Brevet FR2778611A1 — publié le 19991119

I "Véhicule hybride à moteur thermique régulé en couple" L'invention concerne un véhicule automobile hybride. L'invention concerne plus particulièrement un véhicule automobile hybride, du type qui comporte un moteur thermique lié en rotation à un premier organe d'entrée d'un train épicycloïdal et commandé par un calculateur d'injection, du type qui comporte un moteur électrique relié à une batterie d'accumulateurs, commandé par un circuit électronique de puissance, et lié en rotation à un second organe d'entrée du train épicycloïdal, du type dans lequel le train épicycloïdal comporte un organe de sortie qui entraîne des roues motrices du véhicule, et du type qui comporte une unité centrale qui commande le fonctionnement du calculateur d'injection et du circuit électronique de puissance en fonction de la position d'un organe de commande de l'accélération du véhicule manoeuvré par l'utilisateur, notamment une pédale. Les avantages des véhicules électriques sont connus et proviennent notamment du caractère silencieux et non polluant de leur moteur. Toutefois, un véhicule disposant seulement d'un moteur électrique est obligé de recharger régulièrement sa batterie d'accumulateurs, ce qui impose une immobilisation totale du véhicule et suppose de plus que des bornes d'alimentation spécifiques soient installées. De plus, il est nécessaire d'effectuer un compromis entre la puissance du moteur électrique qui conditionne la vitesse maximale du véhicule d'une part et, d'autre part, l'autonomie conférée par les batteries. De la sorte, et en l'état actuel de la technique, les véhicules purement électriques présentent le double inconvénient d'avoir une autonomie et des performances réduites. C'est dans le but de proposer un véhicule très peu polluant et parfaitement autonome que sont actuellement développés les véhicules à motorisation dite hybride, aussi appelés véhicules hybrides. En effet, le véhicule hybride peut circuler grâce à la seule énergie de son moteur électrique, notamment en circulation urbaine, pour peu qu'il soit muni d'une batterie io d'accumulateurs lui conférant une autonomie et une puissance suffisantes pour les courts trajets effectués en milieu urbain. Dans le cas du véhicule hybride, un moteur thermique complémentaire du moteur électrique est installé et permet soit d'apporter un complément de puissance pour des trajets sur route, soit de recharger les batteries d'accumulateur en utilisant le moteur électrique comme génératrice de courant. On distingue deux catégories principales de véhicules hybrides. Les véhicules hybrides dits hybrides "série" dans lesquels un moteur thermique est lié en rotation à une génératrice de courant, laquelle est susceptible de recharger une batterie d'accumulateurs et d'alimenter un moteur électrique fournissant la puissance motrice nécessaire à l'entraînement du véhicule. Dans cette catégorie de véhicules, le moteur thermique n'est pas lié à la chaîne de traction. Les véhicules hybrides dits hybrides "parallèles" constituent une autre catégorie de véhicules hybrides. Ceux-ci comportent un moteur électrique et un moteur thermique, tous deux liés en rotation à une chaîne de traction mécanique qui permet aux deux moteurs de fournir sélectivement une puissance motrice aux roues du véhicule. L'utilisateur d'un tel véhicule peut sélectivement choisir de ne faire fonctionner que l'un des deux moteurs ou les deux, la puissance des deux moteurs étant répartie par l'intermédiaire d'un réducteur à axes parallèles et à deux entrées de puissance qui permet d'établir divers rapports de démultiplication prédéfinis entre les deux moteurs, et divers rapports de démultiplication entre l'ensemble des moteurs et les roues du véhicule. Dans cette catégorie de véhicules hybrides parallèles, un perfectionnement a été apporté en remplaçant le réducteur à axes parallèles par au moins un train épicycloïdal. 0o L'utilisateur d'un tel véhicule peut sélectivement choisir de ne faire fonctionner que l'un des deux moteurs ou les deux, la puissance des deux moteurs étant répartie, lorque les deux moteurs thermique et électrique sont en marche, par l'intermédiaire d'un ou plusieurs trains épicycloïdaux. Le blocage de certains organes permet d'établir divers rapports de démultiplication prédéfinis entre l'ensemble des deux moteurs et les roues. Quand aucun organe du ou des trains épicycloïdaux n'est bloqué, la répartition de la puissance des deux moteurs susceptible de fournir la puissance motrice est variable et est fonction de la loi de composition des vitesses dans le train épicycloïdal. Dans ce cas, le véhicule hybride fonctionne selon un mode dit "hybride