Brevet FR2814989A1 — publié le 20020412

Groupe motopropulseur hybride comportant des moyens de freinage. L'invention concerne un groupe motopropulseur hybride pour un véhicule, comportant un moteur électrique et un moteur thermique. Des applications de ce type de motorisation ont déjà été mises en oeuvre pour des navires, des locomotives ou des automobiles. Les moteurs thermiques classiques (à pistons, à turbine à vapeur ou à gaz...) sont essentiellement utilisés pour leurs propriétés de bonne compacité et de grande autonomie. Ils présentent néanmoins de nombreux inconvénients. En particulier, l'indépendance entre le couple et la vitesse est mal assurée. En effet, il est difficile d'obtenir un couple conséquent à faible vitesse. De plus, aux basses vitesses de rotation, ils présentent un mauvais rendement et génèrent une pollution importante. Les moteurs électriques, par exemple les moteurs synchrones ou les moteurs à courant continu, avec ou sans balais, ne présentent pas ces inconvénients. Avec les électroniques de commande actuelles, on obtient une grande indépendance entre la vitesse de rotation et le couple fourni. C'est pourquoi les groupes motopropulseurs hybrides utilisent des moteurs thermiques et des moteurs électriques pour combiner leurs avantages. On connaît par le document FR-Al-2 783 763 un groupe motopropulseur dans lequel un arbre de sortie d'une première machine électrique est lié en rotation au planétaire d'un train à engrenages épicycloïdaux, un arbre de sortie d'un moteur thermique est lié en rotation au porte-satellites du train à engrenages épicycloïdaux, et une deuxième machine électrique et un pont destiné à transmettre une puissance motrice aux roues d'un véhicule sont liés à la couronne du train à engrenages épicycloïdaux. Les machines électriques sont susceptibles de fonctionner indifféremment en générateur ou en moteur. Le fonctionnement en générateur permet de recharger des batteries d'accumulateurs ou d'alimenter directement l'autre machine électrique fonctionnant en moteur. Un tel groupe motopropulseur comporte différents modes de fonctionnement, notamment un mode tout électrique dans lequel le moteur thermique est arrêté et l'énergie est fournie aux machines électriques par les batteries d'accumulateurs, un mode thermique dans lequel le moteur thermique entraîne le véhicule et les machines électriques en générateur, et un mode hybride dans lequel l'une des machines électriques fonctionne en générateur pour alimenter l'autre machine électrique fonctionnant en moteur en complément du moteur thermique. On connaît par le document FR-A1-2 679 839 un équipement moteur hybride pour faire tourner un arbre de sortie et qui comporte un moteur primaire, par exemple un moteur thermique ou un moteur électrique asynchrone, une machine électrique complémentaire, un train d'engrenages épicycloïdaux permettant de combiner la puissance de la sortie du moteur primaire et la puissance de la sortie de la machine électrique complémentaire pour asservir la puissance sur l'arbre de sortie. En outre, un alternateur est couplé directement au moteur primaire. La fonction essentielle de la machine électrique complémentaire est d'ajuster la vitesse et le couple de l'arbre de sortie pendant que le moteur primaire fonctionne dans des conditions optimales. La machine électrique complémentaire peut fonctionner en générateur ou en moteur. Cette solution permet de réaliser une machine électrique complémentaire de puissance inférieure à la puissance maximale nécessaire sur l'arbre de sortie. L'inconvénient de ces solutions est que les modes de fonctionnement sont limités. En particulier, il n'est pas prévu de fonctionner uniquement avec le moteur thermique, le fonctionnement d'une machine électrique étant toujours indispensable pour transmettre le couple du moteur thermique sur l'arbre de sortie. L'invention a pour objectif de permettre un choix plus important de modes de fonctionnement. Elle vise en particulier à obtenir un mode de fonctionnement avec le moteur thermique seul et à autoriser le démarrage du moteur thermique par l'une des machines électriques. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un groupe motopropulseur hybride pour véhicule comportant - un groupe thermique comportant un moteur thermique et une première machine électrique liée au moteur thermique par un arbre de sortie thermique, - une deuxième machine électrique qui comporte un arbre de sortie électrique, - une transmission destinée à transmettre une puissance au véhicule, - un train d'engrenages épicycloïdaux comportant des éléments de train tels qu'une couronne, un porte- satellites et un planétaire, l'arbre de sortie thermique, l'arbre de sortie électrique et la transmission étant respectivement liés à un élément de train, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de freinage liés à l'élément de train qui n'est pas lié à l'arbre de sortie thermique ni à l'arbre de sortie électrique pour arrêter sa rotation. On dispose ainsi, avec les moyens de freinage, d'une commande pour modifier le mode de fonctionnement du groupe motopropulseur, comme on le comprendra mieux par la suite. De plus, la première machine électrique, en fonctionnant en moteur, sert de démarreur au moteur thermique. Selon une première variante, l'arbre de sortie et la transmission sont liés directement. Ainsi, la deuxième machine électrique entraîne directement le véhicule. La commande des moyens de freinage permet de coupler ou non, selon qu'ils sont activés ou non, le moteur thermique à la transmission pour changer le mode de fonctionnement du groupe motopropulseur.. En effet, lorsque les moyens de freinage ne sont pas actifs, l'élément de train qui n'est pas lié à l'arbre de sortie thermique ni à l'arbre de sortie électrique est libre en rotation. Il n'y a alors pas de couplage mécanique entre le groupe thermique et la transmission couplée à la deuxième machine électrique. Si le moteur thermique n'est pas en route, le véhicule est entraîné par la deuxième machine électrique seule, dans un mode électrique pur. Si le moteur thermique est en fonctionnement, la première machine électrique fonctionne en générateur et le groupe thermique se comporte alors en groupe électrogène pour fournir de l'énergie électrique à la deuxième machine électrique ou pour recharger les batteries. Ce mode de fonctionnement est appelé mode série. Le moteur peut fonctionner alors à son point de fonctionnement optimal avec le meilleur rendement et la moindre émission de polluants. Par exemple, pour un moteur à pistons à essence, ce point de fonctionnement est obtenu pour une vitesse de l'ordre de 3000 tour/min (min-l) et 75% du couple maximal. Ce mode de fonctionnement est particulièrement adapté à une utilisation du véhicule à vitesse faible, par exemple, pour un véhicule automobile, pour un usage urbain. En effet, on bénéficie de toute la souplesse et de toute la puissance d'un moteur électrique pour un fonctionnement à basse vitesse. L'énergie est renouvelée par périodes, avec un minimum d'émissions polluantes et un rendement maximal. De plus, lors des périodes de freinage du véhicule, la deuxième machine peut avantageusement être utilisée en générateur pour récupérer l'énergie cinétique du véhicule. Dans un mode parallèle, lorsque les moyens de freinage sont actifs et l'élément de train qui n'est pas lié à l'arbre de sortie thermique ni à l'arbre de sortie électrique est fixe, le groupe thermique et la deuxième machine électrique sont liés en rotation par le train d'engrenages épicycloïdaux. La puissance est fournie à la transmission d'une part par le moteur thermique, et d'autre part la première, la deuxième ou une combinaison des deux machines électriques directement sur l'arbre de sortie électrique. Dans un cas particulier, la deuxième machine électrique ne fournit aucune puissance et tourne librement avec la transmission sans fournir ni absorber de couple. Seul le moteur thermique entraîne alors la transmission. Ce mode de fonctionnement est particulièrement adapté à une utilisation du véhicule à vitesse conséquente et durable, par exemple, pour un véhicule automobile, pour un usage extra-urbain ou sur autoroute. En effet, le besoin de puissance sur une longue période épuiserait les batteries trop rapidement en mode électrique pur. Par ailleurs, le mode série serait handicapé par la limite de puissance de la première machine électrique et par la perte de rendement de la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique puis inversement. Par ailleurs, en cas de besoin de puissance supplémentaire