Brevet FR2942601A1 — publié le 20100903

SYSTEME DE FREINAGE/RALENTISSEMENT AVEC RECUPERATION D'ENERGIE DESTINE A UN VEHICULE ELECTRIQUE. La présente invention concerne un système de freinage/ralentissement avec récupération d'énergie destiné à un véhicule électrique. Elle concerne aussi un véhicule électrique équipé d'un tel système. La présente invention s'applique aux véhicules dont la propulsion est assurée par un ou plusieurs moteurs fonctionnant exclusivement à l'énergie électrique, à la différence des véhicules hybrides disposant d'au moins deux moteurs dont un à combustion interne. On sait que l'un des problèmes majeurs des véhicules à propulsion électrique, appelés aussi � véhicules électriques � dans la suite du texte, réside dans leur insuffisance d'autonomie. Le document FR 2 801 253 décrit un procédé de récupération d'énergie sur un véhicule lors des phases de décélération � pied levé �, qui consiste à augmenter la puissance électrique générée par l'alternateur tout en compensant le freinage imposé par cette augmentation de puissance en diminuant le frein moteur. La diminution du frein moteur est obtenue en diminuant le rapport de réduction de vitesse de la transmission. La transmission établit un rapport de démultiplication qui permet de réduire le frein moteur d'une valeur correspondant à la puissance mécanique qui peut être récupérée dans l'accumulateur du véhicule. Le document US 2002/0163251 Al décrit un véhicule électrique ou hybride, qui comporte un premier axe de roues, entraîné électriquement, n'ayant que des freins rétroactifs électriques. Le véhicule comporte également un second axe de roues, non entraîné, ayant seulement des freins mécaniques a friction. Le premier axe peut être l'axe des roues avant ou l'axe des roues arrière. En fonction des sollicitations, le freinage électrique est seul utilisé ou bien le freinage mécanique est enclenché. Le but de la présente invention est de fournir un système de freinage/ralentissement avec récupération d'énergie destiné à un véhicule électrique, qui vienne assister le système classique de freinage du véhicule sans se substituer à ce dernier, en offrant alors un générateur d'énergie perfectionné utilisant le plus grand nombre de � situations de vie � du véhicule pour recharger les batteries. Un autre but de la présente invention est de fournir un tel système, qui permette un moindre dimensionnement, par conséquent un gain en masse, du système de freinage classique du véhicule. Enfin, c'est également un but de la présente invention de fournir un tel système, qui soit de conception simple, de mise en oeuvre également simple, en particulier en ne nécessitant que des composants légers, qui soit fiable et économique. Pour parvenir à ces buts, la présente invention a pour objet un système de freinage/ralentissement avec récupération d'énergie destiné à un véhicule électrique, qui comporte des moyens d'acquisition d'informations sur la volonté de ralentissement du conducteur, un calculateur qui, en fonction desdites informations, calcule un niveau de ralentissement et commande des moyens pour � court- circuiter � plus ou moins les moteurs de roue en fonction dudit niveau de ralentissement, de telle sorte que le courant ainsi généré, au moins dans un premier temps, soit dirigé vers les batteries d'accumulateurs du véhicule. Selon le mode préféré de réalisation de l'invention, les moyens d'acquisition d'informations sur la volonté de ralentissement du conducteur sont un capteur de mesure de la course de la pédale de frein et un capteur de mesure de la course de la pédale d'accélération du véhicule. En variante, les moyens d'acquisition d'informations sur la volonté de ralentissement du conducteur comportent, de plus, un moyen de mesure de l'assiette du véhicule, de telle sorte que le système ne fonctionne que si le véhicule est en descente et la pédale d'accélération non sollicitée. Selon le mode préféré de réalisation de l'invention également, les moyens pour � court-circuiter � les moteurs de roue peuvent être, par exemple, des transistors ou des composants électroniques actifs similaires adaptés remplissant une fonction équivalente. Le calculateur, en fonction du niveau de ralentissement calculé, rend les transistors plus ou moins � passants � afin de faire circuler un courant plus ou moins important dans les bobinages des moteurs de roues. Après ledit premier temps pendant lequel le courant généré est dirigé vers les batteries, si le ralentissement demandé est plus important, les moyens pour � court- circuiter � plus ou moins les moteurs de roue sont commandés jusqu'à mettre les moteurs de roue en court-circuit. Selon encore le mode préféré de réalisation de l'invention, le système comprend un transistor d'accélération du moteur qui est mis en régime de haute impédance lors du freinage du véhicule, et un transistor de charge de batterie qui est conducteur lors du chargement des batteries. De préférence, le système comporte une résistance de protection pour limiter le courant maximal dans le moteur de 25 roue. De préférence également, le système comporte un � shunt � qui permet au calculateur de connaître en temps réel le courant consommé ou débité par les batteries et peut donc piloter les transistors en cas de nécessité. 