Brevet FR2898836A1 — publié le 20070928

DOMAINE DE L'INVENTION [0001] La présente invention concerne les véhicules routiers. Elle concerne en particulier les systèmes de motorisation d'un véhicule routier à traction électrique. [0002] Les véhicules électriques englobent des véhicules dans lesquels l'énergie électrique nécessaire à leur déplacement est stockée dans des batteries et des véhicules dans lesquels l'énergie électrique est produite à bord, par un moteur thermique entraînant une génératrice ou par une pile à combustible. La traction du véhicule est assurée par un ou des moteurs électriques et le freinage du véhicule est assuré par un système de freinage mécanique conventionnel. [0003] Cependant, une machine électrique étant réversible, elle peut être utilisée aussi en génératrice électrique pendant les phases de freinage du véhicule et dans ce cas elle transforme l'énergie mécanique de freinage en énergie électrique que le véhicule doit absorber, éventuellement par dissipation thermique. Ce mode de fonctionnement est souvent appelé freinage électrique ou freinage en récupération . [0004] En pratique, les machines électriques fonctionnent en génératrice pour assurer une décélération modérée du véhicule, pour récupérer autant que faire se peut l'énergie et la stocker dans des accumulateurs électriques, ou même pour la dissiper afin d'alléger la sollicitation des freins mécaniques du véhicule. Le freinage principal d'un véhicule est en effet assuré par des freins mécaniques commandés hydrauliquement, en général de façon assistée, et le plus souvent maintenant pourvu d'une fonction anti-blocage couramment désignée par ABS . Le freinage est une fonction de sécurité primordiale sur un véhicule. Les freins mécaniques sont de puissance importante, capable d'amener la roue au blocage, l'écrêtage de puissance étant assurée par la fonction anti-blocage. Pour assurer la sécurité des passagers, le système de freinage d'un véhicule de tourisme est en général capable d'assurer une décélération de l'ordre de 1 g , g étant l'unité d'accélération dont la valeur 1 correspond à la gravité terrestre. [0005] Par ailleurs, dans un véhicule à traction électrique, intégrer la machine électrique dans la roue est une configuration particulièrement intéressante car cela supprime les arbres mécaniques et offre plus de latitudes pour l'architecture générale du véhicule. L'état de la technique connaît plusieurs dispositions d'intégration de moteurs dans les roues. La demande de brevet WO 2003/065546 propose de disposer quatre moteurs transmettant leur couple à la roue 1 2898836. 2 au moyen d'un train épicycloïdal. Par la demande de brevet EP 0878332, on connaît une liaison au sol qui intègre à la fois la suspension verticale de la roue à l'intérieur de celle-ci et un moteur rotatif de traction. Il y a un étage de réduction entre la roue et le moteur électrique, celui-ci étant engrené sur une roue dentée coaxiale à la roue. La roue comporte bien entendu un frein à disque afin d'assurer la fonction de freinage de service. En outre, la liaison au sol comporte un pivot afin de permettre de braquer la roue. Toutes les fonctions d'une liaison au sol se trouvent ainsi intégrées dans la roue. [0006] L'objectif' de la présente invention est de simplifier l'architecture des liaisons au sol dans le cas des véhicules à traction électrique. La présente invention tire profit du fait que, les machines électriques offrant les mêmes caractéristiques de couple en fonctionnement en moteur et en fonctionnement en génératrice, contrairement aux moteurs thermiques, il est possible de supprimer les freins rnécaniques et faire assurer la fonction de freinage de service par voie purement électrique. BREVE DESCRIPTION DE L 'INVENTION [0007] L'invention propose un système de motorisation d'un véhicule routier dont toutes les roues sont reliées en rotation chacune à au moins une machine électrique rotative qui lui est propre, chaque machine électrique étant pilotée par un module électronique de pilotage de roue, chaque module électronique de pilotage permettant d'imposer sélectivement à la roue considérée un couple de pilotage déterminé en amplitude et en signe, de façon à ce que la roue considérée impose au véhicule un effort longitudinal moteur ou un effort longitudinal freineur selon ledit couple de pilotage déterminé, le système comportant une unité centrale assurant la gestion du déplacement longitudinal du véhicule, ladite unité centrale contrôlant l'ensemble des modules électroniques de pilotage de roue, ladite unité centrale ayant un mode de fonctionnement de freinage