Brevet FR2975637A1 — publié le 20121130

VEHICULE HYBRIDE UTILISANT UNE ENERGIE HYDRAULIQUE ET PROCEDE DE GESTION ASSOCIE [1] DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [2] L'invention concerne un véhicule hybride utilisant une énergie hydraulique et un procédé de gestion associé. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des véhicules à faible consommation de carburant. [3] ETAT DE LA TECHNIQUE [4] Certains types de véhicules hybrides, appelés hybrides de type io série, comportent une chaîne de traction comprenant un moteur thermique qui entraîne une pompe hydraulique, afin de recharger des accumulateurs de pression hydraulique pour stocker cette énergie. [5] Une machine hydraulique reliée à des roues du véhicule peut fonctionner en moteur pour délivrer une puissance mécanique aux roues en is prélevant de l'énergie stockée dans un ou plusieurs accumulateurs de pression. La machine hydraulique peut également fonctionner en pompe pour charger les accumulateurs en freinant le véhicule, de manière à récupérer l'énergie cinétique de ce véhicule. La machine hydraulique est généralement à cylindrée variable pour ajuster les niveaux de couple et de 20 puissance qui sont délivrés ou absorbés. [6] Cette utilisation d'énergie hydraulique stockée permet d'optimiser le fonctionnement du moteur thermique et de réduire sa consommation ainsi que les émissions de gaz polluants. Le stockage d'énergie hydraulique permet de rouler en mode hydraulique avec zéro émission, appelé mode 25 « ZEV », le moteur thermique restant à l'arrêt. [7] Il est également connu des véhicules hybrides de type parallèle, présentés notamment par le document FR-1150668, comprenant une architecture de transmission hydrostatique dans laquelle un embrayage et une boîte de vitesses supplémentaires permettent d'accoupler le moteur 30 thermique mécaniquement aux roues. Cette architecture permet de désactiver les systèmes hydrauliques afin d'annuler leurs pertes par frottement, et d'utiliser cette transmission mécanique bien plus efficace à haute vitesse qu'une transmission hydraulique. [08] On note toutefois que la faible capacité de stockage des accumulateurs de pression des véhicules hybrides hydrauliques de type série ou parallèle limite la distance parcouru par le véhicule en mode zéro émission. Il devient ainsi nécessaire de redémarrer le moteur thermique, soit pour réaliser la traction, soit pour recharger les accumulateurs de pression et alimenter les machines hydrauliques. Ce redémarrage du moteur thermique augmente la consommation et les émissions de gaz polluants du véhicule. Io [09] OBJET DE L'INVENTION [10] L'invention a pour but de limiter au maximum les démarrages du moteur thermique. [11] A cet effet, selon un premier aspect, l'invention concerne un véhicule hybride comportant une chaîne de traction thermique comprenant 15 un moteur thermique, une chaîne de traction hydraulique comprenant au moins une machine hydraulique en relation avec au moins un accumulateur de pression et une première pompe hydraulique, associée au moteur thermique, apte à recharger l'accumulateur de pression. Le véhicule hybride comporte en outre une machine électrique liée mécaniquement à une 20 seconde pompe hydraulique, la machine électrique associée à une batterie étant apte à entraîner la seconde pompe hydraulique pour recharger l'accumulateur de pression indépendamment du moteur thermique. [12] Selon une réalisation, le véhicule hybride comporte deux machines hydrauliques. 25 [013] Selon une réalisation, le véhicule hybride comporte un accumulateur haute pression et un accumulateur basse pression. [014] Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un procédé de gestion de la traction d'un véhicule hybride, caractérisé en ce que, lorsque l'accumulateur de pression contient une quantité d'énergie supérieure à un 30 niveau minimum de charge, le procédé de gestion comporte l'étape de réaliser la traction du véhicule au moyen de la machine hydraulique en utilisant l'énergie hydraulique stockée dans l'accumulateur de pression. [15] Selon une réalisation, lorsque l'accumulateur de pression contient une quantité d'énergie inférieure à un niveau minimum de charge et lorsque le niveau de charge de la batterie est supérieur à un seuil minimum, le procédé de gestion comporte l'étape de recharger l'accumulateur de pression en utilisant la machine électrique via la seconde pompe hydraulique. [16] Selon une réalisation, lorsque l'accumulateur de pression contient io une quantité d'énergie inférieure à un niveau minimum de charge et lorsque le