Brevet FR2790428A1 — publié le 20000908

Procédé de gestion de l'énergie et véhicule à propulsion hybride. L'invention concerne un véhicule automobile à motorisation hybride, comportant des moyens perfectionnés de gestion de l'énergie. L'invention concerne plus particulièrement un véhicule automobile à motorisation hybride, du type dans lequel un ensemble motopropulseur comporte un moteur électrique et un moteur thermique qui sont susceptibles de contribuer à l'entraînement du véhicule, et du type dans lequel une unité centrale de gestion exécute une tâche comportant la détermination du couple que doit fournir chaque moteur pour que l'ensemble motopropulseur fournisse au véhicule un couple moteur conforme à un couple demandé par le conducteur du véhicule, et du type dans lequel le moteur thermique est susceptible d'être arrêté, le véhicule étant alors entraîné par le seul moteur électrique alimenté en courant électrique par une batterie d'accumulateurs. Dans la recherche de véhicules moins polluants que les véhicules automobiles ne comportant qu'un unique moteur thermique, les véhicules à motorisation hybride se présentent comme une alternative particulièrement intéressante aux véhicules strictement électriques. En effet, ces derniers présentent l'avantage de n'émettre par eux- mêmes aucune substance toxique tout en étant à la fois particulièrement silencieux et économiques à l'usage. Cependant, les véhicules électriques ne tirent leur énergie que des seules batteries d'accumulateurs qu'ils embarquent avec eux. Or, étant données les faibles performances des batteries d'accumulateurs actuellement connues, du moins celles susceptibles d'être utilisées à un coût raisonnable dans un véhicule automobile, les véhicules électriques ne peuvent emmagasiner qu'une quantité d'énergie relativement faible, en dépit d'une masse conséquente, ce qui leur confère à la fois une faible autonomie et de faibles performances. Aussi, la solution d'une motorisation hybride comportant un moteur thermique susceptible de participer à l'entraînement du véhicule permet de réaliser des véhicules présentant des performances et une autonomie bien plus élevée, satisfaisante pour un usage normal du véhicule. Il existe deux types principaux de véhicules hybrides. Dans les véhicules hybrides série, seul le moteur électrique est susceptible d'entraîner directement les roues motrices du véhicule, éventuellement par l'intermédiaire d'une boîte de vitesses, d'un différentiel et/ou d'un embrayage. Le moteur électrique tire son énergie d'une batterie d'accumulateurs rechargée par une génératrice électrique qui est entraînée par le moteur thermique. Dans un tel type de véhicule hybride, le moteur électrique est donc toujours en fonctionnement et le moteur thermique peut, soit être arrêté, le véhicule fonctionnant alors en mode électrique pur, soit être mis en marche de manière que la génératrice produise de l'électricité en vue d'alimenter le moteur électrique et/ou de recharger les batteries. Dans un véhicule hybride parallèle, le moteur thermique et le moteur électrique sont tous les deux reliés, généralement par un système de boîte de vitesses à deux entrées, aux roues motrices du véhicule. Généralement, un embrayage est interposé entre chaque moteur et les roues motrices pour permettre le désaccouplement du moteur lorsque celui- ci n'est pas utilisé pour l'entraînement. Les véhicules automobiles de type hybride parallèle peuvent donc être entraînés, soit à l'aide du seul moteur électrique, soit à l'aide du seul moteur thermique, ou encore à l'aide des deux moteurs simultanément. Par ailleurs, dans certaines configurations, il est possible d'utiliser le moteur électrique pour assurer le démarrage du moteur thermique et le moteur électrique peut aussi être "inversé" de telle sorte que, le moteur thermique entraînant en rotation le moteur électrique, éventuellement en même temps qu'il entraîne en rotation les roues motrices du véhicule, assure le rechargement des batteries. Il est à noter qu'il existe une variante de réalisation des véhicules hybrides en parallèle, dans lesquels chacun des deux moteurs thermique et électrique est accouplé non pas à un même essieu, mais à des essieux différents. Quel que soit le type de véhicule hybride envisagé, il est donc nécessaire de gérer le plus efficacement possible la commande de chacun des moteurs thermique et électrique pour assurer l'entraînement du véhicule selon les desideratas du conducteur qui détermine à