Brevet FR2981886A1 — publié le 20130503

Dans les véhicules classiques, l'énergie dissipée par le freinage est perdue sous forme de chaleur au niveau des freins. Cette perte d'énergie est importante car elle peut, par exemple, diminuer l'autonomie d'un véhicule électrique en circulation urbaine de moitié. De plus le rendement énergétique global du véhicule en est gravement affecté. Plusieurs systèmes de récupération de l'énergie cinétique au freinage existent déjà. Ils peuvent être classés en trois familles : stockage de l'énergie, dans la batterie, dans des ultra-condensateurs, ou dans un volant d'inertie. D'autres techniques beaucoup plus rares existent comme le stockage par compression d'un gaz ou le stockage hydraulique. Les puissances mises en jeu au freinage sont souvent très supérieures aux puissances limites de charge des batteries et de l'électronique de bord. En effet, pour un véhicule standard, la puissance mise en jeu dans un freinage d'urgence dépasse les 200 KW alors que la puissance acceptée par la batterie n'est que d'une dizaine de KW. Ces dépassements compromettent la durée de vie, déjà limitée, des batteries. Les constructeurs pallient à cet inconvénient en augmentant leur taille au détriment du coût et en ne récupérant qu'une partie de l'énergie. Les ultra-condensateurs résistent à des puissances beaucoup plus élevées à condition toutefois que l'électrotechnique de puissance soit dimensionnée pour. Mais cette technique est coûteuse et ne permet pas de récupérer la totalité de l'énergie stockée en raison de la variation de la tension inhérente au principe des condensateurs. De plus, le poids et le volume des condensateurs sont loin d'être négligeables avec des densités énergétiques de l'ordre de 2 Wh/Kg aujourd'hui. Les volants d'inertie sont connus de longue date. Ils ont l'inconvénient d'être lourds, dangereux et dépassent rarement les 2 Wh/Kg. Ils apparaissent cependant sur certains véhicules de compétition ou de transport en commun. Le dispositif selon l'invention a pour but de remédier aux inconvénients ci-dessus. Il requiert un volant d'inertie dont le poids ne dépasse pas 1% du poids du véhicule grâce à une transmission innovante et sur le principe suivant : L'objectif n'est pas de récupérer toute l'énergie cinétique du véhicule mais seulement l'énergie cinétique du véhicule à basse vitesse. En effet, en circulation urbaine, donc à basse vitesse, les ralentissements sont moins puissants mais beaucoup plus fréquents et moins freinés par la résistance du véhicule à l'avancement. Pour rechercher l'essentiel du potentiel, la transmission doit donc concentrer les variations de vitesse du volant aux basses vitesses et les limiter aux hautes vitesses. Ce que fait le dispositif selon l'invention. Pour la commodité, nous avons conservé les mêmes dénominations que celles utilisées dans les demandes de brevets FR1004546 et FR1102521: L'arbre d'entrée ou arbre moteur du train épicycloïdal est l'arbre du train entraîné par le moteur thermique, l'arbre de sortie ou arbre de roues du train épicycloïdal est l'arbre du train entraînant la chaîne cinématique aboutissant aux roues et le 3ème arbre ou arbre pilote du train épicycloïdal est l'arbre du train dont le couple est régulé par la génératrice. Les demandes de brevets en référence décrivent une transmission à deux trains d'engrenages épicycloïdaux à dérivation de puissance ; un train dédié aux basses vitesses, un train dédié aux hautes vitesses du véhicule. Cette architecture répond parfaitement au principe précédent. En effet, en fonctionnement basse vitesse, la variation de la vitesse de l'arbre pilote, donc de la génératrice, est maximale entre 2000 et 6000 tours/minute. En fonctionnement haute vitesse, la variation de la vitesse de l'arbre pilote, donc de la génératrice, est minimale entre100 et 500 tours/minute. Dans une première variante le volant est couplé à la génératrice par une courroie qui a aussi le mérite de filtrer les vibrations induites par le volant, ou par tout autre système de transmission ayant la même fonction. Dans une variante plus compacte, le volant est intégré à la génératrice pour limiter le nombre de pièces, donc les coûts. Il est aussi possible d'y incorporer un limiteur de couple pour protéger non seulement des effets du volant mais aussi