du véhicule activé par un signal de commande du freinage du véhicule ayant une amplitude donnée représentative de la force totale de freinage souhaitée du véhicule, dans lequel, en mode freinage, quelle que soit l'amplitude du signal de commande du freinage, ladite unité centrale contrôle l'ensemble des modules électroniques de pilotage de roue de façon à ce que la somme des efforts longitudinaux de l'ensemble des roues soit une fonction de ladite amplitude du signal de commande du freinage, fonction par exemple proportionnelle dans la mise en oeuvre la plus simple. [0008] Dans le système de motorisation d'un véhicule selon l'invention, il n'y a pas de frein mécanique de service. Quelle que soit l'amplitude du signal de commande du freinage, c'est-à-dire même pour les freinages les plus intenses, le freinage est assuré par voie électrique, c'est-à-dire en pilotant les machines électriques en génératrice. Chaque roue comporte une ou plusieurs machines électriques dédiées afin de pouvoir générer une force de freinage sur chaque roue, ce que l'on ne pourrait pas faire avec une machine électrique commune à plusieurs roues, par exemples les roues d'un essieu, car il y aurait dans ce cas une transmission mécanique et un différentiel entre les roues. Les machines électriques sont dimensionnées de façon appropriée pour imposer à chaque roue la force de freinage la plus élevée possible. Bien entendu, le système doit être relié à des moyens capables d'absorber une puissance électrique élevée, ce qui dans la technologie disponible actuellement conduit à installer une ou des résistances électriques de dissipation refroidies efficacement, les accumulateurs électriques connus, n'étant pas capables d'absorber la puissance électrique produite par un freinage d'urgence, sauf à installer une capacité telle que le poids du véhicule serait vraiment prohibitif. [0009] De préférence, pour tenir le véhicule immobile, on installe un dispositif de frein mécanique appelé communément frein de parking. Cependant, un tel dispositif n'est pas conçu pour freiner le véhicule mais seulement pour le tenir arrêté, de préférence même sur des pentes très importantes. Ainsi, le système selon l'invention comporte, associé à une roue au moins, un dispositif de freinage mécanique de la roue commandé uniquement par une commande de frein de parking. De préférence, le dispositif de frein de parking est commandé par un actionneur électrique piloté par une unité de commande de freinage qui ne peut être activée que sous un seuil de vitesse longitudinale du véhicule, ledit seuil étant par exemple inférieur à 10 km/h. BREVE DESCRIPTION DE LA FIGURE [0010] D'autres objectifs et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré, illustré par la figure 1 qui représente schématiquement un système de motorisation d'un véhicule à quatre roues, à production d'énergie électrique à bord. 2898836 -4- DESCRIPTION DU MEILLEUR MODE DE REALISATION DE L 'INVENTION [0011] A la figure 1, on a schématisé un véhicule à quatre roues 1AvG' 1AvD' 1ArG et 1ArD• Les roues sont notées IAvG pour la roue avant gauche, 1AvD pour la roue avant droite, 1 ArG pour la roue arrière gauche et 1 ArD pour la roue arrière droite. Chaque roue est équipée d'une machine électrique qui lui est couplée mécaniquement. On voit les machines électriques 2AvG' 2AvD' 2ArG et 2ArD• Dans la suite, on ne reprendra pas les indices désignant spécifiquement la position de la roue 1 ou de la machine électrique 2 dans le véhicule lorsque cela n'apporte rien à la clarté de l'exposé. Les machines électriques de traction 2 sont des machines synchrones triphasés, équipées d'un capteur de position angulaire de type resolver et sont pilotées par les modules électroniques de pilotage de roue 23 auxquels elles sont reliées par des lignes électriques de puissance 21. Les modules électroniques de pilotage de roue 23 sont conçus pour piloter les machines électriques en couple. De ce fait, les machines électriques peuvent être utilisées en moteur et en génératrice. Chacune des roues arrières IArG et 1ArD est équipée d'un dispositif de freinage mécanique 71 de la roue commandé par un actionneur électrique 7 piloté par une unité de commande de freinage. [0012] De nombreuses dispositions sont possibles pour agencer une machine électrique couplée mécaniquement à la roue. Notons cependant que l'on aura avantage à installer une démultiplication assez grande, par exemple au moins égale à 10 et même de préférence supérieure à 15, afin que la machine électrique ne soit pas trop volumineuse. On peut installer une machine électrique de façon coaxiale