Brevet FR2967619A1 — publié le 20120525

L'invention concerne l'amélioration des véhicules hybrides, c'est-à-dire des véhicules associant une propulsion électrique à une propulsion thermique, quand la double propulsion a pour finalité l'augmentation de l'efficacité énergétique. Elle concerne plus particulièrement les véhicules construits autour de trains d'engrenages épicycloïdaux. L'amélioration du rendement des véhicules hybrides actuels repose sur trois idées directrices, à savoir : - faire fonctionner le moteur thermique à un couple et à une vitesse optimums 10 pour son rendement, - récupérer l'énergie cinétique du véhicule pendant les décélérations, - arrêter le moteur thermique pendant les immobilisations. La première idée directrice est fondée sur l'observation des courbes d'iso rendement 15 d'un moteur thermique qui montrent un meilleur rendement à couple élevé et à vitesse lente pour une même puissance. L'insertion, dans la chaine de transmission, d'un train d'engrenages épicycloïdal associé à un moyen d'importer ou d'exporter de l'énergie électrique, permet d'ajuster le point de fonctionnement en couple, vitesse et puissance pour rester dans une zone de rendement optimal. Le dispositif selon l'invention fait appel 20 à cette technique connue, mais comme nous le verrons, il en tire un bien meilleur parti. En effet, dans les véhicules hybrides classiques, une grosse partie de l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique par une génératrice couplée à la chaine de transmission, puis stockée dans une batterie. Elle est ensuite restituée et retransformée 25 en énergie mécanique d'entrainement par un moteur électrique, lui aussi couplé à la chaîne de transmission, en fonction des besoins en puissance du véhicule. Ces transformations énergétiques successives ont un rendement propre d'environ 80% pour les meilleurs équipements et à condition qu'ils fonctionnent à des vitesses adéquates, c'est-à-dire suffisantes. Ce rendement affecte, bien entendu, le rendement global du 30 véhicule. Alors que le meilleur rendement d'un moteur thermique est de 35%, le rendement d'un véhicule hybride plafonne à 25%, celui d'un véhicule classique à 15%. En général, la puissance de la génératrice, du moteur électrique et du moteur thermique sont du même ordre de grandeur. En conséquence, l'essentiel de l'énergie est transformée en énergie électrique et est donc dégradée par les rendements des transformations successives. Nous verrons comment le dispositif selon l'invention minimise la quantité d'énergie transformée et surtout stockée dans la batterie. La formule de Willis appliquée au train épicycloïdal montre que la vitesse de l'arbre de sortie est une fonction de la vitesse de l'arbre pilote soit le troisième arbre du train, et ce pour une vitesse de l'arbre d'entrée donnée. Cette fonction est représentée graphiquement par une droite ayant pour coefficient directeur, donc pour inclinaison, la raison du train. C'est la caractéristique du train. Au démarrage du véhicule, le moteur électrique fournit toute la puissance motrice. Pour avoir le maximum de couple, la caractéristique doit être la plus horizontale possible, l'horizontale étant la direction de l'axe des vitesses de l'arbre pilote. C'est important car le couple au démarrage dimensionne la puissance de toute l'installation électrique. A l'opposé, la caractéristique doit être la plus verticale possible pour atteindre les vitesses élevées, la verticale étant la direction de l'axe des vitesses de l'arbre de sortie. Ces deux critères sont contradictoires et en général conduisent à un compromis préjudiciable au rendement et à la puissance des équipements électriques. Nous verrons comment le dispositif selon l'invention contourne ce compromis. Pour atteindre les vitesses élevées, les véhicules hybrides actuels doivent étendre le domaine utile de la caractéristique au domaine inversant le sens de rotation de l'arbre pilote. Cette inversion intervient dans la zone des vitesses usuelles sur autoroute alors que les besoins de puissance sont importants et que les rendements sont médiocres autour du point d'inversion. Nous verrons pourquoi, le véhicule selon l'invention, n'a pas à inverser le sens de rotation de