TITRE DE L’INVENTION : REMORQUE POUR VEHICULE COMPRENANT UN TURBOGENERATEUR COMME PROLONGATEUR D’AUTONOMIE, ET VEHICULE COMPORTANT UNE TELLE REMORQUE

[001] La présente invention revendique la priorité de la demande française N°2208249 déposée le 11.08.2022 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.

[002] L’invention se rapporte au domaine des dispositifs et systèmes de turbogénérateur du type à cycle de turbine à gaz, intégrés à un véhicule. L’invention concerne plus particulièrement le couplage de ce type de dispositif à une remorque, utilisé notamment comme prolongateur d’autonomie pour des véhicules électriques.

[003] Les convertisseurs d’énergie de type turbine à gaz sont largement étudiés en ce moment comme prolongateur d’autonomie (« range extender >> en langue anglaise) dans les véhicules hybrides de série. Ce convertisseur peut opérer en mode APU (pour Unité de Puissance Auxiliaire ou « Auxiliary Power Unit >> en langue anglaise) où son rôle est de recharger les batteries d’un véhicule électrique. Il est ainsi mécaniquement découplé de la chaîne de traction et fonctionne sur son point de rendement maximal.

[004] Plusieurs cycles sont en cours d’investigation, y compris les cycles récupératifs simples (RGT pour turbine à gaz récupérative ou « Recuperative Gas Turbine >>), mais aussi les cycles récupératifs à refroidisseur (IRGT) et les cycles avec refroidisseur, récupérateur et réchauffe ou « Intercooled Recuperative Reheat Gas Turbine >> en langue anglaise).

[005] Le cycle de turbine à gaz avec refroidisseur, récupérateur et réchauffe (IRReGT) est un cycle à fort potentiel pour les applications automobiles. Ce cycle permet d’atteindre un rendement important mais aussi une densité de puissance élevée (travail net spécifique élevé).

[006] Ces avantages conduisent à un besoin d’intégration du turbogénérateur dans un véhicule électrique. Cependant, les véhicules électriques représentent :

- une autonomie faible (à cause de la densité énergétique de la batterie comparée à la densité énergétique d'un carburant) ;

- une masse de véhicule trop importante (surtout en raison de la masse de la batterie).

[007] Ainsi, un premier objectif de l’invention est de pallier les défauts d’un véhicule électrique de ce type, et notamment de proposer une solution permettant d’augmenter l’autonomie du véhicule électrique sans augmenter le besoin de composants de batterie, et sans augmenter la masse du véhicule.

[008] Par ailleurs, l'hybridation d'un véhicule par un convertisseur d'énergie opérant avec un carburant à forte densité énergétique est une solution pour pallier ces problématiques.

[009] Cependant, l'intégration de la machine dans un véhicule électrique présente les problèmes suivants :

- par rapport à une intégration mécanique : la partie avant du véhicule est occupée par la machine électrique et son électronique de puissance ; la partie arrière est occupée par le coffre, alors qu’il faut garder un volume minimum de stockage ; la partie inférieure sous le châssis est occupée par la batterie ;

- par rapport à une intégration thermique : le convertisseur thermique nécessite d'évacuer des calories thermiques, et présente des problèmes (ajout d'échangeurs, d’autres composants, etc.) ;

- par rapports aux bruits et à la pollution sonore : l'ajout d'une machine thermodynamique génère du bruit, qui est gênant pour l’utilisateur du véhicule électrique ;

- le turbogénérateur peut être utilisé pendant 20% du temps d’utilisation (pour un utilisateur lambda), et surtout pour des longs trajets ; pendant 80% du temps d’utilisation, l’utilisateur n'a pas besoin du turbogénérateur, et n’a donc pas besoin de l'embarquer dans le véhicule.

[010] Ainsi, un deuxième objectif est de proposer une solution avec une intégration mécanique et thermique optimisée, avec peu de perturbations sonores pour l’utilisateur, et pouvant être utilisable de manière transitoire.

