Brevet FR2952335A1 — publié le 20110513

DISPOSITIF DE STOCKAGE D'ENERGIE POUR UN VEHICULE La présente invention concerne un dispositif de stockage d'énergie, en particulier pour un véhicule automobile, ainsi qu'un véhicule automobile équipé de ce dispositif. Les véhicules hybrides peuvent comporter une machine électrique reliée à des accumulateurs électriques, pouvant travailler en générateur pour récupérer l'énergie cinétique du véhicule et charger ces accumulateurs électriques, ou travailler en moteur pour délivrer une puissance mécanique aux roues motrices du véhicule en prélevant de l'énergie dans ces accumulateurs. Cette utilisation de moyens de stockage d'énergie permet d'optimiser le fonctionnement du moteur thermique, et de réduire sa consommation ainsi que les émissions polluantes. Un problème qui se pose pour ces véhicules hybrides utilisant l'énergie électrique, est que l'installation électrique comprenant notamment la machine électrique, les accumulateurs électriques et l'électronique de contrôle, représente un poids et un volume important, ainsi que des coûts élevés. Un autre type de moyen de stockage d'énergie présenté notamment dans le document WO-A1-9842550, comporte un ressort spiral de stockage d'énergie, qui peut être relié à une roue du véhicule pour être enroulé et tendu lors d'un ralentissement du véhicule. Par cette contrainte d'enroulement du ressort spiral, on stocke une énergie mécanique. Lors d'une accélération suivante du véhicule, un inverseur comprenant un train planétaire et une roue libre, permet d'inverser le sens du mouvement du ressort spiral. Le ressort spiral en se détendant, va à son tour entraîner la roue du véhicule dans le sens de la marche, pour lui restituer une énergie mécanique en accélérant ce véhicule. Le dispositif de récupération d'énergie de ce véhicule comporte un inverseur du sens du mouvement relativement complexe et onéreux. De plus en utilisant les différents pignons du train planétaire pour transmettre l'énergie dans au moins une des deux phases de freinage ou d'accélération, on a des pertes de rendement. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure, et d'apporter une solution simple et efficace à la réalisation d'un moyen de récupération et de restitution d'énergie. Elle propose à cet effet un dispositif de stockage d'énergie pour un véhicule, comprenant un ressort qui est tendu ou détendu par la rotation d'un arbre d'entraînement dans un sens ou dans l'autre, pour stocker de l'énergie ou la restituer, caractérisé en ce que l'arbre d'entraînement comporte dans une première version un galet de friction situé radialement entre deux tambours disposés suivant un axe commun, cet arbre d'entraînement étant dans une deuxième version relié à deux galets de friction situés radialement de part et d'autre d'un même tambour, le ou les tambours étant liés en rotation à au moins une roue du véhicule, le ou les galets pouvant osciller sensiblement radialement suivant une petite course pour dans la première version, appliquer le galet alternativement sur l'un ou l'autre des deux tambours, ou dans la deuxième version appliquer l'un ou l'autre des galets sur l'une des faces du tambour unique. Un avantage de ce dispositif de stockage d'énergie, est que l'on peut en contrôlant une petite course radiale des galets par un actionneur simple et économique, à partir d'une rotation de la roue du véhicule dans un même sens de marche, obtenir facilement deux sens de rotation de l'arbre d'entraînement du ressort pour une récupération ou une restitution de l'énergie. Le dispositif de stockage d'énergie selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement le dispositif de stockage d'énergie étant au repos, la petite course des galets est maintenue par un moyen de maintien dans une position intermédiaire de point mort où ces galets sont libres. Avantageusement, un levier pivotant de commande guide les galets dans leur petite course radiale. Avantageusement, le dispositif de stockage d'énergie comporte un