ponctuel, par exemple pour le franchissement d'une côte ou un dépassement, les machines électriques peuvent apporter avantageusement un complément de puissance transitoire. La transition du mode série au mode parallèle ou vice-versa s'effectue lorsque le véhicule est en mouvement de telle sorte que la vitesse de rotation du groupe thermique en mode parallèle soit supérieure à un seuil minimal. Ce seuil correspond à un régime en dessous duquel le moteur thermique n'est pas en mesure de fournir un couple, par exemple au régime de démarrage d'un moteur à pistons. En pratique, les passages d'un mode de fonctionnement à l'autre sont déterminés selon une stratégie qui optimise les performances du moteur thermique et le rendement énergétique du groupe motopropulseur. Selon un premier mode de réalisation, l'arbre de sortie thermique est lié au porte-satellites, l'arbre de sortie électrique et la transmission sont liés au planétaire et les moyens de freinage agissent sur la couronne. Dans le mode parallèle, les moyens de freinage sont actifs et la couronne est fixe. Le groupe thermique et la deuxième machine électrique sont alors liés en rotation par le train d'engrenages épicycloïdaux. La puissance est fournie à la transmission d'une part par le groupe thermique, c'est-à-dire par le moteur thermique avec un complément éventuel de la première machine électrique, par l'intermédiaire du porte-satellites et du planétaire, et d'autre part par la deuxième machine électrique directement sur l'arbre de sortie électrique lié au planétaire. Selon un deuxième mode de réalisation, l'arbre de sortie thermique est lié à la couronne, l'arbre de sortie électrique et la transmission sont liés au planétaire et les moyens de freinage agissent sur le porte-satellites. Le fonctionnement dans ce mode de réalisation est similaire au premier mode de réalisation, hormis les rapports de réduction qui sont différents. De plus, le sens de rotation de la deuxième machine électrique par rapport au groupe thermique est inversé, ce qui peut nécessiter une étude particulière de l'implantation du groupe motopropulseur dans le véhicule ou de la transmission pour inverser le sens de rotation. Dans le mode parallèle, les moyens de freinage sont actifs et le porte-satellites est fixe. Le groupe thermique et la deuxième machine électrique sont alors liés en rotation par le train d'engrenages épicycloïdaux. La puissance est fournie à la transmission d'une part par le groupe thermique, c'est-à-dire par le moteur thermique avec un complément éventuel de la première machine électrique, par l'intermédiaire de la couronne et du planétaire, et d'autre part par la deuxième machine électrique directement sur l'arbre de sortie électrique lié au planétaire. Les conditions d'utilisation du deuxième mode de réalisation sont les mêmes que celles du premier mode de réalisation. Selon une deuxième variante, pour un troisième mode de réalisation, l'arbre de sortie thermique est lié à la couronne, l'arbre de sortie électrique est lié au planétaire, la transmission est liée au portesatellites et les moyens de freinage agissent sur le porte-satellites. Lorsque le frein n'est pas actif, le groupe motopropulseur fonctionne en mode parallèle, le mouvement du groupe thermique et de la deuxième machine électrique se combinant pour entraîner le véhicule. Lorsque le frein est activé, le véhicule est immobilisé. La deuxième machine électrique sert alors de démarreur pour le moteur thermique ou de générateur pour charger les batteries à l'arrêt du véhicule. Dans ce cas, la première machine électrique est uniquement un générateur, ce qui simplifie sa réalisation et sa commande. Selon des caractéristiques complémentaires : - une roue libre est montée sur l'arbre de sortie thermique pour interdire un sens de rotation contraire à celui du moteur thermique. Ainsi, le moteur thermique est protégé contre une rotation dans un sens intempestif qui pourrait perturber son démarrage, voire générer des dégradations. - Les moyens de freinage sont un frein à sangle. Ce type de frein permet un freinage progressif de l'élément du train à engrenages épicycloidaux. Cette caractéristique permet d'effectuer une transition du mode série au mode parallèle de manière progressive et en adaptant le couple fourni par la deuxième