Brevet FR2910387A1 — publié le 20080627

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PILOTAGE D'UN VEHICULE, NOTAMMENT D'UN VEHICULE AUTOMOBILE HYBRIDE La présente invention concerne un procédé de pilotage d'un véhicule, notamment d'un véhicule automobile hybride, et un dispositif mettant en oeuvre ce procédé. Par véhicule hybride, on entend un véhicule dont le dispositif de transmission de puissance comporte un moteur thermique et une machine électrique. Dans les systèmes classiques existants, la machine électrique est couplée à un dispositif de stockage électrique sous forme d'une batterie électrochimique. Dans certaines architectures de véhicules à traction hybride, notamment équipés d'une boîte de vitesses automatique, et en particulier d'une boite de vitesses manuelle robotisée (ou pilotée) BVMP, l'inertie ajoutée sur l'arbre de transmission par la chaîne de traction électrique impose l'utilisation conjointe des actionneurs de la boite de vitesses et de la chaîne de traction électrique, afin de fournir l'énergie nécessaire au changement de rapport. Afin de ne pas dégrader les prestations longitudinales du véhicule, et d'agrément, les changements de rapport doivent être réalisés dans un temps très court impliquant une puissance électrique très élevée. 2910387 2 Or, une batterie électrochimique permet de fournir une grande énergie pendant une longue durée, mais elle présente l'inconvénient de disposer d'une puissance relativement faible, 5 du fait notamment de sa résistance interne relativement élevée. En conséquence, si l'on souhaite fournir une grande puissance pendant un temps très court, il faudra disposer d'une grosse batterie, ce qui pose des problèmes d'encombrement au niveau du véhicule. Par ailleurs, la résistance interne des batteries 10 électrochimiques conduit à un échauffement thermique difficile à maîtriser, et également à une durée de vie relativement faible. Il est également à noter que les batteries électrochimiques sont basées sur une transformation chimique imparfaite de la matière, dont l'efficacité diminue avec la 15 température. Sont également connus des procédés faisant appel, pour le stockage d'énergie électrique, à des supercapacités. Contrairement aux batteries électrochimiques, les supercapacités 20 permettent de fournir grande puissance électrique, mais elles présentent l'inconvénient de disposer d'une faible énergie massique, ce qui impose un dimensionnement important pour les applications nécessitant une certaine énergie. L'invention vise donc à remédier à au moins l'un des ces inconvénients en proposant un procédé de pilotage permettant, lors des changements de rapport de vitesse, de limiter l'échauffement thermique des batteries, de préserver leur durée de vie et de limiter la taille du dispositif de stockage électrique, tout en fournissant une puissance et une énergie électriques suffisantes pour répondre aux sollicitations du véhicule tout au long de sa vie. Ainsi, l'invention propose un procédé de pilotage d'un véhicule, notamment d'un véhicule automobile hybride, comprenant les étapes suivantes : 2910387 3 - on transmet une puissance d'un moteur thermique et d'une machine électrique à au moins une roue motrice du véhicule, - on adapte la puissance transmise à une puissance 5 nécessaire à la roue, à l'aide d'un dispositif de changement de rapport, - on couple la machine électrique à un dispositif de stockage d'énergie électrique principal. Le procédé est caractérisé en ce que, lors d'un 10 changement de rapport de vitesse, on couple la machine électrique à au moins un dispositif de stockage d'énergie électrique secondaire, différent du dispositif principal. L'invention concerne également un dispositif de 15 pilotage d'un véhicule, notamment d'un véhicule automobile hybride, utilisé pour mettre en oeuvre ce procédé. Ce dispositif comprend : - un dispositif de transmission de puissance comprenant un moteur thermique et une machine électrique, 20 - un dispositif de changement de rapport de vitesse, - un dispositif de stockage d'énergie électrique principal. Ce dispositif d'actionnement est caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de stockage d'énergie secondaire et 25 un organe de couplage électrique couplé à la machine électrique. Cet organe permet, notamment, de coupler la machine électrique au dispositif de stockage principal et/ou au dispositif de stockage secondaire, en fonction de l'état de fonctionnement du véhicule. 