moyen de blocage de l'arbre d'entraînement du ressort, ce blocage étant activé automatiquement dans la position intermédiaire de point mort. Selon un mode de réalisation, la petite course des galets est actionnée dans un sens ou dans l'autre par un électro-aimant. Selon une disposition particulière de l'invention, le ressort comprend au moins une barre de torsion. La barre de torsion peut être reliée aux galets de pression par un dispositif de renvoi d'angle. Avantageusement, le dispositif de stockage d'énergie comporte un moyen d'évaluation du niveau d'accumulation d'énergie dans le ressort. L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile comprenant une motorisation principale, et un dispositif de stockage d'énergie comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 présente en perspective un dispositif de stockage d'énergie suivant l'invention, comportant une barre de torsion ; - la figure 2 présente en coupe radiale une vue de détail du levier de commande de ce dispositif de stockage d'énergie ; - la figure 3 présente l'intégration de ce dispositif de stockage d'énergie dans un train arrière de véhicule ; - la figure 4 présente une variante de ce dispositif de stockage d'énergie, comprenant un renvoi d'angle pour la barre de torsion ; et - la figure 5 présente en coupe radiale, une autre version de ce dispositif de stockage d'énergie. Les figures 1 et 2 présentent un dispositif de stockage d'énergie 1, comprenant un tambour intérieur 2 inséré dans un tambour extérieur 4 suivant un axe commun, ces tambours comportant chacun une surface cylindrique lisse de même longueur axiale, qui sont en regard l'une de l'autre. Les tambours 2, 4 sont liés en rotation à au moins une roue d'un véhicule automobile, par une liaison non représentée. Un arbre de torsion 6 disposé parallèlement à l'axe des tambours 2, 4, comporte une extrémité éloignée des tambours qui est fixée à une partie fixe 22 comme la caisse du véhicule automobile, ou un élément du train arrière. L'autre extrémité de l'arbre de torsion 6 comporte un galet de friction 8 disposé radialement entre les deux tambours 2, 4, au repos un petit jeu étant interposé entre ce galet et chaque tambour. L'arbre de torsion 6 forme un ressort qui subit une torsion en appliquant un couple suivant son axe pour emmagasiner une énergie mécanique, et la restituer ensuite par une détente de ce ressort. En variante on peut suivant différents moyens connus, disposer plusieurs arbres de torsion en série ou en parallèle pour emmagasiner plus d'énergie en obtenant un angle de rotation plus important, ou un couple plus important. Un levier de commande 10 allongé suivant une direction sensiblement tangentielle aux tambours 2, 4, comporte à une de ses extrémités un pivot 12 disposé parallèlement à l'arbre de torsion 6. Le levier de commande 10 comporte dans sa partie centrale un palier qui guide en rotation l'arbre de torsion 6, à proximité de son galet de friction 8. Le levier de commande 10 peut osciller autour de son pivot 12 sous l'effet d'un actionneur 18, 20, appliquant une certaine force pour alternativement presser le galet de friction 8 sur la surface cylindrique de l'un ou l'autre des tambours 2, 4. Le levier de commande 10 comporte de plus un coulisseau 30 pouvant coulisser le long de ce levier. Le levier de commande 10 comprend un ressort 34 qui presse en permanence le coulisseau 30 vers le côté opposé au pivot 12, pour pousser un doigt d'extrémité 14 de ce coulisseau sur un profil de came 16. Le profil de came 16 comporte un creux dans lequel vient glisser et se caler le doigt d'extrémité 14, pour maintenir le pivotement du levier de commande 10 sensiblement bloqué dans une position intermédiaire de point mort, où le galet de pression 8 se trouve libre, sans appui sur les tambours 2, 4. De plus le levier de commande 10 peut comporter un ressort comme une lame élastique, qui au repos ramène ce levier dans la position intermédiaire de point mort. Le coulisseau 30 comporte de plus un ergot de blocage 