machine électrique, de telle manière qu'aucune variation de puissance transmise au véhicule ne soit perceptible. Par ailleurs, si le moteur thermique est à l'arrêt, cette transition entraîne le moteur thermique pour le faire démarrer. Il n'est pas nécessaire de disposer d'un démarreur spécifique sur le moteur thermique, ni que la première machine thermique soit motrice. Le groupe motopropulseur est ainsi de réalisation plus simple. - Les moyens de freinage sont un frein multidisques. Ce type de frein comporte les mêmes avantages que précédemment. - Le groupe motopropulseur comporte un réducteur auxiliaire entre le train d'engrenages épicycloïdaux et la transmission. Celui-ci permet d'adapter au mieux la vitesse de rotation à la sortie du groupe motopropulseur. Il permet éventuellement également d'adapter le sens de rotation de la sortie. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un groupe motopropulseur conforme à l'invention selon un premier mode de réalisation ; - la figure 2 est un diagramme de vitesse du groupe motopropulseur selon le premier mode de réalisation ; la figure 3 est un schéma du groupe motopropulseur conforme à l'invention selon un deuxième mode de réalisation ; - la figure 4 est un diagramme de vitesse du groupe motopropulseur selon le deuxième mode de réalisation ; - la figure 5 est un schéma du groupe motopropulseur conforme à l'invention selon un troisième mode de réalisation ; - la figure 6 est un diagramme de vitesse du groupe motopropulseur selon le troisième mode de réalisation ; la figure 7 montre un frein à sangle réalisant les moyens de freinage. Les figures 1, 3 et 5 montrent des schémas de trois modes de réalisation conformes à l'invention d'un groupe motopropulseur d'un véhicule qui comporte un groupe thermique 1, un train à engrenages épi cycloïdaux 2, une deuxième machine électrique 3 et un réducteur 24. Le groupe motopropulseur comporte une transmission réalisée par un pont lié au réducteur 24 pour entraîner des roues 9 motrices du véhicule. Le groupe thermique 1 comporte un moteur thermique 11 et une première machine électrique 12, leurs rotors étant liés à un arbre de sortie thermique 6. L'arbre de sortie thermique 6 comporte en outre une roue libre 10 qui n'autorise qu'un seul sens de rotation de l'arbre de sortie thermique 6, celui correspondant au sens de rotation du moteur thermique. La deuxième machine électrique 3 comporte un rotor lié en rotation à un arbre de sortie électrique 7. Le train à engrenages épicycloidaux 2 comporte des éléments qui transmettent le mouvement. Ces éléments sont un planétaire 22, un porte-satellite 21 ayant le même axe de rotation que le planétaire 22, des satellites 25 qui engrènent avec le planétaire 22 et dont les axes de rotation sont portés par le porte-satellites, et une couronne 23 à denture intérieure, ayant le même axe de rotation que le planétaire 22, et qui engrène avec les satellites 25. Dans le premier mode de réalisation montré sur la figure 1, l'arbre de sortie thermique est lié au porte-satellites 21, l'arbre de sortie électrique 7 est lié au réducteur 24 et au planétaire 22. Le train à engrenages épicycloïdaux comporte en outre des moyens de freinage 5 qui agissent sur la couronne 23. En se référant aux figures 2,4 et 6, les vitesses des éléments du train à engrenages épi cycloïdaux sont représentées pour différentes configurations. Les diagrammes comportent trois axes de vitesse c, ps et p correspondant aux vitesses de rotation respectivement de la couronne 23, du portesatellites 21 et du planétaire 22. Un axe de zéro z coupe les axes de vitesse au point de lecture de vitesse nulle. Les axes et ps sont espacés d'une distance proportionnelle au nombre de dents de la couronne 23, tandis que les axes de vitesse ps et p sont espacés d'une distance proportionnelle au nombre de dents du planétaire 22. Un point de fonctionnement du train à engrenages épicycloïdaux est représenté par un segment de droite reliant les axes de vitesse et p en coupant l'axe ps. On lit les vitesses de rotation de chacun des éléments sur les axes p, ps et à l'intersection du segment de droite. Sur la figure 2, la vitesse de rotation du groupe thermique se lit sur l'axe ps, tandis que celle de l'arbre de sortie électrique se lit sur l'axe p. Cette dernière est