EP4373700A1 - Systeme de recharge sans fil de batteries electriques de vehicules automobiles apte a equiper une aire de stationnement - Google Patents

Systeme de recharge sans fil de batteries electriques de vehicules automobiles apte a equiper une aire de stationnement

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Publication number
EP4373700A1
EP4373700A1 EP22750860.3A EP22750860A EP4373700A1 EP 4373700 A1 EP4373700 A1 EP 4373700A1 EP 22750860 A EP22750860 A EP 22750860A EP 4373700 A1 EP4373700 A1 EP 4373700A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cryogenic
superconducting
cable
charging system
enclosures
Prior art date
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Pending
Application number
EP22750860.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Lallouet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nexans SA
Original Assignee
Nexans SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nexans SA filed Critical Nexans SA
Publication of EP4373700A1 publication Critical patent/EP4373700A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/12—Inductive energy transfer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/30—Constructional details of charging stations
    • B60L53/302—Cooling of charging equipment

Definitions

  • Wireless charging system for electric motor vehicle batteries suitable for equipping a parking area
  • the present invention relates to the general field of recharging electric motor vehicle batteries, and more specifically to a system making it possible to carry out large-scale recharging, typically on parking areas comprising a plurality of locations. parking.
  • the present invention aims to provide different configurations for a charging system using a plurality of superconducting coils.
  • the present invention relates to a wireless charging system for electric batteries of motor vehicles suitable for equipping a parking area, the charging system comprising:
  • each enclosure comprising a superconducting coil, each enclosure being configured to be positioned at a parking space of said parking area and comprising an inlet opening and an outlet opening for the respective passage of the ends of the superconducting coil it contains;
  • an electrical circuit comprising intermediate cable portions electrically connecting the superconducting coils two by two so as to form a set of superconducting coils in series, two cable terminations, two cable end portions configured to electrically connect each end of the together at the terminals of a power supply;
  • each enclosure of the plurality of enclosures is a cryogenic enclosure.
  • the intermediate cable portions and the cable end portions are superconductive, and each comprise a superconductive conductor contained in a dedicated cryogenic envelope.
  • the dedicated cryogenic envelope is preferably flexible.
  • each intermediate portion of superconducting cable are preferably connected at the level respectively of an exit opening and an entry opening of two consecutive cryogenic chambers of the set of superconducting coils in series so as to on the one hand, to ensure sealed continuity in the cryogenic cooling circuit, and on the other hand, to allow the electrical connection of the conductor superconductor at the ends of the two superconducting coils contained in these two consecutive cryogenic chambers.
  • the cooling circuit may include the fluidic series connection of the two cable terminations, dedicated cryogenic envelopes of the two end portions and the intermediate portions of the superconducting cable, and cryogenic enclosures.
  • the cooling circuit may further comprise a cooling system and two transfer lines connecting each termination to the cooling system.
  • each cryogenic enclosure of the plurality of enclosures comprises an inlet opening and an outlet opening for the cryogenic fluid, the cooling circuit comprising the fluidic series connection of a cooling system and cryogenic chambers via cryogenic transfer lines.
  • cryogenic transfer lines connecting two cryogenic enclosures are then connected between their inlet opening and their respective cryogenic fluid outlet opening.
  • each enclosure of the plurality of enclosures comprises an element made of heat-conducting material
  • the cooling circuit comprises a cryogenic transfer line connected to a cryogenic cooling system so as to create a closed loop, the cryogenic transfer line being arranged so as to be in contact with said element of each enclosure to cool each superconducting coil by thermal conduction.
  • the intermediate cable portions and the cable end portions may each comprise a standard electrical conductor.
  • each intermediate cable portion is then preferably connected respectively at the level of an output opening and an input opening of two consecutive enclosures of the set of superconducting coils in series so as to allow the electrical connection of the standard electrical conductor to the ends of the two coils contained in these two consecutive enclosures.
  • the cryogenic fluid is liquid nitrogen. In other embodiments, the cryogenic fluid is liquid hydrogen.
  • Figure 1 schematically illustrates an example of configuration of a parking area equipped with a charging system for electric batteries of motor vehicles according to a first possible embodiment of the invention
  • Figure 2 schematically illustrates the parking area of Figure 1, equipped with a battery charging system for electric batteries of motor vehicles according to a second possible embodiment of the invention
  • Figure 3 schematically illustrates the parking area of Figure 1, equipped with a battery charging system for electric batteries of motor vehicles according to a third possible embodiment of the invention
  • Figure 4 schematically illustrates another example of configuration of a parking area equipped with a charging system for electric batteries of motor vehicles according to a first possible embodiment of the invention.
  • FIG. 1 illustrates a first possible embodiment of a charging system according to the invention, equipping a parking area comprising, by way of non-limiting example, four parking spaces 1 each intended to accommodate a motor vehicle (not shown) for wireless charging of the electric battery of this vehicle.
  • the relative position of the parking spaces 1 is irrelevant on the principles of the invention.
  • the charging system comprises, at each parking space 1, a cryogenic enclosure 2 containing a superconducting coil 3.
  • Each cryogenic enclosure 2 is preferably buried at a short distance in the ground so that each superconducting coil 3 is found oriented substantially horizontally, so as to be able to face and allow good electromagnetic coupling with a charging coil fitted to each electric vehicle.
  • Each superconducting coil 3 may consist of a winding of a superconducting wire, or of a winding of any superconducting element comprising a metal core (for example copper) surrounded by at least one superconducting layer, formed for example of several threads or ribbons.
