Brevet FR2935307A1 — publié le 20100305

Véhicule hybride muni d'au moins une machine électrique accouplée aux roues par l'intermédiaire d'un réducteur à rapport de démultiplication variable [0001]. La présente invention concerne un véhicule hybride muni d'au moins une machine électrique accouplée aux roues par l'intermédiaire d'un réducteur à rapport de démultiplication variable. L'invention a notamment pour but d'optimiser le fonctionnement de la machine électrique utilisée pour la traction du véhicule hybride. [0002]. L'invention trouve une application particulière avantageuse dans le domaine des véhicules hybrides à train arrière motorisé électriquement. Toutefois, l'invention pourrait également être mise en oeuvre avec des véhicules de type tout électrique. [0003]. Dans le but de limiter la consommation en carburant et la pollution, on connaît des véhicules hybrides combinant l'utilisation d'un moteur thermique accouplé aux arbres de transmission des roues avant afin d'assurer une traction thermique du train avant du véhicule, et de deux machines électriques accouplées aux arbres de transmission des roues arrière afin d'assurer une traction électrique du train arrière, comme décrit dans la demande de brevet US-2007/0158119. [0004]. Lors des déplacements à faible vitesse, en ville par exemple, pour des vitesses inférieures à 50-60km/h, le véhicule fonctionne en mode électrique, la traction du véhicule étant alors assurée par les machines électriques. Tandis que pour des vitesses supérieures à 50-60km/h, le véhicule fonctionne en mode thermique, la traction du véhicule étant alors assurée par le moteur thermique. [0005]. En mode de régénération, la batterie associée aux machines électriques se recharge, ce mode étant de préférence mis en oeuvre dans les phases de freinage du véhicule au cours desquelles l'énergie cinétique du véhicule est transformée en énergie électrique stockée dans la batterie. [0006]. Les machines électriques aujourd'hui disponibles sur le marché ne présentent pas nécessairement une plage de vitesses compatible avec la plage de vitesses des roues du véhicule, de sorte que la machine ne peut pas fonctionner à son point de fonctionnement optimum en termes de rendement sur une plage de vitesses de roue étendue. [0007]. Il existe donc un besoin d'adaptation du fonctionnement des machines électriques existantes, afin qu'elles fournissent le couple de traction souhaité au meilleur point de fonctionnement possible pour la plage de vitesses de roues la plus étendue possible. [0008]. L'invention comble ce besoin en proposant un véhicule hybride équipé d'un réducteur à rapport de démultiplication variable installé entre au moins une machine électrique et les arbres de transmission des roues arrière du véhicule. Le rapport de démultiplication est adapté en fonction de la vitesse des roues, de manière à étendre la plage de fonctionnement de la machine électrique. [0009]. De préférence, le réducteur utilisé est à double étage, un premier étage étant à rapport de démultiplication fixe, et un deuxième étage à rapport de démultiplication variable. Par rapport à un réducteur à rapport de démultiplication variable à simple étage, le réducteur à double étage présente l'intérêt de ne pas modifier la distance entre les deux poulies du réducteur. Ces réducteurs sont les plus couramment utilisés [ [0010]. De préférence, la machine électrique utilisée est un alternateur classique normalement utilisé pour fournir de l'électricité au réseau électrique du véhicule. Cet alternateur est bon marché par rapport aux machines étudiées actuellement pour les futurs véhicules hybrides. L'utilisation de l'alternateur peut être effectué via son bobinage d'origine (par exemple 12V) branché sur un réseau de plus haute tension (par exemple 42V ou plus) afin d'améliorer son adaptation en impédance et par conséquence son rendement. [0011]. L'invention concerne donc un véhicule hybride comportant un moteur thermique accouplé aux arbres de transmission des roues avant afin d'assurer la traction thermique du train avant du véhicule, au moins une machine électrique accouplée aux arbres de transmission des roues arrière afin d'assurer la traction électrique du train arrière du véhicule, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réducteur à rapport de démultiplication variable installé entre la machine électrique et 2 les arbres de transmission des roues arrières, le rapport de démultiplication de ce réducteur étant adapté en fonction de la vitesse des roues afin d'étendre la plage de régime de fonctionnement de la machine électrique. [0012]. Selon une réalisation, le réducteur à rapport variable est constitué de deux étages, un