pour protéger l'ensemble de la transmission. En effet, comme dans tout véhicule, la transmission entre le moteur et les roues doit être protégée par un limiteur de couple en cas de blocage intempestif des roues. Sur un véhicule classique cette protection est assurée par le glissement de l'embrayage. En intégrant cette fonction au niveau du volant d'inertie, le dispositif prend une taille très réduite et, de plus, protège l'ensemble de la transmission du fait de la proportionnalité des couples sur les arbres des trains épicycloïdaux. L'architecture se caractérise donc par deux trains épicycloïdaux à dérivation de puissance de raisons différentes, un train épicycloïdal dédié aux vitesses faibles du véhicule et un train épicycloïdal dédié aux vitesses élevées du véhicule, dont les arbres pilotes sont suivant la vitesse, alternativement couplés à une 15 génératrice électrique et à un volant d'inertie, dont les arbres de roues entraînent le pont et dont les arbres moteur sont entraînés par le moteur thermique. Cette architecture se simplifie en intégrant le volant d'inertie à la génératrice qui peut aussi recevoir un limiteur de couple afin de protéger l'ensemble de la transmission. 20 Pour le fonctionnement du véhicule en électrique seul, la demande de brevet FR1102521 prévoit un embrayage à friction ou à crabots à 3 positions dont une position neutre dans laquelle la génératrice est débrayée. Il est alors possible de renvoyer l'énergie électrique générée par le moteur électrique au freinage 25 dans la génératrice fonctionnant alors en moteur pour entraîner le volant d'inertie qui stocke ainsi l'énergie cinétique du véhicule. A la ré-accélération la génératrice reprend son rôle de génératrice et restitue l'énergie emmagasinée par le volant au moteur électrique. Le système permet donc de récupérer aussi l'énergie cinétique en électrique seul, là où il est particulièrement utile en raison 30 de l'autonomie limitée de la batterie. Pour passer du fonctionnement électrique seul au fonctionnement hybride, il est nécessaire de démarrer le moteur thermique, or une partie importante de la puissance électrique est déjà consommée dans l'entraînement du véhicule, surtout si cette puissance est limitée pour des raisons d'économie. La puissance peut donc manquer. L'idée est de s'aider du volant d'inertie pour démarrer le moteur thermique. Pour cela une petite partie de la puissance est dérivée vers la génératrice pour entraîner le volant à une vitesse égale à la vitesse de l'arbre pilote choisi afin d'y être engrené. Au démarrage du moteur thermique le volant perd de la vitesse et son énergie vient compléter la puissance fournie par le moteur électrique. Les caractéristiques sont telles que le volant doit être lancé en sens inverse de son sens de fonctionnement hybride. Aussi, pour être le plus près possible de la vitesse de lancement, en fonctionnement électrique seul, le volant stocke l'énergie cinétique en sens inverse du sens de son fonctionnement en hybride. Au démarrage du moteur thermique, la génératrice et son volant n'auront pas à changer de sens pour être synchronisés avec l'arbre pilote choisi et y être engrené. 15 Les demandes de brevets FR1004546 et FR1102521 prévoient de passer rapidement une zone transitoire entre le train basse vitesse et le train haute vitesse. Le volant ralentit cette transition mais le ralentissement reste acceptable. En effet, dans les conditions de la transition, la variation de vitesse est faible et l'énergie du volant elle-même est faible, environ 15% de sa 20 capacité, alors que la génératrice peut évacuer toute son énergie vers le moteur. Le dispositif selon l'invention peut aussi être associé aux autres moyens de récupération de l'énergie cinétique tels : le stockage dans la batterie, dans des ultra-condensateurs afin de tirer avantage de leur association. 