30 Le dispositif de stockage principal est, par exemple, une batterie à couple électrochimique de type Oxyde de Plomb-Acide sulfurique, Nickel-Hydrure ou encore Lithium-ion. Il existe deux types de batteries à couple électrochimique : les 35 batteries de type puissance , et les batteries de type 2910387 4 énergie . La différence entre ces deux types réside dans la quantité de matière active contenue dans ces batteries. En effet, plus une batterie contient de matière active, plus elle est à même de fournir de l'énergie mais, en contrepartie, elle 5 est d'autant plus encombrante. Ainsi, les batteries de type énergie , qui contiennent une grande quantité de matière active, peuvent fournir une énergie de l'ordre de 40 à 100 ampères par heure. Les batteries de type puissance , quant à elles, sont moins 10 encombrantes et ont une capacité de l'ordre de quelques ampères seulement. En revanche, elles permettent de fournir une forte puissance pendant un temps très court. Le procédé défini permet ainsi, lors de phases de vie 15 du véhicule particulièrement gourmandes en puissance, telle que la phase de changement de rapport de vitesse, de substituer un système de stockage d'énergie secondaire au système de stockage classique, ou principal. Cette substitution présente de nombreux avantages, 20 tant au niveau de la batterie en elle-même, qu'au niveau du véhicule de manière générale. Ainsi, au niveau de la batterie, on réduit les courants et on limite l'échauffement thermique, ce qui permet de préserver la durée de vie de cet équipement. En outre, on peut 25 diminuer le dimensionnement de cette batterie, que ce soit en terme de masse, d'encombrement, de puissance électrique fournie, d'énergie embarquée, ou encore de capacité. Quant aux avantages liés au véhicule, on peut mentionner une diminution de l'encombrement et de la masse du 30 système global de stockage d'énergie électrique, mais également une augmentation de la durée de vie ainsi qu'une réduction du coût de ce système. Ainsi que mentionné précédemment, un des inconvénients 35 des batteries électrochimiques provient de leur résistance 2910387 5 interne élevée, qui provoque un échauffement thermique relativement important lorsqu'elles sont sollicitées. Afin d'éviter que le même type de phénomène ne se reproduise lors de l'utilisation dispositif de stockage 5 secondaire, on choisira de préférence, dans une réalisation, un dispositif secondaire dont la résistance interne est moins élevée que celle du dispositif de stockage d'énergie principal. On pourra également utiliser des dispositifs de stockage secondaire dont la puissance spécifique exprimée en 10 W.kg-1, est supérieure à la puissance spécifique du dispositif de stockage principal. A cet effet, dans une réalisation, le dispositif de stockage secondaire comporte un ou plusieurs supercondensateurs. 15 Un supercondensateur est un condensateur présentant une faible résistance interne, par exemple de l'ordre de quelques milli ohms, et une très grande capacité, de plusieurs centaines à plusieurs milliers de Farads. La résistance interne faible autorise une charge et une décharge du condensateur avec 20 de forts courants. On peut ainsi disposer d'une grande puissance, de l'ordre de plusieurs milliers de W. kg-1, qu'il est possible de restituer plus facilement qu'avec une batterie. En comparaison, il est intéressant de noter que la capacité de stockage en puissance spécifique d'une batterie électrochimique 25 est de l'ordre de 1500 W.kg-1. Par batterie, on entendra au moins une cellule élémentaire. De même, par supercondensateur, on entendra au moins une cellule élémentaire. 30 Le nombre de cellules élémentaires batterie et supercondensateur sera adapté pour dimensionner des dispositifs de stockage d'énergie électrique adaptés aux besoins en énergie. 2910387 6 Les supercondensateurs mis en oeuvre dans le procédé défini par l'invention sont, par exemple, chargés pendant une phase de roulage de véhicule. Lorsqu'on fait un changement de rapport de vitesse, 5 d'un rapport inférieur à un rapport supérieur, on doit ralentir l'arbre primaire et pour cela, on utilise la machine électrique en générateur de courant : on prélève du couple qu'on convertit en courant. Ce courant charge le supercondensateur. A l'inverse, dans le cas où l'on rétrograde, on a besoin d'un apport en 10 puissance sur un temps très court, et on utilise donc les supercondensateurs qui ont été chargés auparavant par la batterie ou la machine électrique. Il suffit pour cela que les supercondensateurs soient capables d'accepter ou de fournir le courant nécessaire. 15 Le besoin en énergie nécessaire pour le changement de rapport est relativement faible par rapport à l'énergie que peut contenir le supercondensateur, mais, pour des raisons d'agrément et de sécurité, cette énergie doit être transférée en un temps très court conduisant à des puissances élevées. 20 Selon les réalisations, le dispositif de stockage principal (batterie électrochimique) et le dispositif de stockage secondaire (supercondensateurs) seront montés en parallèle ou en série. Différentes configurations possibles pour ces éléments 25 seront décrites ultérieurement à l'aide des figures. Grâce à l'élément de couplage, la machine électrique peut être couplée, en fonction des phases de vie du véhicule, au dispositif de stockage principal et/ou au dispositif de stockage secondaire. 