32, qui est maintenu pressé par le ressort 34 sur une roue dentée 36 portée par la barre de torsion 6, quand le doigt d'extrémité 14 est sorti, étant calé dans le creux du profil de came 16. L'ergot de blocage 32 permet d'empêcher la rotation de la barre de torsion 6, quand il est engagé dans la roue dentée 36. L'actionneur comprend deux électro-aimants supérieur 18 et inférieur 20, disposés au dessus et en dessous de l'extrémité libre du levier de commande 10 pour alternativement l'attirer vers le haut ou vers le bas. Le fonctionnement du dispositif de stockage d'énergie est le suivant. Au repos les électro-aimants 18, 20 ne sont pas alimentés, et le doigt d'extrémité 14 pressé par le ressort 34, est calé dans le creux du profil de came 16. L'ergot de blocage 32 porté par le coulisseau 30 est aussi sorti, il est en appui sur la roue dentée 36 et empêche la rotation de la barre de torsion 6. Si la barre de torsion 6 comporte un angle de torsion représentant une énergie stockée, elle reste bloquée par l'ergot de blocage 32 et ne pouvant se détendre, conserve cette énergie. Quand un électro-aimant 18, 20 est activé, il attire le levier de commande 10 pour presser le galet de friction 8 sur l'une ou l'autre des surfaces cylindriques des tambours 2, 4. Simultanément le pivotement du levier de commande 10 repousse le doigt d'extrémité 14 qui glisse sur son profil de came 16, le coulisseau 30 recule et l'ergot de blocage 32 se dégage de la roue dentée 36. On a alors une liaison entre la roue du véhicule liée aux tambours 2, 4, et la barre de torsion 6 par le frottement du galet de friction 8 sur l'un des tambours. Si l'électro-aimant supérieur 18 est alimenté, le galet de friction 8 est en appui sur le tambour extérieur 4, l'arbre de torsion 6 et ce tambour tournent dans le même sens. Au contraire si l'électro-aimant inférieur 20 est alimenté, le galet de friction 8 est en appui sur le tambour intérieur 2, l'arbre de torsion 6 et ce tambour tournent dans un sens opposé. On réalise ainsi avec un actionneur simple et économique, comprenant deux électro-aimants 18, 20 délivrant une faible course, une liaison dans un sens ou dans l'autre ainsi qu'un point mort, entre une roue du véhicule et la barre de torsion 6. On notera que la liaison comporte deux rapports de démultiplication différents, liés aux deux diamètres des tambours 2, 4. En variante, on peut utiliser d'autres technologies d'actionneurs, comportant notamment une énergie pneumatique, électrique ou hydraulique. L'utilisation du dispositif de stockage d'énergie pour un véhicule comportant une motorisation principale, est la suivante. Le conducteur du véhicule demandant un freinage, une unité de contrôle gérant ce dispositif se stockage d'énergie, commande l'actionneur 18, 20 pour entraîner à partir d'une roue du véhicule et d'un tambour 2, 4, la barre de torsion 6 dans un sens. La rotation de la barre de torsion 6 emmagasine de l'énergie, en freinant le véhicule. En complément si nécessaire, l'unité de contrôle gère les freins des roues du véhicule pour ajouter un couple de freinage en fonction de la demande du conducteur. Ce freinage complémentaire s'adapte pour compléter la force de freinage en fonction du couple de réaction donné par la barre de torsion 6, qui va en croissant avec son angle de torsion, et donc avec le niveau d'énergie accumulé par cette barre. A l'arrêt du véhicule, l'unité de contrôle relâche l'actionneur 18, 20 qui passe au point mort, et bloque par la roue dentée 36 la rotation de la barre de torsion 6. L'énergie accumulée est conservée dans la barre de torsion 6. Au redémarrage suivant du véhicule, ou pour une autre accélération si nécessaire, l'unité de contrôle commande l'actionneur 18, 20 pour entraîner dans l'autre sens avec l'autre tambour 2, 4, à partir de la barre de torsion 6, la roue du véhicule. La détente de la barre de torsion 6 restitue de l'énergie en accélérant le véhicule. Comme pour le freinage, l'unité de contrôle du dispositif de stockage d'énergie