25 Le brevet FR1004546 prévoit une batterie additionnelle ou une réserve batterie uniquement rechargeable sur le réseau électrique national et non pas par la génératrice de bord, afin d'identifier parfaitement l'origine de l'énergie consommée par le véhicule pour des raisons fiscales, commerciales et même 30 d'efficacité énergétique. Le dispositif selon l'invention contribue à cet objectif en prenant en charge la récupération de l'énergie cinétique et en déchargeant la batterie de cette fonction. A titre d'exemple non limitatif le volant a, une masse de 11 Kg (moins de 1 % du poids du véhicule), une vitesse de rotation de 18000 tours/minute, une énergie cinétique maximale de 140 KJ. Dans ces conditions, la quantité d'énergie massique est de 2,7 Wh/Kg plaçant le système au niveau de performance des ultra-condensateurs à masse équivalente. La contrainte maximale dans le volant est de 30 kg/mm2 soit le quart de la résistance à la rupture pour une sécurité satisfaisante. Grâce à une architecture à deux trains épicycloïdaux à dérivation de puissance 10 selon les demandes de brevets FR1004546 et FR 110252 et au dispositif selon l'invention, la totalité de l'énergie cinétique inférieure à 50km/h est récupérée et une part importante l'est entre 50 et 75 Km/h et ce, sans augmenter sensiblement l'inertie du véhicule à haute vitesse. 15 La figure 1 rappelle les caractéristiques d'une transmission à deux trains épicycloïdaux à dérivation de puissance des demandes de brevets FR1004546 et FR1102521. Ce graphe montre la relation entre la vitesse de la génératrice, la vitesse du moteur et la vitesse du véhicule. 20 La figure 2 représente des cheminements typiques dans le graphe de la figure 1, le chemin étant le lieu des points successifs de fonctionnement définis par les trois vitesses. La zone HIJK hachurée représente la zone dans laquelle la puissance dépasse la puissance limite en continu des équipements électrotechniques. De brèves 25 incursions peuvent y être tolérées. Le rectangle ABCD représente la zone de fonctionnement du véhicule en électrique seul. A remarquer que dans cette zone la génératrice tourne en vitesse négative pour des raisons que nous verrons plus loin. Le chemin ERSTUVWXRE représente un fonctionnement hybride avec à la fois 30 une propulsion thermique et une propulsion électrique. Sur le chemin ER, la vitesse du véhicule augmente jusqu'à 60 Km/h alors que la génératrice passe de 6000 tours à 2500 tours/mn en entrainant le volant d'inertie. La génératrice freine le volant et envoie son courant au moteur électrique. En choisissant ER suivant une loi parabolique et en dimensionnant correctement le volant, ce dernier compense en tout point l'inertie du véhicule. Sur le chemin inverse il y a transfert de l'énergie cinétique du véhicule dans le volant. Sur le chemin RS, l'inertie du volant s'ajoute à l'inertie du véhicule mais de façon peu gênante car le moteur thermique a une réserve de puissance et la variation d'énergie cinétique n'est pas importante dans cette zone. Sur le chemin SV, la traversée de la zone TU doit être assez rapide, comme décrit dans les demandes de brevets FR1004546 et FR1102521, le volant d'inertie doit donc abandonner rapidement une partie de son énergie cinétique, mais celle-ci reste relativement faible dans cette zone alors que la génératrice dispose de toute sa puissance pour le freiner. Le chemin WX représente le fonctionnement à vitesse élevée. On voit que pour des variations de vitesse très importantes par exemple de 60 à 130 Km/h, la vitesse de la génératrice, donc du volant, varie peu. Il en résulte que le volant d'inertie est très efficace avec le train basse vitesse et qu'il est pratiquement sans effet avec le train haute vitesse. Sur le chemin YQ le volant d'inertie apporte une part importante de l'énergie nécessaire au démarrage du moteur thermique. Cette fonction est importante car à la vitesse maximale du véhicule en électrique, la puissance électrique disponible pour démarrer le moteur thermique peut venir à manquer. L'aide du volant évite un surdimensionnement du moteur électrique et apporte de la souplesse au démarrage du moteur thermique en roulant. Le chemin ZP peut avoir la même fonction avec cette fois le train basse vitesse. Cependant avec ce train, la contribution relative du volant par rapport à l'énergie fournie par le moteur électrique est plus faible du fait de la cinématique. Le dispositif selon l'invention dispose donc de trois modes de démarrage du moteur thermique, un mode véhicule à l'arrêt avec entrainement du moteur thermique et du volant par la génératrice, un mode véhicule à très basse vitesse en couplant l'arbre pilote du train basse vitesse à la génératrice préalablement synchronisée, un mode véhicule à basse vitesse en couplant