chaque instant le couple moteur nécessaire à l'avancement du véhicule pour assurer l'accélération ou la décélération du véhicule, ou le maintien du véhicule à une vitesse stabilisée. Notamment, le choix de l'utilisation ou non du moteur thermique est particulièrement crucial car il permet de déterminer l'autonomie du véhicule, ses performances, tout cela dans la mesure o la mise en route du moteur thermique est effectivement possible, ce qui peut par exemple être interdit dans certaines zones au trafic particulièrement dense ou à certaines périodes pour limiter la pollution. La présente invention a pour objet un procédé de gestion de l'énergie réduisant la consommation et les émissions polluantes tout en permettant une durée de vie élevée de la batterie. Le procédé de gestion de l'énergie, selon l'invention, est destiné à un véhicule à propulsion hybride, du type comprenant un moteur électrique, une batterie, un générateur électrique associant un moteur thermique et un alternateur, et un superviseur. Le superviseur commande le démarrage et l'arrêt du générateur électrique en fonction de l'état de charge et de la température de la batterie et de la puissance maximale délivrable par le générateur électrique, le démarrage et l'arrêt du générateur électrique étant commandés à partir de conditions différentes. Avantageusement, le superviseur commande le démarrage et l'arrêt du générateur électrique en fonction d'une puissance électrique filtrée représentative du type de parcours effectué par le véhicule. Dans un mode de réalisation de l'invention, le superviseur élabore la consigne de puissance du générateur électrique en fonction de l'état de charge de la batterie, de la puissance maximale délivrable par le générateur électrique, et de la puissance fournie au moteur électrique précédemment. Dans un mode de réalisation de l'invention, le superviseur commande le démarrage et l'arrêt du générateur électrique et élabore la consigne de puissance du générateur électrique en fonction de la localisation géographique du véhicule. La présente invention a également pour objet un véhicule à propulsion hybride, du type comprenant un moteur électrique, une batterie, un générateur électrique associant un moteur thermique et un alternateur, et un superviseur. Le superviseur comprend un module de calcul d'un critère de mise en marche et d'un critère de mise à l'arrêt du générateur électrique en fonction de l'état de la batterie et de la puissance maximale du générateur électrique, et un module de détermination de la mise en marche et de la mise à l'arrêt du générateur électrique. Avantageusement, le superviseur comprend deux modules de calcul de la puissance électrique moyenne fournie au moteur électrique, l'un selon une dynamique lente et l'autre selon une dynamique rapide. Avantageusement, le superviseur comprend un module de calcul de la puissance de consigne du générateur électrique. L'invention s'applique particulièrement au cas d'un véhicule à transmission hybride série. Le démarrage et l'arrêt du générateur électrique est fonction d'une information (puissance électrique filtrée) qui représente le type de parcours effectué. Ceci évite de réagir immédiatement à de trop fortes ou de trop faibles demandes de puissance de durée assez brève. Le démarrage et l'arrêt tiennent compte de l'état de la batterie afin de fournir un agrément de conduite satisfaisant pour le conducteur et d'optimiser la recharge de la batterie. De même, la prise en compte de la puissance maximale du générateur électrique permet d'anticiper son redémarrage si sa puissance maximale est faible, afin d'éviter une décharge trop rapide de la batterie ou des performances trop limitées du véhicule. La consigne de puissance du générateur électrique est fonction de l'état de la batterie, de la puissance du générateur électrique et de la puissance fournie au moteur électrique. Les consignes de puissance du générateur électrique ont été déterminées de manière à utiliser le générateur électrique à ses meilleurs points de fonctionnement. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un schéma montrant les étapes de la prise de décision de démarrage et d'arrêt du générateur électrique; la figure 2 est un schéma montrant les étapes de détermination de la consigne de puissance du générateur électrique; la figure 3 est une vue schématique générale de l'architecture d'un véhicule à transmission hybride série; et les figures 4 à 7 montrent les courbes de consigne utilisées pour la gestion de l'énergie. Comme on peut le voir sur la figure 1, la commande d'un générateur électrique comprenant un moteur thermique et un alternateur, faisant partie d'un véhicule hybride, comprend une étape de détermination de la puissance électrique en amont du moteur électrique de propulsion qui s'effectue par le produit des variables de tension U et d'intensité I mesurées. Cette puissance électrique Pel fait ensuite l'objet d'un filtrage dans le but de représenter un ensemble d'états passés, ce qui permet de reconnaître le type de parcours effectué par le véhicule. Ce filtrage est effectué selon une dynamique lente qui fournit en sortie une puissance électrique filtrée et Pe l-filtre B' Parallèlement, est effectué le calcul des critères de démarrage et d'arrêt du générateur électrique appelés "seuil- marche" et "seuil-arrêt" en fonction de la puissance maximale du générateur électrique et de l'état de la batterie, par exemple l'état de charge, la température, la tension, l'intensité et la puissance maximale. Les seuils de marche et d'arrêt seront faibles si la batterie est déchargée ou si la puissance maximale du générateur électrique est faible. On effectue alors la comparaison de la puissance électrique filtrée Pel-fl tre B avec les deux seuils. Si la puissance électrique filtrée Pel-filtre B est supérieure à seuil-marche, alors on commande la mise en marche du générateur électrique. Si la puissance électrique filtrée Pel- filtre B est inférieure à seuil-arrêt, alors on commande l'arrêt du générateur électrique. L'élaboration de la consigne de puissance du générateur électrique est illustrée sur la figure 2. A partir de la puissance électrique calculée Pel, on met en oeuvre un filtrage dont la constante de temps dépend de la dynamique du générateur électrique. On obtient une puissance électrique filtrée Pel-filtre A' Puis, on détermine la consigne de puissance du générateur électrique Pge-ref en fonction de la puissance électrique filtrée Pel-filtre A, de la puissance maximale du générateur électrique et de l'état de la batterie comme expliqué ci-dessus. En variante, on peut remplacer le filtrage de la puissance électrique par tout autre traitement de signal représentant un état moyen tel que moyenne glissante, compteur, etc. L'architecture de la motorisation est représentée sur la figure 3. Le générateur électrique 1 est capable d'alimenter en énergie électrique un moteur électrique de propulsion 2. Une batterie 3 est reliée électriquement au générateur électrique 1 et au moteur électrique 2. L'arbre de sortie du moteur électrique 2 est reliée à une transmission 5 elle-même reliée aux roues 6 du véhicule, dont une seule est représentée sur la figure 3, pour des raisons de simplicité. Le générateur électrique I comprend un moteur à combustion interne 7 entraînant en rotation un alternateur électrique 8 apte à fournir en sortie de l'énergie électrique. Bien entendu, pour le démarrage du moteur à combustion interne 7, on pourra prévoir d'utiliser l'alternateur 8 comme démarreur alimenté par la batterie 3. Le moteur à combustion interne 7 est relié à un réservoir de carburant 9 destiné à contenir de l'essence, du gasole, du gaz ou tout autre type de carburant. Un superviseur 4 est relié au moteur à combustion interne 7, à l'alternateur 8, au moteur électrique 2, à la batterie 3 et à une pédale d'accélérateur 10 susceptible d'être actionnée par le conducteur et dont la position est détectée par un capteur et transmise au superviseur 4, éventuellement par l'intermédiaire de moyens de traitement, non représentés, destinés à interpréter la position de la pédale d'accélérateur 10. Le superviseur 4 reçoit en entrée les valeurs de tension U et de courant I aux bornes du moteur électrique 2, des informations relatives à l'état de la batterie 3 telles que son état de charge, sa température, sa tension, son intensité, et sa puissance maximale, etc. Le superviseur 4 reçoit également une information relative à la puissance maximale du générateur électrique 1. A titre de variante, cette variable peut faire l'objet d'une mémorisation dans une mémoire du superviseur 4. Le superviseur 4 comprend un module 11 de calcul de la puissance électrique filtrée Pel-filtre B' selon une dynamique lente, un module 12 de calcul des critères de démarrage et d'arrêt du générateur électrique en fonction des informations relatives à l'état de la batterie et de la puissance maximale du générateur électrique, un module 13 de détermination du