Brevet FR2985459A1 — publié le 20130712

Procédé et système de commande d'un véhicule hybride hydraulique série La présente invention se rapporte au domaine des véhicules automobiles hybrides, en particulier hybrides hydrauliques série et de son système de contrôle commande. Elle concerne aussi un groupe motopropulseur et un véhicule automobile en tant que tels mettant en oeuvre un tel procédé, ainsi qu'un support informatique comprenant un programme d'ordinateur mettant en oeuvre tout ou partie de ce procédé. 10 Le véhicule automobile hybride permet de diminuer la consommation en carburant et les émissions de dioxyde de carbone. Le principe consiste à coupler au moteur thermique, qui peut être de type essence ou diesel, une seconde source de puissance qui peut être par exemple de type électrique ou hydraulique. Cette 15 solution permet de faire fonctionner le moteur thermique que sur certains points de fonctionnement particulièrement optimisés en terme de consommation et d'émissions polluantes comme les oxydes d'azote, particules, monoxydes de carbone et autres carburants imbrûlés. 20 Dans certain cas, cette hybridation peut être de type hydraulique, c'est-à-dire que le moteur thermique de type diesel ou essence est couplé à un système de moteur / pompe et de réservoir hydraulique. La source d'énergie primaire reste 25 le carburant qui alimente le moteur thermique, mais celle-ci est transformée en énergie hydraulique qui est ensuite redistribuée aux roues du véhicule automobile. Le système hydraulique fait ainsi tampon entre l'énergie puisée dans le carburant et celle dépensée aux roues, ce qui permet de réguler le moteur thermique uniquement autour de ces meilleurs points de fonctionnement en 30 terme de consommation et d'émissions polluantes. Dans certain cas, on utilise une hybridation série, c'est-à-dire que le moteur thermique est en série du système hydraulique. L'intégralité de la puissance transmise aux roues passe par le système hydraulique. Cette solution 35 permet le plus de liberté dans la gestion de l'énergie. A titre d'exemple nous pouvons noter le brevet de l'EPA W02011/112663 A2 qui décrit cette configuration dans ça forme la plus minimaliste. Dans d'autres cas, on utilise une hybridation parallèle, c'est-à-dire que le 40 moteur thermique est directement relié mécaniquement aux roues par un système de boîte de vitesse et d'arbres de transmission. Le système hydraulique est ajouté en parallèle de ce système mécanique et vient par un système d'embrayage suppléer ou s'additionner au système mécanique dans certaines phases de fonctionnement du véhicule automobile. Toujours à titre d'exemple, 45 nous pouvons noter les brevets de l'EPA US2011/0232418 Al, ou de l'Université du Minnesota W02008/133805 A2, ou encore de la société Bosch W02010/099996 Al qui décrivent quasiment tous la même architecture de véhicule hybride hydraulique parallèle Il existe d'un point de vue architectural, quelques subtilités comme présentées dans les brevets US2009/317266 Al et US2010/037604 Al de la société Artemis où on retrouve des systèmes de moteur / pompe pour les roues, donc de type architecture série. Malheureusement, ce système mécanique, qui permet de 5 transformer l'énergie hydraulique et énergie cinétique, semble extrêmement complexe et non compatible avec une utilisation industrielle à cause des risques de fiabilité accrus. Ce principal inconvénient fait que ce type de solution n'est pas retenu dans cette invention. La présente invention est relative au système de contrôle de véhicules hybrides hydraulique série. Cette solution est plus 10 largement présentée dans les brevets de la société INNAS EP 1 705 372 Al avec le dispositif de transformateur de pression pour les hybridations séries. D'un point de vu contrôle commande, la présente innovation est à rapprocher des brevets de la société Ford US2006/0004507 Al sur une méthode 15 de contrôle en phase freinage et de la régulation de ralenti, US2005/0166586 Al sur une méthode de régulation des pompes hydraulique. Mais ces brevets ne portent que sur une architecture parallèle et très différente de celle sur laquelle est basée la présente innovation. De plus le type de contrôle proposé dans ces brevets est très simple et sans rapport avec celui proposé dans cette invention. 