niveau de charge de la batterie est inférieur à un seuil minimum, le procédé de gestion comporte l'étape de recharger l'accumulateur de pression en utilisant le moteur thermique via la première pompe hydraulique. [17] Selon une réalisation, lorsque la machine hydraulique n'est pas is apte à fournir le couple requis par l'utilisateur, le procédé de gestion comporte l'étape de réaliser la traction du véhicule en utilisant le moteur thermique. [18] Selon une réalisation, lorsque le véhicule est dans une phase de freinage, le procédé de gestion comporte l'étape de convertir une énergie 20 cinétique en une énergie hydraulique en utilisant la machine hydraulique. [19] Préférentiellement, lorsque l'accumulateur de pression contient une quantité d'énergie inférieure à un niveau minimum de charge, le procédé de gestion comporte l'étape de recharger l'accumulateur de pression en utilisant l'énergie hydraulique. 25 [020] Préférentiellement, lorsque l'accumulateur de pression contient une quantité d'énergie supérieure à un niveau minimum de charge, le procédé de gestion comporte l'étape de recharger la batterie en utilisant la seconde pompe hydraulique. [021] Selon une réalisation, lorsque le véhicule est dans une phase de 30 recharge de la batterie par un réseau d'alimentation extérieur, le procédé de gestion comporte l'étape de recharger l'accumulateur de pression en prélevant de l'énergie sur le réseau. [22] BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [23] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent : [24] Figure 1 : une représentation schématique d'un véhicule hybride selon un mode de réalisation de l'invention ; io [025] Figure 2 : une représentation du niveau de charge de l'accumulateur haute pression en fonction de la vitesse du véhicule ; [26] Figures 3 à 9 : des représentations schématiques simplifiées de six modes de fonctionnement du véhicule hybride de la Figure 1 et [27] Figure 10 : une représentation de la puissance du véhicule hybride is de la Figure 1 au cours du temps. [28] Les éléments identiques, similaires ou analogues, conservent les mêmes références d'une Figure à l'autre. [29] DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION 20 [030] La Figure 1 montre un véhicule hybride 45 comprenant un moteur thermique 1, deux machines hydrauliques 16, 17 et une machine électrique 22. [031] Le moteur thermique 1 entraine une pompe hydraulique 2 à cylindrée variable qui prélève un fluide hydraulique, dans un réservoir non 25 représenté, pour charger deux accumulateurs de pression 19 et 20. A cet effet, le moteur thermique 1 est lié à un volant moteur 18 qui entraine la pompe hydraulique 2 via un pignon réducteur 3. Les accumulateurs de pression 19 et 20 peuvent comporter un seul élément de stockage, ou une série d'éléments reliés ensemble pour stocker une plus grande quantité d'énergie. [32] Un embrayage 4 permet d'accoupler le moteur thermique 1 avec un arbre primaire 5 de traction sur lequel sont montés deux pignons fous émetteurs 6 et 9. Une roue libre 7 est disposée entre le pignon 6 et l'arbre 5 et un crabot 8 permet d'accoupler ou de désaccoupler l'arbre 5 avec le pignon 9. Par ailleurs, l'arbre secondaire 12 comporte un pignon récepteur 10 lié en rotation au pignon 6 et un pignon récepteur 11 lié en rotation au pignon 9. Par « deux éléments liés en rotation », on entend le fait que Io lorsqu'un élément tourne il entraîne l'autre élément en rotation et réciproquement. [33] Deux machines hydrauliques à cylindrée variable 16 et 17 sont liées en rotation à l'arbre secondaire 12. Un différentiel 13 reçoit le couple de l'arbre secondaire 12 et le transmet aux roues motrices 15 disposées sur un is arbre de transmission 14. [34] Les machines hydrauliques 16 et 17 sont alimentées par deux accumulateurs de pression 19 et 20. Les accumulateurs de pression 19, 20 comportent au moins un élément haute pression 19 et au moins un élément basse pression 20 connectés aux machines hydrauliques 16, 17 et aux 20 pompes hydrauliques 2, 21, pour former un réseau haute pression et un réseau basse pression. Le flux de fluide peut passer d'un réseau à l'autre lorsqu'il traverse les machines 16, 17 ou les pompes 2, 21. Cette disposition permet de récupérer dans l'accumulateur basse pression 20 une partie de l'énergie délivrée lors d'une décharge de l'accumulateur haute pression 19. 