premier étage à rapport de démultiplication fixe et un deuxième étage à rapport de démultiplication variable. [0013]. Selon une réalisation, le rapport de démultiplication fixe vaut 7.6 le rapport de démultiplication variable varie entre 0.8 et 3.1. [0014]. Selon une réalisation, il comprend deux machines électriques accouplées chacune à un arbre de transmission d'une roue arrière. [0015]. Selon une réalisation, il comprend une seule machine électrique (41) accouplée aux arbres de transmission des roues arrière par l'intermédiaire d'un différentiel. [0016]. Selon une réalisation, le réducteur à rapport de démultiplication variable est 15 de type CVT. [0017]. Selon une réalisation, le réducteur à rapport de démultiplication variable est de type toroïdal. [0018]. Selon une réalisation, chaque réducteur à rapport de démultiplication variable est installé le long d'un bras de suspension du véhicule. 20 [0019]. Selon une réalisation, les axes des réducteurs à rapport de démultiplication variable sont accouplés avec les arbres de transmission par l'intermédiaire d'un joint de transmission homocinétique. [0020]. Selon une réalisation, la machine électrique est un alternateur de classe comprise entre 15 et 25. 25 [0021]. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces dernières sont indiquées à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent : • Figure 1 : une représentation schématique d'un mode de réalisation de l'invention dans lequel deux machines électriques assurent la traction du train arrière, le réducteur à rapport variable étant de type CVT ; • Figure 2 : une représentation schématique d'une variante de réalisation de la Figure 1 dans laquelle le réducteur à rapport variable est de type toroïdal ; • Figure 3 : une vue de trois dimensions d'un réducteur à rapport variable de type toroïdal utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention ; • Figure 4 : une représentation schématique d'un troisième mode de réalisation selon l'invention dans lequel une seule machine électrique assure la traction du train arrière du véhicule ; • Figure 5 : une représentation graphique d'un couple fourni par une machine électrique en fonction de la vitesse des roues, pour une machine accouplée à un réducteur à rapport fixe et pour une machine accouplée à un réducteur à rapport variable, comme dans l'invention. [0022]. Les éléments identiques conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0023]. La figure 1 montre un véhicule hybride 1 selon l'invention comportant un moteur thermique 2 associé à un dispositif de transmission 4, tel qu'une boîte de vitesses accouplée à une descente de pont, destiné à transmettre un couple moteur à un premier arbre 7 de transmission de roues et à un deuxième arbre 8 de transmission de roues, afin d'entraîner en rotation respectivement les roues avant 10 et 11. [0024]. Le véhicule 1 comporte également deux machines électriques 13 et 14 actionnables de manière indépendante destinées chacune à transmettre un couple moteur à une roue arrière 16, 17. A cet effet, chaque machine 13, 14 est accouplée à un arbre de transmission 19, 20 de ces roues par l'intermédiaire d'un réducteur 23, 24 à rapport variable. [0025]. Chaque réducteur 23, 24 à rapport variable comporte un étage à rapport r1 de démultiplication fixe et un étage r2 à rapport de démultiplication variable de type CVT (Transmission à Variation Continue). Dans un exemple, r1 vaut 7.6 et r2 varie entre 0.8 et 3.1. Le rapport R de démultiplication global égal à ri *r2 est égal au rapport entre la vitesse de rotation WMEL de la machine électrique 13, 14 et la vitesse de rotation WROUES des roues 16, 17. En variante, le réducteur 23, 24 comprend un seul étage à rapport de démultiplication variable. [0026]. De manière classique, la transmission CVT est composée de deux poulies dont les gorges sont à écartement variable reliées par une courroie. En fonction de l'écartement des parois des poulies, la courroie pénètre plus ou moins près du centre et change le rapport de démultiplication en conséquence. Généralement, le rapport est choisi par un dispositif centrifuge en fonction de la vitesse de rotation : plus le moteur tourne vite, plus le rapport de démultiplication augmente. [0027]. Les réducteurs 23 et 24, qui présentent une longueur importante compte tenu de la longueur de la courroie, sont positionnés chacun de préférence le long d'un bras de suspension, afin de limiter le déplacement relatif des axes des réducteurs 23 et 24 par rapport aux arbres de transmission 19 et 20 des roues. En variante, le carter des réducteurs 23, 24 joue le rôle de bras de suspension. [0028]. Selon une réalisation, les machines électriques 