différentiel". L'agencement particulier des organes composant la chaîne de traction hybride parallèle à train épicycloïdal est particulièrement avantageux par rapport à celui d'une chaîne de traction hybride série, dans laquelle le moteur thermique entraîne le rotor d'une génératrice de courant dont le courant est ensuite fourni au moteur électrique chargé de l'entraînement des roues motrices. De plus, une chaîne de transmission hybride parallèle à train épicycloïdal présente l'avantage de ne pas nécessiter de boîte de vitesses puisqu'il est possible, par combinaison des vitesses de rotation du moteur thermique et du moteur électrique, d'obtenir une plage continue de vitesses en sortie de transmission. De plus, contrairement à une chaîne de traction hybride en série dans laquelle toute la puissance motrice du véhicule est fournie par le moteur électrique, la puissance motrice maximale d'une chaîne de traction hybride parallèle à train épicycloïdal est fournie à la fois par le moteur électrique et par le moteur thermique, ce qui permet de réaliser des gains de lo poids, de place et de coût importants pour l'implantation dans un véhicule automobile. Toutefois, on s'est rendu compte que les transmissions hybrides parallèles à train épicycloïdal, qui conventionnellement ne comportent qu'une machine électrique, comme un moteur électrique, ne permettent pas une optimisation satisfaisante du fonctionnement du moteur thermique. C'est notamment le cas du dispositif décrit dans le document FR-A-9.515.296 qui concerne une transmission pour véhicule à motorisation hybride dans laquelle deux moteurs thermique et électrique sont reliés aux roues motrices du véhicule par un train épicycloïdal, et qui comporte des moyens d'immobilisation de certains composants du train épicycloïdal qui permettent, au choix, de n'utiliser qu'un seul des deux moteurs, ou qui permettent d'entraîner un moteur à l'aide de l'autre, ou encore qui permettent d'entraîner les roues motrices en imposant un rapport de vitesses de rotation constant entre les deux moteurs. L'inconvénient de ce dispositif réside dans le fait, que selon un mode de fonctionnement hybride différentiel dans lequel les deux moteurs thermique et électrique sont en marche, il est impossible de réguler le fonctionnement du moteur thermique de façon à l'amener à fonctionner selon un régime optimal et un couple optimal pour lesquels ses émissions polluantes sont réduites et/ou son rendement est le meilleur. En effet, I'architecture de ce dispositif permet uniquement de piloter le moteur thermique en vitesse à l'aide du moteur électrique, mais pas en couple. D'autres architectures ont été développées, comme celle du dispositif "Toyota THS (Total Hybrid System)" qui comportent deux moteurs électriques susceptibles de réaliser io une régulation en couple et en vitesse du moteur thermique. Néanmoins, les dispositifs de ce type sont très encombrants et les avantages retirés du contrôle du moteur thermique sont amoindris par l'augmentation globale de poids du véhicule. Pour résoudre ces inconvénients, et proposer un i véhicule hybride d'architecture compacte, légère, et permettant de réguler la vitesse et le couple du moteur thermique, l'invention propose un véhicule automobile hybride du type précédemment décrit, caractérisé en ce qu'il comporte un alternateur relié à la batterie d'accumulateurs, qui est directement lié en rotation au moteur thermique et qui est commandé par le circuit électronique de puissance afin de, dans un mode de fonctionnement dans lequel les moteurs thermique et électrique sont en marche, réguler le couple du moteur thermique. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le circuit électronique de puissance commande le couple de l'alternateur, le couple et la vitesse de rotation du moteur électrique, et gère la puissance de la batterie; le circuit électronique de puissance fournit à l'unité centrale une valeur Ne de vitesse de rotation du moteur électrique et des valeurs Cait et Ce des couples respectifs fournis par l'alternateur et le moteur électrique; - le calculateur d'injection commande la vitesse de rotation du moteur thermique en agissant sur un papillon des gaz et fournit à l'unité centrale une valeur Nth de vitesse de rotation du moteur thermique; I'unité centrale commande le couple fourni par le moteur thermique en fournissant au circuit électronique de puissance une valeur de consigne Cth définie par la formule Cth = Cait + a/(1-a)*Ce dans laquelle "a" est le rapport de réduction du train épicycloïdal associé au moteur thermique; - le véhicule automobile hybride comporte des moyens pour fournir à l'unité centrale une valeur Nr de vitesse de i5 rotation des roues et une valeur Ccr de consigne de couple à fournir aux roues déterminée par la position de la pédale d'accélérateur; - I'unité centrale commande la puissance fournie par la batterie en fournissant au circuit électronique de puissance une valeur de consigne Pbatt définie par la formule Pbatt = ( Ccr * Nr)- ( Cth * Nth) - I'unité centrale convertit la puissance fournie par la batterie entre l'alternateur, selon une puissance régulée en couple, et le moteur électrique, selon une puissance régulée en vitesse, de manière à maintenir le moteur thermique à un point de fonctionnement optimal, correspondant à une vitesse de rotation optimale et un couple fourni optimal. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera au dessin annexé dans lequel: - la figure unique est un schéma de principe d'une architecture de véhicule hybride suivant l'invention. On voit sur la figure unique un schéma de principe d'une architecture 10 de véhicule hybride selon l'invention. De manière connue, I'architecture 10 correspond à une architecture hybride parallèle à train épicycloïdal susceptible de fonctionner selon un mode différentiel, et comporte, pour la io partie mécanique, un moteur thermique 12 et un moteur électrique 14 qui sont respectivement liés en rotation à des premier et deuxième organes d'entrée d'un train épicycloïdal 16, pour transmettre une puissance motrice à un organe de sortie 18 du train épicycloïdal 16. Avantageusement, le premier organe d'entrée 20 du train épicycloïdal 16 est un planétaire qui est lié en rotation à un arbre de sortie 22 du vilebrequin du moteur thermique 12. D'une façon similaire, le deuxième organe d'entrée 21 est un portesatellite(s) qui est lié en rotation à une arbre de sortie 24 du moteur électrique 14. Une couronne 26 du train épicycloïdal 16 permet une composition des vitesses du planétaire 20 et du porte- satellite(s) 22 pour transmettre une puissance motrice à un différentiel 28 du train épicycloïdal 16, qui est lié en rotation à l'organe de sortie 18 du train épicycloïdal 16. Le train épicycloïdal 16 représenté à la figure comporte deux crabots 30 et 32 permettant d'accoupler respectivement la couronne 26 et le portesatellite(s) 28 à des parties fixes d'un carter 34 du train épicycloïdal pour obtenir des rapports de démultiplication particuliers. Dans la suite de la description, on ne s'attachera pas au fonctionnement de ces crabots 30 et 32, le véhicule automobile hybride étant considéré comme fonctionnant suivant un mode hybride différentiel dans lequel les crabots 30 et 32 sont inactifs dans lequel le train épicycloïdal 16 réalise la composition des vitesses des moteurs thermique 12 et électrique 14. Avantageusement, la disposition des différents éléments du train épicycloïdal peut être modifiée pour obtenir des rapports de vitesse différents. Ainsi, suivant d'autres modes de réalisation de l'invention (non représentés), il est possible de lier en rotation le moteur électrique 14 à la couronne 26 du train épicycloïdal 16 et le portesatellite(s) 21 au différentiel 28 du train épicycloïdal 16. De même, il est possible de lier en rotation le moteur thermique 12 au portesatellite(s) 21, et de lier le moteur électrique 14 au planétaire 20, sans sortir du cadre de l'invention. De manière connue, le moteur thermique 12 est commandé par un calculateur d'injection 36 qui permet de réguler sa vitesse de rotation par l'intermédiaire d'un papillon des gaz 38. D'une manière similaire, le moteur électrique 14 est susceptible d'être commandé par l'intermédiaire d'un circuit électronique de puissance 40 qui gère aussi la charge d'une batterie d'accumulateurs 42 par l'intermédiaire d'un réseau de puissance 44. Le fonctionnement simultané du moteur thermique 12 et du moteur électrique 14 est obtenu par une régulation du circuit électronique de puissance 40 et du calculateur d'injection 36 par une unité centrale 46, elle-même commandée par un organe de commande d'accélération, en l'occurrence une pédale d'accélérateur 48 manoeuvrée par l'utilisateur. De manière connue, diverses informations, paramètres et données sont susceptibles d'être échangés par les éléments de l'architecture 10 pour réguler son fonctionnement. Ainsi, le calculateur d'injection 36 fournit au papillon des gaz 38 du moteur thermique 12 une consigne de vitesse de rotation Nth qu'il transmet également à l'unité centrale 46. D'une manière analogue, le circuit électronique de puissance 40 fournit au moteur électrique 14 une consigne de vitesse de rotation Ne et une consigne de couple Ce pour réguler son fonctionnement, consignes qu'il fournit par ailleurs à l'unité centrale 46. L'unité centrale 46 reçoit aussi une