25 [035] Le dimensionnement des accumulateurs de pression 19, 20 est réalisé de manière à pouvoir délivrer à eux seuls la puissance nominale de traction du véhicule 45 correspondant en particulier à des fortes accélérations. [036] Les accumulateurs de pression 19, 20 peuvent être chargés par la 30 pompe hydraulique 21 reliée à une machine électrique 22, elle-même en relation avec une batterie 23. Un système 24 permet de recharger la batterie 23 à partir d'un réseau électrique extérieur au véhicule 45. Lorsque le véhicule 45 est dans une phase de recharge de la batterie 23 par un réseau d'alimentation extérieur, les accumulateurs de pression 19, 20 sont de préférence chargés via la machine électrique 22 en prélevant de l'énergie sur le réseau. [037] Préférentiellement, la machine électrique 22 et la pompe 21 accouplée sont des éléments de faible puissance formant un groupe électropompe 46. Ce groupe électropompe 46 permet de convertir en continu de l'énergie électrique en énergie hydraulique afin d'assurer une autonomie augmentée du véhicule 45 sans avoir recours au démarrage du moteur io thermique 1. Les appels de puissance ponctuels importants sont fournis par la réserve hydraulique qui se reconstitue en continue via le système électropompe 46 et batterie 23. Inversement, lors des décélérations du véhicule 45, l'énergie cinétique du véhicule 45 est convertie en énergie hydraulique et en énergie électrique. Le système électropompe 46 est alors 15 utilisé dans un mode inverse afin de recharger la batterie 23. [38] Pour le démarrage du véhicule 45, si les accumulateurs de pression 19, 20 sont suffisamment chargés au dessus d'un seuil minimum, on utilise d'abord l'énergie contenue dans les accumulateurs 19, 20 pour alimenter en pression les machines hydrauliques 16, 17. L'embrayage 4 est 20 alors ouvert et le moteur thermique 1 est arrêté. [39] Les machines hydrauliques 16 et 17 étant indépendantes, un procédé de gestion du véhicule 45 peut activer qu'une seule machine en fonction de la demande de couple. [40] Lorsque le véhicule 45 est à l'arrêt et branché sur une prise de 25 courant électrique, le système 24 de charge de la batterie 23 est utilisé pour recharger la batterie 23 afin de limiter au maximum la consommation de carburant lors de la prochaine utilisation du véhicule 45. Dans cette phase de recharge, la pompe hydraulique 21 permet également de charger les accumulateurs de pression 19, 20. 30 [041] Préférentiellement, le groupe électropompe 46 est dimensionné pour des roulages de type urbain. De ce fait, la machine électrique 22 utilisée est de faible puissance, tout comme la batterie 23 qui possède une autonomie de quelques dizaines de kilomètres. [42] La Figure 2 montre une courbe du niveau de charge 29 du circuit hydraulique haute pression en fonction de la vitesse 30 du véhicule 45. Le groupe électropompe 46 convertit de l'énergie électrique en énergie hydraulique afin de réguler le niveau de charge 29. Ce niveau de charge 29 dépend de la vitesse 30 du véhicule 45 et de la consigne 28 de l'utilisateur. [43] A faible vitesse 32, ce niveau 29 est élevé pour éviter au maximum le démarrage du moteur thermique 1 en maximisant l'énergie hydraulique io disponible. Lorsque la vitesse 30 du véhicule 45 augmente, ce niveau diminue pour autoriser la récupération d'énergie lors des phases de freinage. [44] Dans un exemple de réalisation, il existe deux modes de fonctionnement du véhicule hybride 45 qui diffèrent par la mise en oeuvre du procédé de gestion du véhicule 45 : un mode économique et un mode zéro 15 émission. [45] Dans le mode économique, si le niveau de charge 29 de l'accumulateur haute pression 20 devient trop faible 31, le moteur thermique 1 est alors démarré pour fournir l'appoint de puissance. La priorité est donnée à la satisfaction de la demande de couple du conducteur. 20 [046] Dans le mode zéro émission, si le niveau de charge 29 de l'accumulateur haute pression 20 devient trop faible 31, le couple délivré aux roues 16 du véhicule 45 est alors limité de façon à équilibrer la puissance fournie par le groupe électropompe 46 et celle fournie aux roues 16. La priorité est donnée au respect du non-démarrage du moteur thermique 1. 