[001 ] L’invention concerne de manière générale la génération d’électricité à partir de la chaleur par l’application de l’effet thermoélectrique dit effet Seebeck. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à une machine thermoélectrique de conversion primaire d’énergie notamment pour des applications dans des véhicules et, en particulier, les véhicules électriques hybrides à autonomie étendue. L’invention concerne aussi un véhicule comprenant une machine thermoélectrique notamment dans sa chaîne de traction.

[002] La génération thermoélectrique basée sur l’effet Seebeck met à profit la différence de potentiel apparaissant entre deux matériaux conducteurs de natures différentes, soumis à un gradient de température, pour produire de l’électricité à partir de la chaleur. Une conversion thermoélectrique inverse est obtenue avec l’effet Peltier qui produit un gradient de température dans deux matériaux conducteurs de natures différentes entre lesquels est appliquée une différence de potentiel.

[003] Dans les véhicules, il est connu d’utiliser des générateurs thermoélectriques en tant que convertisseur secondaire d’énergie pour produire de l’électricité par récupération d’une partie de la chaleur perdue des moteurs à combustion interne. Ainsi, il a été proposé un générateur thermoélectrique convertissant en électricité la chaleur contenue dans les gaz d’échappement du moteur à combustion interne. Par W02008095582A1 , il est connu de récupérer la chaleur directement sur le bloc-moteur du moteur à combustion interne et de la convertir en électricité à l’aide d’un générateur thermoélectrique. De manière générale, le générateur thermoélectrique offre l’avantage d’une conversion d’énergie statique, sans aucune usure mécanique due à des organes en mouvement comme dans un alternateur électrique. Par contre, le rendement des générateurs thermoélectriques connus reste faible et dépend notamment du facteur de mérite ZT des matériaux conducteurs utilisés. Des matériaux semiconducteurs de type P et N sont utilisés dans les générateurs thermoélectriques actuels. Des recherches prometteuses sont en cours afin de mettre au point des matériaux nanostructurés ayant un haut facteur de mérite ZT.

[004] La Fig.1 montre de manière schématique une architecture connue d’une machine thermoélectrique MTE à combustion externe qui est conçue pour une conversion primaire d’énergie. La machine thermoélectrique MTE fournit de l’énergie électrique à partir de la chaleur produite par la combustion externe d’un carburant. La machine thermoélectrique MTE comprend un générateur thermoélectrique GTE et un dispositif de combustion CO. Le générateur GTE comporte ici un seul module thermoélectrique TE.

[005] Le module thermoélectrique TE comprend un premier matériau thermoélectrique M _n , typiquement un semiconducteur de type N, et un deuxième matériau thermoélectrique MP, typiquement un semiconducteur de type P. Des premières extrémités des matériaux thermoélectriques MN, M _p , sont interconnectées et reliées thermiquement à une tête chaude TE _h . Des deuxièmes extrémités des matériaux thermoélectriques M _N , M _P , sont reliées thermiquement à une tête froide TE _C et connectées respectivement à des bornes électriques positive B+ et négative B-. Les têtes chaude et froide TE _H , TE _C , sont ici chauffée et refroidie par des liquides caloporteurs chaud et froid provenant d’échangeurs thermiques chaud EX _H et froid EX _C qui forment des sources froide et chaude, respectivement. C'est le gradient de température GT imposé par les têtes chaude TE _H et froide TE _C dans les matériaux thermoélectriques M _N , M _P , qui produit par effet Siebeck une différence de potentiel V entre les bornes électriques B+ et B-.

[006] Dans d’autres réalisations, la chaleur pourra être amenée à la tête chaude TE _H par des caloducs utilisant des fluides diphasiques ou bien par un contact direct entre des gaz de combustion chauds. La tête froide TE _C pourra être refroidie par l’air ambient ou un circuit de liquide caloporteur.

[007] Le dispositif de combustion CO comprend un souffleur d’air BL, une chambre de combustion CH et l’échangeur thermique chaud EX _H . Le souffleur d’air BL est chargé de puiser l’air entrant AIR vers la chambre de combustion CH. Un carburant est injecté dans la chambre de combustion CH pour y être brûlé et produire de la chaleur. Des gaz de combustion EG sortant de la chambre de combustion CH traversent l’échangeur thermique chaud EX _H et y cèdent des calories avant d’être évacués à l’extérieur.