information concernant la vitesse de rotation des roues sous la forme d'une valeur Nr représentative de la vitesse de rotation des 0o roues, et une information en provenance de la pédale d'accélérateur 48 sous la forme d'une valeur de consigne Ccr qui correspond à un couple aux roues souhaité par l'utilisateur. Comme on le voit, I'invention se distingue des réalisations conventionnelles par l'ajout d'un alternateur 50 directement lié en rotation au moteur thermique 12, et en particulier à son vilebrequin (non représenté). L'alternateur 50 est relié au circuit électronique de puissance 40 par l'intermédiaire d'un circuit 52 de commande de l'alternateur 50 qui permet au circuit électronique de puissance 40 de commander le couple de l'alternateur en lui fournissant une consigne de couple Calt. Le circuit électronique de puissance fournit par ailleurs cette consigne de couple CaIt à l'unité centrale 46. Ainsi, le circuit électronique de puissance est susceptible de réguler le fonctionnement de l'alternateur 50 et du moteur électrique 14 tant en fournissant et échangeant avec eux des consignes de couple et de vitesse permettant de réguler leur fonctionnement, qu'en gérant la puissance échangée entre l'ensemble formé d'une part de l'alternateur 50 et du moteur électrique 14, et d'autre part la batterie d'accumulateurs 42. De manière connue, dans un train épicycloïdal 16, pour obtenir un couple aux roues Cr en réponse à un couple aux roues souhaité Ccr correspondant à la position de la pédale d'accélérateur 48, le train épicycloïdal définissant un rapport de réduction "a" entre le premier organe d'entrée 20 et l'organe de sortie 18, et étant donné l'architecture 10 décrite, on a les relations suivantes: Cth = Calt + a x Ccr le couple du moteur thermique Cth se répartissant entre le premier organe d'entrée 20 et l'alternateur 50. Par ailleurs, la composition des couples des moteurs thermique 12 et électrique 14 dans le train épicycloïdal 16 fournit la relation: Ce = (1 a) x Ccr Ces relations permettent de déterminer une relation entre le couple de l'alternateur et les couples des moteurs électrique 14 et thermique 12 sous la forme a Cait = Cth - ( XCe) (1) 1-a Avantageusement, I'architecture 10 permet donc de faire fonctionner le moteur thermique à un couple donné puisque le circuit électronique de puissance 40 permet de réguler le couple Cait de l'alternateur et le couple Ce du moteur électrique. Par ailleurs, étant donnée une puissance Pth du moteur thermique 12, celle-ci se répartit dans l'architecture 10 entre le Il train épicycloïdal 16, I'alternateur 50 et le moteur électrique 14 suivant la relation Pth = Pbatt + Pr dans laquelle Pbatt correspond à une puissance électrique globale, positive ou négative, fournie par la batterie 42 à l'alternateur 50 et au moteur électrique 14, et dans laquelle Pr est une puissance mécanique fournie aux roues du véhicule. Par ailleurs, la puissance Pth et la puissance fournie aux roues du véhicule sont définies par les relations Pth = Cth X Nth Pr = Ccr X Nr la puissance Pr fournie aux roues du véhicule étant fonction du couple réel Cr aux roues que l'utilisateur désire obtenir en exprimant un la valeur de consigne du couple souhaité Ccr aux roues par l'intermédiaire de la position de la pédale d'accélérateur 48, les roues tournant à la vitesse de rotation Nr. De ces relations, il est par conséquent possible de déduire une relation liant la vitesse de rotation Nth du moteur électrique 12 aux autres paramètres de l'architecture 10 Nth = Pba +CcrXCr (2) Ct, Les relations (1) et (2) permettent, en les appliquant par le biais d'une logique de commande appropriée établie dans lI'unité centrale 46, de réguler le fonctionnement du moteur thermique 12. En effet, la relation (1) montre qu'il est possible de réguler le couple du moteur thermique Cth en faisant varier les valeurs des couples Cait et Ce, ces valeurs pouvant être aisément régulées par l'intermédiaire du circuit électronique de puissance 40 qui commande l'alternateur 50 et le moteur électrique 14. D'une manière analogue, lorsque le couple Cth du moteur thermique est régulé, que la valeur Ccr du couple aux roues demandé par l'utilisateur par l'intermédiaire de la pédale îo d'accélérateur 48 est connue, et que la vitesse de rotation Nth du moteur thermique 12 est transmise a l'unité centrale 46 par l'intermédiaire du calculateur d'injection 36, il est possible de réguler la puissance Pbatt fournie par la batterie par l'intermédiaire de la relation (2). Ainsi, I'architecture 10 permet de convertir la puissance Pbatt fournie par la batterie en une puissance régulée en couple dans l'alternateur 50 et une puissance régulée en vitesse