également proportionnelle à la vitesse de rotation des roues, le sens positif correspondant à une marche avant du véhicule. La zone grisée 40 correspond au sens de rotation non exploitable sur l'arbre de sortie thermique. Ledit sens de rotation est par ailleurs interdit par la roue libre 10. Le mode série est représenté par les segments 41,42 et 43, selon que le moteur thermique 11 est en rotation (segment 41) ou à l'arrêt (segments 42 et 43). L'entraînement du véhicule est réalisé entièrement par la deuxième machine électrique 3 qui impose la vitesse de rotation de l'arbre de sortie électrique, reportée sur l'axe de vitesse p. Le moteur thermique 11 est à l'arrêt ou entraîne la première machine électrique 12 en rotation pour la faire fonctionner en générateur. Le mode parallèle est représenté par le segment 44 qui passe au point Oc d'intersection entre l'axe de vitesse c et l'axe de zéro z. Ce segment 44 représente le fonctionnement lorsque les moyens de freinage bloquent la rotation de la couronne 23. Dans ce mode parallèle, les vitesses du groupe thermique 1 et de la deuxième machine électrique 3 sont liées. Le régime minimal du moteur thermique est indiqué par le seuil s sur l'axe ps. Le segment 45 correspond à ce régime et détermine sur l'axe p une vitesse minimale s'correspondant à une vitesse minimale du véhicule pour le fonctionnement en mode parallèle. Dans le deuxième mode de réalisation montré sur la figure 3, l'arbre de sortie thermique 6 est lié à la couronne 23, l'arbre de sortie électrique 7 est lié au réducteur 24 et au planétaire 22. Le train à engrenages épicycloïdaux 2 comporte en outre des moyens de freinage 5 qui agissent sur le porte- satellites 21. Le diagramme de la figure 4 est similaire à celui de la figure 2, les mêmes références ayant la même signification. La vitesse de rotation du groupe thermique se lit sur l'axe c, tandis que celle de l'arbre de sortie électrique 7 se lit sur l'axe p. Cette dernière est également proportionnelle à la vitesse de rotation des roues 9, le sens positif correspondant à une marche arrière du véhicule, contrairement au premier mode de réalisation. Le mode série est représenté par les segments 51,52, 53 et 54, selon que le moteur thermique 11 est en rotation (segments 51 et 52) ou à l'arrêt (segments 53 et 54). L'entraînement du véhicule est réalisé entièrement par la deuxième machine électrique 3 qui impose la vitesse de rotation, lue sur l'axe de vitesse p. Le moteur thermique Il est à l'arrêt ou entraîne la première machine électrique 12 en rotation pour la faire fonctionner en générateur. Le mode parallèle est représenté par les segments 55 et 56 qui passent au point Ops d'intersection entre l'axe de vitesse ps avec l'axe de zéro z. Le segment 55 représente le fonctionnement lorsque les moyens de freinage 5 bloquent la rotation du porte-satellites 21. Le segment 56 correspond au régime minimal du moteur thermique. Dans ce mode parallèle, les vitesses du groupe thermique 1 et de la deuxième machine électrique 3 sont liées. Dans le troisième mode de réalisation montré sur la figure 5, l'arbre de sortie thermique est lié à la couronne 23, l'arbre de sortie électrique 7 est lié au planétaire 22, et le réducteur est lié au porte-satellites 21. Le train à engrenages épicycloïdaux comporte en outre des moyens de freinage 5 qui agissent sur le porte-satellites 21. Le diagramme de la figure 6 est également similaire à celui de la figure 2, les mêmes références ayant la même signification. La vitesse de rotation du groupe thermique se lit sur l'axe c, tandis que celle de l'arbre de sortie électrique 7 se lit sur l'axe p. La vitesse de rotation des roues 9 est proportionnelle à la vitesse du porte-satellites 21 qui se lit sur l'axe ps, le sens positif correspondant à une marche avant du véhicule. Le mode parallèle correspond aux segments 61, 62,63 et 64, selon que le groupe thermique 1 est en fonctionnement (segments 61 et 62) ou à l'arrêt (segments 63 et 64). Quand les moyens de freinage 5 sont actifs, le véhicule est à l'arrêt, et le fonctionnement du groupe motopropulseur est représenté par le segment 65 quand le groupe thermique 1 est à l'arrêt ou par le segment 66 quand le groupe thermique est en fonctionnement pour entraîner en rotation les machines électriques 3,12 