20 Nous pouvons donner les mêmes conclusions sur le brevet de contrôle commande de l'EPA W02011/133344 A2, qui portent plus sur du contrôle / diagnostic et toujours appliqué aux hybride hydraulique parallèle. 25 La présente invention a pour objet de résoudre ces difficultés et de proposer un procédé et un système de commande du fonctionnement du véhicule hybride hydraulique dans lequel le moteur thermique essence ou diesel est en série avec le système de transmission hydraulique. Le moteur thermique 30 alimente un accumulateur sous pression au travers d'une pompe, c'est ainsi que l'on transforme l'énergie du carburant en énergie mécanique puis en énergie hydraulique. Cette énergie hydraulique est ensuite redistribuée aux roues du véhicule. Pour un véhicule disposant de quatre roues, cette énergie peut être aussi bien délivrée aux roues avant qu'aux roues arrière ou même aux quatre 35 roues à la fois. La figure 1 présente une illustration fonctionnelle du procédé mis en oeuvre selon l'invention pour transférer l'énergie du carburant aux roues, pour sur cet exemple sur un véhicule équipé de 4 roues. Le moteur thermique (1) 40 entraine une pompe (2). Cette pompe (2) alimente un accumulateur sous pression (3) depuis une bâche (6). Cette énergie disponible dans l'accumulateur (3) est redistribuées aux roues (5) au travers des moteurs / pompes (4). Pour des questions de lisibilité, seul le circuit vers la roue arrière droite est représenté sur la figure 1. Bien entendu il existe des systèmes similaires sur les 3 autres roues. 45 Le principe de fonctionnement du véhicule hybride hydraulique série est en phase traction le suivant - Le moteur thermique (1) fonctionne sur des points optimisés en termes de consommation et d'émissions polluantes. Ce moteur thermique entraine la 50 pompe (2). Cette pompe (2) puise du fluide dans la bâche (6) pour l'envoyer vers l'accumulateur (3). Le fluide est alors mis sous pression dans (3). Le fluide sous pression dans (3) est envoyé vers les moteurs roues (4). Le moteur roue (4) consomme l'énergie portée par le fluide qui retourne à la bâche (6). L'énergie perdue par le fluide dans (4) est transformée en énergie mécanique et permet de produire du couple sur la roue (5). C'est ce couple qui fait avancer le véhicule automobile. 10 Le principe de fonctionnement du véhicule hybride hydraulique série est en phase freinage le suivant - Le moteur thermique (1) ne fonctionne plus. - La pompe (2) ne tourne plus. - Le moteur / pompe (4) fonctionne en mode pompe et vient puiser du fluide 15 à la bâche (6) pour le renvoyer sous pression à l'accumulateur (3). C'est ce principe qui est utilisé pour récupérer l'énergie de freinage. Cette vue simplifiée du problème doit être amendée afin de faire apparaitre toutes les différentes vannes pilotées partant de diriger le fluide 20 correctement afin d'optimiser le rendement global du véhicule hybride. La principale difficulté réside dans le fait que même si le moteur thermique et les roues sont découplés par le système hydraulique, la gestion de la puissance délivrée aux roues n'est pas optimale. Le niveau de couple donné par le fluide aux roues est directement proportionnel à la différence de pression aux bornes 25 du moteur-roue. Il doit donc y avoir une restriction entre le moteur-roue (4) et l'accumulateur (3) de la figure 1. Cela crée une perte de charge qui rend quasi caduc toute application hybride, à cause de la forte perte d'énergie au travers de cette restriction. Pour palier à ce problème, on introduit deux circuits hydrauliques, le circuit primaire et le circuit secondaire. Les deux circuits sont 30 reliés par un transformateur hydraulique. La figure 2 présente une illustration plus aboutie de la solution d'hybridation hydraulique proposée dans le cadre de cette invention. Le circuit hydraulique primaire se compose de la pompe (3), de l'accumulateur (4), de la 35 bâche (5), d'une pompe réversible (6) et d'une vanne pilotée (14). La pompe (3) est entrainée par le moteur thermique (1) au travers d'un embrayage (2). Le circuit