[008] De manière générale, les machines thermoélectriques à combustion externe, telles que la machine MTE décrite ci-dessus, possèdent un rendement thermodynamique de cycle, c’est-à-dire, un travail net généré par rapport à la quantité de chaleur fournie au cycle, qui dépend du facteur de mérite ZT. Si on considère le rendement global de la machine, c’est-à-dire, le travail net généré par rapport à l’énergie consommée dans la chambre de combustion, celui-ci est faible car une grande part de l’énergie apportée par la combustion du carburant part vers l’extérieur avec les gaz de combustion et du fait que le facteur de mérite ZT a une valeur qui est souvent limitée. [009] Il est connu d’utiliser un régénérateur thermique ou récupérateur de chaleur pour récupérer des calories dans les gaz de combustion avant l’évacuation de ceux-ci vers l’extérieur. Les calories récupérées par le régénérateur sont transférées vers l’entrée d’air de la chambre de combustion afin d’accroître la température de l’air entrant et réduire ainsi la quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion. Il est connu également d’intégrer plusieurs modules thermoélectriques en série dans la machine thermoélectrique.

[0010] Les solutions de la technique antérieure mentionnées ci-dessus apportent une amélioration du rendement global de la machine thermoélectrique, mais celui-ci reste cependant insuffisant, notamment pour des applications dans la traction d’un véhicule automobile. De plus, la densité de puissance que peuvent offrir les machines thermoélectriques de la technique antérieure reste faible.

[001 1 ] Il existe donc un besoin pour une machine thermoélectrique ayant une architecture perfectionnée capable d’offrir un meilleur rendement énergétique.

[0012] Selon un premier aspect, l’invention concerne une machine thermoélectrique comprenant un générateur thermoélectrique comportant des premier et deuxième modules thermoélectriques agencés en série à l’intérieur du générateur thermoélectrique, des premier et deuxième échangeurs chauds raccordés en série dans un circuit de circulation de gaz de combustion et raccordés respectivement aux premier et deuxième modules thermoélectriques de façon à chauffer ceux-ci, des premier et deuxième échangeurs froids raccordés respectivement aux premier et deuxième modules thermoélectriques de façon à refroidir ceux-ci, et une première chambre de combustion alimentée en air et en carburant et assurant une première combustion produisant des gaz de combustion circulant dans le circuit de circulation de gaz de combustion. Conformément à l’invention, la machine thermoélectrique comprend également une deuxième chambre de combustion insérée entre les premier et deuxième échangeurs chauds dans le circuit de circulation de gaz de combustion, la deuxième chambre de combustion étant alimentée en carburant et assurant une post combustion de réchauffage des gaz de combustion.

[0013] Selon une caractéristique particulière, la combustion dans la première chambre de combustion est réglée pour être non stoechiométrique et produire un excès d’air dans les gaz de combustion. La combustion non stoechiométrique limite la température maximale à une valeur compatible avec les limites métallurgiques des matériaux de la chambre de combustion. [0014] Selon une autre caractéristique particulière, le générateur thermoélectrique comporte un troisième module thermoélectrique agencé en série avec le deuxième module thermoélectrique à l’intérieur du générateur thermoélectrique, et la machine thermoélectrique comprend un troisième échangeur chaud raccordé dans le circuit de circulation de gaz de combustion, en aval du deuxième échangeur chaud, et raccordé au troisième module thermoélectrique, un troisième échangeur froid raccordé au troisième module thermoélectrique, et une troisième chambre de combustion insérée entre les deuxième et troisième échangeurs chauds dans le circuit de circulation de gaz de combustion, la troisième chambre de combustion étant alimentée en carburant et assurant une post combustion de réchauffage des gaz de combustion.

[0015] Selon encore une autre caractéristique particulière, la combustion dans la deuxième chambre de combustion est réglée pour être non stoechiométrique et produire un excès d’air dans les gaz de combustion.

[0016] Selon encore une autre caractéristique particulière, la machine thermoélectrique comprend également un régénérateur thermique assurant un préchauffage de l’air entrant avec des calories récupérées dans les gaz de combustion avant l’évacuation de ceux-ci vers l’extérieur.

[0017] Selon encore une autre caractéristique particulière, la machine thermoélectrique comprend également un souffleur d’air produisant un air entrant pulsé.

[0018] Selon un autre aspect, l’invention concerne aussi un système de cogénération d’énergie comprenant une machine thermoélectrique telle que décrite brièvement ci-dessus.

[0019] Selon encore un autre aspect, l’invention concerne aussi un prolongateur d’autonomie pour véhicule électrique ou électrique hybride comprenant une machine thermoélectrique telle que décrite brièvement ci-dessus.