  • the wires or ribbons are for example made of high temperature superconducting material (HTS) operating in liquid nitrogen, but other superconducting materials, for example MgB2, can be provided without departing from the scope of the invention.
  • HTS high temperature superconducting material
  • the charging system further comprises intermediate portions 4 of superconducting cable for electrically connecting the various superconducting coils 3 in series.
  • intermediate portions 4 of superconducting cable are the four superconducting coils 3 in series.
  • Each intermediate portion 4 of superconducting cable comprises a core or a conductor 5 of superconducting cable which is contained in a dedicated cryogenic envelope 6.
  • the dedicated cryogenic envelope 6 is here advantageously flexible, for example made of corrugated stainless steel.
  • each intermediate portion 4 of superconducting cable are connected at the level respectively of an outlet opening 2b and an inlet opening 2a of two consecutive cryogenic enclosures 2 of the set of coils in series in a manner of hand, to ensure tight continuity in the cryogenic cooling circuit, and secondly, to allow the electrical connection of the conductor 5 to the ends of the two coils 3 contained in these two cryogenic chambers 2 consecutive.
  • Reference 7 in Figure 1 illustrates an electrical connection point between an output end of a superconducting coil 3 and one end of a conductor 5.
  • the charging system further comprises two terminations 8 configured to allow both the thermal transition between the cryogenic temperature and the ambient temperature and the transmission of voltage/current with the electrical network or any other external electrical source.
  • One of the two terminations 8 is thus connected, as shown in Figure 1, to the input 2a of the first cryogenic chamber 2 of the series, while the other termination is connected to the output of the last cryogenic chamber 2 from the Serie.
  • the connection of each termination 8 with the corresponding cryogenic enclosure 2 is preferably made by means of superconducting cable end portions 4', each comprising, like the intermediate portions 4 of superconducting cable connecting the cryogenic enclosures 2 two by two, a superconducting conductor 5' surrounded by a dedicated cryogenic envelope 6', preferably flexible.
  • the recharging system also comprises a cryogenic cooling system 9 and two cryogenic transfer lines 10 connecting the cryogenic cooling system 9 to each termination 8.
  • the cryogenic cooling system 9 makes it possible to inject and circulate a fluid throughout the recharge system, according to the circulation flow indicated by the arrows, to ensure a cryogenic temperature compatible with the superconducting state.
  • the cryogenic fluid is preferably liquid nitrogen, but other cryogenic fluids could be provided (liquid hydrogen, subcooled gaseous helium, etc.).
  • the cryogenic cooling system 9 can be in a closed loop. In this case, the cryogenic fluid is injected at the right temperature at one end, circulates throughout the loop and returns to the cooling by the second end to be cooled again (for example by a cold head not shown) and reinjected.
  • the cryogenic cooling system 9 can also be a system without new cooling of the cryogenic fluid, simply connected to a storage tank which must be filled from time to time (we then speak of an open system).
  • the system of cooling 9 and cryogenic transfer lines 10 are preferably buried in the ground of the parking area.
  • the terminations 8 are preferably not buried and located at a certain distance from the ground to allow connection in complete safety to the electrical network.
  • the two terminations 8 are connected by two terminals 11 to a power supply (not shown), which allows injection of current and voltage into the charging system.
  • This power supply is coupled to (or includes) any power equipment making it possible to obtain the current value, the frequency value and the voltage value expected and adapted to the operation of the charging system. Any electric vehicle equipped with an electromagnetic energy recovery coil can therefore recharge its battery by placing itself correctly above one of the superconducting coils 3 of the charging system.
  • the recharging system according to the embodiment illustrated in FIG. 1 is entirely superconducting and makes it possible, in the same looped circuit, to carry out the circulation of cryogenic fluid and the electrical supply of the assembly formed by the series of the different superconducting coils 3.
  • the recharging system brings together here the electrical circuit allowing the supply of all the superconducting coils 3 connected in series and the cryogenic fluid cooling circuit necessary for proper operation of these superconducting coils 3.
  • the electrical circuit comprises the terminations 8, the superconducting conductors 5 and 5' and the superconducting coils connected in series between the terminals 11.
  • the cooling circuit for its part comprises the fluidic series connection of the terminations 8, dedicated cryogenic envelopes 6, 6' of the two end portions 4' and the intermediate portions 4 of the upper cable aconductor, the cryogenic chambers 2, the transfer lines 10, and the cooling system 9.
  • Such a completely superconducting arrangement makes it possible to minimize the losses by Joule effect during the transmission of the energy, even if the number of coils is high and if the portions 4 and 4' of superconducting cable are long.
  • FIG. 2 illustrates a second possible embodiment of a charging system according to the invention, equipping a parking area similar to that of Figure 1, comprising, by way of non-limiting example, four parking spaces 1 each intended to accommodate an electric vehicle (not shown) for wireless charging of the electric battery of this vehicle.
  • this second embodiment we find the four superconducting coils 3 in their respective cryogenic chamber 2.
  • the circuit for cooling by the cryogenic fluid is independent of the electrical circuit allowing the series connection of the various superconducting coils, for the portions external circuits to the speakers. This results in the following adaptations with respect to the recharging system of FIG. 1: [00034]
  • Each cryogenic enclosure 2 always comprises an inlet opening
  • each cryogenic enclosure 2 comprises a second inlet opening 2c and a second outlet opening 2d dedicated solely to the circulation of a cryogenic fluid according to a closed loop.