communique avec l'unité de contrôle de la motorisation du véhicule, pour diminuer le couple délivré par cette motorisation en fonction de celui fourni par le moyen de stockage d'énergie, afin d'obtenir le couple d'entraînement total correspondant à celui demandé par le conducteur. En complément, le dispositif de stockage d'énergie peut comporter un moyen pour connaître son état de charge, comme par exemple un capteur de comptage des tours de la barre de torsion 6, qui donne un état du niveau de charge compris entre zéro et le maximum de charge. Il faut notamment connaître avec assez de précision le niveau de charge maximum, pour déconnecter lors d'une charge l'entraînement par la roue lorsque ce niveau maximum est atteint. L'unité de contrôle surveille en permanence la vitesse du véhicule, les demande de freinage ou d'accélération de ce véhicule, et l'état de charge du moyen de stockage d'énergie, pour optimiser le fonctionnement de la motorisation de ce véhicule qui peut être par exemple un moteur thermique ou une machine électrique, et réduire sa consommation d'énergie. Pour cela, cette unité de contrôle est en liaison avec des capteurs donnant un état du fonctionnement du véhicule, ainsi que de la demande du conducteur. La figure 3 présente une implantation du dispositif de stockage d'énergie 1 sur un train arrière d'un véhicule automobile, présenté partiellement, comprenant une traverse 40 reliée par deux bras de suspension longitudinaux 42 à la caisse du véhicule. Des ressorts de suspension 44 posés sur la traverse 40, supportent la caisse du véhicule. Les roues arrière 46 sont reliées au train arrière par des moyeux disposés aux extrémités de la traverse 40. Le moyeu d'une roue arrière 46 comporte de plus les tambours du dispositif de stockage d'énergie, disposés suivant l'axe de cette roue et entraînés en rotation par la roue. En variante les axes des tambours pourraient être décalés par rapport à celui de la roue arrière, avec une démultiplication entre les deux. La barre de torsion 6 est disposée parallèlement à la traverse 40 du train arrière, son extrémité intérieure est avantageusement reliée à cette traverse formant une partie fixe 22, ce qui permet à cette partie fixe de suivre les débattements du train arrière. L'extrémité extérieure de la barre de torsion 6 guidée par le levier de commande 10, comporte le galet de friction 8 disposé entre les deux tambours 2, 4. Les tambours 2, 4, le levier de commande 10 et les actionneurs 18, 20 sont en partie intégrés dans la roue 46. De cette manière on obtient un dispositif de stockage d'énergie peu encombrant, la barre de torsion 6 disposée parallèlement à la traverse 40 et proche de celle-ci, pouvant s'étendre sur quasiment toute la largeur du véhicule sans gêner. La figure 4 présente une variante 51 de ce dispositif de stockage d'énergie, dont la barre de torsion 50 est disposée longitudinalement dans le véhicule. L'arrière de la barre de torsion 50 est fixé à la partie fixe 22 du véhicule, l'avant de cette barre comporte un pignon conique qui entraîne un second pignon conique pour former un renvoi d'angle 52, renvoyant le mouvement suivant un axe transversal. Le second pignon conique du renvoi d'angle 52, comporte sur son axe le galet de friction 8 disposé entre les deux tambours. De cette manière on peut réaliser un dispositif de stockage d'énergie 51, dont la barre de torsion 50 occupe un autre emplacement sous la caisse du véhicule. La figure 5 présente une autre version 61 du dispositif de stockage 30 d'énergie, comprenant un seul tambour 60 dont les deux surfaces cylindriques intérieure et extérieure sont lisses. L'arbre de torsion 62 a son extrémité disposée près du tambour 60, qui engrène avec un axe d'un galet de pression intérieur 64, et un autre axe d'un galet de pression extérieur 66. Un levier de commande pivotant 68, supporte l'extrémité de l'arbre de torsion 62 ainsi que les axes des deux galets 64, 66. L'unité de contrôle du dispositif de contrôle d'énergie 61, pilote par un