Brevet FR2822759A1 — publié le 20021004

VEHICULE TERRESTRE HYBRIDE A DEUX MOTEURS DESACCOUPLES DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention se rapporte aux véhicules hybrides à traction électrique utilisant un premier moteur de traction électrique, alimenté par une batterie, et un deuxième moteur pour charger ladite batterie. L'invention s'applique, en particulier, aux tramways, autobus et autres véhicules urbains de transport en commun en surface. Art antérieur et problème posé Plusieurs types de véhicules hybrides à traction électrique mono-essieu utilisent un premier moteur de traction électrique et un deuxième moteur destiné à charger la batterie alimentant le premier moteur de traction. La figure 1 montre un premier type de ce genre de véhicule utilisant deux moteurs, un premier moteur de traction principal 10 et un deuxième moteur auxiliaire 20. Le moteur de traction principal 10 entraîne, par l'intermédiaire d'un ensemble réunissant un réducteur, une boîte de vitesse et un embrayage, un essieu moteur 1 équipé d'un différentiel. Ce premier moteur principal de traction électrique est alimenté par une batterie 12, par l'intermédiaire d'un convertisseur à quatre quadrants 11. Le deuxième moteur, ou moteur d'appoint, 20 entraîne un alternateur 23 qui alimente un chargeur de batterie 24. Ce dernier est relié au convertisseur quatre quadrants 11 pour apporter de l'énergie électrique supplémentaire au moteur principal de traction 10 et/ou alimenter la batterie 12. Dans un tel système, le premier moteur de traction 10 a une puissance importante, par exemple 60 kW, par rapport au deuxième moteur 20 qui peut ne disposer que de 30 kW. La batterie 12 est, dans ce cas, capable de délivrer 30 kW de puissance électrique. En conséquence, pour obtenir une puissance maximale de 60 kW sur le premier moteur 10, le deuxième moteur 20, qui est de préférence un moteur thermique, doit fonctionner au maximum de sa puissance. Par contre, ce dernier entraîne l'alternateur 23 et le chargeur de batterie 24 qui ont tous les deux un rendement d'environ 95 %. Ceci réduit de 10 % la puissance totale mécanique transmise par le deuxième moteur 20 à une puissance résultante de 27 kW à l'entrée du convertisseur à quatre quadrants 11. On constate donc que ces différents éléments peuvent entraver le rendement d'un tel système de traction. La figure 2 représente un deuxième type de système de ce genre. Il utilise un même deuxième moteur 20, par exemple de type thermique, une même batterie 12 capable de délivrer une puissance de 30 kW, par l'intermédiaire d'un convertisseur quatre quadrants 31 à un premier moteur 30 de traction électrique fournissant également une puissance de 30 kW. Ce dernier entraîne, par l'intermédiaire d'un même ensemble 3 comprenant un réducteur, une boîte de vitesse et un embrayage, un essieu moteur 1 équipé d'un différentiel. Le deuxième moteur 20 est couplé mécaniquement au premier moteur 30 de traction électrique 30, par l'intermédiaire d'un embrayage 25. Le fonctionnement de ce type de système de traction mono-essieu est le suivant. En ville et en banlieue, où la vitesse est limitée à 90 km/h, la première vitesse de la boîte est enclenchée. On se place dans le cas où il s'agit d'une boîte automatique à deux vitesses qui commute automatiquement autour de 80 km/h. Le deuxième moteur 20, qui est un moteur thermique, peut tourner par exemple au maximum à 4 000 t/min. et alimente le premier moteur 10 ou 30 qui entraîne le véhicule à 90 km/h lorsqu'il tourne à 3 500 t/min. en première vitesse. Dans le cas où la vitesse du véhicule est inférieure à 25 km/h, ce qui correspond à 1 000 t/min. et concernant le deuxième moteur 20, qui est thermique, ce dernier est débrayé et arrêté. La traction du véhicule est assurée en totalité par le premier moteur 30 de traction électrique alimenté par la batterie 12. Au-delà d'une vitesse de 25 km/h, le deuxième moteur 20 est embrayé et délivre le maximum de puissance dont il est capable. Si la puissance délivrée est supérieure au besoin de traction du véhicule, cet excès de puissance sert, au travers du convertisseur quatre quadrants 31, à recharger la batterie 12. Pendant les périodes de freinage, le deuxième moteur 20 voit sa puissance diminuer, puis s'annuler et même, si nécessaire, à assister le premier moteur 30 électrique dans l'action de frein moteur. Au cas où la charge de la batterie 12 est insuffisante, il est possible de la recharger, pendant des périodes d'arrêt, en débrayant le premier moteur 10 ou 30 de son essieu moteur 1 et en gardant la liaison mécanique entre les deux moteurs 20 et 10 ou 30. Le gain économique entre cette dernière la solution de la figure 2 par rapport à celle de la figure 1 est évident, par la suppression de l'alternateur 23 du chargeur de batterie 24 et de la réduction de puissance du convertisseur quatre quadrants 11. Seul, le boîtier d'embrayage 25 est ajouté. De plus, de l'énergie mécanique du deuxième moteur 20 est directement transmise à l'essieu moteur 1, ce qui améliore le rendement global de la chaîne de traction. Or, on envisage de réduire encore le nombre d'éléments constituant une telle chaîne de traction, afin de simplifier cette dernière et de réduire son encombrement dans le véhicule hybride. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un véhicule terrestre hybride comprenant principalement : - au moins un moteur ; - un premier moteur de traction électrique ; un dispositif de stockage de l'énergie électrique destinée à alimenter le premier moteur ; et un deuxième moteur pour, entre autre, charger la batterie. Selon l'invention, le deuxième moteur entraîne un deuxième essieu moteur et n'a pas de liaison mécanique avec le premier moteur, ni de liaison électrique avec le dispositif de stockage de l'énergie électrique, le sol faisant office de liaison mécanique entre les premier et deuxième moteurs, le premier moteur pouvant faire office de générateur de courant électrique pour charger le dispositif de stockage de l'énergie électrique, lorsqu'il n'est pas en état de moteur de traction. De préférence, le dispositif de stockage est constitué d'une batterie. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, le deuxième moteur est un moteur thermique complété d'un réducteur de vitesse. Il est avantageux d'utiliser un convertisseur quatre quadrants placé entre la batterie et le premier moteur de traction. Il est également intéressant d'utiliser un réducteur entre le premier moteur de traction et le premier essieu. Dans une réalisation concrète pour un véhicule du type tramway, le premier moteur et le deuxième moteur peuvent avoir tous les deux une puissance de 30 kW. Dans une autre réalisation de l'invention, le deuxième moteur peut être un moteur électrique alimenté par une source électrique extérieure, telle qu'une caténaire. Le deuxième moteur peut également être un moteur électrique alimenté par la batterie à laquelle il est relié, en cas de suppression ou de panne de la caténaire. Dans ce cas, on utilise également un convertisseur quatre quadrants entre ce deuxième moteur et la caténaire. Dans ce dernier cas, on peut envisager de pouvoir relier également le moteur électrique à la batterie, pour que celui-ci soit alimenté, en cas de panne ou de suppression de courant de la part de la caténaire. On peut également envisager de remplacer la batterie en tant que dispositif de production d'énergie électrique par un dispositif à super condensateurs, un dispositif à volant d'intertie équipé d'éléments électromagnétiques ou un dispositif à air comprimé. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, qui est accompagnée de quatre figures représentant respectivement : - figure 1, déjà décrite, un premier type de véhicule hybride mono-essieu selon l'art antérieur ; - figure 2, déjà décrite, un deuxième type de véhicule hybride mono-essieu selon l'art antérieur ; figure 3, un premier type de véhicule hybride selon l'invention ; - figure 4, un deuxième type de véhicule hybride selon l'invention. Description détaillée de deux réalisations de l'invention En référence à la figure 3, un premier type de véhicule hybride selon l'invention utilise de façon séparée un premier moteur 30 de traction électrique et un deuxième moteur 20. Comme on peut le constater sur cette figure, aucune liaison mécanique ni électrique n'existe entre ces deux moteurs 20 et 30. Le premier moteur 30 est alimenté uniquement par une batterie 12, par l'intermédiaire du convertisseur quatre quadrants 31. Il entraîne, par l'intermédiaire d'un ensemble 3 comprenant un réducteur, une boîte de vitesse et un embrayage, un premier essieu moteur 1. De son côté, le deuxième moteur 20, qui est un moteur thermique, entraîne un deuxième essieu moteur 2 par l'intermédiaire d'un deuxième ensemble 4 comprenant également un réducteur, une boîte de vitesse et un embrayage. Lorsque le véhicule doit être entraîné à une puissance de 30 kW, le premier moteur 30 entraîne le premier essieu moteur 1. Lorsqu'une augmentation de puissance du véhicule hybride est nécessaire pour assurer le déplacement de ce dernier et la traction éventuelle de voitures supplémentaires, le deuxième moteur 20 entraîne le deuxième essieu moteur 2. Lors des freinages, le premier moteur 30, électrique, fait office de générateur et charge la batterie 12. Pour charger cette batterie 12, il est également possible que le deuxième moteur 20 fasse office de moteur de traction, alors que le premier moteur 30 se comporte alors comme un générateur entraîné par le premier essieu 1 auquel il est accouplé. En effet, la route ou les rails font office d'axe de transmission mécanique entre les deux essieux moteurs 1 et 2. On s'aperçoit que cette solution permet de supprimer plusieurs éléments des solutions précédentes, notamment l'arbre de transmission reliant mécaniquement les deux moteurs 20 et 30 dans la deuxième réalisation, mais également l'alternateur 23 et le chargeur de batterie 24 de la première réalisation. On note que la source d'énergie électrique est ici une batterie 12. Il est tout à fait possible d'envisager que celle-ci puisse être remplacée par un dispositif à super condensateurs, un dispositif à volant d'inertie, équipé d'éléments électromagnétiques, ou un dispositif à air comprimé. La figure 4 montre une deuxième réalisation du dispositif selon l'invention, adaptée pour les tramways. En effet, dans les villes où l'on souhaite conserver une infrastructure de tramways, matérialisée par la présence de caténaires, cette solution est largement adaptée. Les deux