  • the recharging system thus comprises cryogenic transfer lines 12, five in number in the non-limiting example illustrated in FIG. 2, three of which are capable of connecting the different cryogenic enclosures 2 by two.
  • three cryogenic transfer lines 12 have one end connected to an outlet opening of a cryogenic enclosure 2, and another end connected to an inlet opening of another cryogenic enclosure 2, a line of cryogenic transfer 12 has one end connected to an outlet opening of a cryogenic enclosure 2 and another end connected to the inlet of a cryogenic cooling system 9, and a cryogenic transfer line 12 has one end connected to the outlet of the cooling system cryogenic cooling 9 and another end connected to an inlet opening of a cryogenic enclosure 2.
  • intermediate portions 14 of conventional cable comprising for example only a copper core, to electrically connect the various superconducting coils 3 in series.
  • three intermediate portions 14 of conventional electric cable are required to connect the four superconducting coils 3 in series, via the electrical terminations 13; ⁇ two conventional terminations 15 (replacing terminations 8 in Figure 1), each provided with a terminal 11 for connection to a power supply (not shown), which allows injection of current and voltage into the charging system.
  • One of the two terminations 15 is thus connected, as shown in FIG. 2, to one of the terminations 13 of the pair of terminations of the first cryogenic enclosure 2 of the series, while the other termination 15 is connected l one of the terminations 13 of the pair of terminations 13 of the last cryogenic enclosure 2 of the series.
  • FIG. 3 A third embodiment of an electric charging system is shown in Figure 3, equipping a parking area of the same type as that described above, namely comprising, by way of non-limiting example, four parking 1.
  • the electrical circuit is completely independent of the cooling circuit. More precisely, this electrical circuit is composed, as in the case of FIG. 2, of four superconducting coils 3 connected in series two by two thanks to three intermediate portions 14 of conventional cable, the series assembly being connected to a power supply 16 by means of two end portions 14' of classic cable.
  • FIG. 2 A third embodiment of an electric charging system is shown in Figure 3, equipping a parking area of the same type as that described above, namely comprising, by way of non-limiting example, four parking 1.
  • the electrical circuit is completely independent of the cooling circuit. More precisely, this electrical circuit is composed, as in the case of FIG. 2, of four superconducting coils 3 connected in series two by two thanks to three intermediate portions 14 of conventional cable, the series assembly being connected to a power supply 16 by means of two end portions 14' of classic cable.
  • the cryogenic fluid cooling circuit no longer passes through the interior of the enclosures 2.
  • the cooling circuit comprises a cryogenic transfer line 12 whose ends are connected at the input and exit from the cryogenic cooling system 9, so as to create a closed loop.
  • the cryogenic transfer line 12 is arranged so as to be in contact with at least a portion of an element 17 made of thermally conductive material, for example copper, included in each enclosure 2.
  • the superconducting coils 3 are therefore here cooled only by thermal conduction.
  • the amount of cryogenic fluid required in this third embodiment is even lower than in the second embodiment.
  • a charging system can include any number N of superconducting coils to allow the charging of a corresponding number N of vehicles.
  • FIG. 4 illustrates a possible configuration for a parking area comprising N parking spaces 1, with a charging system according to the first embodiment.
  • superconductivity allows a high current system, so for a given power, it leads to a lower operating voltage.
  • Large-scale conventional solutions have been studied up to 500 kW: with superconducting coils, these may be, for example, 1000 A coils powered by a 500 V source.
  • cryogenic fluid such as liquid nitrogen has no impact on the environment (nitrogen is the most important part of the atmosphere).
  • this other cryogen could also be an interesting alternative (liquid hydrogen as an "energy storage” medium, circulation of liquid hydrogen between 2 points in the city ).
  • Typical areas of interest for a charging system according to the invention are large parking areas, large charging stations along a busy highway (rapid charging of a large number of vehicles in same time), or places where several vehicles need to be fully charged in a limited time (hospitals, police stations, etc.).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

L'invention concerne plusieurs configurations d'un système de recharge sans fil de batteries électriques de véhicules apte à équiper une aire de stationnement, comportant : plusieurs enceintes (2) comportant chacune uunnee bobine supraconductrice (3), chaque enceinte (2) étant apte à être positionnée au niveau d'un emplacement de stationnement (1 ) de l'aire et comportant une ouverture d'entrée (2a) et une ouverture de sortie (2b) pour le passage de la bobine supraconductrice (3) qu'elle contient; un circuit électrique comprenant des portions intermédiaires (4) de câble connectant électriquement les bobines supraconductrices (3) deux à deux de manière à former un ensemble de bobines supraconductrices (3) en série, deux terminaisons (8) de câble, deux portions d'extrémité (4') de câble configurées pour connecter électriquement chaque extrémité de l'ensemble aux bornes d'une alimentation électrique; et un circuit de refroidissement apte à refroidir chaque bobine supraconductrice grâce à une circulation d'un fluide cryogénique.

Description

Système de recharge sans fil de batteries électriques de véhicules automobiles apte à équiper une aire de stationnement
Domaine technique [0001] La présente invention concerne le domaine général de la recharge des batteries électriques de véhicules automobiles, et plus précisément d’un système permettant de faire des recharges à grande échelle, typiquement sur des aires de stationnement comportant une pluralité d’emplacements de stationnement.
Arrière-plan technologique [0002] Le marché des véhicules électriques se développe très rapidement. Cependant, la recharge des batteries électriques pour véhicules automobiles reste un verrou technologique. Un véhicule totalement électrique a besoin de plusieurs heures pour avoir sa batterie complètement chargée.