à la roue, la liaison mécanique étant assuré par un train d'engrenages épicycloïdaux pour disposer de la démultiplication nécessaire. On peut aussi adopter une configuration du genre de celle décrite dans la demande de brevet EP 0878332, de préférence en ajoutant un étage de démultiplication mécanique. On peut aussi choisir de disposer plusieurs moteurs électriques dont les couples s'additionnent. On consultera à ce sujet la demande de brevet WO 2003/065546 et la demande de brevet FR 2776966. [0013] L'invention est illustrée dans une application à un véhicule assurant la production d'énergie électrique à bord. On voit une pile à combustible 4 délivrant un courant électrique sur une ligne électrique centrale 40. Bien entendu, tout autre moyen de production d'énergie électrique peut être utilisé. On voit aussi un dispositif de stockage d'énergie électrique constitué dans cet exemple par un banc de super-condensateurs 5, relié à la ligne électrique centrale 40 par un module électronique de super-condensateurs 50. On voit une résistance électrique de dissipation 6, de préférence plongée dans un liquide caloporteur évacuant les calories vers un échangeur (non représentés), constituant un dispositif d'absorption d'énergie apte à absorber l'énergie électrique produite par l'ensemble des machines électriques au cours d'un freinage. La résistance de dissipation 6 est reliée à la ligne électrique centrale 40 par un module électronique de dissipation 60. [0014] Une unité centrale 3 gère différentes fonctions, parmi lesquelles la chaîne de traction électrique du véhicule. L'unité centrale 3 dialogue avec l'ensemble des modules électroniques de pilotage de roue 23 via les lignes électriques 30A. L'unité centrale 3 dialogue aussi avec une commande d'accélération 33 via une ligne électrique 30E, avec une commande de freinage 32 (freins de service) via une ligne électrique 30F, et avec une commande 31 sélectionnant la marche avant ou la marche arrière via une ligne électrique 30G. Cela permet de prendre en compte les intentions du conducteur. L'unité centrale 3 dialogue également avec un capteur d'accélération longitudinale 34 via une ligne électrique 30D. Enfin, l'unité centrale 3 dialogue avec le module électronique de super-condensateurs 50 via une ligne électrique 30C et avec le module électronique de dissipation 60 via une ligne électrique 30B. [0015] On voit aussi une commande de frein de parking 35. L'actionneur 7 du dispositif de freinage mécanique de roue est commandé via une ligne électrique 30H uniquement par cette commande de frein cle parking 35, et absolument pas par la commande de freinage 32. De préférence, afin d'éviter toute détérioration des dispositifs de freinage mécanique 71 conçus uniquement pour maintenir immobile le véhicule et dont la capacité d'évacuer des calories est donc très limitée, ladite unité de commande de frein de parking ne peut être activée que sous un seuil de vitesse longitudinale du véhicule assez bas, par exemple inférieur à 10 km/h. [0016] Expliquons le fonctionnement du système selon l'invention. [0017] Lorsque le conducteur sélectionne la marche avant à l'aide de la commande 31 et actionne la pédale d'accélération 33, l'unité centrale 3 ordonne aux modules électroniques de pilotage de roue 23 d'alimenter les machines électriques 2 en puisant l'énergie électrique sur la ligne électrique centrale 40. Celle-ci est alimentée par la pile à combustible 4 et/ou le banc de super-condensateurs 5, selon l'état de charge de celui-ci et sous le contrôle de l'unité centrale 3. Le véhicule se déplace en marche avant. Les machines électriques 2 transforment l'énergie électrique en énergie mécanique de traction. La puissance mise en oeuvre dépend en particulier de la position de la commande d'accélération 33. [0018] Lorsque le conducteur actionne la pédale de frein 32, l'unité centrale 3 passe en mode freinage. A partir de l'action du conducteur sur la pédale de frein 32, l'unité centrale 3 calcule une valeur du signal de commande du freinage. Quelle que soit l'amplitude du signal de commande du freinage, ladite unité centrale 3 contrôle l'ensemble des modules électroniques de pilotage de roue 23 de façon à ce que la somme des efforts longitudinaux de l'ensemble des roues 1 soit proportionnelle à ladite amplitude du signal de commande du freinage. Les machines électriques rotatives 2 transforment alors de l'énergie mécanique de rotation en énergie électrique. Selon la stratégie de gestion de l'énergie électrique programmée dans l'unité centrale 3, celle-ci commande le module électronique de super-condensateurs 