l'arbre pilote du train haute vitesse à la génératrice préalablement synchronisée. En fonctionnement électrique seul, pour se rapprocher de la vitesse des arbres pilotes et accélérer la procédure de synchronisation, la génératrice et son volant tournent à l'inverse de leur sens de rotation en fonctionnement hybride. La figure 3 schématise l'architecture de la transmission du véhicule hybride selon les demandes de brevets FR1004546 et FR1102521 améliorée par un volant d'inertie (25) couplé à l'arbre de la génératrice (3) par un système de poulies (12) et (13) et courroie (14). Pour mémoire le moteur thermique (1) entraîne les deux trains épicycloïdaux (4) et (5) qui eux-mêmes entraînent la chaîne cinématique du pont (6) en parallèle avec le moteur électrique (2). Le pont (6) entraîne les roues (9). Les arbres pilotes des deux trains épicycloïdaux (4) et (5) sont couplés, alternativement et selon la vitesse du véhicule, à une génératrice (3) grâce à un embrayage (7). Les réducteurs (8) et (10) assurent l'adaptation des vitesses le long de la transmission. La figure 4 est une variante de l'architecture de la transmission du véhicule hybride selon l'invention schématisée en figure 3 avec un volant d'inertie (25) monté directement sur l'arbre de la génératrice (3) elle-même entrainée par l'embrayage (7) au travers du multiplicateur (8). La figure 5 schématise en coupe transversale la cinématique du système selon les demandes de brevets FR1004546 et FR1102521 améliorée par le dispositif selon l'invention avec le volant (25) couplé à la génératrice (3) grâce au système de poulies (12) et (13) et courroie (14). Une double suspension élastique (15), ici représentée par deux couronnes en élastomère, supporte le volant et avec la courroie (12) filtrent les vibrations induites vers le châssis. Pour mémoire en configuration « aval », le train épicycloïdal (4) dédié aux basses vitesses et le train épicycloïdal (5) dédié aux hautes vitesses, sont tous les deux montés concentriques. Le train (5) se compose du satellite N2 monté fou sur le châssis (11) 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 (4) comprend le satellite N3 monté fou sur le châssis (11) entraîné par le moteur 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). La couronne couplée N5 et N6 des trains (4) et (5) est aussi entraînée par le moteur électrique (2) grâce au pignon N12 et entraîne elle-même le pont (6) par l'intermédiaire des engrenages N10, N7 et N8. Le pont (6) entraîne les arbres de roues (8) par l'intermédiaire du différentiel (6) et des cardans ici non représentés. En montage « amont » le montage serait identique sauf que le pignon N12 du moteur (2) viendrait s'engrener sur le châssis porte satellites (11). Les trains basse vitesse (5) et haute vitesse (4) ont leurs planétaires N1 et N4 couplés, alternativement et selon la vitesse du véhicule, à la génératrice (3) par l'embrayage (7). L'arbre de la génératrice entraîne la poulie (12) qui elle- même entraîne la poulie (13) grâce à la courroie (14) qui elle-même entraîne le volant à grande vitesse. La figure 6 est une vue en coupe du dispositif selon l'invention dans sa version dite « intégrée » dans laquelle le volant d'inertie (25) et la génératrice (3) sont dans le même carter pour ne former qu'une génératrice à forte inertie. Le système peut aussi intégrer un dispositif complémentaire qui permet de limiter le couple sur la transmission en cas de blocage intempestif des roues du véhicule. Ce dernier est constitué par un grand disque (16) poussé contre le volant (25) par l'intermédiaire d'une petite bague (17), elle-même poussée par un système de ressort (18) prenant appui sur le volant (25). En cas de couple trop important sur la transmission et du fait de la proportionnalité des couples sur un train épicycloïdal, le disque (16) glisse par rapport au volant (25) limitant ainsi le couple sur l'arbre (19), puis sur l'arbre pilote 4a ou 5a en service, puis sur toute la transmission. Le couple de glissement au niveau du disque (16) est transformé en chaleur absorbée par le volant (25) sans élévation excessive de température en raison de sa masse. L'importante capacité calorifique du volant est mis à profit pour absorber l'énergie dégagée, en particulier celle provenant de pièces en mouvement lors d'un