[0003] Des développements récents montrent que la recharge sans fil d’une batterie électrique de véhicule automobile pourrait être efficace (90% d'efficacité) et ne nécessiter que deux heures, voire moins, pour recharger un véhicule totalement électrique.
[0004] Ces développements utilisent une bobine de fil de cuivre placée au sol et parcourue par un courant pour générer un champ électromagnétique. Ce champ électromagnétique induit est récupéré par une autre bobine située sur le véhicule dont la batterie est à charger. Cependant, avec le fil de cuivre, la quantité d'énergie requise entraîne d'importantes pertes électriques par effet Joule, et la compacité est limitée pour cette technologie, ce qui entraîne une limitation de l'efficacité de la transmission d'énergie. Quelques bobines supraconductrices ont été testées en laboratoire pour étudier la transmission d'énergie sans fil, mais sans aucune vision d'un système complet utilisant cette technologie (Voir par exemple C. Utschick, C. Som, J. èouc, V. GroBe, F. Gômôry and R. Gross, "Superconducting Wireless Power Transfer Beyond 5 kW at High Power Density for Industrial Applications and Fast Battery Charging," - IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 31 , no. 3, pp. 1-10, avril 2021, Art no. 5500110, doi: 10.1109/TASC.2021.3056195). Résumé de l’invention
[0005] La présente invention a pour but de proposer différentes configurations pour un système de recharge utilisant une pluralité de bobines supraconductrices.
[0006] La présente invention a pour objet un système de recharge sans fil de batteries électriques de véhicules automobiles apte à équiper une aire de stationnement, le système de recharge comportant :
• une pluralité d’enceintes comportant chacune une bobine supraconductrice, chaque enceinte étant configurée pour être positionnée au niveau d’un emplacement de stationnement de ladite aire de stationnement et comportant une ouverture d’entrée et une ouverture de sortie pour le passage respectif des extrémités de la bobine supraconductrice qu’elle contient;
• un circuit électrique comprenant des portions intermédiaires de câble connectant électriquement les bobines supraconductrices deux à deux de manière à former un ensemble de bobines supraconductrices en série, deux terminaisons de câble, deux portions d’extrémité de câble configurées pour connecter électriquement chaque extrémité de l’ensemble aux bornes d’une alimentation électrique; et
• un circuit de refroidissement apte à refroidir chaque bobine supraconductrice grâce à une circulation d’un fluide cryogénique.
[0007] Dans des modes de réalisation possibles, chaque enceinte de la pluralité d’enceintes est une enceinte cryogénique.
[0008] Dans ces modes de réalisation, les portions intermédiaires de câble et les portions d’extrémité de câble sont supraconductrices, et comportent chacune un conducteur supraconducteur contenu dans une enveloppe cryogénique dédiée.
[0009] L’enveloppe cryogénique dédiée est de préférence flexible.
[00010] Les extrémités de chaque portion intermédiaire de câble supraconducteur sont connectées de préférence au niveau respectivement d’une ouverture de sortie et d’une ouverture d’entrée de deux enceintes cryogéniques consécutives de l’ensemble de bobines supraconductrices en série de manière d’une part, à assurer une continuité étanche dans le circuit de refroidissement cryogénique, et d’autre part, à permettre le raccordement électrique du conducteur supraconducteur aux extrémités des deux bobines supraconductrices contenues dans ces deux enceintes cryogéniques consécutives.
[00011] Le circuit de refroidissement peut comprendre la mise en série fluidique des deux terminaisons de câble, des enveloppes cryogéniques dédiées des deux portions d’extrémité et des portions intermédiaires de câble supraconducteur, et des enceintes cryogéniques.
[00012] Le circuit de refroidissement peut comporter en outre un système de refroidissement et deux lignes de transfert reliant chaque terminaison au système de refroidissement.
[00013] Dans certains modes de réalisation, chaque enceinte cryogénique de la pluralité d’enceintes comporte une ouverture d’entrée et une ouverture de sortie du fluide cryogénique, le circuit de refroidissement comprenant la mise en série fluidique d’un système de refroidissement et des enceintes cryogéniques par l’intermédiaire de lignes de transfert cryogénique.
[00014] Les lignes de transfert cryogénique reliant deux enceintes cryogéniques sont alors connectées entre leur ouverture d’entrée et leur ouverture de sortie du fluide cryogénique respective.
[00015] Dans d’autres modes de réalisation, chaque enceinte de la pluralité d’enceintes comporte un élément en matériau conducteur thermique, et le circuit de refroidissement comporte une ligne de transfert cryogénique connectée à un système de refroidissement cryogénique de manière à créer une boucle fermée, la ligne de transfert cryogénique étant disposée de manière à être en contact avec ledit élément de chaque enceinte pour refroidir chaque bobine supraconductrice par conduction thermique.
[00016] Dans ces modes de réalisation, les portions intermédiaires de câble et les portions d’extrémité de câble peuvent comporter chacune un conducteur électrique standard.
[00017] Les extrémités de chaque portion intermédiaire de câble sont alors de préférence connectées au niveau respectivement d’une ouverture de sortie et d’une ouverture d’entrée de deux enceintes consécutives de l’ensemble de bobines supraconductrices en série de manière à permettre le raccordement électrique du conducteur électrique standard aux extrémités des deux bobines contenues dans ces deux enceintes consécutives. [00018] Dans des modes de réalisation, le fluide cryogénique est de l’azote liquide. Dans d’autres modes de réalisation, le fluide cryogénique est de l’hydrogène liquide.
