fonction d’un signal capté par au moins un capteur équipant le véhicule.Hybrid powertrain (100, 200) intended to equip a vehicle of a given weight and comprising a high-pressure compressed air tank (110) connected to a compressed air piston engine (120), itself engaged with an electric generator (130) capable of generating electricity when it is driven by the air piston engine (120), at least one electric motor (140, 240) connected to a transmission (150) engaged with a displacement member (151, 152), the generator (130) and said at least one electric motor (140, 240) being connected via a relay electric reserve (160, 260) with a capacity of between 0.2 and 2.2 Watt-hours per kilo of vehicle to be equipped (Wh/kg of vehicle), the powertrain (100, 200) further comprising an accelerator control (170) movable between a stop position and a maximum acceleration position and connected to an electronic control circuit comprising a controller (180, 280) programmed to power the electric motor (140, 240) from the relay electrical reserve (160, 260) as a function of a signal captured by at least one sensor equipping the vehicle. Chaîne motrice hybride (200) selon la revendication 1, dans laquelle le générateur (130) et le moteur électrique (240) sont également reliés directement, le circuit électronique de commande comprenant, en outre, un répartiteur d’énergie (285) relié au contrôleur (280) et apte à alimenter le moteur électrique (240) à partir du générateur (130) et/ou de la réserve électrique relais (260) sur instructions reçues du contrôleur (280) en fonction d’un signal capté par ledit au moins un capteur.Hybrid powertrain (200) according to claim 1, wherein the generator (130) and the electric motor (240) are also directly connected, the electronic control circuit further comprising an energy distributor (285) connected to the controller (280) and capable of supplying the electric motor (240) from the generator (130) and/or from the relay electrical reserve (260) on instructions received from the controller (280) as a function of a signal captured by said at least one sensor. Chaîne motrice hybride (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle la réserve électrique relais (160, 260) est constituée d’une portion d’une batterie de puissance initiale équipant préalablement le véhicule.Hybrid powertrain (100, 200) according to any one of claims 1 or 2, in which the relay electrical reserve (160, 260) consists of a portion of an initial power battery previously equipped in the vehicle. Chaîne motrice hybride (100, 200) selon la revendication 3, dans laquelle la réserve électrique relais (160, 260) a une capacité comprise entre 1,2 et 2,2 Wh/kg de véhicule.Hybrid powertrain (100, 200) according to claim 3, in which the relay electrical reserve (160, 260) has a capacity of between 1.2 and 2.2 Wh/kg of vehicle. Chaîne motrice hybride (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle la réserve électrique relais (160, 260) est constituée d’au moins un supercondensateur, de préférence un ensemble de supercondensateurs.Hybrid powertrain (100, 200) according to any one of claims 1 or 2, in which the relay electrical reserve (160, 260) consists of at least one supercapacitor, preferably a set of supercapacitors. Chaîne motrice hybride (100, 200) selon la revendication 5, dans laquelle la réserve électrique relais (160, 260) a une capacité comprise entre 0,2 et 1,2 Wh/kg de véhicule, de préférence entre 0,2 et 0,5 Wh/kg de véhicule.Hybrid powertrain (100, 200) according to claim 5, wherein the relay electrical reserve (160, 260) has a capacity of between 0.2 and 1.2 Wh/kg of vehicle, preferably between 0.2 and 0.5 Wh/kg of vehicle. Chaîne motrice hybride (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant, en outre, un capteur de position de la commande d’accélérateur (170), et dans laquelle le contrôleur (180, 280) est programmé pour alimenter le moteur électrique (140, 240) à partir de la réserve électrique relais (160, 260) et/ou du générateur (130) en fonction, notamment, de la position de la commande d’accélérateur (170).Hybrid powertrain (100, 200) according to any one of claims 1 to 6, further comprising an accelerator control position sensor (170), and in which the controller (180, 280) is programmed to power the electric motor (140, 240) from the relay electrical reserve (160, 260) and/or the generator (130) depending, in particular, on the position of the accelerator control (170). Chaîne motrice hybride (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant, en outre, un capteur de vitesse de déplacement de la commande d’accélérateur (170), et dans laquelle le contrôleur (180, 280) est programmé pour alimenter le moteur électrique (140, 240) à partir de la réserve électrique relais (160, 260) et/ou du générateur (130) en fonction, notamment, de la vitesse de déplacement de la commande d’accélérateur (170).Hybrid