hydraulique secondaire est composé d'une pompe réversible (7), d'une vanne trois voies (8), d'un moteur / pompe (9), d'une seconde vanne trois voies (11), d'une bâche (12) et d'une vanne anti retour (13). Le moteur / pompe (9) et 40 relié mécaniquement à la roue (10). Les deux circuits hydrauliques primaire et secondaire sont liés par le transformateur composé des pompes réversibles (6) et (7). Le transformateur composé des moteurs / pompes (6) et (7), sont à cylindrées variable& Par contre la pompe (3) est à cylindrée fixe. Le moteur / pompe (9) est lui aussi à cylindrée fixe. 45 Le principe de fonctionnement du véhicule hybride hydraulique série pour fournir une réserve de puissance hydraulique est - Le moteur (1) entraine la pompe (3) au travers de l'embrayage (2) fermé La pompe (3) remplit l'accumulateur (4) de fluide sous pression en le prélevant à la bâche (5). La vanne (14) empêche le fluide d'aller vers le transformateur (6). Le principe de fonctionnement du véhicule hybride série en phase traction est - La vanne (14) laisse passer le fluide sous pression de l'accumulateur (4) vers la bâche (5). Lors de ce parcours le fluide est détendu au travers du moteur (6). - Ce moteur (6) entraine mécaniquement la pompe (7). - La pompe (7), comprime du fluide de la bâche (12) vers la vanne trois voies (8). - La vanne trois voies (8) renvoie le fluide sous pression vers le moteur (9). - Le moteur / pompe (9) fonctionne en mode moteur et prélève l'énergie contenue dans le fluide sous pression pour le transformer en couple. Ce couple est envoyé à la roue (10). Le fluide de plus faible pression part vers la seconde vanne trois voies (11). - La vanne trois voies (11) dirige le fluide vers la bâche (12). - La valve anti retour (13) reste fermée dans cette phase. Le principe de fonctionnement du véhicule hybride série en phase freinage est - La vanne trois voies (11), dirige le fluide du moteur / pompe (9) directement vers la vanne trois voies (8). - La vanne trois voies (8) dirige alors ce fluide vers le moteur (7). - Le moteur (7) détend le fluide entre la vanne trois voies (8) et la bâche (12)- - La valve anti retour (13) s'ouvre pour alimenter depuis la bâche (12) l'amont du moteur /pompe (9) - Dans se sens de fonctionnement, l'inertie du véhicule entraine les roues. La roue entraine la pompe (9) qui comprime du fluide de la bâche (12), réalimenté par la valve anti retour (13). Ce fluide sous pression est détendu dans le moteur (7) et retourne à la bâche (12). - L'énergie récupérée par le moteur (7) et transmit mécaniquement à la pompe (6). - Cette pompe (6) puise du fluide dans la bâche (5) et le renvoie dans l'accumulateur (4) au travers de la vanne (14). - C'est sur ce principe que l'on récupère l'énergie au freinage. Le système d'hybridation hydraulique série proposé ne fonctionne que s'il est couplé à un système de contrôle commande évolué. Pour garantir une récupération maximale de l'énergie de freinage et une utilisation au juste nécessaire du carburant, il faut un pilotage extrêmement fin des vannes (14), (8) et (11) de la figure 2, ainsi que du transformateur (6-7). Le contrôle du véhicule hybride hydraulique série consiste à réguler les vannes et cylindrées du transformateur afin de garantir l'atteinte de consigne de vitesse fixée par le conducteur. Pour cela le conducteur actionne les pédales d'accélération ou de frein qui se traduit en consigne de couple à réaliser. En phase traction, cette consigne de couple est à traduire en consigne de pression en amont du moteur / pompe (9) de la figure 2. Cette pression est réalisée en puissant de l'énergie à l'accumulateur (4) au travers du transformateur (6-7) de la figure 2. En phase traction la vanne (14) est ouverte, et les vannes trois voies (8) et (11) permettent de faire circuler le fluide de la pompe (7) au moteur (9) puis à la bâche (12). Pour réaliser cette transformation de couple consigne « Couplesp » en pression amont « Pa,,r » à réaliser nous utilisons l'expression suivante 10 P 2 z Couple, P + P avrapr Cyl roue Les termes « Cylrmie » et « Papr » sont respectivement la cylindrée du moteur / pompe (9) lié à la roue et la pression en aval de ce moteur / pompe. Cette pression «Pair» est elle-même contrôlée par la position du transformateur. La 15 position du transformateur « Xce» est alors déduite de la relation : Cyl 2.2r .COUplesp Pbo Pba X = sec Cyl pren.Cyl roue Les termes « Cylsee », « Cylpd.», « Cylroue », « Pbo » et « Pba » sont respectivement 20 les cylindrées de la pompe (7), du moteur (6) et du moteur (9), la pression de l'accumulateur (4) et de la bâche (5) de la figure 2. Ainsi pour une consigne de couple donnée par le conducteur en phase traction on sait positionner le rapport « X.c3,1» du transformateur (6-7). 