Brève description des figures
[00019] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée. Sur les figures annexées:
[00020] La figure 1 illustre schématiquement un exemple de configuration d’une aire de stationnement équipée d’un système de recharge pour batteries électriques de véhicules automobiles selon un premier mode de réalisation possible de l’invention ;
[00021] La figure 2 illustre schématiquement l’aire de stationnement de la figure 1, équipée d’un système de recharge pour batterie pour batteries électriques de véhicules automobiles selon un deuxième mode de réalisation possible de l’invention ;
[00022] La figure 3 illustre schématiquement l’aire de stationnement de la figure 1 , équipée d’un système de recharge pour batterie pour batteries électriques de véhicules automobiles selon un troisième mode de réalisation possible de l’invention ;
[00023] La figure 4 illustre schématiquement un autre exemple de configuration d’une aire de stationnement équipée d’un système de recharge pour batteries électriques de véhicules automobiles selon un premier mode de réalisation possible de l’invention.
Description de mode(s) de réalisation
[00024] Dans les figures, les éléments identiques ou équivalents porteront les mêmes signes de référence. Les différents schémas ne sont pas à l’échelle.
[00025] La figure 1 illustre un premier mode de réalisation possible d’un système de recharge conforme à l’invention, équipant une aire de stationnement comportant, à titre d’exemple non limitatif, quatre emplacements de stationnement 1 destinés chacun à accueillir un véhicule automobile (non représenté) pour une recharge sans fil de la batterie électrique de ce véhicule. La position relative des emplacements de stationnement 1 est sans importance sur les principes de l’invention. Le système de recharge comporte, au niveau de chaque emplacement de stationnement 1, une enceinte cryogénique 2 renfermant une bobine supraconductrice 3. Chaque enceinte cryogénique 2 est de préférence enterrée à faible distance dans le sol de manière à ce que chaque bobine supraconductrice 3 se retrouve orientée sensiblement horizontalement, de façon à pouvoir faire face et permettre un bon couplage électromagnétique avec une bobine de recharge équipant chaque véhicule électrique. Chaque bobine supraconductrice 3 peut être constituée d’un enroulement d’un fil supraconducteur, ou d’un enroulement de tout élément supraconducteur comportant un cœur métallique (par exemple en cuivre) entouré d'au moins une couche supraconductrice, formée par exemple de plusieurs fils ou rubans. Les fils ou rubans sont par exemple en matériau supraconducteur à haute température (HTS) fonctionnant dans de l’azote liquide, mais d’autres matériaux supraconducteurs, par exemple le MgB2, peuvent être prévus sans départir du cadre de l’invention. [00026] Chaque enceinte cryogénique 2 comporte en outre une ouverture d’entrée
2a pour le passage d’une première extrémité de la bobine supraconductrice 3 et une ouverture de sortie 2b pour le passage de la deuxième extrémité de la bobine supraconductrice 3.
[00027] Le système de recharge comporte en outre des portions intermédiaires 4 de câble supraconducteur pour connecter électriquement en série les différentes bobines supraconductrices 3. Dans l’exemple non limitatif de la figure 1, trois portions intermédiaires 4 de câble supraconducteur sont nécessaires pour connecter en série les quatre bobines supraconductrices 3. Chaque portion intermédiaire 4 de câble supraconducteur comporte une âme ou un conducteur 5 de câble supraconducteur qui est contenu dans une enveloppe cryogénique dédiée 6. L’enveloppe cryogénique dédiée 6 est ici avantageusement flexible, par exemple réalisée en un acier inoxydable ondulé. Les extrémités de chaque portion intermédiaire 4 de câble supraconducteur sont connectées au niveau respectivement d’une ouverture de sortie 2b et d’une ouverture d’entrée 2a de deux enceintes cryogéniques 2 consécutives de l’ensemble en série des bobines de manière d’une part, à assurer une continuité étanche dans le circuit de refroidissement cryogénique, et d’autre part, à permettre le raccordement électrique du conducteur 5 aux extrémités des deux bobines 3 contenues dans ces deux enceintes cryogéniques 2 consécutives. La référence 7 sur la figure 1 illustre un point de raccordement électrique entre une extrémité de sortie d’une bobine supraconductrice 3 et une extrémité d’un conducteur 5.
[00028] Le système de recharge comporte en outre deux terminaisons 8 configurées pour permettre à la fois la transition thermique entre la température cryogénique et la température ambiante et la transmission de tension/courant avec le réseau électrique ou tout autre source électrique externe. L’une des deux terminaisons 8 est ainsi connectée, comme visible sur la figure 1 , sur l’entrée 2a de la première enceinte cryogénique 2 de la série, alors que l’autre terminaison est connectée sur la sortie de la dernière enceinte cryogénique 2 de la série. Dans le mode de réalisation non limitatif illustré, la connexion de chaque terminaison 8 avec l’enceinte cryogénique 2 correspondante est réalisée de préférence au moyen de portions 4’ d’extrémité de câble supraconducteur, comportant chacune, à l’instar des portions intermédiaires 4 de câble supraconducteur connectant les enceintes cryogéniques 2 deux à deux, un conducteur supraconducteur 5’ entouré d’une enveloppe cryogénique dédiée 6’, de préférence flexible.