30 Une capacité peut être montée en parallèle des batteries pour emmagasiner temporairement de l'énergie électrique débitée par le moteur de roue. Selon un mode particulièrement avantageux de l'invention, les batteries sont constituées d'une pluralité 35 d'éléments de batterie, et il est prévu un dispositif permettant de connecter lesdits éléments de batterie en série ou en parallèle à volonté, de façon à pouvoir freiner davantage tout en accumulant de l'énergie dans les batteries. Ce dispositif permettant de connecter les éléments de batterie en série ou en parallèle peut être piloté par un 5 moyen de type électro-aimant. Les batteries peuvent être composées de 10 éléments de batterie, par exemple, chaque élément de batterie étant un élément de 1,2V. Les éléments de batterie peuvent être, à titre 10 d'exemples seulement, des éléments de batterie nickel métal hydrure (NiMh) ou des éléments de batterie nickel cadmium (NiCd) ou encore des éléments de batterie lithium/ion (Li-Ion). La présente invention a également pour objet un 15 véhicule automobile à propulsion électrique, qui comporte un système de freinage/ralentissement avec récupération d'énergie conforme à celui décrit ci-dessus dans ses grandes lignes. D'autres buts, avantages et caractéristiques de 20 l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'un exemple de réalisation, non limitatif de l'objet et de la portée de la présente demande de brevet, accompagnée de dessins dans lesquels : - les figures 1 et 2 représentent, de manière 25 schématique, le principe du système de freinage/ralentissement avec récupération d'énergie, selon la présente invention, - la figure 3 représente, de manière schématique, le principe du dispositif permettant de faire connecter les 30 éléments de batterie du véhicule en série ou en parallèle, ledit dispositif étant en position de montage � série � des éléments de batterie, et - la figure 4 représente, de manière schématique également, le même principe du dispositif de la figure 3 en 35 position de montage � parallèle � des éléments de batterie. En référence aux schémas des figures 1 et 2, il est décrit un exemple de réalisation du système de freinage/ralentissement avec récupération d'énergie selon la présente invention. Le principe de ce système est le suivant : - selon une première phase, dite � phase d'acquisition de données � (A), des informations sont acquises pour appréhender la volonté du conducteur, pour savoir s'il y a, par exemple, freinage moteur (� levé de pied � partiel ou total), appui sur la pédale de frein, ou encore maintien de la vitesse en cas de véhicule en descente. selon une seconde phase, ou � phase de ralentissement � (B) proprement dite, en fonction du niveau de ralentissement déterminé à partir des informations acquises, le système � court-circuite � plus ou moins les moteurs des roues. Phase A. Phase d'acquisition de données Les courses des pédales d'accélération et de frein, désignées CA et CF respectivement, sont mesurées par des capteurs (non représentés) et sont converties en valeurs numériques par un Convertisseur Analogique Numérique (CAN) du calculateur 10. Selon les variations des valeurs des courses pédales CA, CF, le logiciel du calculateur 10, d'alimentation 10a, permet de déterminer le souhait du conducteur parmi différentes situations de conduite : - accélération, - décélération légère (le conducteur lève le pied de l'accélérateur sans relâcher l'appui pédale), - décélération moyenne (le conducteur relâche totalement la pédale d'accélérateur), - levé de pied de l'accélérateur, le véhicule étant en descente, - décélération progressive (selon l'appui sur la pédale de frein). Le calculateur 10 peut également, de manière optionnelle, recevoir et convertir une valeur mesurée de l'assiette du véhicule, désignée Av, afin de détecter si le véhicule monte ou descend. Le système de ralentissement à récupération d'énergie de l'invention n'agira dans ce cas que lors de la descente si la pédale d'accélération n'est pas sollicitée ; la vitesse du véhicule sera alors maintenue. Les sorties du calculateur 10 comprennent les sorties suivantes, désignées (1), (2), (3), (4) et (5) et reprises sur le schéma de principe de la figure 2. Elles ont pour fonction : (1) le pilotage du relais de ralentissement du moteur (transistor 11), (2) le pilotage du transistor 13 d'accélération moteur, (3) le pilotage du transistor 12 de charge de la batterie 20 du véhicule, (4) et (5) le contrôle du courant (et le sens du courant) de la batterie 20. B. Phase de ralentissement Le système de ralentissement proprement dit comprend des transistors qui � court-circuite � plus ou moins le(s) moteur(s) afin de le(s) faire ralentir et, ainsi, de ralentir le véhicule, comme décrit en détail dans la suite du texte. Il va de soi que les transistors peuvent être remplacés par des composants électroniques actifs similaires adaptés remplissant une fonction équivalente. Pour des raisons de clarté, un seul moteur de roue 15 est représenté sur le schéma de la figure 2. Ce système supplée le système de freinage hydraulique classique. Pour réaliser le ralentissement du moteur 15, le calculateur 10, en fonction des données d'entrée (CA, CF, Av), rend les transistors plus ou moins passants afin de faire circuler un courant plus ou moins important dans les bobinages du