l'arbre pilote pour atteindre ces vitesses. Les véhicules hybrides actuels doivent augmenter leur autonomie électrique et fournir des compléments de puissance à vitesse élevée. Par nécessité, les stockages d'électricité sont massifs et à longs termes, d'où d'importantes batteries. Par ailleurs, le moteur électrique en aval du train épicycloïdal ne permet pas le rééquilibrage d'un déficit de puissance motrice à l'aide du moteur thermique en amont du train, donc avant la régulation de la force motrice du véhicule. La régulation en est complexe. Nous verrons pourquoi, le véhicule selon l'invention n'a pas ces difficultés. Le véhicule hybride selon l'invention palie à ces inconvénients : - en utilisant alternativement deux trains d'engrenages épicycloïdaux de raisons différentes, l'une adaptée aux basses vitesses, l'autre aux hautes vitesses du véhicule. Bien entendu, nous verrons comment le dispositif passe de l'un à l'autre en continu et en douceur. - par une architecture spécifique de sa transmission de puissance qui se caractérise par un moteur thermique et un moteur électrique entrainant en parallèle les deux trains d'engrenages épicycloïdaux, eux-mêmes entrainant en parallèle le pont et dont les arbres pilotes sont alternativement couplés à une génératrice électrique. - par une gestion originale de l'énergie électrique produite par la génératrice dont l'essentiel, moins la consommation des auxiliaires, est immédiatement consommée dans le moteur électrique, alors que l'énergie électrique récupérée de l'énergie cinétique du véhicule est consommée dans l'accélération suivante. Pour décrire plus en détail la transmission du véhicule selon l'invention, son architecture présente un train épicycloïdal dédié aux faibles vitesses du véhicule avec une raison comprise entre-0,1 et -0,5 et un train épicycloïdal dédié aux vitesses élevées du véhicule avec une raison comprise entre-0,5 et -0,9. La raison étant le rapport du produit du nombre de dents des roues menantes et du produit des nombres de dents des roues menées, avec le signe + si le nombre d'engrènements extérieurs est pair et - dans le cas contraire ; le planétaire de l'arbre pilote étant, par convention dans notre cas, la première roue. Ces deux trains sont entraînés en parallèle à la fois par le moteur thermique et à la fois par le moteur électrique. Les deux trains entraînent eux-mêmes le pont en parallèle. Le pont transfert le mouvement aux roues, grâce à un différentiel, de la même façon que sur un véhicule classique. Les deux arbres pilotes des deux trains épicycloïdaux sont alternativement couplés et découplés à la génératrice électrique par l'intermédiaire d'un embrayage de type électromécanique à disques multiples, de conception classique. Il a la particularité de faire la permutation quand la vitesse de la génératrice égale la vitesse de l'arbre moteur. En effet, pour cette vitesse, toutes les caractéristiques des trains épicycloïdaux passent par ce point singulier, quelle que soit leur raison, et les vitesses des arbres pilotes sont donc égales. Il est alors facile de les coupler et découpler, sans à-coup et en continu. Des réducteurs / multiplicateurs assurent par ailleurs la compatibilité des vitesses du moteur électrique et du pont. Pour minimiser la capacité batterie, son rôle se limite à stocker l'énergie des utilités : éclairage, démarrage, etc... comme sur un véhicule classique et à mettre à disposition une réserve de capacité équivalente à l'énergie cinétique du véhicule à sa vitesse maximale d'utilisation. Compte tenu de son caractère de réserve temporaire, quelques minutes, cette dernière peut d'ailleurs être avantageusement remplacée par un condensateur électrique. Cette capacité limitée va de pair avec une gestion rigoureuse de l'énergie électrique produite par la génératrice dont l'essentiel, moins la consommation des auxiliaires, est immédiatement consommée dans le moteur électrique, alors que l'énergie électrique récupérée de l'énergie cinétique du véhicule est consommée dans l'accélération suivante. L'idée n'est pas de stocker de l'énergie pour palier à des déficits de puissance aux vitesses élevées. La plupart des véhicules hybrides économisent l'énergie en pratiquant le « stop and