moteurs restent indépendants électriquement et mécaniquement l'un de l'autre. Le premier moteur 40 de traction électrique entraîne un premier essieu moteur 45 équipé d'un différentiel. Il est toujours alimenté par une batterie 42, par l'intermédiaire d'un convertisseur quatre quadrants. Ce dernier et le premier moteur 40 ont une puissance de 150 kW. De son côté, le deuxième moteur 50 entraîne un deuxième essieu de traction 55 équipé d'un différentiel. Il est également alimenté par un convertisseur quatre quadrants 51 alimenté lui-même par une liaison avec une caténaire extérieure 60. Le convertisseur quatre quadrants 51 peut développer une puissance supérieure à celle du deuxième moteur 50 pour permettre d'alimenter les différents appareils inhérents aux servitudes du véhicule de transport en commun, telles que la climatisation, le chauffage, l'éclairage et l'alimentation des différents autres systèmes électriques. Grâce à cette solution, la demande de puissance est limitée à 170 kW au total. Ceci permet de supprimer la plupart des sous-stations en centre ville et de ne conserver que les sous-stations vers les extrémités des lignes de tramways. Le fonctionnement de ce véhicule hybride est le suivant. Le deuxième moteur 50 devient principal moteur de traction et fournit pratiquement en permanence la poussée maximale. Au démarrage, le premier moteur 40 l'assiste en étant alimenté par la batterie 42 sur parcours plat. Suivant le besoin d'énergie, la batterie 42 peut être rechargée, par l'intermédiaire du premier moteur 40 fonctionnant en générateur et étant entraîné par le premier essieu moteur 45. La recharge de la batterie 42 est maximale lors des freinages qui doivent s'exercer majoritairement sur le premier essieu de traction 45 relié à la batterie 42, le deuxième essieu de traction 55 agissant comme appoint. En cas de panne sur le réseau d'alimentation de la ligne de tramway ou de trolleybus, c'est-à-dire lorsque la caténaire n'alimente plus en électricité le véhicule, on envisage d'utiliser une connexion électrique entre le moteur 50 et la batterie 42 ou le dispositif de production d'énergie électrique qui la remplacerait éventuellement. Cette liaison est schématisée par deux traits, en traits interrompus, sur la figure 4. Les deux solutions décrites permettent de réaliser un véhicule hybride sur deux essieux moteurs, la route ou le rail assurant la liaison mécanique et autorisant des transferts d'énergie indispensables à l'optimisation du rendement de la chaîne de traction. Comme on peut le constater, sa simplicité réduit considérablement son encombrement et les coûts d'investissement par rapport aux solutions antérieures décrites dans ce document. REVENDICATIONS 1. Véhicule terrestre hybride, comprenant : - au moins un essieu moteur (1, 2,45, 55) ; - un premier moteur (30,40) de traction électrique ; un dispositif de stockage de l'énergie électrique destiné à alimenter le premier moteur (30, 40) ; et - un deuxième moteur (20,50) de traction pour, entre autre, charger la batterie (12,42), caractérisé en ce que le deuxième moteur (20,50) entraîne un deuxième essieu moteur (2,55), aucune liaison mécanique n'existant entre les deux moteurs (20,30, 40,50) et aucune liaison électrique n'existant entre le deuxième moteur (20,50) et la batterie (12,42), le sol faisant, à l'occasion, office de liaison mécanique pour entraîner le premier moteur de traction (30,40), faisant alors office de générateur de courant électrique pour charger la batterie (12,42), lorsqu'il n'est pas en fonction de traction. 2. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de stockage de l'énergie électrique est constitué d'une batterie (12, 42). 3. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième moteur (20) est un moteur thermique complété d'un ensemble (4) comprenant un réducteur, une boîte de vitesse et un embrayage. 4. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur quatre quadrants (31,41) entre la batterie (12,42) et le premier moteur (30,40). 5. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble (3) comprenant un réducteur, une boîte de vitesse et un embrayage entre le premier moteur (30) et le premier essieu moteur (1). 6. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux moteurs (20,30) développent chacun une puissance comparable. 7. Véhicule selon la revendication 1, du type tramway, caractérisé en ce que le deuxième moteur (50) est un moteur électrique alimenté par une source électrique extérieure, telle qu'une caténaire (60). 8. Véhicule selon la revendication 7, en ce qu'il comprend un convertisseur quatre quadrants (51) entre le deuxième moteur (50) et la source d'énergie extérieure constituée par exemple d'une caténaire (60). 9. Véhicule selon la revendication 7, caractérisé en ce que le deuxième moteur (50) est relié à la batterie (42) ou le dispositif de production de l'énergie électrique qui la remplace. 10. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de stockage de l'énergie est un dispositif à super condensateurs. 11. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de stockage d'énergie électrique est un dispositif à volant d'inertie. 12. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de stockage de l'énergie électrique est un dispositif à air comprimé.