25 En phase freinage, la vanne (14) reste ouverte, tandis que les vannes trois voies (8) et (11), permettent au fluide de passer de la pompe (9) au moteur (7) en passant par la vanne (8). La valve anti retour (13) réalimente l'amont de la pompe (9). Le couple consigne est fixé par le conducteur, et le positionnement du transformateur suit la même relation qu'en phase traction. 30 Avec ces deux premières étapes, on est capable de contrôler l'avancement et le freinage du véhicule hybride hydraulique. Mais il faut encore alimenter l'accumulateur (4) de la figure 2. Ce remplissage est complètement indépendant de la position pédale fixée par le conducteur, sauf en phase freinage, où c'est bien 35 la volonté conducteur qui fait que l'énergie cinétique du véhicule est transformée en énergie hydraulique dans (4). Le chargement de cet accumulateur (4) va se faire principalement par le moteur thermique. Ce moteur thermique (1) et relié par un embrayage (2) et si nécessaire une cascade de pignons à la pompe (3). La mise en action du moteur thermique va être contrôlée par l'état de, chargement 40 de l'accumulateur (4). Cet état de chargement « SOC » est déterminé par l'expression ( p SOC =1- precharge Pbo 2985459 Les termes Pprecharge », « Pim » et « y » sont respectivement la pression de pré-charge de l'accumulateur, la pression du fluide dans cet accumulateur et le coefficient polytropique de l'azote. Si l'état de chargement « SOC » du véhicule est trop faible alors le moteur est mis en route; et si ce SOC dépasse une limite supérieure alors le moteur est stoppé. Avec le SOC on tonnait l'état du moteur, il faut maintenant le contrôler afin de la positionner au mieux sur des points de rendement optimum afin de minimiser la consommation et les émissions polluantes comme les NOX, HC, CO 10 et particules. Cette optimisation du point de fonctionnement va se faire selon 3 grands critères - Régime moteur optimal - Consommation spécifique minimal - Emissions de NOx, HC, CO, particule et bruit minimal 15 Un contrôleur de type Proportionnel, Intégral et Dérivée peut réaliser cette tâche. Mais nous ne limitons pas cette invention à ce type de régulateur. 20 Un mode de réalisation de cette invention consiste à contrôler de façon indépendante le remplissage du circuit primaire et le .circuit secondaire. Le conducteur n'a la main que sur le circuit secondaire, celui qui fournit le couple aux roue& Le circuit primaire est contrôlé sur des considérations de minimisation de la consommation et des émissions polluantes. 25 Dans ce cas, on se place sur un véhicule avec quatre roues motrices. La figure 2 reste valable, sauf que les vannes trois voies (8) et (11) alimentent quatre moteurs / pompes reliés aux quatre roues. 30 Grace à la consigne de couple envoyée par le conducteur, nous sommes capables de déterminer le ratio «Xeyi » du transformateur (6-7). Mais d'un point de vue mécanique, nous ne pouvons piloter ce ratio, mais plutôt la position des cylindrées du moteur / pompe (6) et du moteur / pompe (7). Il existe un optimum pour un ratio « Xeyt» donné de position de la machine primaire (6) et de la 35 machine secondaire (7). Afin de garantir le meilleur rendement de la machine primaire et secondaire, celles-ci doivent être de cylindrée maximale. Figure 3 présente la solution retenue pour déterminer la cylindrée à appliquer aux machines primaire (6) et secondaire (7) fonction du rapport « Xce. ». Le ratio « Xeyi » peut varier entre zéro et cinq, et se traduit pour « Xpri,' » la position du 40 moteur / pompe primaire (6) et « Xsee » la position du moteur / pompe secondaire en deux positions entre zéro et un. Pour optimiser le rendement volumétrique de ces deux moteurs / pompes, nous décrivons un arc de cercle sur la cartographie de « Xce » fonction de « Xprin, » et « X.oe ». Cet arc de cercle doit être de rayon 1 dans les référentiels « Xprim » et « Xsee ». 