go », c'est-à-dire, l'arrêt du moteur thermique pendant les immobilisations du véhicule. Le véhicule selon l'invention dispose déjà, avec le moteur électrique constamment en prise, de tous les moyens pour redémarrer le moteur thermique. II suffit donc de prévoir cette fonction au niveau de son contrôle-commande. Au niveau du fonctionnement, la vitesse du véhicule est contrôlée par l'accélérateur qui agit sur le courant donc sur le couple résistant de la génératrice et par voie de conséquence sur le couple transmis aux roues en vertu de la proportionnalité des couples sur les trains épicycloïdaux. Le courant produit par la génératrice, minoré de la consommation des auxiliaires, est immédiatement consommé par le moteur électrique qui vient soulager le moteur thermique. C'est le moteur thermique qui s'adapte avec un décalage dans le temps. Comme le moteur électrique est monté en amont du train épicycloïdal, le couple du moteur thermique vient s'ajouter au couple du moteur électrique de manière à ce que le couple résultant reste proportionnel au couple régulé de la génératrice. La régulation est relativement simple par rapport à celle où le moteur électrique est monté en aval du train. Lors d'une accélération, la puissance délivrée par le moteur thermique augmente en même temps que le transfert d'énergie électrique entre la génératrice et le moteur électrique. Ce n'est que dans un second temps, quand la vitesse est stabilisée, que la régulation du moteur thermique recherche la meilleure combinaison couple-vitesse au regard du rendement. Bien entendu, le choix entre le train dédié aux vitesses faibles et le train dédié aux vitesses élevées est automatique en fonction de la vitesse du moteur et du véhicule. En décélération douce, tant qu'il n'y a pas inversion du couple sur les roues, le fonctionnement ci-dessus reste identique. En cas de décélération rapide, tous les couples s'inversent mais pas les sens de rotation. Le moteur électrique fonctionne en génératrice, la génératrice en moteur et le moteur thermique oppose son couple antagoniste. La pédale de frein prend alors le contrôle du couple moteur de la génératrice donc du couple de ralentissement sur les roues. Les freins mécaniques prendront progressivement le relais en fonction de l'enfoncement de la pédale. En décélération, ce n'est que quand le moteur thermique se rapproche de son couple minimal que l'excès d'énergie électrique provenant en fait de la récupération de l'énergie cinétique du véhicule est dirigé vers la batterie. La batterie a une capacité limitée pour stocker l'excès d'énergie. Quand cette dernière est pleine, cas des longues décentes, l'énergie électrique est dirigée vers une résistance blindée immergée dans le liquide de refroidissement du moteur thermique pour profiter d'un système existant quand ce dernier est disponible et peu sollicité. Ce système est un véritable ralentisseur électrique qui peut, d'ailleurs être installé sur la plupart des véhicules hybrides. Il a pour avantage de se substituer au frein moteur et de permettre d'utiliser des moteurs thermiques à très faible couple antagoniste, ce qui est très favorable à une baisse de la consommation de carburant. Dès la première ré-accélération, l'accélérateur reprend le contrôle du couple de la génératrice. L'énergie accumulée dans la batterie est consommée en priorité dans le moteur électrique de manière à laisser de la capacité pour la prochaine décélération, tout en conservant, bien sûr, un minimum pour les utilités. Toute cette stratégie minimise les quantités d'électricité en jeu, donc minimise les quantités d'énergie mécanique au rendement dégradé par les transformations successives. La génératrice n'a pas à changer de sens de rotation pour atteindre des vitesses élevées normales sur autoroute, du fait de la caractéristique adaptée du train épicycloïdal «hautes vitesses». Au-dessus de la vitesse autorisée sur autoroute, si la vitesse du moteur thermique du moment ne le permet pas, la génératrice passe en régulation de couple à vitesse constante faible pendant que le moteur thermique accélère. Au démarrage l'adaptation du train «basses vitesses» permet d'améliorer le couple fournit par le moteur électrique et par conséquence