[0020] Selon encore un autre aspect, l’invention concerne un véhicule comprenant une machine thermoélectrique telle que décrite brièvement ci-dessus.

[0021 ] D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l’invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la Fig.1 est un bloc-diagramme d’une machine thermoélectrique de la technique antérieure ;

- la Fig.2 est un bloc-diagramme d’une première forme de réalisation de la machine thermoélectrique selon l’invention, comprenant deux modules thermoélectriques ;

- la Fig.3 est un bloc-diagramme d’une deuxième forme de réalisation de la machine thermoélectrique selon l’invention, comprenant trois modules thermoélectriques ; et

- la Fig.4 est un graphique comparatif montrant des diagrammes de Pareto de performances, pour des machines thermoélectriques selon la présente invention et des machines thermoélectriques de la technique antérieure.

[0022] En référence à Fig.2, il est maintenant décrit ci-dessous une forme de réalisation particulière MTE1 d’une machine thermoélectrique selon l’invention. La machine thermoélectrique MTE1 est ici un convertisseur primaire d’énergie qui fournit de l’énergie électrique et de la chaleur à partir de la combustion externe d’un carburant.

[0023] Comme visible à la Fig.2, la machine thermoélectrique MTE1 comprend notamment un générateur thermoélectrique GTE1 , un dispositif de combustion-régénération CR, des premier et deuxième échangeurs EX1 _H , EX2 _H , dits « chauds » et des premier et deuxième échangeurs EX1 _C , EX2 _C , dits « froids ». Le générateur thermoélectrique GTE1 et les échangeurs EX1 _C , EX2 _C , fournissent de l’énergie électrique et de la chaleur, en cogénération.

[0024] Le générateur GTE1 comporte ici deux modules thermoélectriques TE1 et TE2. Les premier et deuxième modules thermoélectriques TE1 et TE2 sont raccordés respectivement aux premiers échangeurs chaud EX1 _H et froid EX1 _C et aux deuxièmes échangeurs chaud EX2 _H et froid EX2 _C . Chaque module thermoélectrique TE1 , TE2, comporte les matériaux thermoélectriques M _N , M _P , avec des têtes chaude TE _H et froide TE _C à leurs extrémités.

[0025] Le dispositif de combustion-régénération CR comprend ici essentiellement un souffleur d’air BL, un régénérateur thermique REG, un ensemble de combustion EH et les premier et deuxième échangeurs chauds EX1 _H et EX2 _H . [0026] Le régénérateur thermique REG est un récupérateur de chaleur qui participe à l’amélioration du rendement global de la machine en permettant un préchauffage de l’air entrant AIR. Le régénérateur REG récupère des calories dans des gaz de combustion EG2 avant l’évacuation de ceux-ci vers l’extérieur sous la forme de gaz d’échappement EG3. Les calories récupérées sont utilisées pour chauffer l’air entrant AIR qui est pulsé par le souffleur d’air BL.

[0027] Contrairement aux machines thermoélectriques connues dans lesquelles la combustion est réalisée dans une seule chambre de combustion, la présente invention fait appel à plusieurs chambres de combustion pour la production de la chaleur. Ainsi, dans cette forme de réalisation particulière, l’ensemble de combustion EH comprend deux chambres de combustion, à savoir, une première chambre CH1 et une deuxième chambre CH2.

[0028] La première chambre de combustion CH1 est située directement en aval du régénérateur REG. La première chambre de combustion CH1 reçoit en entrée l’air pulsé AIR qui a été chauffé par le régénérateur REG. Du carburant est injecté dans la première chambre de combustion CH1 et la combustion de celui-ci produit des gaz de première combustion EG1 . Le premier échangeur chaud EX1 _H , disposé directement en aval de la première chambre de combustion CH1 , est traversé par les gaz EG1 qui y cèdent des calories.

[0029] La deuxième chambre de combustion CH2 est située directement en aval du premier échangeur chaud EX1 _H et assure une post combustion. La deuxième chambre de combustion CH2 reçoit en entrée les gaz de première combustion EG1 qui ont été refroidis en traversant le premier échangeur chaud EX1 _H . Du carburant est injecté dans la deuxième chambre de combustion CH2 et la combustion de celui-ci produit des gaz de post combustion EG2. Le deuxième échangeur chaud EX2 _H , disposé directement en aval de la deuxième chambre de combustion CH2, est traversé par les gaz EG2 qui y cèdent des calories. Les gaz EG2, refroidis par la traversée du deuxième échangeur chaud EX2 _H , traversent ensuite le régénérateur REG avant d’être évacués vers l’extérieur sous la forme des gaz d’échappement EG3.