13 et 14 sont des alternateurs classiques de classe comprise entre 15 et 25 apte à fonctionner dans une plage de vitesses comprise entre 0 et 20000 tour/min. On rappelle que la classe correspond au débit de la machine électrique, un alternateur de classe N pouvant débiter un courant de 10*N Ampères. [0029]. Les machines électriques 13, 14 sont reliées à une batterie 26 par exemple de type supercondensateur. Lorsque les machines 13, 14 fonctionnent en mode moteur, elles prélèvent de l'énergie électrique à la batterie 26 et la transforme en énergie mécanique de traction. Lorsque les machines 13 et 14 fonctionnent en mode générateur, par exemple lors des phases de freinage du véhicule, elles transforment l'énergie cinétique du véhicule en énergie électrique stockée dans la batterie 26. [0030]. Par ailleurs, un module de commande 27 pouvant être relié ou intégré, s'il y a lieu, au calculateur moteur (non représenté) contrôle indépendamment les machines électriques 13 et 14. L'indépendance du contrôle des deux machines électriques 13, 14 permet d'augmenter la stabilité du véhicule 1 en générant le couple approprié aux roues arrière 16, 17 indépendamment. [0031]. En outre, un module de puissance 28 est connecté au module de contrôle 27, aux machines électriques 13, 14 et à la batterie 26. En fonction des instructions données par le module de commande 27, le module de puissance 28 commande le fonctionnement en mode moteur ou en mode générateur des machines électriques 13 et 14. [0032]. La figure 2 montre une variante dans laquelle les réducteurs 23 et 24 à rapport variable de type CVT ont été remplacés par des réducteurs 23' et 24' comprenant un étage à rapport variable de type toroïdal. [0033]. La figure 3 montre une vue en trois dimensions d'un étage réducteur 23.2', 24.2' à rapport variable de type toroïdal comportant un arbre 31 sur lequel sont montés deux plateaux 33.1 et 33.2 en forme de cuvette reliés à un arbre d'entrée (dans l'invention l'arbre de la machine électrique 13, 14) et deux plateaux 34.1, 34.2 également en forme de cuvette montés sur l'arbre de part et d'autre des plateaux 33, les plateaux 34 étant reliés à un arbre de sortie (dans l'invention l'arbre de transmission 19, 20 des roues). [0034]. L'étage réducteur 23.2', 24.2' comporte en outre des éléments mobiles 39 comportant chacun une roulette 39.1 apte à tourner autour d'un axe 39.2 et une fourche 39.3 portant la roulette 39.1 apte à pivoter autour d'un axe 39.4, cet axe 39.4 présentant une position intermédiaire entre l'axe 31 et l'extrémité des plateaux 33 et 39. Les éléments mobiles 39 sont montés entre les plateaux 33 d'entrée et les plateaux 34 de sortie, les roulettes 39.1 étant en contact avec les parois des creux des plateaux 33 et 34. [0035]. Le rapport de démultiplication r2 de l'étage 23.2', 24.2' varie en fonction de l'orientation des éléments mobiles 39. En effet, en inclinant la fourchette 39.1 autour de son axe 39.4, on fait varier les rayons des zones des plateaux 33, 34 liées en rotation par l'intermédiaire des éléments mobiles 39, ce qui fait varier le rapport de démultiplication r2. [0036]. Dans la réalisation selon la figure 2, comme les réducteurs 23' et 24' sont fixes par rapport au châssis du véhicule et que les roues 16 et 17 sont mobiles par rapport au châssis par l'intermédiaire des suspensions, les axes 31 des réducteurs toroïdaux et les arbres 19, 20 de transmission des roues occupent des positions relatives variables pendant le fonctionnement du véhicule. Afin de compenser ces variations de position, on utilise de préférence un joint de transmission homocinétique pour permettre l'accouplement entre les axes 31 et les arbres 19, 20. [0037]. La figure 4 montre une variante dans laquelle le véhicule comporte une seule machine 41 assurant la traction du train arrière. A cet effet, la machine 41 est accouplée aux arbres de transmission 19 et 20 des roues 16, 17 par l'intermédiaire d'un différentiel 42, via un réducteur 43 à rapport de démultiplication variable de type CVT ou toroïdal. S'il y a lieu, le réducteur 43 peut également être à double étage. Dans ce cas, la machine électrique 41 utilisée est plus puissante que celles 13, 14 associées à chaque roue du véhicule, afin de fournir le couple de traction nécessaire. [0038]. La figure 5 montre une représentation graphique 49 du couple CMEL en Newton mètres (N.m) fourni par une machine électrique 13, 14 en fonction de la vitesse de rotation WMEL des roues en tours par minute (tours/min) pour une machine électrique 13, 14 accouplée à un réducteur à rapport de démultiplication fixe (partie grisée 50) et à un réducteur 23, 24 ou 23', 24' à rapport de démultiplication variable