[011] Pour atteindre ces objectifs, l’invention propose une remorque configurée pour être fixée de manière transitoire à un véhicule automobile de type électrique ou hybride équipé d’un circuit électronique de puissance et d’une batterie de traction, et ayant un circuit d’air d’habitacle, la remorque comprenant : - un moyen de couplage mécanique pour fixer la remorque au véhicule automobile ;

- un turbogénérateur intégré comprenant au moins un turbocompresseur équipé d’un moteur générateur, et ayant un circuit d’air ;

- un moyen de couplage thermique configuré pour coupler le circuit d’air du turbogénérateur au circuit d’air du véhicule automobile ;

- un moyen de couplage électrique configuré pour coupler le moteur générateur au circuit électronique de puissance du véhicule automobile.

[012] Par « moteur générateur >> est entendu une machine électrique opérant à la fois en mode moteur et générateur, le moteur servant par exemple à entraîner et démarrer le système ; et le générateur servant par exemple à récupérer l’énergie.

[013] Avantageusement, l’invention permet de limiter le besoin de composants supplémentaires de batterie sans augmenter la masse du véhicule en lui-même, en utilisant une remorque comme prolongateur d’autonomie de manière transitoire au lieu de rajouter des composants de batterie et du poids de manière permanente.

[014] En outre, l’invention permet d’avoir une intégration mécanique et thermique optimisée par les couplages correspondants. La remorque externe limite le bruit pour l’utilisateur dans le véhicule.

[015] De plus, la remorque, utilisée de manière transitoire, peut être couplée au véhicule pour les longs trajets, et rangée pour les courts trajets.

[016] Selon une variante, le moyen de couplage électrique est configuré pour réaliser un couplage de sorte que le turbogénérateur forme une unité de puissance auxiliaire pour le véhicule automobile, pour recharger la batterie de traction.

[017] Cela permet d’avoir une architecture usuelle du couplage électrique, et de prolonger l’autonomie par la recharge de la batterie de traction.

[018] Selon une variante, le moyen de couplage thermique et le turbogénérateur sont configurés pour chauffer l’habitacle du véhicule automobile.

[019] Cela permet de limiter les dépenses énergétiques de chauffage et d’améliorer davantage l’efficacité énergétique du système.

[020] Selon une variante, le moteur générateur fonctionne grâce à un carburant fossile, un biocarburant ou un carburant issu de l’énergie renouvelable. Cela permet d’utiliser des carburants écoresponsables, respectueux de l’environnement.

[021] Selon une variante, où la remorque définit un repère avec une direction avant-arrière correspondant à une direction avant-arrière rectiligne de circulation de la remorque, et une direction latérale perpendiculaire à la direction avant-arrière, le moyen de couplage mécanique est configuré pour fixer la remorque à l’avant ou à l’arrière du véhicule automobile.

[022] Selon une variante, le moyen de couplage mécanique comprend un système de rotule ou un système de couplage rigide pour un châssis du véhicule automobile.

[023] Selon une variante, la remorque comporte des roues libres ou des roues mobiles.

[024] Selon une variante, la remorque comprend un volume de stockage. Cela permet d’avoir davantage de place de stockage pour l’utilisateur, notamment pour les longs trajets.

[025] L’invention concerne un véhicule automobile de type électrique ou hybride équipé d’un circuit électronique de puissance et d’une batterie de traction, et ayant un circuit d’air d’habitacle, caractérisé en ce que le véhicule est fixé à de manière transitoire à une remorque selon l’invention.

[026] Un autre objet de l’invention concerne une méthode de déplacement au moyen d’un véhicule automobile de type électrique ou hybride équipé d’un circuit électronique de puissance et d’une batterie de traction, et ayant un circuit d’air d’habitacle, la méthode de déplacement comprenant les étapes suivantes :

- couplage du véhicule à une remorque selon l’invention, en cas de trajet d’une distance supérieure à l’autonomie de la batterie, et/ou

- découplage du véhicule de la remorque en cas de trajet d’une distance inférieure à l’autonomie de la batterie.