[00029] Le système de recharge comporte également un système de refroidissement cryogénique 9 et deux lignes de transfert cryogénique 10 reliant le système de refroidissement cryogénique 9 à chaque terminaison 8. Le système de refroidissement cryogénique 9 permet d'injecter et de faire circuler un fluide cryogénique tout au long du système de recharge, selon le flux de circulation indiqué par les flèches, pour assurer une température cryogénique compatible avec l'état supraconducteur. Le fluide cryogénique est préférentiellement de l'azote liquide, mais d'autres fluides cryogéniques pourraient être prévus (hydrogène liquide, hélium gazeux sous-refroidi...). Le système de refroidissement cryogénique 9 peut être en boucle fermée. Dans ce cas, le fluide cryogénique est injecté à la bonne température à une extrémité, circule tout au long de la boucle et retourne au refroidissement par la seconde extrémité pour être refroidi à nouveau (par exemple par une tête froide non représentée) et réinjecté. En variante non représentée, le système de refroidissement cryogénique 9 peut également être un système sans nouveau refroidissement du fluide cryogénique, simplement connecté à un réservoir de stockage qui doit être rempli de temps en temps (on parle alors de système ouvert).
[00030] Comme dans le cas des enceintes cryogéniques 2, les portions intermédiaires 4, et d’extrémité 4’ de câble supraconducteur, le système de refroidissement 9 et les lignes de transfert cryogénique 10 sont de préférence enterrés dans le sol de l’aire de stationnement. Les terminaisons 8 sont de préférence non enterrées et situées à une certaine distance de la terre pour permettre un raccordement en toute sécurité au réseau électrique.
[00031] En fonctionnement, les deux terminaisons 8 sont reliées par deux bornes 11 à une alimentation électrique (non représentée), laquelle permet une injection du courant et de la tension dans le système de recharge. Cette alimentation est couplée à (ou inclut) tout équipement de puissance permettant d'obtenir la valeur de courant, la valeur de fréquence et la valeur de tension attendues et adaptées au fonctionnement du système de recharge. Tout véhicule électrique équipé d’une bobine récupératrice d’énergie électromagnétique peut dès lors recharger sa batterie en se plaçant correctement au-dessus de l’une des bobines supraconductrices 3 du système de recharge.
[00032] Le système de recharge selon le mode de réalisation illustré sur la figure 1 est entièrement supraconducteur et permet, dans un même circuit bouclé, de réaliser la circulation de fluide cryogénique et l’alimentation électrique de l’ensemble constitué par la mise en série des différentes bobines supraconductrices 3. En d’autres termes, le système de recharge réunit ici, le circuit électrique permettant l’alimentation de l’ensemble des bobines supraconductrices 3 connectées en série et le circuit de refroidissement par fluide cryogénique nécessaire au bon fonctionnement de ces bobines supraconductrices 3. Le circuit électrique comprend les terminaisons 8, les conducteurs supraconducteurs 5 et 5’ et les bobines supraconductrices reliés en série entre les bornes 11. Le circuit de refroidissement comprend quant à lui la mise en série fluidique des terminaisons 8, des enveloppes cryogéniques dédiées 6, 6’ des deux portions 4’ d’extrémité et des portions intermédiaires 4 de câble supraconducteur, des enceintes cryogéniques 2, des lignes 10 de transfert, et du système de refroidissement 9. Un tel agencement totalement supraconducteur permet de réduire au minimum les pertes par effet joule pendant la transmission de l'énergie, même si le nombre de bobines est élevé et si les portions 4 et 4’ de câble supraconducteur sont longues.
[00033] La figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation possible d’un système de recharge conforme à l’invention, équipant une aire de stationnement similaire à celle de la figure 1, comportant, à titre d’exemple non limitatif, quatre emplacements de stationnement 1 destinés chacun à accueillir un véhicule électrique (non représenté) pour une recharge sans fil de la batterie électrique de ce véhicule. Dans ce deuxième mode de réalisation, on retrouve les quatre bobines supraconductrices 3 dans leur enceinte cryogénique respective 2. Ici cependant, le circuit de refroidissement par le fluide cryogénique est indépendant du circuit électrique permettant la connexion en série des différentes bobines supraconductrices, pour les portions de circuits externes aux enceintes. Il en résulte les adaptations suivantes par rapport au système de recharge de la figure 1 : [00034] Chaque enceinte cryogénique 2 comporte toujours une ouverture d’entrée
2a pour le passage d’une première extrémité de la bobine supraconductrice 3 qu’elle renferme et une ouverture de sortie 2b pour le passage de la deuxième extrémité de la bobine supraconductrice 3.
[00035] De manière différente cependant, chaque enceinte cryogénique 2 comporte une seconde ouverture d’entrée 2c et une seconde ouverture de sortie 2d dédiées uniquement à la circulation d’un fluide cryogénique selon une boucle fermée. Ici, le système de recharge comporte ainsi des lignes de transfert cryogénique 12, au nombre de cinq dans l’exemple non limitatif illustré sur la figure 2, dont trois sont aptes à relier deux à deux les différentes enceintes cryogéniques 2. Ainsi, dans l’exemple non limitatif illustré, trois lignes de transfert cryogénique 12 présentent une extrémité connectée à une ouverture de sortie d’une enceinte cryogénique 2, et une autre extrémité connectée à une ouverture d’entrée d’une autre enceinte cryogénique 2, une ligne de transfert cryogénique 12 présente une extrémité connectée à une ouverture de sortie d’une enceinte cryogénique 2 et une autre extrémité connectée en entrée d’un système de refroidissement cryogénique 9, et une ligne de transfert cryogénique 12 présente une extrémité connectée en sortie du système de refroidissement cryogénique 9 et une autre extrémité connectée à une ouverture d’entrée d’une enceinte cryogénique 2.