25 [047] Sur les Figures 3 à 9 des flèches montrent les flux d'énergie lorsque le véhicule 45 fonctionne suivant six modes de fonctionnement différents. [048] La Figure 3 montre ainsi un mode de fonctionnement dans lequel les machines hydrauliques 16 et 17 transforment la pression de 30 l'accumulateur haute pression 20 en couple transmis à l'arbre secondaire 12. [49] La Figure 4 montre un mode de fonctionnement dans lequel le moteur thermique 1 active la pompe hydraulique 2 pour charger en continu les accumulateurs 19 et 20. Les accumulateurs 19, 20 fournissent alors de l'énergie hydraulique aux machines hydrauliques 16, 17 qui assurent la traction du véhicule 45. [50] Dans ce mode de fonctionnement, le groupe électropompe 46 peut être utilisé selon trois stratégies : - soit il reste à l'arrêt, - soit il convertit de l'énergie électrique en énergie hydraulique Io (dans le cas d'un niveau élevé de charge de la batterie 23 afin d'assister le moteur thermique 1 pour charger les accumulateurs 19, 20), - soit il convertit l'énergie hydraulique en énergie électrique pour recharger la batterie 23. [54] La Figure 5 montre un mode de fonctionnement dans lequel le is crabot 8 est engagé avec le pignon fou 9. Le moteur thermique 1 peut alors transmettre du couple directement aux roues 15 du véhicule 45. Ce mode de fonctionnent est notamment mis en oeuvre lorsque le véhicule 45 évolue à haute vitesse avec des rapports mécaniques longs. [55] La Figure 6 montre un mode de fonctionnement dans lequel 20 l'embrayage 4 est fermé. Le moteur thermique 1 peut alors transmettre du couple aux roues 15 dès que le régime de l'arbre primaire 5 est suffisant pour bloquer la roue libre 7. Ce mode de fonctionnent est notamment mis en oeuvre lorsque le véhicule 45 évolue à haute vitesse avec des rapports mécaniques courts. 25 [053] Pour des roulages de type extra-urbain ou sur autoroute, les rapports mécaniques courts et longs permettent d'obtenir un rendement comparable à celui d'une boîte de vitesses mécanique. [054] La Figure 7 montre un mode de fonctionnement dans lequel l'embrayage 4 est ouvert et le groupe électropompe 46 assiste le moteur 30 thermique 1 pour recharger les accumulateurs 19, 20. Dans ce mode de fonctionnement, ce sont les machines hydrauliques 16, 17 qui assurent la traction du véhicule 45. [55] La Figure 8 montre un mode de fonctionnement dans lequel le véhicule 45 est dans une phase de freinage. Le moteur thermique 1 est éteint et les machines hydrauliques 16, 17 sont utilisées pour convertir l'énergie cinétique du véhicule 45 en énergie hydraulique. Les machines hydrauliques 16, 17 permettent de convertir un niveau de puissance élevé. Dans ce mode de fonctionnement, si la batterie 23 n'est pas complètement chargée, le groupe électropompe 46 convertit en continu l'énergie hydraulique en énergie électrique pour recharger la batterie 23. [56] La Figure 9 montre un mode de fonctionnement permettant de io réduire la consommation de carburant induite par le démarrage du moteur thermique 1 en utilisant la pompe hydraulique 2 pour entrainer le moteur thermique 1 et le démarrer. Dans ce mode de fonctionnement, l'embrayage 4 est alors ouvert. [57] La Figure 10 montre l'évolution de l'énergie stockée dans les is accumulateurs de pression 19, 20 au cours du temps pour un exemple de fonctionnement. La Figure 10 permet de distinguer trois zones de fonctionnement : - la zone 36 en traits discontinus fins correspond à l'énergie fournie par l'accumulateur haute pression 20, 20 - la zone 38 en traits discontinus épais correspond à l'énergie fournie par la machine électrique 22 et - la zone 39 en traits mixtes correspond à l'énergie récupérée par l'accumulateur haute pression 20 lors des décélérations. [60] La Figure 10 met en évidence que la machine électrique 22 n'est 25 pas dimensionnée pour fournir toute la puissance nécessaire au véhicule 45 lors des accélérations. L'énergie stockée dans l'accumulateur haute pression 20 est alors utilisée afin d'apporter la puissance requise pour répondre à la demande du conducteur via les machines hydrauliques 16, 17. [61] Une machine électrique 22 de faible puissance est compacte, 30 légère et moins couteuse qu'une machine électrique capable de fournir toute la puissance nécessaire à la traction du véhicule 45. De plus, une machine électrique 22 de faible puissance nécessite une batterie 23 de faible capacité avec un encombrement et un coût modéré. [060] Enfin, le véhicule 45 à transmission hydrostatique étant équipé d'un moteur thermique 1, la charge des batteries n'est pas une limite et le véhicule 45 peut continuer à circuler même si les batteries électriques sont vides. Le lien hydraulique entre la pompe 21 et la transmission hydrostatique permet de réduire les contraintes d'implantation. En effet, la machine électrique 22 et la pompe 21 peuvent être implantés où l'on souhaite dans le véhicule 45. io [061] La pompe 21 utilisée est une pompe à cylindrée constante ou variable. L'adaptation du débit au besoin de la transmission hydrostatique est réalisée par une variation de la vitesse de rotation de la machine électrique 22 et/ou de la cylindrée de la pompe 