[027] L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles :

- [Fig.1 ] illustre schématiquement une vue dans l’espace d’une remorque selon un premier mode de réalisation de l’invention ;

- [Fig.2] illustre schématiquement une vue dans l’espace similaire à celle de la figure 1 avec davantage de détails sur l’intérieur de la remorque ;

- [Fig.3] illustre schématiquement une vue dans l’espace d’une remorque selon un deuxième mode de réalisation, avec des détails d’un volume de stockage ouvert ;

- [Fig.4] illustre schématiquement une vue dans l’espace similaire à celle de la figure 3 avec le volume de stockage fermé ;

- [Fig.5] illustre schématiquement une vue dans l’espace d’une partie de la remorque des figures 3 et 4, avec des détails de moyens de couplage ; et

- [Fig.6] illustre schématiquement une vue dans l’espace de l’avant de la remorque des figures 3 à 5, détaillant une variante de roues.

[028] La technologie du turbogénérateur TG est très prometteuse pour remplacer le moteur thermique à combustion interne dans les chaînes de traction fortement électrifiées, notamment pour les véhicules PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicles) à architecture hybride de série (Series Hybrid Electric Véhiculés). La technologie promet les avantages suivants :

- faible niveau d'émissions ;

- faible niveau de bruit ;

- pas de vibrations ;

- pas de maintenance (à l’exception de changements de filtres à huile) ;

- capacité à fonctionner avec plusieurs types de carburants.

[029] La figure 1 illustre un repère dans les trois axes de l’espace, c’est à dire :

- une direction avant-arrière X correspondant à une direction avant-arrière rectiligne de circulation de la remorque R, la flèche représentant l’avant ;

- une direction latérale Y perpendiculaire à la direction avant-arrière X, la flèche représentant la droite ;

- une direction verticale Z perpendiculaire aux directions latérales et avant- arrière, la flèche représentant le haut.

[030] L’invention propose d'intégrer un turbogénérateur TG sur une remorque R, dans un premier volume V1. L'objectif est de proposer, pour les voitures électriques, un prolongateur d'autonomie pour les trajets de longues distances. La remorque R peut être couplée à un véhicule électrique de faible autonomie surtout lors des trajets de longues distances. La remorque R est munie d'un turbogénérateur TG avec de préférence un réservoir de carburant RC. [031] Le système permet :

- d’augmenter l’autonomie du véhicule ;

- de dimensionner une batterie de faible capacité pour les trajets journaliers, la remorque R étant utilisée uniquement pour les trajets de longue distance ;

- de proposer un système non-intrusif en ce qu’on ne touche pas à l'architecture mécanique et électrique du véhicule ;

- de recharger en électricité le véhicule à partir d'un biocarburant ou un carburant à faible impact environnemental (e-fuel) dans la remorque R ;

- de produire de l'énergie thermique pour chauffer le véhicule, s'il y a un besoin énergétique chaud comme durant la saison d'hiver ;

- d’avoir un volume de chargement V2 pour une masse maximale de 750 kg par exemple ;

- d’avoir un faible niveau de bruit perceptible en ce que la machine est intégrée dans la remorque ;

- de réduire la masse du véhicule en supprimant plusieurs kWh de batterie dont on n’a pas besoin durant plus de 80% du temps d'utilisation du véhicule (pour un utilisateur lambda).

[032] Le volume de stockage V2 est de préférence disposé au-dessus du volume V1 logeant le turbogénérateur TG.

[033] L’invention peut être appliquée sur un convertisseur d’énergie type turbogénérateur à cycle récupératif (RGT) ou à cycle de turbine à gaz avec refroidisseur, récupérateur et réchauffe (IRReGT). L’invention porte surtout sur l’aspect intégration de la machine dans la remorque R. Le fait d’intégrer le turbogénérateur TG réduit l’intrusivité du système et permet de gagner en volume, de réduire la complexité, mais surtout d’augmenter l’autonomie d’un véhicule électrique facilement et efficacement : on garde par exemple 20 kWh de batterie (soit environ 100 km journalier) à la place de 50 kWh. Ainsi on économise 30 kWh. La remorque R étant utilisée 20% du temps annuel, l’utilisateur peut la louer sur les aires de repos par exemple.

[034] L’invention peut être mise en oeuvre sur un véhicule avec chaîne de traction type SHEV (hybride de série ou « Series Hybrid Electric Vehicle >>) ou de préférence en prolongateur d’autonomie (ou « Range Extender >>), en particulier pour les véhicules électriques à faible autonomie. [035] La figure 2 illustre des détails de la machine, y compris un boitier d’électronique de puissance EP, un boîtier de jonction BJ, le réservoir de carburant RC, une batterie B, et le turbogénérateur TG équipé d’un moteur générateur.