utilisé avec l'invention (partie hachurée 51). [0039]. Les courbes ont été obtenues pour un véhicule hybride à train arrière tracté électriquement par deux alternateurs de type CL7 fonctionnant en mode moteur, le réducteur à rapport fixe présentant un rapport égal à 23,5 le réducteur à rapport variable 23, 24 ou 23', 24' présentant un étage à rapport de démultiplication fixe r1 valant 7.6 et un étage à rapport de démultiplication variable r2 variant entre 0.8 et 3.1. [0040]. Le rapport de démultiplication r2 dépend de la vitesse de roue WROUES. En effet, plus la vitesse de roue WROUES est élevée, plus le rapport r2 de démultiplication est faible. Inversement plus la vitesse de roue WROUES est faible, plus le rapport de démultiplication r2 est élevé. Ainsi, pour des vitesses de roue WROUES faibles, le réducteur 23, 24 ou 23', 24' à rapport variable présente un rapport de démultiplication R= rl*r2 élevé de l'ordre de 20 ; tandis que pour des vitesses de roue WROUES élevées, le réducteur 23, 24 ou 23', 24' à rapport variable présente un rapport de démultiplication R=rl *r2 de l'ordre de 6. [0041]. On observe qu'avec un rapport de démultiplication fixe la machine électrique 13, 14 peut fournir un couple moteur CMEL jusqu'à une vitesse de roues WROUES de l'ordre de 500 tours/min, mais aucun couple au-delà. En revanche, avec le réducteur 23, 24 ou 23', 24' à rapport de démultiplication variable utilisé dans l'invention, la machine électrique 13, 14 peut fournir un couple moteur CMEL pour des vitesses de roues WROUES allant jusqu'à 1500 tours/min. L'invention permet ainsi d'étendre la plage de régime WROUES sur laquelle le couple CMEL peut être fourni, et donc de mieux exploiter les performances de la machine électrique 13, 14. REVENDICATIONS1. Véhicule hybride comportant un moteur thermique (2) accouplé aux arbres de transmission (7, 8) des roues avant (10, 11) afin d'assurer la traction thermique du train avant du véhicule ; au moins une machine électrique (13, 14, 41) accouplée aux arbres de transmission (19, 20) des roues arrière (16, 17) afin d'assurer la traction électrique du train arrière du véhicule, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réducteur (23, 24, 23', 24', 43) à rapport de démultiplication variable installé entre la machine électrique (13, 14, 41) et les arbres de transmission (19, 20) des roues arrières, le rapport (R) de démultiplication de ce réducteur (23, 24, 23', 24', 43) étant adapté en fonction de la vitesse des roues (WROUES) afin d'étendre la plage de régime de fonctionnement de la machine électrique (13, 14, 41). 2. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réducteur (23, 24, 23', 24', 43) à rapport variable est constitué de deux étages, un premier étage (23.1, 24.1, 23.1', 24.1') à rapport de démultiplication (ri) fixe et un deuxième étage (23.2, 24.2, 23.2', 24.2') à rapport de démultiplication (r2) variable. 3. Véhicule selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport de démultiplication (ri) fixe vaut 7.6 le rapport de démultiplication (r2) variable varie entre 0.8 et 3.1. 4. Véhicule selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend deux machines électriques (13, 14) accouplées chacune à un arbre de transmission (19, 20) d'une roue arrière (16, 17). 5. Véhicule selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une seule machine électrique (41) accouplée aux arbres de transmission (19, 20) des roues arrière (16, 17) par l'intermédiaire d'un différentiel (42). 6. Véhicule selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le réducteur (23, 24, 23', 24', 43) à rapport de démultiplication variable est de type CVT. 7. Véhicule selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le réducteur 35 (23, 24, 23', 24', 43) à rapport de démultiplication variable est de type toroïdal. 8. Véhicule selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend deux machines électriques (13, 14) accouplées chacune à un arbre de transmission30(19, 20) d'une roue arrière (16, 17), chaque réducteur (23, 24, 23', 24', 43) à rapport de démultiplication variable étant de type CVT et installé le long d'un bras de suspension du véhicule. 9. Véhicule selon la revendication 4 caractérisé en ce que chaque réducteur (23, 24, 23', 24', 43) à rapport de démultiplication variable est de type toroïdal et que les axes des réducteurs (23, 24, 23', 24', 43) à rapport de démultiplication variable sont accouplés avec les arbres de transmission (19, 20) par l'intermédiaire d'un joint de transmission homocinétique. 10. Véhicule selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la machine électrique (13, 14) est un alternateur de classe comprise entre 15 et 25.