et ainsi recharger les batteries. Le segment 67 correspond au régime minimal du moteur thermique. Par exemple, pour démarrer le moteur thermique, la deuxième machine électrique devra tourner à une vitesse supérieure à s'. Les moyens de freinage 5 sont par exemple un frein à sangle, connu en soi et schématisé sur la figure 7. L'élément 70 du train d'engrenages à freiner est entouré sur une portion de tour par une sangle 71 souple, par exemple en acier élastique, une garniture de friction 72 étant interposée entre la sangle 71 et l'élément à freiner. Une première extrémité 73 de la sangle est reliée à un bâti 74 du train d'engrenages. Un levier 76 est articulé sur le bâti 74 à un point d'articulation et un vérin 75 commande le pivotement du levier 76. La deuxième extrémité 77 de la sangle est reliée au levier entre le point d'articulation et le vérin 75. D'autres moyens de freinage 5 sont par exemple un frein multidisques. Un frein de ce type comporte sur l'axe de rotation de l'élément à freiner une première série de disques libres de coulisser mais arrêtés en rotation par rapport à l'élément à freiner. Le frein comporte en outre sur l'axe de rotation de l'élément à freiner une deuxième série de disque libres de coulisser mais arrêtés en rotation par rapport au bâti. Ils sont disposés en alternance avec les disques de la première série. Une commande permet de serrer les disques les uns contre les autres pour freiner l'élément à freiner en rotation. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été décrits uniquement à titre d'exemples. En particulier, le groupe motopropulseur peut entraîner des véhicules autres que à roues, par exemple des véhicules à chenilles ou des bateaux à hélice. REVENDICATIONS 1. Groupe motopropulseur hybride pour véhicule comportant - un groupe thermique (1) comportant un moteur thermique (11) et une première machine électrique (12) liée au moteur thermique (11) par un arbre de sortie thermique (6), - une deuxième machine électrique (3) qui comporte un arbre de sortie électrique (7), - une transmission (8) destinée à transmettre une puissance au véhicule, - un train d'engrenages épicycloïdaux (2) comportant des éléments de train tels qu'une couronne (23), un porte-satellites (21) et un planétaire (22), l'arbre de sortie thermique (6), l'arbre de sortie électrique (7) et la transmission (8) étant liés respectivement à un élément de train (21,22, 23), caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de freinage (5) lié à l'élément de train qui n'est pas lié à l'arbre de sortie thermique (6) ni à l'arbre de sortie électrique (7) pour arrêter sa rotation. 2. Groupe motopropulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre de sortie électrique (7) est lié à la transmission (8). 3. Groupe motopropulseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'arbre de sortie thermique (6) est lié au porte-satellites (21), l'arbre de sortie électrique (7) et la transmission (8) sont liés au planétaire (22) et les moyens de freinage (5) agissent sur la couronne (23). 4. Groupe motopropulseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'arbre de sortie thermique (6) est lié à la couronne (23), l'arbre de sortie électrique (7) et la transmission (8) sont liés au planétaire (22) et les moyens de freinage (5) agissent sur le porte-satellites (21). 5. Groupe motopropulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre de sortie thermique (6) est lié à la couronne (23), l'arbre de sortie électrique (7) est lié au planétaire (22), la transmission (8) est liée au porte-satellites (21) et les moyens de freinage (5) agissent sur le porte-satellites (21). 6. Groupe motopropulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une roue libre (10) est montée sur l'arbre de sortie thermique (6) pour interdire un sens de rotation contraire à celui du moteur thermique (11). 7. Groupe motopropulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de freinage (5) sont un frein à sangle. 8. Groupe motopropulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de freinage (5) sont un frein multidisques. 9. Groupe motopropulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le groupe motopropulseur comporte un réducteur auxiliaire (24) entre le train d'engrenages épicycloidaux (2) et la transmission (8).