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, cette description étant réalisée à titre non limitatif à l'aide des dessins sur lesquels : 2910387 7 - la figure 1 représente une architecture schématisée d'un véhicule mettant en oeuvre le procédé conforme à l'invention, - les figures 2a à 2d et la figure 3 montrent des 5 exemples de configuration d'un dispositif de stockage d'énergie électrique, et - la figure 4 est un chronogramme montrant la mise oeuvre des différents moyens d'alimentation en énergie du véhicule. 10 Sur la figure 1, on voit une architecture classique d'une chaîne de traction d'un véhicule hybride 1. Cette chaîne de traction comporte un moteur thermique 10, ainsi qu'une machine électrique 12. Ces deux éléments sont 15 couplés par un embrayage 14 permettant de passer du mode de traction électrique pure, dans lequel seule la machine électrique est utilisée, au mode de traction thermique, dans lequel on peut utiliser en sus le moteur thermique 10. La machine électrique 12 est reliée à une boîte de 20 vitesses manuelle pilotée, ou robotisée 16, elle-même reliée aux roues 18 par l'intermédiaire d'un arbre 20. L'énergie électrique utilisée pour l'alimentation de la machine électrique 12 est stockée dans un système de stockage 22. Ce système de stockage comprend un dispositif principal, un 25 dispositif secondaire et éventuellement un organe de couplage électrique. Le système de stockage est couplé en outre à la machine électrique via un onduleur 21. Les dispositifs principal et secondaire seront décrits plus en détail à l'aide des figures 2a à 2d. Le moteur thermique, quant à lui, est relié au 30 démarreur 26, alimenté par une batterie de démarrage 28. Le système de stockage d'énergie électrique 22 est composé d'un dispositif de stockage principal, par exemple formé d'une batterie électrochimique, ainsi que d'un dispositif de 2910387 8 stockage secondaire, par exemple composé d'un ou plusieurs supercondensateurs. Les différentes configurations possibles pour ces dispositifs sont illustrées sur les figures 2a à 2d. 5 La figure 2a montre une configuration dans laquelle la batterie électrochimique 30a et un supercondensateur 32a sont montés en série. Sur la figure 2b, la batterie électrochimique 30b et 10 le supercondensateur 32b sont montés en parallèle. Les figures 2a et 2b peuvent être généralisées au cas où l'on associe, en série ou en parallèle, deux systèmes de stockage d'énergie distincts. Chaque élément étant compris dans le groupe comprenant : une batterie de type puissance , une 15 batterie de type énergie , et une supercapacité. Ces différents éléments ont été définis précédemment. On peut ainsi obtenir des associations série ou parallèle de type : - Batterie puissance /Batterie énergie , ou 20 - Batterie puissance /Supercapacité, ou -Batterie énergie /Supercapacité. Dans chacune de ces configurations, les contributions respectives de chaque élément dépendent du mode de fonctionnement et des besoins en énergie du véhicule. 25 Dans certains cas, et notamment dans les configurations décrites ci-dessus, afin de gérer les contributions des différents modules de stockage, on utilise un organe de couplage électrique (34c, 34d). Cet organe de couplage 30 (34c, 34d) peut être disposé soit (Figure 2c) entre la batterie électrochimique 30c et le supercondensateur 32c, soit (Figure 2d) en amont des ces deux éléments (30d et 32d) eux-mêmes montés en parallèle l'un de l'autre. 2910387 9 L'organe de couplage est un système de couplage électrique permettant la régulation du système. Selon les configurations, cet organe est du type : - un organe de commutation, 5 - un convertisseur courant continu/courant continu (DC/DC) ; et - une association de convertisseurs courant continu/courant continu (DC/DC). 10 Une configuration particulière de ces systèmes de stockage d'énergie assortis d'un organe de couplage est illustrée sur la figure 3. En effet, dans certains cas, il est utile qu'un dispositif de stockage, par exemple le dispositif principal 35, soit couplé en permanence à la machine électrique. 15 Dans ce cas, l'organe électrique 36 est utilisé pour coupler, ou non, un dispositif secondaire 37, selon les modes de fonctionnement du véhicule. Le dispositif principal 35 et le dispositif secondaire 37 sont distincts et sont chacun compris dans le groupe 20 comprenant une batterie puissance , une batterie énergie et une supercapacité. La mise en oeuvre des dispositifs de stockage d'énergie électrique ainsi que du moteur thermique est illustrée par les 25 chronogrammes montrés sur la figure 4. Sur ces chronogrammes sont représentés le pilotage d'une batterie électrochimique (courbe 40a), le pilotage d'un supercondensateur (courbe 40b), ainsi que le pilotage du moteur thermique (courbe 40c). 