[00036] En outre, la mise en série et l’alimentation électrique des boucles supraconductrices 3 s’effectuent, conformément au deuxième mode de réalisation, par un circuit électrique indépendant du circuit de refroidissement, le circuit électrique comportant :
• des paires dédiées de terminaisons électriques intermédiaires 13, incluses de préférence au niveau de chaque enceinte cryogénique 2, chaque terminaison d’une même paire recevant une extrémité de la bobine supraconductrice 3 de l’enceinte cryogénique correspondante 2 ;
• des portions intermédiaires 14 de câble classique (par opposition aux câbles supraconducteurs), comportant par exemple uniquement une âme en cuivre, pour connecter électriquement en série les différentes bobines supraconductrices 3. Dans l’exemple non limitatif de la figure 2, trois portions intermédiaires 14 de câble électrique classique sont nécessaires pour connecter en série les quatre bobines supraconductrices 3, par l’intermédiaire des terminaisons électriques 13 ; · deux terminaisons classiques 15 (remplaçant les terminaisons 8 de la figure 1 ), munies chacune d’une borne 11 de connexion à une alimentation électrique (non représentée), laquelle permet une injection du courant et de la tension dans le système de recharge. L’une des deux terminaisons 15 est ainsi connectée, comme visible sur la figure 2, sur l’une des terminaisons 13 de la paire de terminaisons de la première enceinte cryogénique 2 de la série, alors que l’autre terminaison 15 est connectée l’une des terminaisons 13 de la paire de terminaisons 13 de la dernière enceinte cryogénique 2 de la série.
• deux portions 14’ d’extrémité de câble classique pour la connexion électrique de la première et de la dernière bobine supraconductrice 13 avec chacune des terminaisons classiques 15.
[00037] Par rapport au système selon le premier mode de réalisation décrit en référence à la figure 1, un intérêt du système illustré sur la figure 2 est qu’il nécessite un volume moindre de fluide cryogénique et un système de refroidissement 9 plus simple. [00038] Un troisième mode de réalisation d’un système de recharge électrique est représenté sur la figure 3, équipant une aire de stationnement du même type que celle décrite précédemment, à savoir comportant, à titre d’exemple non limitatif, quatre emplacements de stationnement 1. Dans ce troisième mode de réalisation le circuit électrique est totalement indépendant du circuit de refroidissement. Plus précisément, ce circuit électrique est composé, comme dans le cas de la figure 2, des quatre bobines supraconductrices 3 connectées en série deux à deux grâce à trois portions intermédiaires 14 de câble classique, l’ensemble série étant connecté à une alimentation électrique 16 au moyen de deux portions 14’ d’extrémité de câble classique. En revanche, comme visible sur la figure 3, le circuit de refroidissement par fluide cryogénique ne passe plus par l’intérieur des enceintes 2. De manière différente, le circuit de refroidissement comprend une ligne de transfert cryogénique 12 dont les extrémités sont reliées en entrée et sortie du système de refroidissement cryogénique 9, de manière à créer une boucle fermée. La ligne de transfert cryogénique 12 est disposée de manière à être en contact avec au moins une portion d’un élément 17 en matériau conducteur thermique, par exemple en cuivre, inclus dans chaque enceinte 2. Les bobines supraconductrices 3 sont donc ici refroidies uniquement par conduction thermique. La quantité de fluide cryogénique nécessaire dans ce troisième mode de réalisation est encore plus faible que dans le deuxième mode de réalisation.
[00039] Un système de recharge selon l’un quelconque des trois modes de réalisation décrits ci-avant peut inclure un nombre quelconque N de bobines supraconductrices pour permettre la recharge d’un nombre N correspondant de véhicules. La figure 4 illustre une configuration possible pour une aire de stationnement comprenant N emplacements de stationnement 1, avec un système de recharge selon le premier mode de réalisation.
[00040] L'utilisation de bobines supraconductrices connectées en série par des câbles supraconducteurs (figures 1 et 4) ou standards (figures 2 et 3) pour former un système complet comprenant plusieurs points de charge présente plusieurs avantages :
• aucune perte électrique par effet Joule dans les parties supraconductrices pendant le fonctionnement du système, ce qui entraîne une réduction des coûts d'exploitation liés à la circulation du courant.
• un champ magnétique local plus élevé est généré pour la recharge sans fil, ce qui entraîne un meilleur rendement pour la transmission de l'énergie à la voiture (rendement supérieur à 97% avec cette technologie supraconductrice, contre un rendement maximal de 90% pour les systèmes prototypes en cours de développement avec des conducteurs conventionnels).
• la supraconductivité permet une compacité des bobines (densité de courant plus élevée).
• la supraconductivité permet un système à courant élevé, donc pour une puissance donnée, elle conduit à une tension de fonctionnement plus faible. Des solutions conventionnelles de grande taille ont été étudiées jusqu'à 500 kW : avec des bobines supraconductrices, il peut s'agir par exemple de bobines de 1000 A alimentées par une source de 500 V.
• dans la version intégralement supraconductrice selon le premier mode de réalisation, il n’y a aucun impact thermique du système s'il est enterré, par exemple sous la surface d'un parking, contrairement à un système conventionnel qui pourrait générer des perturbations thermiques pour des conduites d'eau fermées ou d'autres câbles enterrés conventionnels.