d'en diminuer la puissance ainsi que celle de toute l'installation électrique. Un variateur-convertisseur électronique assure non seulement les transferts d'énergie électrique mais aussi le contrôle-commande et la protection des équipements selon des technologies connues. Alors que les véhicules hybrides classiques utilisent des équipements bidirectionnels réversibles, c'est-à-dire avec changement des sens de rotation et de couple, un variateur-convertisseur unidirectionnel réversible suffit dans notre cas. A noter aussi que le moteur électrique, ainsi couplé en amont sur la transmission, fonctionne sur une plage de vitesses particulièrement favorable au transfert d'énergie, ce qui n'est pas le cas des montages avals. Le véhicule hybride selon l'invention apporte par rapport aux véhicules hybrides connus les avantages suivants : une meilleure adaptation du train épicycloïdal, des batteries de capacité plus faible, pas d'inversion du sens de rotation du moteur et de la génératrice, l'utilisation de variateur-convertisseur unidirectionnel, des équipements électriques plus compactes et plus économiques, et enfin plus de souplesse au niveau du choix couple- vitesse du moteur thermique. Le véhicule selon l'invention offre une possibilité spécifique. Comme nous l'avons vu, hormis l'énergie destinée aux utilités, l'idée n'est pas de stocker l'énergie électrique excédentaire sur le long terme. Dans ces conditions la batterie reste d'ailleurs de taille modeste et faiblement sollicitée aux cycles alternés de charge et décharge très préjudiciables à sa durée de vie. Cependant le véhicule peut être équipé d'une batterie volontairement surdimensionnée ou d'une seconde batterie. Cette batterie ou capacité S disponible reste toujours rechargeable à bon compte sur le réseau électrique national car, contrairement aux véhicules hybrides classiques, elle n'est pas rechargée dans le fonctionnement de base du véhicule, donc elle n'est pas rechargée à partir de son carburant. Ce complément d'énergie économique se substitue à du carburant relativement cher et polluant. Une augmentation de puissance du moteur électrique n'est 10 même pas nécessaire car, en dehors des démarrages et des petites vitesses, il n'est pas utilisé à pleine puissance. Il y a là, d'importantes économies de carburant possibles sans changer la base du véhicule. En résumé le véhicule selon l'invention peut disposer d'une réserve de capacité batterie dédiée à la recharge sur le réseau électrique national pour apporter au véhicule un complément d'énergie qui se substitue à son carburant. 15 La construction permet de regrouper les deux trains d'engrenages épicycloïdaux dans un même carter avec des simplifications : - les deux trains peuvent être montés concentriques avec un porte satellite commun entrainé par le moteur thermique, 20 - les deux trains d'engrenages épicycloïdaux peuvent avoir une couronne commune pour entrainer le différentiel du pont, - les trains de raison négative, peuvent être réalisés dans une même tranche d'engrenages. Cependant pour des raisons comprises entre -0,7 et -0,9, il n'est plus possible d'insérer les satellites entre la couronne et le planétaire. Dans ce cas, 25 le train est construit sur deux tranches d'engrenages, - le différentiel et le multiplicateur du moteur électrique peuvent être montés dans le même carter, Tous les satellites sont, au minimum, doublés par leur symétrique pour améliorer l'équilibrage dynamique et la résistance mécanique. Pour simplifier l'exposé, «le satellite» 30 signifie «le satellite et son symétrique ou ses homologues». Un premier train d'engrenages peut être éventuellement inséré entre le moteur thermique et le premier train épicycloïdal pour en réduire la vitesse. Les transmissions entre les trains épicycloïdaux et le moteur électrique et entre les trains épicycloïdaux et le pont peuvent être de plusieurs types : engrenages, chaînes, courroies, arbres etc... A titre d'exemple non limitatif, pour illustrer le véhicule selon l'invention, nous avons choisi : - Masse du véhicule : 1000 Kg, - Moteur thermique : 100 KW à 3000 tr/mn, 1000-6000 tr/mn, - Moteur électrique et génératrice : 100 KW, 0- 12 000 tr/mn - Développé de roue : 1,75 m - Engrenages : N1=57,N2=46,N3=23,N4=70,N5=116,N6=149,N7=100,N8=125,N9=150,N10=26,N1 1=110,N12=55 Dans ces conditions : - Batterie : 50 Ah pour utilités + 150 Ah pour l'énergie cinétique - Raison du train basses vitesses : -0,38 - Raison du train hautes vitesses : -0,6 - Rapport de pont : 0,26 - Rapport moteur électrique : 2 - A 130 km/h, moteur à 3000 tr/mn, le couple sur les roues égale -2,4 fois le couple du moteur thermique, soit une poussée maxi de 2800 N. - A 0 Km/h le couple sur les roues égale -2,78 fois le couple du moteur électrique, soit une poussée maxi de 900 N. - A 80 km/h moteur à 3000 tr/mn le couple sur les roues égale -3,8 fois le couple du moteur thermique, soit une poussée maxi de 4400 N. - Les diagrammes des vitesses et des puissances disponibles sont donnés en figure 3. FIGURE 1 : La figure 1 représente graphiquement les courbes typiques d'iso rendement d'un moteur thermique afin d'illustrer l'idée directrice permettant d'expliquer l'amélioration du rendement dans un véhicule hybride. En effet, l'import et l'export d'énergie électrique permettent de déplacer le couple et la vitesse du moteur thermique, d'une zone à bas rendement « classique » vers une zone « cible » à bon rendement. FIGURE 2 : La figure 2 schématise l'architecture à deux trains d'engrenages épicycloïdaux (4) et (5) du véhicule hybride selon l'invention. Le moteur thermique (1) et le moteur électrique (2) entrainent en parallèle les deux trains épicycloïdaux qui eux-mêmes entrainent en parallèle le pont (6) couplé aux roues (9) par l'intermédiaire d'un différentiel i. Les arbres pilotes des deux trains épicycloïdaux sont alternativement couplés à une génératrice (3) grâce à un embrayage- débrayage (7). Des réducteurs h et k assurent la compatibilité des vitesses sur la transmission. FIGURE 3 : La figure 3 dans sa partie supérieure, représente la caractéristique vitesse du véhicule en fonction de la vitesse de la génératrice pour une vitesse moteur de 3000 tr /mn. Le segment GA est la caractéristique du train épicycloïdal basses vitesses de raison 0,38, le segment GC est la caractéristique du train épicycloïdal hautes vitesses de raison 0,6, le segment CD est la caractéristique quand la génératrice régule le couple à vitesse constante faible, le segment AB correspond à la marche arrière quand la génératrice dépasse 10890 tr/mn. La figure 3, dans sa partie inférieure, représente le pourcentage de la puissance motrice convertie en électricité pour la haute et la basse vitesse et ce pour une vitesse moteur de 3000 tr /mn. A remarquer qu'à la transition hautes et basses vitesses, soit 80 Km/h pour une vitesse moteur de 3000 tr /mn, seulement 37% de l'énergie motrice est transformée en électricité. Le bas de la Figure 3 donne aussi une idée de la puissance disponible au niveau des roues. FIGURE 4 : La figure 4 schématise, en coupe transversale, les deux trains épicycloïdaux, le train A dédié aux basses vitesses et le train 1.1 dédié aux vitesses élevées. Le train A se compose du satellite N2 monté fou sur le châssis entraîné par le moteur thermique (1), d'une couronne N6 entrainant le pont (6) par l'intermédiaire du pignon N7 et d'un planétaire N1 couplable à la génératrice (3) à l'aide de l'embrayage (7). Le train µ comprend le satellite N3 monté fou sur le châssis entraîné par le monteur thermique (1), d'une couronne N5 entrainant le pont (6) par l'intermédiaire du pignon N7 et d'un planétaire N4 couplable à la génératrice (3) par l'intermédiaire de l'embrayage (7). Le châssis porte satellite entrainé par le moteur thermique est aussi entrainé par le moteur électrique (2) grâce au multiplicateur N11 et N12. Le pont (6) est entrainé par les couronnes couplées (5) et (6) des trainsµ et a par l'intermédiaire du réducteur N10, N9 et N8. Le pont (6) entraîne les arbres de roues (8) par l'intermédiaire du différentiel et des cardans non représentés. FIGURE 5 : La figure 5, en coupe transversale, montre l'intégration dans le véhicule du bloc moteur organisé en tranches successives avec le moteur thermique (1), les trains épicycloïdaux (4) et (5), le pont (6), l'embrayage (7) et le moteur électrique (2) et enfin la génératrice (3), le tout formant un bloc moteur entre les roues (9) du véhicule.