[0030] Dans la présente invention, la deuxième chambre de combustion CH2 permet de réaliser une réchauffe intermédiaire des gaz de combustion entre les première et deuxième échangeurs chauds EX1 _H et EX2 _H . Cette réchauffe des gaz de combustion permet de réduire la différence de température entre les premier et deuxième modules thermoélectriques TE1 et TE2. Avantageusement, la réchauffe des gaz de combustion est déterminée de façon à ce que les deux modules thermoélectriques TE1 et TE2 opèrent au même niveau de température. Les modules thermoélectriques TE1 et TE2 ont alors un fonctionnement identique et la complexité de la machine est réduite.

[0031 ] Dans cette forme de réalisation particulière, la combustion dans la première chambre de combustion CH1 est réglée de façon à avoir un excès d’air dans les gaz de combustion EG1 sortants (combustion non stoechiométrique), ce qui réduit la température de combustion dans chambre et permet de respecter la limite métallurgique de tenue en température des matériaux de celle-ci. L’excès d’air présent dans les gaz de combustion EG1 permet la post combustion de réchauffage dans la deuxième chambre de combustion CH2. La combustion non stoechiométrique dans la première chambre de combustion CH1 offre l’avantage d’une température de combustion plus basse par rapport à une combustion non stoechiométrique, ce qui réduit les contraintes sur les matériaux de la chambre CH1 . On notera cependant que des variantes de réalisation sont possibles tout en restant le cadre de l’invention. Ainsi, par exemple, dans certaines applications, la combustion dans la première chambre de combustion CH1 sera stoechiométrique et l’homme du métier prévoira un apport d’air dans la deuxième chambre de combustion CH2 pour y obtenir une combustion satisfaisante, et une production de chaleur suffisante pour le réchauffage.

[0032] Le préchauffage de l’air entrant AIR assuré par le régénérateur REG en amont de la première chambre de combustion CH1 n’est pas indispensable à la mise en oeuvre de l’invention. Cependant, outre son effet positif sur l’amélioration du rendement global de la machine, le préchauffage par le régénérateur REG conduit à une moindre quantité de carburant injectée dans la chambre, ce qui favorise une quantité d’oxygène accrue dans les gaz de combustion EG1 pour la post combustion de réchauffage.

[0033] Comparativement à une machine thermoélectrique de la technique antérieure, le générateur thermoélectrique selon l’invention permet une réduction des oxydes d’azote (NOx) à la source. En effet, l’abaissement de la température dans la première chambre CH1 par une combustion non stoechiométrique et la post combustion de réchauffage assurée dans la deuxième chambre CH2 limitent la production des NOx avec des carburants tels que l’essence, le gasoil ou le fioul. La température basse dans la première chambre CH1 favorise une moindre production de NOx et la post combustion assurée dans la deuxième chambre CH2 brûle ceux-ci, de manière analogue à ce qui se produit dans un moteur thermique équipé d’une vanne EGR de recirculation des gaz d’échappement. [0034] L’invention ne se limite pas à une machine thermoélectrique ayant deux modules thermoélectriques et est aussi applicable dans des machines ayant trois modules thermoélectriques et plus. La machine thermoélectrique selon l’invention pourra ainsi comprendre deux chambres de combustion ou plus pour des réchauffages intermédiaires des gaz de combustion qui alimentent en chaleur les modules thermoélectriques.

[0035] Un exemple d’architecture d’une machine thermoélectrique MTE2 selon l’invention à trois modules thermoélectriques est montré à la Fig.3. Comme visible à la Fig.3, par rapport à la machine MTE1 de la Fig.2, la machine MTE2 comporte un générateur GTE2 ayant un module thermoélectrique supplémentaire TE3 auquel est associée une chambre de combustion supplémentaire CH3 et des échangeurs chaud EX3H et froid EX3c. La chambre de combustion CH3 assure le réchauffage des gaz de combustion entre les échangeurs chauds EX2 _H et EX3H, de manière analogue à la chambre de combustion CH2 entre les échangeurs chauds EX1 _H et EX2 _H , comme déjà décrit en référence à la Fig.2. Dans cette forme de réalisation particulière, la post combustion dans la deuxième chambre CH2 est faite avec excès d’air de manière à conserver de l’oxygène pour la post combustion dans la troisième chambre CH3.