30 On voit l'évolution de ces pilotages au cours de six phases de vie du véhicule 42a à 42f. Pour simplifier, on a représenté l'évolution de ces trois sources d'énergie par des échelons prenant les valeurs 1 ou O. 2910387 10 Les phases 42b et 42e sont des phases de changement de rapport de vitesse. Les phases 42a, 42b et 42c sont des phases de roulage en mode électrique pur et les phases 42d, 42e et 42f sont des phases de roulage avec le moteur thermique. 5 On suppose au départ que le véhicule est en mode électrique pur (phase 42a), c'est à dire que seule la machine électrique est utilisée pour la traction, et elle est alimentée uniquement par la batterie électrochimique (courbe 40a). 10 Lors d'un changement de rapport de vitesse, il est nécessaire de piloter la machine électrique afin d'échanger une grande puissance pendant un temps relativement court. A cet effet, la machine électrique fait appel au supercondensateur (courbe 40b). Selon les réalisations, pendant cette phase 42b, 15 la batterie électrochimique continue, ou non, à fournir de l'énergie à la machine électrique. Dès la fin de la phase de changement de vitesse et le retour à une phase de roulage en mode électrique pur (phase 42c), le supercondensateur cesse de fournir de l'énergie, et 20 seule la batterie électrochimique est utilisée. On suppose maintenant que la traction est réalisée par le moteur thermique (phase 42d). Dans d'autres situations de vie, où la batterie et la machine électrique ne participeraient pas à la traction, on 25 devrait représenter, dans ce cas, la courbe 40a ramenée à la valeur O. Au cours de la phase 42e de changement de rapport de vitesse, la machine électrique fait appel au supercondensateur comme pour la phase 42b. 30 Dès la fin de phase de changement de rapport 42f, on revient à une situation identique à la situation 42d. La mise en oeuvre décrite à l'aide de cette figure 4 est avantageusement effectuée sur un dispositif conforme à celui 35 de la figure 3. En effet, on constate sur les chronogrammes que 2910387 11 la batterie électrochimique (40a) est alimentée en permanence, et que le supercondensateur (40b) est alimenté, ou non, en fonction des phases de vie du véhicule. Ainsi, un dispositif selon la figure 3 avec une 5 batterie électrochimique en position 35 et une supercapacité en position 37 permettrait une parfaite mise en oeuvre selon le chronogramme de la figure 4, l'organe de couplage 36 étant utilisé pour relier la machine électrique à la supercapacité pendant les phases 42b et 42e. REVENDICATIONS 1. Procédé de pilotage d'un véhicule, notamment d'un véhicule automobile hybride (1), dans lequel : - on transmet une puissance d'un moteur thermique (10) et/ou d'une machine électrique (12) à au moins une roue motrice (18) du véhicule (1), - on adapte la puissance transmise à une puissance nécessaire à la roue (18), à l'aide d'un dispositif de changement de rapport de vitesse (16), - on couple la machine électrique (12) à un dispositif de stockage d'énergie électrique principal (30), caractérisé en ce que - lors d'un changement de rapport de vitesse, on couple la machine électrique (12) à un dispositif de stockage d'énergie électrique secondaire (32) différent du dispositif principal (30). 2. Dispositif de pilotage d'un véhicule, notamment d'un véhicule automobile hybride (1), pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant : - une chaîne de traction comprenant un moteur thermique (10) et une machine électrique (12), - un dispositif de changement de rapport de vitesse (16), - un dispositif de stockage d'énergie électrique principal (30), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de stockage d'énergie électrique secondaire (32) couplé à la machine électrique (12). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la résistance interne du dispositif de stockage secondaire (32) est moins élevée que la résistance interne du dispositif de stockage principal (30). 2910387 13 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de stockage principal (30) et le dispositif de stockage secondaire (32) sont montés en série. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de stockage principal (30) et le dispositif de stockage secondaire (32) sont montés en parallèle. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un organe de couplage électrique (34c ; 34d) permettant de coupler la machine électrique (12) au dispositif de stockage principal (30) et/ou au dispositif de stockage secondaire (32), en fonction de l'état de fonctionnement du véhicule (1). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de stockage principal (35) couplé en permanence à la machine électrique (12), et un organe de couplage (36) permettant de coupler la machine électrique (12) au dispositif de stockage secondaire (37). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de stockage secondaire (32) a une puissance spécifique supérieure à celle du dispositif de stockage principal (30).