• un fluide cryogénique tel que l’azote liquide est sans aucun impact sur l'environnement (l'azote constitue la partie la plus importante de l'atmosphère). Cependant, avec l'émergence de l'hydrogène pour le développement des énergies renouvelables, cet autre cryogène pourrait également être une alternative intéressante (hydrogène liquide comme média de "stockage d'énergie", circulation d’hydrogène liquide entre 2 points de la ville ...).
[00041] Les domaines d'intérêt typiques pour un système de recharge conforme à l’invention sont les grandes aires de stationnement, les grandes stations de recharge le long d'une autoroute très fréquentée (recharge rapide d'un grand nombre de véhicules en même temps), ou les endroits où plusieurs véhicules doivent être entièrement rechargés en un temps limité (hôpitaux, commissariats de police...).

Claims

Revendications
1 Système de recharge sans fil de batteries électriques de véhicules automobiles apte à équiper une aire de stationnement, le système de recharge comportant :
• une pluralité d’enceintes (2) comportant chacune une bobine supraconductrice (3), chaque enceinte (2) étant configurée pour être positionnée au niveau d’un emplacement de stationnement (1 ) de ladite aire de stationnement et comportant une ouverture d’entrée (2a) et une ouverture de sortie (2b) pour le passage respectif des extrémités de la bobine supraconductrice (3) qu’elle contient; · un circuit électrique comprenant des portions intermédiaires (4 ; 14) de câble connectant électriquement les bobines supraconductrices (3) deux à deux de manière à former un ensemble de bobines supraconductrices (3) en série, deux terminaisons (8 ; 15) de câble, deux portions d’extrémité (4’ ; 14’) de câble configurées pour connecter électriquement chaque extrémité de l’ensemble aux bornes d’une alimentation électrique (16) ; et
• un circuit de refroidissement apte à refroidir chaque bobine supraconductrice grâce à une circulation d’un fluide cryogénique.
2 Système de recharge selon la revendication 1 , dans lequel chaque enceinte de la pluralité d’enceintes (2) est une enceinte cryogénique. 3. Système de recharge selon la revendication 2, dans lequel les portions intermédiaires (4) de câble et les portions d’extrémité (4’) de câble sont supraconductrices, et comportent chacune un conducteur supraconducteur (5, 5’) contenu dans une enveloppe cryogénique dédiée (6, 6’).
4. Système de recharge selon la revendication 3, dans lequel l’enveloppe cryogénique dédiée (6, 6’) est flexible.
5. Système de recharge selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, dans lequel les extrémités de chaque portion intermédiaire (4) de câble supraconducteur sont connectées au niveau respectivement d’une ouverture de sortie (2b) et d’une ouverture d’entrée (2a) de deux enceintes cryogéniques (2) consécutives de l’ensemble de bobines supraconductrices (3) en série de manière d’une part, à assurer une continuité étanche dans le circuit de refroidissement cryogénique, et d’autre part, à permettre le raccordement électrique du conducteur supraconducteur (5) aux extrémités des deux bobines supraconductrices (3) contenues dans ces deux enceintes cryogéniques (2) consécutives.
6. Système de recharge selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel le circuit de refroidissement comprend la mise en série fluidique des deux terminaisons (8) de câble, des enveloppes cryogéniques dédiées (6, 6’) des deux portions (4’) d’extrémité et des portions intermédiaires (4) de câble supraconducteur, et des enceintes cryogéniques (2).
7. Système de recharge selon la revendication 6, dans lequel le circuit de refroidissement comporte en outre un système de refroidissement (9) et deux lignes (10) de transfert reliant chaque terminaison (8) au système de refroidissement (9).
8. Système de recharge selon la revendication 2, dans lequel chaque enceinte cryogénique de la pluralité d’enceintes (2) comporte une ouverture d’entrée (2c) et une ouverture de sortie (2d) du fluide cryogénique, le circuit de refroidissement comprenant la mise en série fluidique d’un système de refroidissement (9) et des enceintes cryogéniques (2) par l’intermédiaire de lignes de transfert cryogénique (12).
9. Système de recharge selon la revendication 8, dans lequel les lignes de transfert cryogénique (12) reliant deux enceintes cryogéniques (2) sont connectées entre leur ouverture d’entrée (2c) et leur ouverture de sortie (2d) du fluide cryogénique respective.
10. Système de recharge selon la revendication 1 , dans lequel chaque enceinte de la pluralité d’enceintes (2) comporte un élément (17) en matériau conducteur thermique, et le circuit de refroidissement comporte une ligne de transfert cryogénique (12) connectée à un système (9) de refroidissement cryogénique de manière à créer une boucle fermée, la ligne de transfert cryogénique (12) étant disposée de manière à être en contact avec ledit élément (17) de chaque enceinte pour refroidir chaque bobine supraconductrice (3) par conduction thermique. il. Système de recharge selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel les portions intermédiaires (14) de câble et les portions d’extrémité (14’) de câble comportent chacune un conducteur électrique standard.
12. Système de recharge selon la revendication 11, dans lequel les extrémités de chaque portion intermédiaire (14) de câble sont connectées au niveau respectivement d’une ouverture de sortie (2b) et d’une ouverture d’entrée (2a) de deux enceintes (2) consécutives de l’ensemble de bobines supraconductrices (3) en série de manière à permettre le raccordement électrique du conducteur électrique standard aux extrémités des deux bobines (3) contenues dans ces deux enceintes (2) consécutives.
13. Système de recharge selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le fluide cryogénique est de l’azote liquide.
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