21. La réversibilité du groupe électropompe 46 est une option. Il est possible de concevoir un système is moins couteux pour lequel la batterie 23 ne peut être chargée que par le secteur. Le mode de fonctionnement zéro émission n'est alors possible qu'après une charge sur secteur. [062] L'invention permet à un véhicule 45, équipé d'une transmission commutable de hydrostatique à mécanique, de fonctionner dans un mode 20 zéro émission sur plusieurs kilomètres. REVENDICATIONS1. Véhicule hybride (45) comportant : - une chaîne de traction thermique comprenant un moteur thermique - une chaîne de traction hydraulique comprenant au moins une machine hydraulique (16, 17) en relation avec au moins un accumulateur de pression (19, 20) et une première pompe hydraulique (2), associée au moteur thermique (1), apte à recharger l'accumulateur de pression (19, 20), Io caractérisé en ce que le véhicule hybride (45) comporte en outre une machine électrique (22) liée mécaniquement à une seconde pompe hydraulique (21), la machine électrique associée à une batterie (23) étant apte à entraîner la seconde pompe hydraulique (21) pour recharger l'accumulateur de pression (19, 20) indépendamment du moteur thermique. 15 2. Véhicule hybride (45) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux machines hydrauliques (16, 17). 3. Véhicule hybride (45) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en 20 ce qu'il comporte un accumulateur haute pression (19) et un accumulateur basse pression (20). 4. Procédé de gestion de la traction d'un véhicule hybride (45) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, lorsque l'accumulateur 25 de pression (19, 20) contient une quantité d'énergie supérieure à un niveau minimum de charge, le procédé de gestion comporte l'étape de réaliser la traction du véhicule (45) au moyen de la machine hydraulique (16, 17) en utilisant l'énergie hydraulique stockée dans l'accumulateur de pression (19, 20). 30 5. Procédé de gestion de la traction d'un véhicule hybride (45) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, lorsque l'accumulateur de pression (19, 20) contient une quantité d'énergie inférieure à un niveau minimum de charge et lorsque le niveau de charge de la batterie (23) est 35 supérieur à un seuil minimum, le procédé de gestion comporte l'étape derecharger l'accumulateur de pression (19, 20) en utilisant la machine électrique (22) via la seconde pompe hydraulique (21). 6. Procédé de gestion de la traction d'un véhicule hybride (45) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, lorsque l'accumulateur de pression (19, 20) contient une quantité d'énergie inférieure à un niveau minimum de charge et lorsque le niveau de charge de la batterie (23) est inférieur à un seuil minimum, le procédé de gestion comporte l'étape de recharger l'accumulateur de pression (19, 20) en utilisant le moteur io thermique (1) via la première pompe hydraulique (2). 7. Procédé de gestion de la traction d'un véhicule hybride (45) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, lorsque la machine hydraulique (16, 17) n'est pas apte à fournir le couple requis par l'utilisateur, 15 le procédé de gestion comporte l'étape de réaliser la traction du véhicule (45) en utilisant le moteur thermique (1). 8. Procédé de gestion de la traction d'un véhicule hybride (45) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, lorsque le véhicule (45) 20 est dans une phase de freinage, le procédé de gestion comporte l'étape de convertir une énergie cinétique en une énergie hydraulique en utilisant la machine hydraulique (16, 17). 9. Procédé de gestion selon la revendication 8, caractérisé en ce que, 25 lorsque l'accumulateur de pression (19, 20) contient une quantité d'énergie inférieure à un niveau minimum de charge, le procédé de gestion comporte l'étape de recharger l'accumulateur de pression (19, 20) en utilisant l'énergie hydraulique. 30 10. Procédé de gestion selon la revendication 8, caractérisé en ce que, lorsque l'accumulateur de pression (19, 20) contient une quantité d'énergie supérieure à un niveau minimum de charge, le procédé de gestion comporte l'étape de recharger la batterie (23) en utilisant la seconde pompe hydraulique (21). 35 11. Procédé de gestion de la traction d'un véhicule hybride (45) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, lorsque le véhicule (45) est dans une phase de recharge de la batterie (23) par un réseau d'alimentation extérieur, le procédé de gestion comporte l'étape de recharger l'accumulateur de pression (19, 20) en prélevant de l'énergie sur le réseau.