[0036] Par rapport à la technique antérieure, la présente invention offre un accroissement de l’ordre dix à quinze points en pourcentage sur le rendement global du générateur thermoélectrique et une densité de puissance multipliée par un facteur compris entre deux et trois.

[0037] Une comparaison de performances, entre des machines thermoélectriques de la technique antérieure et des machines thermoélectriques selon la présente invention, est apportée par le graphique de la Fig.4 qui représente, pour une température de combustion de 1250°C, des diagrammes de Pareto du travail net spécifique ou densité de puissance (noté TNS) en kilojoule/kilogramme par rapport au rendement énergétique (noté RM) de la machine. Cette comparaison est réalisée pour des machines thermoélectriques avec des matériaux thermoélectriques ayant des facteurs de mérite ZTi=1 et ZT ₄ =4.

[0038] Les machines thermoélectriques TE de la technique antérieure considérées dans le graphique de la Fig.4 sont les suivantes : TE(n1 )i à TE(n3)i et TE(R/n1 )i à TE(R/n3)i qui ont des matériaux thermoélectriques avec le facteur de mérite ZT 1 = 1 , et TE(n1 ) ₄ à TE(n3) et TE(R/n1 ) ₄ à TE(R/n3) qui ont des matériaux thermoélectriques avec le facteur de mérite ZT ₄ =4. Les machines TE(n1 )i à TE(n3)i , TE(n1 ) ₄ à TE(n3) , sont des machines sans régénérateur ayant respectivement 1 à 3 modules thermoélectriques. Les machines TE(R/n1 )i à TE(R/n3)i , TE(R/n1 ) ₄ à TE(R/n3) ₄ , sont des machines avec régénérateur ayant respectivement 1 à 3 modules thermoélectriques.

[0039] Les machines thermoélectriques TE-Re selon la présente invention considérées dans le graphiques de la Fig.4 sont les suivantes : TE-Re(n2)i , TE-Re(n3)i , TE-Re(R/n2)i et TE-Re(R/n3)i qui ont des matériaux thermoélectriques avec le facteur de mérite ZT 1 = 1 , et TE-Re(n2) ₄ , TE-Re(n3) , TE-Re(R/n2) ₄ , et TE-Re(R/n3) qui ont des matériaux thermoélectriques avec le facteur de mérite ZT ₄ =4. Les machines thermoélectriques TE-Re comprennent toutes des chambres de combustion de réchauffage (Re) entre les modules thermoélectriques, comme décrit ci-dessus en référence aux Figs.2 et 3. Les machines TE- Re(n2)i et TE-Re(n3)i , TE-Re(n2) ₄ et TE-Re(n3) , sont des machines sans régénérateur ayant respectivement 2 et 3 modules thermoélectriques. Les machines TE-Re(R/n2)i et TE- Re(R/n3)i , TE-Re(R/n2) ₄ et TE-Re(R/n3) , sont des machines avec régénérateur ayant respectivement 2 et 3 modules thermoélectriques, comme celles montrées aux Figs.2 et 3.

[0040] Le graphique de la Fig.4 montre bien les accroissements significatifs de rendement et de densité de puissance apportés par les machines thermoélectriques TE-Re selon l’invention par rapport aux machines thermoélectriques TA de la technique antérieure.

[0041 ] Les machines thermoélectriques selon l’invention sont envisageables pour des applications dans les chaînes de traction des véhicules de transport notamment dans les véhicules électriques hybrides de type hybride série, hybride parallèle et hybride série - parallèle, en particulier dans un contexte de zéro émission de C0 ₂ et de durcissement des normes environnementales. On notera que les machines thermoélectriques selon l’invention sont applicables aussi en tant que prolongateur d’autonomie pour les véhicules électriques et électriques hybrides.

[0042] Les machines thermoélectriques étant du type à combustion externe, elles sont compatibles avec tous les types de carburant qui comprennent l’essence, le gasoil, le fioul et autres, mais aussi l’hydrogène, le méthane, des combustibles solides tels que le bois, l’aluminium, le fer, le magnésium et autres.

[0043] De manière générale, les machines thermoélectriques selon l’invention trouveront aussi des applications dans des systèmes de cogénération d’énergie, notamment dans les véhicules hybrides, les poids lourds, le domaine spatial et autres. [0044] L’invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d’exemple. L’homme du métier, selon les applications de l’invention, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l’invention.