moteur. La résistance 14, en série avec le moteur 15, est une sécurité permettant de limiter le courant débité par le moteur 15. La référence 16 désigne un shunt qui permet au calculateur 10 de connaître en temps réel le courant consommé ou débité par les batteries et peut donc piloter les transistors 11, 12 et 13 en cas de nécessité. Enfin, la référence 17 désigne une capacité, montée en parallèle avec les batteries 20, qui permet d'emmagasiner temporairement l'énergie électrique débitée par le moteur 15. Le système comprend deux ou quatre transistors de ralentissement du moteur (transistor 11 de la figure 2) selon que le véhicule dispose de deux ou quatre moteurs de roue. Sur le schéma de la figure 2, pour plus de clarté, on a représenté un seul moteur de roue 15. C. Principe de fonctionnement du système de ralentissement de la présente invention. Le fonctionnement du système est décrit en fonction de la � situation de vie � dans laquelle se trouve le véhicule : C-1 Accélération. Si le véhicule est en accélération, le système de ralentissement n'est pas concerné. L'accélération est permise grâce au transistor 13. Les transistors 11 et 12 sont placés en régime de haute impédance par le calculateur 10. Par � régime de haute impédance �, on entend, de manière classique, que le transistor est à l'état � OFF � ou encore en fonctionnement en mode bloqué. C-2 Levé de pied de l'accélérateur sans relâchement total de la pédale. Si le conducteur lève le pied de la pédale d'accélérateur sans relâcher totalement cette dernière, la volonté du conducteur est de rouler à une moindre vitesse. Dans cette situation, le système de l'invention agit en frein moteur pour obtenir plus rapidement la vitesse demandée. Le calculateur 10 détermine la vitesse à atteindre et agit sur les trois transistors 11, 12 et 13 pour freiner le véhicule et récupérer de l'énergie. Le transistor 13 passe en régime de haute impédance, le transistor 12 devient conducteur et le transistor 11 est piloté par le calculateur 10 de manière à freiner le véhicule. Le système freine le véhicule en rechargeant les batteries, de référence générale 20. Le transistor 12 passe également en régime de haute impédance lorsque la demande de freinage est � forte � et que la tension aux bornes du transistor 11 ne permet plus de charger les batteries 20. C-3 Levé de pied de l'accélérateur. Le fonctionnement est identique au fonctionnement décrit ci-dessus pour la situation de vie C-2. C-4 Levé de pied de l'accélérateur, le véhicule étant en descente. Le fonctionnement est identique au fonctionnement décrit ci-dessus pour la situation de vie C-2, mais le freinage est plus important. Le système de ralentissement électrique s'efforce de maintenir la vitesse du véhicule de façon automatique. C-5 Appui sur la pédale de frein. Le fonctionnement est identique au fonctionnement décrit ci-dessus pour la situation de vie C-2, mais le freinage est, comme dans la situation précédente, plus important. Si le système de ralentissement électrique ne suffit pas, le système de freinage hydraulique classique vient prendre le relais. D. Perfectionnement au ralentissement par le système électrique. Dans le cas d'un freinage fort, le système est limité parce qu'on ne peut pas faire descendre la tension du moteur jusqu'à une valeur trop basse (ne permettant plus de charger les batteries). Deux solutions sont alors envisageables : D-1 Première solution : Ralentissement maximal sans récupération d'énergie. Dans ce cas, on utilise le maximum de potentiel de freinage du système électrique en ne s'occupant plus de la charge des batteries 20. Le calculateur 10 passe alors les transistors 12 et 13 en régime de haute impédance et le transistor 11 proche du court-circuit (la tension collecteur émetteur VcE = 0,6V). Le freinage électrique est alors maximal. D-2 Ralentissement maximal avec récupération d'énergie. Comme mentionné précédemment, la limitation du système vient du fait que les batteries sont généralement des batteries de 12V et que le principe de freinage électrique tend à court-circuiter les moteurs des roues. Une solution simple peut être de relier les batteries en série ou en parallèle à volonté. Les batteries sont composées d'une pluralité d'éléments mis en série délivrant chacun une tension faible. Par exemple, si les batteries sont des batteries nickel métal hydrure (NiMh), 10 éléments sont nécessaires pour avoir une tension de 12V. La figure 3 représente, de manière schématique, les éléments de batterie montés en série, avec une tension de sortie U égale à 12V, tandis que la figure 4 représente, de la même manière schématique, les éléments de batterie montés en parallèle, avec une sortie U/10 de 1,2V. Une carte électrique mobile, pilotée par un électro-aimant, permet de faire connecter les éléments de batterie en série ou en parallèle selon sa position, le déplacement d'une position à l'autre étant représenté par les flèches MD et MG des figures 3 et 4, respectivement. L'avantage de ce moyen est de permettre plus de freinage tout en accumulant de l'énergie dans les batteries. Dans la position � en parallèle � de la batterie (figure 4) avec la tension de sortie U/10, le transistor 11 peut être amené quasiment en court-circuit (freinage maximal) tout en préservant la charge de la batterie, le