50 de façon à recharger ceux-ci et/ou commande le module électronique de dissipation 60 de façon à dissiper l'énergie dans la résistance électrique de dissipation 6. On comprend bien que lorsque les moyens de stockage tels que le banc de supercondensateurs 5 sont saturés, la totalité de l'énergie doit être dissipée. De plus, la puissance des moyens de stockage peut être limitée, c'est à dire que la vitesse de charge des moyens de stockage peut par exemple correspondre à un freinage léger comme il est couramment attendu de la part d'un moteur thermique (ce qu'on appelle le frein moteur ). Au-delà de ce niveau de freinage, la puissance électrique produite est alors dirigée vers les moyens de dissipation. [0019] Afin d'assurer la sécurité de fonctionnement du véhicule, la résistance électrique de dissipation 6 est dimensionnée et refroidie de façon à ce que la totalité de l'énergie électrique produite en manoeuvres de freinage d'urgence, les plus violentes, puisse être dissipée. En fait, il convient de dimensionner la chaîne constituée par les machines électriques rotatives 2, les modules électroniques de pilotage de roue 23, la ligne électrique centrale 40, le module électronique de dissipation 60 et la résistance électrique de dissipation 6 selon des critères de même sévérité que ce que l'on applique aux systèmes de freinage mécanique. De préférence, l'électronique de commande est redondante. De préférence, toujours pour des raisons de sécurité, on réalise également une redondance matérielle. Par exemple, on peut doubler l'installation de dissipation (deux modules électroniques de dissipation 60 et deux résistances électriques de dissipation 6) afin de toujours offrir une certaine capacité de décélération en cas de panne d'une résistance ou de son module de commande (par analogie avec les circuits de freinage hydrauliques doubles). [0020] De préférence, le dispositif d'absorption d'énergie est de puissance supérieure à 500 kW par tonne de véhicule. En effet, si F est la force appliquée au véhicule pour le freiner, si sa masse vaut M et sa vitesse vaut V et si y est l'accélération, on a F = M x y et P = F x V = M x ('y x V) ; en posant que la décélération maximale vaut 1 g, à 130 km/h, la puissance par tonne de véhicule vaut environ 350 kW et elle vaut environ 500 kW à 160 km/h. L'homme du métier dimensionnera aisément la puissance du dispositif d'absorption d'énergie en fonction des caractéristiques du véhicule qu'il veut construire. [0021] Lorsque le conducteur sélectionne la marche arrière, l'unité centrale 3 ordonne aux modules électroniques de pilotage de roue 23 d'inverser le fonctionnement des machines électriques rotatives 2, y compris en cas de freinage. [0022] Décrivons maintenant comment on peut implanter une fonction anti-blocage de roue. [0023] Les machines électriques de traction 2 étant équipées d'un capteur de position angulaire de type résolver, chaque roue 1 ayant sa propre machine électrique rotative 2, on dispose ainsi d'un capteur de vitesse de rotation de chaque roue. On peut donc avantageusement équiper le système selon l'invention d'un dispositif de contrôle du glissement de chaque roue dans lequel, en mode freinage, le couple de pilotage d'une roue est diminué lorsque le dispositif de contrôle du glissement détecte un glissement de la roue considérée. On peut par exemple analyser en temps réel le signal que le capteur de vitesse de rotation de chaque roue délivre et déduire d'une forte variation (décélération) une amorce de blocage. On peut calculer en temps réel la dérivée du signal de vitesse de rotation de chaque roue, obtenir ainsi un signal représentatif de l'accélération/décélération de chaque roue et comparer ce dernier à un signal donnant l'accélération/décélération réelle du véhicule si l'on dispose d'un capteur approprié (C'est le capteur d'accélération longitudinale 34 introduit au paragraphe [0014] ) ou d'un traitement de plusieurs signaux permettant d'estimer l'accélération/décélération réelle du véhicule. Dès lors, l'unité centrale 3 peut ordonner aux modules électroniques de pilotage de roue 23 de diminuer le couple de pilotage de roue (sélectivement par roue) lorsque le dispositif de contrôle du glissement détecte un glissement de la roue considérée. [0024] En conclusion, signalons que l'absence d'organe de freinage conventionnel (voir disque et pince dans la demande EP 0878332) simplifie substantiellement non seulement l'architecture du véhicule équipé d'un système selon l'invention, mais également son entretien en éliminant les opérations périodiques de remplacement des plaquettes et