Brevet FR2854847A1 — publié le 20041119

La présente invention concerne un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile. Comme il est bien connu, le rendement des moteurs thermiques pour la propulsion de véhicules automobiles est fonction de la puissance délivrée. 5 Ainsi, si la puissance délivrée est nulle ou basse, par exemple à l'arrêt ou dans les phases initiales de démarrage, ce rendement est faible, notamment à cause du ralenti. De ce fait, dans les trajets en milieu urbain o le véhicule effectue de nombreuses phases d'arrêt et de redémarrage, la consommation en combustible ou en énergie électrique est très élevée. Par ailleurs, lors du ralentissement du véhicule avant son arrêt, l'énergie cinétique emmagasinée par le véhicule est totalement perdue. Pour minimiser la consommation, des véhicules hybrides à batterie de puissance ont été développés. Ces véhicules comprennent un moteur thermique, et une machine électrique pour l'entraînement en rotation de l'arbre 15 de propulsion. La machine électrique est reliée électriquement à une batterie de puissance. Lors de la décélération d'un tel véhicule, la machine électrique fonctionne comme un alternateur et stocke de l'énergie électrique dans la batterie de puissance. Lors du redémarrage du véhicule, le moteur thermique est 20 coupé. La batterie de puissance fournit alors de l'énergie électrique pour alimenter la machine électrique. Cette machine fonctionne en moteur et entraîne l'arbre de propulsion du véhicule par exemple pendant une trentaine de secondes jusqu'à la remise en route du moteur thermique. De tels véhicules permettent de réduire notablement la consommation 25 en combustible, particulièrement pour des trajets en milieu urbain. Cependant, les véhicules de ce type ne donnent pas entière satisfaction. Pour stocker la puissance électrique nécessaire à l'entraînement du moteur électrique lors du démarrage du véhicule, les batteries de puissance associées sont lourdes et encombrantes. Par ailleurs, ces batteries sont très 30 chères et leur durée de vie est limitée, ce qui nécessite un remplacement fréquent. L'invention a pour but principal de remédier à cet inconvénient, en proposant un groupe motopropulseur de véhicule automobile hybride qui présente une consommation en combustible réduite, à faible coût. A cet effet, I'invention a pour objet un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile, du type comprenant: - une première machine électrique comportant un premier stator et un premier rotor; - un arbre de propulsion entraîné en rotation par le premier rotor; - des moyens de stockage d'énergie; et -des moyens de distribution d'énergie électrique reliant électriquement le premier stator aux moyens de stockage d'énergie électrique; caractérisé en ce que les moyens de stockage d'énergie comprennent: - une seconde machine électrique comportant un second rotor et un 15 second stator, reliée d'une part, électriquement aux moyens de distribution d'énergie et d'autre part, mécaniquement par un arbre à un volant d'inertie de faibles dimensions. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le diamètre du volant d'inertie est compris entre 10 et 25 cm; 20 - la masse du volant d'inertie est comprise entre 5 et 10 kg; - les moyens de distribution d'énergie électrique comprennent un premier onduleur relié électriquement d'une part, au premier stator et d'autre part à un condensateur de filtrage; et un second onduleur relié électriquement d'une part, au condensateur de filtrage et d'autre part, au second sta25 tor; - il comprend en outre un moteur thermique, muni d'un arbre de sortie relié mécaniquement à l'arbre de propulsion; - le premier rotor est relié mécaniquement d'une part, à l'arbre de sortie du moteur thermique par un embrayage et d'autre part, à l'arbre de pro30 pulsion; - I'arbre de sortie du moteur thermique est solidaire de l'arbre de propuision et est relié au premier rotor par des moyens de transmission; - I'arbre de sortie du moteur thermique, I'arbre de propulsion et le premier rotor sont reliés mécaniquement à un premier train épicycloïde; -il comprend une troisième machine électrique, reliée électriquement aux moyens de distribution et reliée mécaniquement d'une part, à l'arbre de 5 propulsion et