powertrain (100, 200) according to any one of claims 1 to 7, further comprising a sensor for the speed of movement of the accelerator control (170), and in which the controller (180, 280) is programmed to supply the electric motor (140, 240) from the relay electrical reserve (160, 260) and/or the generator (130) as a function, in particular, of the speed of movement of the accelerator control (170). Chaîne motrice hybride (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant, en outre, un capteur de vitesse de déplacement du véhicule, et dans laquelle le contrôleur (180, 280) est programmé pour alimenter le moteur électrique (140, 240) à partir de la réserve électrique relais (160, 260) et/ou du générateur (130) en fonction, notamment, de la vitesse de déplacement du véhicule.Hybrid powertrain (100, 200) according to any one of claims 1 to 8, further comprising a vehicle travel speed sensor, and in which the controller (180, 280) is programmed to power the electric motor (140, 240) from the relay electrical reserve (160, 260) and/or the generator (130) as a function, in particular, of the vehicle travel speed. Chaîne motrice hybride (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant, en outre, un récupérateur d’énergie cinétique (195) relié à la réserve électrique relais (160, 260) pour charger la réserve électrique relais (160, 260) lors d’un freinage du véhicule.Hybrid powertrain (100, 200) according to any one of claims 1 to 9, further comprising a kinetic energy recuperator (195) connected to the relay electrical reserve (160, 260) for charging the relay electrical reserve (160, 260) during braking of the vehicle. Véhicule terrestre, tel qu’une voiture ou un utilitaire, caractérisé en ce qu’il comprend une chaîne motrice hybride (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel l’organe de déplacement comprend au moins une paire de roues (151).Land vehicle, such as a car or a utility vehicle, characterized in that it comprises a hybrid drive chain (100, 200) according to any one of claims 1 to 10, in which the movement member comprises at least one pair of wheels (151). Bateau caractérisé en ce qu’il comprend une chaîne motrice hybride selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel l’organe de déplacement comprend au moins une hélice (152) ou une turbine.Boat characterized in that it comprises a hybrid drive chain according to any one of claims 1 to 10, in which the displacement member comprises at least one propeller (152) or a turbine. Procédé de modification d’un véhicule électrique muni d’un moteur électrique (140, 240), d’une batterie de puissance et d’un connecteur de recharge à partir d’une source extérieure, pour l’équiper d’une chaîne motrice hybride (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant les étapes suivantes :
a) retirer la batterie de puissance équipant le véhicule pour libérer un volume d’installation ;
b) insérer la réserve d’air comprimé (110) dans le volume d’installation et remplacer le connecteur de recharge par une soupape de recharge reliée à la réserve d’air comprimé ;
c) ajouter le moteur à piston à air (120), le générateur (130) et le contrôleur (180, 280) dans le véhicule, de préférence dans le volume d’installation ;
d) ajouter une réserve électrique relais (160, 260) dans le véhicule, de préférence dans le volume d’installation, reliée entre le générateur (130) et le moteur électrique (140, 240), la réserve électrique relais (160, 260) étant constituée d’une partie de la batterie de puissance présentant une capacité comprise entre 1,2 et 2,2 Wh/kg de véhicule, ou comprenant au moins un supercondensateur, de préférence un ensemble de supercondensateurs de capacité comprise entre 0,2 et 0,5 Wh/kg de véhicule.
Method for modifying an electric vehicle equipped with an electric motor (140, 240), a power battery and a connector for recharging from an external source, to equip it with a hybrid powertrain (100, 200) according to any one of claims 1 to 10, comprising the following steps:
a) remove the power battery fitted to the vehicle to free up installation space;
b) insert the compressed air reserve (110) into the installation volume and replace the recharge connector with a recharge valve connected to the compressed air reserve;
c) adding the air piston motor (120), the generator (130) and the controller (180, 280) into the vehicle, preferably into the installation volume;
d) adding a relay electrical reserve (160, 260) in the vehicle, preferably in the installation volume, connected between the generator (130) and the electric motor (140, 240), the relay electrical reserve (160, 260) consisting of a part of the power battery having a capacity of between 1.2 and 2.2 Wh/kg of vehicle, or comprising at least one supercapacitor, preferably a set of supercapacitors with a capacity of between 0.2 and 0.5 Wh/kg of vehicle.
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