transistor 12 restant conducteur et le transistor 13 étant en régime de haute impédance. On remarquera que la commutation des batteries doit se faire sans circulation de courant. A cette fin, on coupe temporairement le débit ou la charge des batteries pendant le temps nécessaire à la commutation, ce qui a pour avantage de prolonger la durée de vie des commutateurs. Le système, décrit ci-dessus, de ralentissement avec récupération d'énergie destiné à un véhicule électrique présente de nombreux avantages, parmi lesquels les avantages suivants . - il ne requiert aucun matériel particulier, - il fonctionne avec des composants légers, ce qui est un avantage recherché dans le cas d'un véhicule électrique, - il permet de sous dimensionner l'ensemble de freinage hydraulique classique, parce que ce dernier est moins sollicité, et, par conséquent, il permet de réduire encore le poids du véhicule, - il utilise un nombre maximal de � situations de vie � différentes du véhicule pour en recharger les batteries. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté ci-dessus à titre d'exemple ; d'autres modes de réalisation peuvent être conçus par l'homme de métier sans sortir du cadre et de la portée de la présente invention. REVENDICATIONS1. Système de freinage/ralentissement avec récupération d'énergie destiné à un véhicule électrique, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'acquisition d'informations sur la volonté de ralentissement du conducteur, un calculateur (10) qui, en fonction desdites informations, calcule un niveau de ralentissement et commande des moyens pour � court-circuiter � plus ou moins les moteurs de roue (15) en fonction dudit niveau de ralentissement, de telle sorte que le courant ainsi généré, au moins dans un premier temps, soit dirigé vers les batteries d'accumulateurs (20) du véhicule. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'acquisition d'informations sur la volonté de ralentissement du conducteur sont un capteur de mesure de la course de la pédale de frein (CF) et un capteur de mesure de la course de la pédale d'accélération (CA) du véhicule. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'acquisition d'informations sur la volonté de ralentissement du conducteur comportent, de plus, un moyen de mesure de l'assiette du véhicule (Av), de telle sorte que le système ne fonctionne que si le véhicule est en descente et la pédale d'accélération non sollicitée. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour � court-circuiter � les moteurs de roue sont des transistors (11). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le calculateur (10), en fonction du niveau de ralentissement calculé, rend les transistors (11) plus ou moins passants afin de faire circuler un courant plus ou moins important dans les bobinages des moteurs de roues (15). 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que, après ledit premier temps pendant lequel le courant généré est dirigé vers les batteries (20), si leralentissement demandé est plus important, lesdits moyens pour � court-circuiter � plus ou moins les moteurs de roue (15) sont commandés jusqu'à mettre les moteurs de roue (15) en court-circuit. 7. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, un transistor d'accélération du moteur (13) qui est mis en régime de haute impédance lors du freinage du véhicule, et un transistor de charge de batterie (12) qui est conducteur lors du chargement des batteries. 8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une résistance de protection (14) pour limiter, si nécessaire, le courant maximal dans le moteur de roue (15). 9. Système selon les revendications 1 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte un shunt (16) qui permet au calculateur (10) de connaître en temps réel le courant consommé ou débité par les batteries et peut donc piloter les transistors (11, 12, 13) en cas de nécessité. 10. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une capacité (17), montée en parallèle des batteries (20), pour emmagasiner temporairement de l'énergie électrique débitée par le moteur de roue (15). 11. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les batteries (20) sont constituées d'une pluralité d'éléments de batterie, et en ce qu'il est prévu un dispositif permettant de connecter lesdits éléments de batterie en série ou en parallèle à volonté, de façon à pouvoir freiner davantage tout en accumulant de l'énergie dans les batteries. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en en que ledit dispositif permettant de connecter les éléments de batterie en série ou en parallèle est piloté par un moyen de type électro-aimant. 13. Système selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que les batteries (20) sont composées de 10 éléments de batterie, chaque élément de batterie étant un élément de 1,2V. 14. Système selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que les éléments de batterie sont choisis parmi des éléments de batterie de type suivant : nickel métal hydrure (NiMh), nickel cadmium (NiCd), lithium/ion (Li-Ion). 15. Véhicule automobile à propulsion électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un système de freinage/ralentissement avec récupération d'énergie conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 14.10