d'autre part à un second train épicycloiïde; ce second train épicycloïde étant relié à l'arbre de sortie du moteur thermique; - la liaison mécanique entre la troisième machine électrique et les arbres de propulsion et second train épicycloide comprend un crabot; et - les moyens de stockage d'énergie électrique comprennent une pile 10 à combustible. L'invention a également pour objet un véhicule automobile équipé d'un groupe motopropulseur tel que décrit ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en 15 référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 représente schématiquement les principaux éléments d'un premier groupe motopropulseur selon l'invention; - la Figure 2 est un tracé de l'énergie stockée, de la vitesse véhicule, et de la consommation du moteur en fonction du temps lors du démarrage 20 d'un véhicule équipé du groupe motopropulseur de la Figure 1; - la Figure 3 représente schématiquement les principaux éléments d'un deuxième groupe motopropulseur selon l'invention; - la Figure 4 représente schématiquement les principaux éléments d'un troisième groupe motopropulseur selon l'invention; et - la Figure 5 représente schématiquement les principaux éléments d'un quatrième groupe motopropulseur suivant l'invention. Sur la Figure 1, on a représenté schématiquement les éléments d'un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile hybride. Ce groupe motopropulseur comprend un ensemble 11 de propulsion, entraîné en rotation 30 par un moteur thermique 13 et/ou une première machine électrique 15 munie d'un ensemble d'alimentation 17. L'ensemble de propulsion 11 comprend un arbre de propulsion 19, et une transmission 21 de puissance mécanique comprenant une boîte de vitesse et un embrayage (non représentés) reliés aux roues 23 du véhicule. Le moteur thermique 13 est muni d'un arbre de sortie 25 qui est en5 traîné en rotation sous l'effet de la combustion d'essence ou de gaz naturel dans les cylindres du moteur thermique 13. La première machine électrique 15 comporte un rotor et un stator. Le rotor est relié mécaniquement d'une part, à l'arbre de propulsion 19, et d'autre part, à l'arbre de sortie 25 du moteur thermique 13 par un embrayage 10 24. Dans la configuration représentée sur la Figure 1, le moteur électrique est disposé entre le moteur thermique 13 et la transmission 21. L'embrayage 24 permet d'arrêter complètement le moteur thermique 13 lorsque celui-ci n'est pas utilisé. La première machine électrique 15 fonctionne comme un moteur 15 d'entraînement du rotor lorsque le stator est alimenté en énergie électrique. Elle fonctionne en alternateur pour recueillir aux bornes du stator l'énergie électrique induite par la rotation du rotor lorsque le stator n'est pas alimenté énergie électrique. L'ensemble d'alimentation 17 comprend un distributeur 26 et une se20 conde machine électrique 27. Le distributeur 26 comprend un premier onduleur 29, un condensateur de filtrage 31, et un second onduleur 33. Le premier onduleur 29 est relié électriquement au stator de la première machine électrique 15 par une liaison en courant alternatif triphasé. Le 25 premier onduleur 29 est par ailleurs relié au condensateur de filtrage 31 par une liaison en courant continu. Cet onduleur 29 convertit le courant alternatif reçu du premier stator en courant continu de charge du condensateur 31 lorsque la première machine électrique fonctionne sous forme d'un alternateur. Il convertit par ailleurs le courant continu délivré par le condensateur de 30 filtrage 31 en courant alternatif délivré au premier stator lorsque la première machine électrique 15 fonctionne en moteur. Le condensateur de filtrage 31 est chargé sous une tension continue d'une part, par le premier onduleur 29, et d'autre part, par le second onduleur 33. La puissance maximale à récupérer lors du démarrage est inférieure à 20kW et sensiblement égale à 10 kW. De ce fait, la tension aux bornes du condensateur est maintenue à une valeur supérieure à 300 Volts, préférentiellement sensiblement égale à 400 Volts. Le second onduleur 33 est relié électriquement d'une part, au condensateur de filtrage 31 par une liaison en courant continu, et d'autre part, à la seconde machine électrique 27 par une liaison en courant alternatif triphasé. Cet