démarrage ou de l'arrêt du générateur électrique 1 qui est connecté aux sorties des modules 1 1 et 12 et qui envoie au générateur électrique 1 un ordre de démarrage si Pel- filtreB est supérieur à un critère de démarrage et un ordre d'arrêt si Pel filtre B est inférieur à un critère d'arrêt. Le superviseur 4 comprend également un module 14 de calcul de la puissance électrique filtrée Pel-filtre A selon une dynamique rapide, ce calcul étant effectué en fonction de la tension U et du courant I mesurés aux bornes du moteur électrique 2. La sortie du module 14 est reliée à un module 15 de calcul de la puissance demandée au générateur électrique 1 en fonction de la puissance électrique filtrée Pel-filtre A' de l'état de charge de la batterie et de la puissance maximale du générateur électrique 1. La sortie du module 15 est reliée au générateur électrique 1 et lui fournit la consigne de puissance Pge-ref, et en fonction de la position de la pédale d'accélérateur 10. La détermination de la consigne de puissance du générateur électrique 1, voir figure 2, peut s'effectuer selon des tables illustrées sur la figure 4 dans le cas o le générateur électrique est de puissance maximale élevée et sur la figure 5 dans le cas o le générateur électrique est de puissance maximale faible. Ces tables sont construites avec en abscisse l'état de charge de la batterie et en ordonnée la consigne de puissance du générateur électrique. La consigne de puissance du générateur électrique peut évoluer entre deux seuils minimal et maximal. Le seuil minimal dépend de la position de la pédale d'accélérateur. Plus la batterie est déchargée et plus la consigne de puissance du générateur électrique est élevée. Plus la puissance maximale du générateur électrique est faible et plus la consigne de puissance du générateur électrique est élevée, bien entendu limitée par la puissance maximale. Dans ce cas, on force la consigne de puissance du générateur électrique en anticipant une éventuelle décharge de la batterie. Enfin, la consigne de puissance du générateur électrique est adaptée au type de parcours effectué, qui peut être représenté par la variable de puissance filtrée Pel-filtre A qui est élevée en cas de parcours de type routier et faible en cas de parcours de type urbain. Dans ce dernier cas, la consigne de puissance du générateur électrique est plus faible, autorisant ainsi une consommation plus forte de l'énergie stockée dans la batterie. Le fait d'avoir une consigne de puissance du générateur électrique élevée en cas de parcours de type routier, permet de forcer la recharge de la batterie afin de satisfaire au mieux la demande de puissance du conducteur. Bien entendu, la consigne de puissance du générateur électrique sera déterminée à certaines valeurs caractéristiques afin de réduire la consommation et l'émission d'éléments polluants. La détermination des seuils de démarrage et d'arrêt est illustrée sur les courbes des figures 6 et 7, représentatives respectivement du cas o la puissance maximale du générateur électrique est élevée et du cas o la puissance maximale du générateur électrique est faible. Ces courbes sont construites avec en abscisse l'état de charge de la batterie et en ordonnée le seuil de puissance, lequel est limité par la puissance maximale du moteur électrique 2. Les seuils de démarrage et d'arrêt sont décalés, le seuil de démarrage étant toujours supérieur au seuil d'arrêt pour un état de charge donné de façon à éviter une succession rapide de démarrages et d'arrêts du générateur électrique, désagréables pour le conducteur et nuisibles à la consommation et à la pollution. Les courbes de seuils présentent une forme comprenant trois portions. Une première portion droite o le seuil de puissance est nul jusqu'à un certain état de charge, une seconde portion en fome d'arc de cercle de pente sensiblement nulle puis s'accroissant progressivement en fonction de l'état de charge jusqu'à une pente verticale o le seuil de puissance atteint la puissance maximale du moteur électrique, puis une troisième portion o le seuil de puissance est constant et égal à la puissance maximale du moteur électrique. Sur la figure 6, on voit que le seuil de démarrage commence à croître pour un état de charge de la batterie très faible, par exemple 5 ou 10%, et atteint la puissance maximale du moteur électrique pour un état de charge de l'ordre de 40%. Le seuil d'arrêt présente le même aspect mais décalé sur l'abscisse d'environ 20% vers un état de charge