des disques. Parmi les avantages de la suppression des organes de freinage hydraulique conventionnels, on peut citer en outre l'élimination de tout frottement résiduel des plaquettes (on sait que ces frottements consomment une part non négligeable de l'énergie nécessaire au fonctionnement d'un véhicule à freinage conventionnel.). On peut également citer comme avantage la suppression des contraintes thermiques induites sur la liaison au sol par les organes de freinage hydraulique conventionnels et l'élimination des nuisances liées aux poussières produites par l'usure des plaquettes et des disques. REVENDICATIONS 1. Système de motorisation d'un véhicule routier dont toutes les roues (1) sont reliées en rotation chacune à au moins une machine électrique rotative (2) qui lui est propre, chaque machine électrique étant pilotée par un module électronique de pilotage de roue (23), chaque module électronique de pilotage permettant d'imposer sélectivement à la roue considérée un couple de pilotage déterminé en amplitude et en signe, de façon à ce que la roue considérée impose au véhicule un effort longitudinal moteur ou un effort longitudinal freineur selon ledit couple de pilotage déterminé, le système comportant une unité centrale (3) assurant la gestion du déplacement longitudinal du véhicule, ladite unité centrale (3) contrôlant l'ensemble des modules électronique de pilotage de roue (23), caractérisé en ce que ladite unité centrale (3) a un mode de fonctionnement de freinage du véhicule activé par un signal de commande du freinage du véhicule ayant une amplitude donnée représentative de la force totale de freinage souhaitée du véhicule et, en mode freinage, quelle que soit l'amplitude du signal de commande du freinage, ladite unité centrale (3) contrôle l'ensemble des modules électroniques de pilotage de roue (23) de façon à ce que la somme des efforts longitudinaux de l'ensemble des roues (1) soit une fonction de ladite amplitude du signal de commande du freinage. 2. Système de motorisation d'un véhicule selon la revendication 1 dans lequel ladite fonction de ladite amplitude du signal de commande du freinage est une fonction proportionnelle. 3. Système de motorisation d'un véhicule selon la revendication 1 comportant, associé à une roue au moins, un dispositif de freinage mécanique (71) de la roue commandé par un actionneur électrique (7) piloté par une unité de commande de freinage, ladite unité de commande de freinage ne pouvant être activée que sous un seuil de vitesse longitudinale du véhicule, ledit seuil étant inférieur à 10 km/h. 4. Système de motorisation d'un véhicule selon la revendication 1 comportant, associé à une roue au moins, un dispositif de freinage mécanique (71) de la roue commandé uniquement par une commande de frein de parking (35).- 10 - 5. Système de motorisation d'un véhicule selon la revendication 1 dans lequel il n'y a pas de frein mécanique de service. 6. Système de motorisation d'un véhicule selon la revendication 1 comportant un dispositif de contrôle du glissement de chaque roue dans lequel, en mode freinage, le couple de pilotage d'une roue est diminué lorsque le dispositif de contrôle du glissement détecte un glissement de la roue considérée. 7. Système de motorisation d'un véhicule selon la revendication 6 dans lequel on calcule en temps réel la dérivée du signal de vitesse de rotation de chaque roue pour obtenir un signal représentatif de l'accélération/décélération de chaque roue et on compare ce dernier à un signal donnant l'accélération/décélération réelle du véhicule, délivré par un capteur d'accélération longitudinale (34). 8. Véhicule à roues comportant un système de motorisation d'un véhicule selon l'une des revendications précédentes, comportant un dispositif d'absorption d'énergie apte à absorber l'énergie électrique produite par l'ensemble des machines électriques au cours d'un freinage. 9. Véhicule selon la revendication 8, de masse M, dans lequel le dispositif d'absorption d'énergie est de puissance supérieure à 500 kW. 10. Système de motorisation d'un véhicule selon la revendication 8 ou 9 dans lequel le dispositif d'absorption d'énergie comporte une résistance électrique de dissipation (6). 11. Système de motorisation d'un véhicule selon la revendication 1 dans lequel chaque roue comporte une machine électrique rotative montée dans la roue. 12. Système de motorisation d'un véhicule selon la revendication 11 dans lequel le rapport de réduction est supérieur à 10. 13. Système de motorisation d'un véhicule selon la revendication 11 dans lequel le rapport de réduction est supérieur à 15.