onduleur 33 est identique au premier onduleur 29. La seconde machine électrique 27 comprend un stator, un rotor, et 10 est munie d'un volant d'inertie 35 de petite taille. Le second stator est relié au second onduleur 33 par une liaison en courant alternatif triphasé. Le rotor est relié mécaniquement à un arbre d'entraînement 37 du volant d'inertie 35. Le volant d'inertie 35 est de petites dimensions. Son diamètre est compris entre 10 et 25 cm et préférentiellement compris entre 15 et 20 cm. Sa masse est comprise entre 5 et 10 kg. Ces dimensions lui permettent de stocker une énergie sensiblement égale à 100 KJ sous forme d'énergie mécanique de rotation. De même que la première machine électrique 15, la seconde machine électrique 27 fonctionne en moteur de propulsion du volant d'inertie 35 lorsque le second stator est alimenté en énergie électrique. Elle fonctionne en alternateur pour recueillir l'énergie électrique induite par la rotation du rotor aux bornes du stator lorsqu'elle n'est pas alimentée. On décrira maintenant comme exemple le fonctionnement du premier groupe motopropulseur selon l'invention à partir d'une phase de décélération du véhicule. Lors de cette décélération, la première machine électrique 15 fonctionne en alternateur et le moteur thermique 13 est coupé. Les roues 23 en30 traînent en rotation l'arbre de propulsion 19 et par conséquent le premier rotor de la première machine électrique 15. Cette rotation induit aux bornes du stator un courant alternatif triphasé qui est recueilli par le premier onduleur 29. Ce premier onduleur 29 fonctionne alors en redresseur et transmet l'énergie électrique générée par la première machine 15 au condensateur de filtrage 31. La tension aux bornes du condensateur de filtrage 31 a donc tendance à augmenter. En réaction à cette augmentation de tension, le second 5 onduleur 33 convertit l'énergie électrique reçue par le condensateur 31 en un courant alternatif triphasé qui est transmis à la seconde machine électrique 27. Cette seconde machine électrique 27 fonctionne alors en moteur et entraîne en rotation le volant d'inertie 35. L'énergie électrique reçue par la 10 seconde machine électrique 27 est donc convertie en énergie mécanique de rotation et stockée par le volant d'inertie 35. Comme illustré sur la Figure 2 entre les phases to et t1, la vitesse du véhicule (trait alterné) diminue, I'énergie stockée par le volant 35 augmente (trait fin) et la consommation du moteur thermique 13 est nulle (trait gras). Entre les temps t1 et t2, le véhicule est à l'arrêt. Le volant d'inertie 35 ralentit légèrement, et l'énergie mécanique stockée par ce volant 35 diminue légèrement. Au temps t2, le véhicule redémarre. Le moteur thermique 13 est toujours coupé. La rotation du volant d'inertie 35 génère aux bornes du stator de la seconde machine 27 un courant alternatif triphasé qui est transmis 20 au second onduleur 33. Le second onduleur 33 transmet l'énergie électrique reçue au condensateur de filtrage 31. La tension aux bornes de ce condensateur 31 a donc tendance à augmenter. En réaction à cette augmentation de tension, le premier onduleur 29 convertit l'énergie électrique reçue en un courant alternatif triphasé qui est 25 transmis au stator de la première machine 15. Ce stator entraîne par induction la rotation du premier rotor, de l'arbre de propulsion 19 et sous l'action de la transmission 21 pilotée par le conducteur, des roues 23 du véhicule. Comme illustré sur la Figure 2, la vitesse du véhicule (trait alterné) augmente progressivement, alors que l'énergie mécanique stockée par le volant 30 35 diminue. Au temps t3, le moteur thermique 13 est démarré pour fournir l'énergie mécanique nécessaire à la fin de la montée en vitesse du véhicule. La première machine électrique fonctionne alors en alternateur et l'énergie électri- que reçue par cette première machine est transmise au volant d'inertie comme décrit précédemment par le premier onduleur 29, le condensateur de filtrage 31, le second onduleur 33 et la seconde machine 27. L'énergie mécanique stockée par le volant d'inertie 35 augmente donc comme illustré sur la Figure 2. Au temps t4, le véhicule atteint la vitesse souhaitée. Le moteur thermique 13 est alors coupé. La première machine électrique 