dans le moteur électrique 14 de façon à piloter le moteur thermique 12 de manière à lui permettre de fonctionner à un point de fonctionnement optimal, correspondant à une vitesse de rotation optimale Nth et un couple optimal Cth pour lesquels son rendement est le meilleur. Enfin, avantageusement, I'architecture 10 permet d'effectuer un freinage récupératif du véhicule. En effet, le couple fourni aux roues du véhicule est fonction de la relation i Cr = - (Cth - Cait) (3) a Dans une architecture conventionnelle, qui ne comporte pas d'alternateur 50, le couple aux roues est limité par le couple résistant du moteur thermique 12. Dans le cas de l'architecture 10 selon l'invention, le couple Cait fourni par l'alternateur 50 permet d'après la relation (3) d'augmenter les capacités de freinage récupératif du véhicule, un couple résistant Cr a une vitesse de rotation Nr donnée aux roues du véhicule étant converti par l'intermédiaire de l'alternateur 50 pour fournie une puissance électrique à la batterie d'accumulateurs 50. REVENDICATIONS 1. Véhicule automobile hybride, du type qui comporte un moteur thermique (12) lié en rotation à un premier organe d'entrée (20) d'un train épicycloïdal (16) et commandé par un calculateur d'injection (36), du type qui comporte un moteur électrique (14) relié à une batterie d'accumulateurs (42), commandé par un circuit électronique de puissance (40), et lié en rotation à un second organe d'entrée (21) du train io épicycloïdal (16), du type dans lequel le train épicycloïdal (16) comporte un organe de sortie (26) qui entraîne des roues motrices du véhicule, et du type qui comporte une unité centrale (46) qui commande le fonctionnement du calculateur d'injection (36) et du circuit électronique de puissance (40) en fonction de la position d'un organe de commande (48) de l'accélération manceuvré par l'utilisateur, notamment une pédale, caractérisé en ce qu'il comporte un alternateur (50) relié à la batterie d'accumulateurs (42), qui est directement lié en rotation au moteur thermique (12) et qui est commandé par le circuit électronique de puissance (40) afin de, dans un mode de fonctionnement dans lequel les moteurs thermique (12) et électrique (14) sont en marche, réguler le couple (Cth)du moteur thermique. 2. Véhicule automobile hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit électronique de puissance (40) commande le couple (Cait) de l'alternateur (50), le couple (Ce) et la vitesse de rotation (Ne) du moteur électrique (14), et gère la puissance (Pbatt) de la batterie (42). 3. Véhicule automobile hybride selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce le circuit électronique de puissance (40) fournit à l'unité centrale (46) une valeur (Nme) de vitesse de rotation du moteur électrique (14) et des valeurs (Cait) et (Cme) des couples respectifs fournis par l'alternateur (50) et le moteur électrique (14). 4. Véhicule automobile hybride selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calculateur d'injection (36) commande la vitesse de rotation (Nth) du moteur thermique (12) en agissant sur un papillon des gaz (38) et fournit à l'unité centrale (40) une valeur (Nth) de vitesse de rotation du moteur thermique (12). o0 5. Véhicule automobile hybride selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité centrale (46) commande le couple (Cth) fourni par le moteur thermique (12) en fournissant au circuit électronique de puissance (40) une valeur de consigne (Cth) définie par la formule: Cth = Cait + a/(1-a)*Cme (1) dans laquelle "a" est le rapport de réduction du train épicycloïdal (16) associé au moteur thermique (12). 6. Véhicule automobile hybride selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour fournir à l'unité centrale (46) une valeur (Nr) de vitesse de rotation des roues et une valeur (Ccr) de consigne de couple à fournir aux roues déterminée par la position de la pédale d'accélérateur (48). 7. Véhicule automobile hybride selon les revendications et 6, caractérisé en ce que l'unité centrale (46) commande la puissance (Pbatt) fournie par la batterie (42) en fournissant au circuit électronique de puissance (40) une valeur de consigne (Pbatt) définie par la formule: Pbatt = ( Ccr * Nr)- ( Cth *Nth) (2) 8. Véhicule automobile selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'unité centrale (46) convertit la puissance (Pbatt) fournie par la batterie (42) entre l'alternateur (50), selon une puissance régulée en couple, et le moteur électrique (14), selon une puissance régulée en vitesse, de manière à maintenir le moteur thermique (12) à un point de fonctionnement optimal, correspondant à une vitesse de rotation optimale et un couple fourni optimal.