plus élevé. Sur la figure 7, cas o la puissance maximale du générateur est faible, il est nécessaire de commencer à recharger la batterie beaucoup plus tôt afin d'éviter que la recharge de la batterie effectuée pendant le roulage du véhicule n'obère trop fortement ses performances et ne gène le conducteur. Le seuil de démarrage commence à croître à partir d'un état de charge de l'ordre de 40% et atteint la puissance maximale du moteur électrique pour un état de charge de l'ordre de 70%. Comme précédemment, le seuil d'arrêt est décalé d'environ 20% vers un état de charge plus élevé. Ainsi, les seuils de marche et d'arrêt sont faibles si la batterie est déchargée, de façon à provoquer le démarrage du générateur électrique pour une puissance demandée au moteur électrique relativement faible. De même, les seuils de marche et d'arrêt sont faibles si la puissance maximale du générateur électrique est faible afin que la puissance nécessaire à la recharge de la batterie ne vienne pas diminuer trop fortement la puissance disponible aux roues. De façon similaire, l'arrêt du générateur électrique est commandé pour un état de charge d'autant plus élevé que la puissance maximale du générateur est faible et pour une puissance d'autant plus faible que l'état de charge de la batterie est faible. Grâce à l'invention, on gère de façon optimale l'énergie dans un véhicule à propulsion hybride, notamment de type série, en fonction de l'état de la batterie, de la puissance maximale délivrable par le générateur électrique et de la puissance demandée par le conducteur par l'intermédiaire de la pédale d'accélérateur. Ce procédé peut également s'appliquer à des véhicules à transmission électrique, ce qui permet de supprimer la boîte de vitesses et l'embrayage, et à des utilisations de moteur électrique autres que dans le domaine automobile. Enfin, la détermination du type de parcours peut également s'effectuer à partir d'un système de positionnement global par satellite (GPS) qui fournit les coordonnées géographiques du véhicule en fonction desquelles on détermine si ledit véhicule effectue un parcours de type urbain, périurbain, routier, etc. REVENDICATIONS 1. Procédé de gestion de l'énergie dans un véhicule à propulsion hybride, du type comprenant un moteur électrique, une batterie, un générateur électrique associant un moteur thermique et un alternateur, et un superviseur, dans lequel le superviseur commande le démarrage et l'arrêt du générateur électrique en fonction de l'état de charge et de la température de la batterie et de la puissance maximale délivrable par le générateur électrique, le démarrage et l'arrêt du générateur électrique étant commandés à partir de conditions différentes. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le superviseur commande le démarrage et l'arrêt du générateur électrique en fonction d'une puissance électrique filtrée représentative du type de parcours effectué par le véhicule. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le superviseur élabore la consigne de puissance du générateur électrique en fonction de l'état de charge de la batterie, de la puissance maximale délivrable par le générateur électrique, et de la puissance fournie au moteur électrique précédemment. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le superviseur commande le démarrage et l'arrêt du générateur électrique et élabore la consigne de puissance du générateur électrique en fonction de la localisation géographique du véhicuie. 5. Véhicule à propulsion hybride, du type comprenant un moteur électrique (2), une batterie (3), un générateur électrique (1) associant un moteur thermique (7) et un alternateur (8), et un superviseur (4), caractérisé par le fait que le superviseur comprend un module (12) de calcul d'un critère de mise en marche et d'un critère de mise à l'arrêt du générateur électrique en fonction de l'état de la batterie et de la puissance maximale du générateur électrique, et un module (13) de détermination de la mise en marche et de la mise à l'arrêt du générateur électrique. 6. Véhicule selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le superviseur comprend deux modules (11, 14) de calcul de la puissance électrique moyenne fournie au moteur électrique, l'un selon une dynamique lente et l'autre selon une dynamique rapide. Il 7. Véhicule selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que le superviseur comprend un module (15) de calcul de la puissance de consigne du générateur électrique.