15 fonctionne en moteur pour maintenir le véhicule à la vitesse désirée. L'alimentation en énergie électrique de la première machine électrique 15 est assurée comme 10 décrit précédemment par transfert de l'énergie mécanique stockée dans le volant d'inertie 35 sous forme d'énergie électrique à travers la seconde machine électrique 27, le second onduleur 33, le condensateur de filtrage 31, et le premier onduleur 29. Comme illustré sur la Figure 2, l'énergie stockée par le volant d'inertie 35 diminue durant cette phase jusqu'au temps t5 o com15 mence une nouvelle phase de décélération du véhicule. Comme illustré sur la Figure 2, le temps durant lequel le moteur thermique 5 est en marche est notablement inférieur au temps total de cycle de décélération/arrêt/démarrage. La consommation en combustible du véhicule équipé de ce premier groupe motopropulseur selon l'invention est donc très 20 faible. Les principaux éléments d'un second groupe motopropulseur selon l'invention sont illustrés sur la Figure 3. A la différence du groupe motopropulseur représenté sur Figure 1, I'arbre de propulsion 19 est solidaire de l'arbre de sortie 25 du moteur thermique 13. Par ailleurs, le premier rotor de 25 la première machine électrique est solidaire d'un arbre d'entraînement 51. Cet arbre d'entraînement 51 est décalé par rapport à l'arbre de sortie 25 du moteur thermique 13. Ces deux arbres 13, 51 sont chacun munis de poulies de transmission 53, 55 en regard l'une de l'autre. Ces poulies de transmission 53, 55 sont reliées entre elles par un organe sans fin de transmission 30 57 de sorte que la rotation de l'un parmi l'arbre d'entraînement 51 de la première machine électrique 15 et l'arbre de sortie 25 du moteur thermique 13 entraîne en rotation l'autre de ces arbres. Le fonctionnement du deuxième groupe motopropulseur selon l'invention est similaire au fonctionnement du groupe motopropulseur représenté sur la Figure 1. Sur la Figure 4, on a représenté un troisième groupe motopropulseur 5 selon l'invention. A la différence du groupe motopropulseur représenté sur la Figure 1, ce groupe comprend en outre un premier train épicycloïde 53, et une troisième machine électrique 55 associée à un troisième onduleur 57 et un second train épicycloide 58. Le premier train épicycloïde 53 comprend une couronne, un plané10 taire, et un porte-satellite. L'arbre de sortie 25 du moteur thermique 13, le rotor de la première machine électrique 15, et l'arbre de propulsion 19 sont reliés chacun à une sortie du premier train épicycloïde 53. La troisième machine électrique 55 comprend un troisième rotor et un troisième stator. Le troisième rotor est solidaire d'un arbre de liaison 59. Le 15 troisième stator est relié électriquement au troisième onduleur 57 par une liaison électrique en courant alternatif triphasé. Le troisième onduleur 57 est relié électriquement au condensateur de filtrage 31 par une liaison électrique en courant continu. Le second train épicycloïde 58 comprend une seconde couronne, un 20 second planétaire et un second porte-satellite. L'arbre de sortie 25 du moteur thermique est solidaire d'une sortie du second train épicycloïde 58. Par ailleurs, l'arbre de liaison 59 de la troisième machine électrique 55 est en liaison avec d'une part l'arbre de propulsion 19, et d'autre part une autre sortie du second train épicycloïde 59 par une liaison de type crabot. Le fonctionnement de ce troisième groupe moto-propulseur selon l'invention est similaire à celui décrit dans la demande Française de brevet d'invention n 01 15050 déposée par la Demanderesse, auquel on a ajouté le moyen de stockage d' énergie par volant d'inertie identique à celui des Figures 1 à 3. Dans ce groupe motopropulseur, la variation de la démultiplication entre le moteur thermique 13 et les roues 23 se fait en continuité totale de couple et de régime. Dans la variante illustrée sur la Figure 5, le moteur thermique est remplacé par une pile à combustible 71 reliée électriquement à un convertisseur 73. Ce convertisseur 73 est par ailleurs relié électriquement au condensateur de filtration 31. Lors de la montée en vitesse du véhicule, entre les temps t3 et t4 de la Figure 2, la pile à combustible 71 est activée et convertit de l'énergie potentielle chimique