blocage des roues en freinage d'urgence. La chaleur dégagée est plutôt dirigée vers le volant (25) que vers la bague (17) du fait du plus petit diamètre et du plus faible coefficient de frottement de cette dernière. A noter que ce limiteur de couple peut aussi être installé sur le volant dans la variante à entraînement par courroie entre le volant (25) et la poulie (13) de la figure 5. La génératrice (3) et le volant (25) plus éventuellement le limiteur de couples sont enfermés et guidés en rotation dans le carter (22) lui-même suspendu dans un deuxième carter fixe (23) par des bagues élastiques étanches (15) concentriques à l'axe général de rotation à chaque extrémité. L'espace entre les deux carters (22) et (23) constitue une double barrière sonore étanche qui peut être utilisée éventuellement pour faire circuler un fluide de refroidissement. Un passage câbles (24) étanché par des bagues élastiques assure la sotie des câbles électriques selon des procédés classiques. La permutation des deux trains par leurs arbres pilotes est ici réalisée par la translation de l'engrenage (19a) venant s'engrener soit avec l'engrenage du train haute vitesse (4a), soit avec l'engrenage du train basse vitesse (5a). Pour mémoire la permutation se fait quand les vitesses des arbres sont identiques ou 15 dans le rapport des pignons pour l'arbre (19), conditions détectées au niveau de l'électrotechnique de la génératrice et du moteur. Le grand disque (16) est équipé d'un alésage du type cannelure, ou autre, permettant d'entraîner l'arbre (19) sans le bloquer en translation, ni radialement pour de petits débattements afin que le volant (25) puisse tourner autour de son axe propre par ailleurs 20 libéré au niveau des suspensions (15). A noter que le servomoteur dans sa fonction de translation de l'arbre (19) et de son pignon (19a) peut être remplacé par tout autre système ayant la même fonction basée, par exemple, sur des électroaimants, des vérins hydrauliques ou pneumatiques etc....De même le couplage des arbres pilotes (19) à la 25 génératrice (3) peut très bien se faire par des crabots, des embrayages à disques simples ou multiples....hydrauliques ou électromécaniques etc La figure 7 schématise en coupe transversale la cinématique du système selon les demandes de brevets FR1004546 et FR1102521 améliorée par le dispositif 30 selon l'invention dans sa version dite « intégrée » avec le volant (25) associé à la génératrice (3) et au grand disque du limiteur de couple (16). Une double suspension élastique (15), ici représentée comme deux anneaux en élastomère assure le filtrage des vibrations induites par le volant vers le châssis. Le servomoteur (21) permet de positionner le pignon (19b) de l'arbre (19) soit devant le pignon (4a) pour entrîner le train haute vitesse (4) soit devant le pignon (5b) pour entraîner le train basse vitesse (5), soit entre les deux pour débrayer totalement la génératrice (3). La position intermédiaire est utile, comme expliqué dans la demande de brevet FR1102521 pour faciliter le passage en marche arrière, mais aussi au fonctionnement en électrique seul. En effet, si la batterie est protégée contre les charges excessives, l'énergie cinétique doit pouvoir être stockée par un autre moyen. Pour cela l'excès de puissance électrique générée par le moteur (2) est envoyé dans la génératrice (3) non couplée à la transmission. Elle fonctionne alors en moteur pour entraîner le volant (25) et stocker l'excès d'énergie. A la ré accélération du véhicule, l'énergie accumulée dans le volant (25) entraîne la génératrice (3) qui la restitue au moteur(2). La figure 8 représente schématiquement et en coupe l'arrangement du dispositif selon les demandes de brevets FR1004546 et FR1102521 avec les améliorations apportées par l'invention dans un bloc moteur transversal logé entre les roues (9) du véhicule. Ainsi sont représentés, les roues (9), le moteur thermique (1), les trains basse vitesse (5) et haute vitesse (4), le différentiel (6), le moteur électrique (2) ici dans un montage aval mais qui pourrait être dans un montage amont. Le volant (25), le limiteur de couple (16), la génératrice(3) sont représentés dans leur variante intégrée. Le servomoteur (21) assure la translation et le positionnement de l'arbre (19) suivant le train choisi ou son débrayage.