actionneur le levier de commande 68 pour alternativement appliquer le galet de pression intérieur 64 sur l'intérieur du tambour 60, laisser les deux galets de pression libres, ou appliquer le galet de pression extérieur 66 sur l'extérieur de ce tambour. De cette manière et avec un unique tambour 60, on peut réaliser un point mort, ou un entraînement à partir de la roue du véhicule, de la barre de torsion 62 dans un sens ou dans l'autre. Comme pour les versions précédentes, le levier de commande 68 comporte aussi un moyen de blocage de la rotation de la barre de torsion 62 dans la position de point mort. D'une manière générale, le dispositif de stockage d'énergie suivant l'invention peut comporter des types de ressorts variés pour accumuler cette énergie, comprenant notamment différentes formes, ou différentes matières comme un métal ou un élastomère. On pourrait par exemple utiliser une barre ou un anneau en élastomère, qui serait entrainé en rotation suivant son axe avec une torsion comprenant un grand nombre de tours. On peut aussi utiliser un ressort spiral, un ressort à gaz, ou un ressort à couple constant. En variante, on peut disposer un unique ressort de stockage d'énergie relié à un différentiel de répartition de la puissance de la motorisation principale vers les deux roues d'un même essieu, qui peut être l'essieu avant ou arrière du véhicule. L'invention peut s'appliquer notamment pour un véhicule à deux ou à quatre roues. REVENDICATIONS1 û Dispositif de stockage d'énergie pour un véhicule, comprenant un ressort (6, 50) qui est tendu ou détendu par la rotation d'un arbre d'entraînement dans un sens ou dans l'autre, pour stocker de l'énergie ou la restituer, caractérisé en ce que l'arbre d'entraînement dans une première version comporte un galet de friction (8) situé radialement entre deux tambours (2, 4) disposés suivant un axe commun, cet arbre d'entraînement étant dans une deuxième version relié à deux galets de friction (64, 66) situés radialement de part et d'autre d'un même tambour (60), le ou les tambours étant liés en rotation à au moins une roue du véhicule (46), le ou les galets (8, 64, 66) pouvant osciller sensiblement radialement suivant une petite course pour dans la première version, appliquer le galet (8) alternativement sur l'un ou l'autre des deux tambours (2, 4), ou dans la deuxième version appliquer l'un ou l'autre des galets (64, 66) sur l'une des faces du tambour unique (60). 2 - Dispositif de stockage d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce dispositif étant au repos, la petite course des galets (8, 64, 66) est maintenue par un moyen de maintien (16), dans une position intermédiaire de point mort où ces galets sont libres. 3 - Dispositif de stockage d'énergie selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un levier pivotant de commande (10, 68) guide les galets (8, 64, 66) dans leur petite course radiale. 4 - Dispositif de stockage d'énergie selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de blocage (32) de l'arbre d'entraînement du ressort (6, 50), ce blocage étant activé automatiquement dans la position intermédiaire de point mort. 5 - Dispositif de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la petite course des galets est actionnée dans un sens ou dans l'autre par un électro-aimant (18, 20). 6 - Dispositif de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ressort comprend au moins une barre de torsion (6, 50). 7 - Dispositif de stockage d'énergie selon la revendication 6, caractérisé en ce que la barre de torsion (50) est reliée aux galets de pression (8, 64, 66), par un dispositif de renvoi d'angle. 8 - Dispositif de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'évaluation du niveau d'accumulation d'énergie dans le ressort (6, 50). 9 - Véhicule automobile comprenant une motorisation principale et un dispositif de stockage d'énergie (1, 51, 61), caractérisé en ce que ce dispositif de stockage d'énergie est réalisé selon l'une quelconque des revendications précédentes.