[036] Par « moteur générateur >> est entendu une machine électrique opérant à la fois en mode moteur et générateur, le moteur servant par exemple à entraîner et démarrer le système ; et le générateur servant par exemple à récupérer l’énergie.

[037] Le couplage au véhicule est basé sur un moyen de couplage thermique TC configuré pour coupler un circuit d’air du turbogénérateur TG à un circuit d’air du véhicule automobile ; et un moyen de couplage électrique EC configuré pour coupler le moteur générateur au circuit électronique de puissance du véhicule automobile. Ces moyens de couplages peuvent être ceux de l’état de l’art.

[038] La remorque peut être couplée mécaniquement au véhicule par un système de rotule MC1 (figures 1 et 2) ou par couplage rigide MC2 pour le châssis du véhicule (figures 3 à 6). Dans ce dernier cas, le système est couplé au châssis de préférence avec au minimum deux poutres MC2 comme l’illustrent les figures susvisées.

[039] Des connectiques spécifiques (mécanique pour le couplage MC1 , MC2, thermique TC pour l’énergie thermique et électrique EC pour fournir l’énergie électrique) font l’interface entre la remorque R et le véhicule. L’interface est illustrée en figure 5.

[040] La remorque R peut être sur un châssis avec un point et deux roues RM, RL, comme elle peut être sur une roue positionnée au milieu, ou bien sur des roues libres (illustrées à la figure 6).

[041] Le turbogénérateur TG peut opérer avec un carburant conventionnel (c’est- à-dire fossile), un bio-carburant ou un carburant issu d’une énergie renouvelable (ou e-fuel). Il permet de fournir l’électricité pour recharger les batteries du véhicule électrique. Il permet également de produire de l’énergie thermique pour les besoins de chauffage.

[042] Dans le deuxième mode de réalisation (figures 3 à 6), la remorque R est équipée d’un volume de stockage V2 additionnel permettant d’augmenter le volume total disponible. [043] Le turbogénérateur TG peut avoir une structure et un agencement tels que ceux détaillés dans les demandes du demandeur, notamment ceux de la demande co-pendante FR2101906.

[044] L’invention propose de réduire la taille des batteries ce qui permet de d’optimiser la fabrication de véhicules électriques ou hybrides, de réduire la masse du véhicule et la consommation électrique (par la réduction de la masse réduisant le besoin énergétique), ainsi que l'impact environnemental lié à la production des batteries.

[045] L’invention permet d’augmenter l'autonomie du véhicule via une solution non-intrusive. On offre de l'énergie thermique, pour chauffer l'habitacle, durant l'hiver, ce qui représente un besoin énergétique non négligeable qui limite l'autonomie des véhicules électriques en hiver.

[046] Le volume occupé par les batteries et la machine électrique du véhicule, est relativement élevé. Avec la solution proposée, on offre un volume d’habitacle plus important du fait de la réduction de la taille de la batterie.

[047] On propose l'utilisation d'un convertisseur d'énergie fonctionnant avec un carburant à forte densité énergétique, donc une autonomie supplémentaire.

[048] On propose une conception avec un système à rotule ou bien des poutres qui s'intégrent au châssis du véhicule à l'avant ou à l'arrière.

[049] L’utilisateur peut ainsi choisir d’obtenir une petite batterie et la remorque pour les longs trajets, ce qui permet d’adapter le véhicule au besoin actuel de l’utilisateur.

[050] Par rapport à un véhicule électrique avec une batterie, on propose une solution qui permet d’augmenter l’autonomie du véhicule tout en limitant le besoin de composants de batterie supplémentaires.

[051] Le système permet de fournir de l’énergie électrique pour recharger les batteries. Le système pouvant fournir également de l’énergie thermique pour chauffer l’habitacle en de cas de besoin.

[052] La remorque R peut être sur un châssis avec un point et deux roues RM, RL, comme elle peut être sur une roue positionnée au milieu, ou bien sur des roues libres (illustrées à la figure 6).