en une énergie électrique. Cette énergie électrique est transmise au premier onduleur 29. L'onduleur 29 convertit cette énergie électrique en un courant alternatif triphasé. Ce courant alternatif triphasé alimente 10 le premier stator de la première machine électrique 15. Cette alimentation provoque l'entraînement en rotation du premier rotor et par suite de l'arbre de propulsion. Ce type de groupe motopropulseur est utilisé avec des piles à combustible 71 qui présentent un délai de réponse lors de leur montée en puis15 sance. Ainsi, pendant cette montée en puissance, I'énergie stockée dans le volant d'inertie 35 fournit l'énergie nécessaire à la propulsion du véhicule. Grâce à l'invention qui vient d'être décrite, un groupe motopropulseur de véhicules hybrides à consommation réduite en combustible est obtenu à un coût moindre par rapport à un groupe motopropulseur de véhicules hybri20 des utilisé jusqu'à présent. Ce groupe motopropulseur présente l'avantage d'être peu encombrant et s'adapte aisément à différentes architectures de véhicules hybrides. Par ailleurs, ce type de groupe motopropulseur peut fonctionner avantageusement en présence d'une pile à combustible. 25 REVENDICATIONS 1. Groupe motopropulseur d'un véhicule automobile, du type comprenant: une première machine électrique (15) comportant un premier stator et un premier rotor; - un arbre de propulsion (19) entraîné en rotation par le premier rotor; - des moyens de stockage d'énergie (27, 35); et - des moyens de distribution (26) d'énergie électrique reliant électriquement le premier stator aux moyens de stockage d'énergie électrique; caractérisé en ce que les moyens de stockage (27, 35) d'énergie comprennent: - une seconde machine électrique (27) comportant un second rotor et un second stator, reliée d'une part, électriquement aux moyens de distribution (26) d'énergie et d'autre part, mécaniquement par un arbre (37) à un 15 volant d'inertie (35) de faibles dimensions. 2. Groupe selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre du volant d'inertie (35) est compris entre 10 et 25 cm. 3. Groupe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la masse du volant d'inertie (35) est comprise entre 5 et 10 kg. 4. Groupe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de distribution (26) d'énergie électrique comprennent un premier onduleur (29) relié électriquement d'une part, au premier stator et d'autre part à un condensateur de filtrage (31); et un second onduleur (33) relié électriquement d'une part, au condensateur de filtrage (31) et d'autre part, 25 au second stator. 5. Groupe selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moteur thermique (13), muni d'un arbre de sortie (25) relié mécaniquement à l'arbre de propulsion (19). 6. Groupe selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier 30 rotor est relié mécaniquement d'une part, à l'arbre de sortie (25) du moteur thermique (13) par un embrayage (24) et d'autre part, à l'arbre de propulsion (19). 7. Groupe selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'arbre de sortie (25) du moteur thermique (13) est solidaire de l'arbre de propulsion (19) et est relié au premier rotor par des moyens de transmission (51, 53, 55). 8. Groupe selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'arbre de sortie (25) du moteur thermique (13), l'arbre de propulsion (19) et le premier rotor sont reliés mécaniquement à un premier train épicycloïde (53). 9. Groupe selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une troisième machine électrique (55), reliée électriquement aux moyens de 10 distribution (26) et reliée mécaniquement d'une part, à l'arbre de propulsion (19) et d'autre part à un second train épicycloide (58); ce second train épicycloïde (58) étant relié à l'arbre de sortie (25) du moteur thermique (13). 10. Groupe selon la revendication 9, caractérisé en ce que la liaison mécanique entre la troisième machine électrique (59) et les arbres de pro15 pulsion (19) et second train épicyclofde (58) comprend un crabot. 11. Groupe selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de stockage d'énergie comprennent une pile à combustible (71). 12. Véhicule automobile équipé d'un groupe motopropulseur selon 20 I'une des revendications 1 à 1 1.