45 La figure 4 présente le principe de contrôle du circuit secondaire. Le couple consigne (1) envoyé par le conducteur est consommé par l'estimateur (3) pour le transformateur. Cet estimateur consomme aussi en entrée la pression de l'accumulateur (2) et la pression de la bâche supposée toujours égale a un bar. 50 Cet estimateur (3) donne la position du transformateur « Xcyl ». Cette information est traduite en position du moteur / pompe primaire « Xprin,» et du moteur / pompe secondaire « Xsoe » par la cartographie (4). Les deux vannes trois voies sont pilotées en fonction du couple consigne par le bloc (5). Si ce couple consigne est positif, alors les vannes trois voies laissent passer le fluide de la bâche vers le moteur pompe de la roue puis retour vers la bâche. C'est à dire que le fluide emprunte le circuit (7), (8), (9), (11) et retour à (12) de la figure 2. Inversement, si ce couple consigne est négatif, les vannes trois voies laissent passer le fluide du moteur / pompe de la roue vers la bâche en passant par le transformateur. C'est-à-dire que le fluide va partir de (12) pour passer au travers de (13), (9), (11), (8) et (7) pour retourner à (12) sur la figure 2. Cette solution permet de contrôler les phases d'accélération et freinage. La vanne pilotée est commandée par le bloc (6) de la figure 4. Elle reste toujours ouverte pendant les phases de traction et de freinage, elle est fermée lorsque le véhicule est à l'arrêt pour éviter les fuites de l'accumulateur vers la bâche. La figure 5 présente le principe de contrôle du circuit primaire. Ce contrôle permet de commander la position de l'accélérateur du moteur thermique ainsi que de piloter l'embrayage. La pompe (3) de la figure 2 et reliée au moteur par l'intermédiaire d'un embrayage. Cela permet de démarrer le moteur sans que celui-ci n'ai un couple trop important en charge afin d'éviter les risque de calage. Cet embrayage est fermé dès que le régime moteur atteint un seuil que nous avons fixé ici à 1500 tr/min. Cette fonction est assurée par le bloc (6) de la figure 5. La position de l'accélérateur du moteur thermique est contrôlée par l'état de charge de l'accumulateur. Cet état de charge est calculé à partir de l'estimateur de SOC (2) qui consomme en entrée la pression dans ce réservoir (1). Si le SOC est inférieur à une limite basse le moteur est mis en action et inversement si le. SOC dépasse une limite supérieure, le moteur est stoppé. Cette hystérésis est réalisée par le bloc (3). La sortie de cette hystérésis permet d'activer le contrôleur Proportionnel Intégral Dérivée (10). En entrée de ce PID, nous avons un critère à minimiser. Dans cet exemple, pour ne pas alourdir la figure 5, nous n'avons prit que la consommation spécifique (CSe) et le régime moteur. Nous avons supprimé les polluants et le bruit, mais cela fonctionnerai de la même façon. Le critère à minimiser devrait être écrit sous la forme [CSeest 12 + f 1Nmo t -.\ 2 + ( 1 N0xesr N2 + 1 HCesr \ 2 F... CSeopti j Nmot°po j NOxoph j HCopt j Les indices « est » et « opti » sont respectivement les grandeurs estimées ou mesurées, et les grandeurs optimales sur ce point de fonctionnement. Dans notre cas, sur la figure 5, nous n'avons gardé que les 2 premiers termes sur la consommation spécifique (CSe) et sur le régime moteur (Nmot) pour des questions de lisibilité. Le bloc (9) réalise la construction de ce critère envoyé au PID (10). L'objectif est de faire tendre ce critère vers zéro afin que le moteur thermique converge vers sont optimum de régime et de consommation. Les entrées de ce bloc (9), sont la CSe estimée, cartographie (7) fonction du régime moteur et du couple estimé, la CSe optimale fonction du régime moteur (8) et le régime moteur lui-même. Sur notre application le régime optimal est de 3000 tr/min. Le PID (10) est pré-positionné en position d'accélérateur du moteur thermique en fonction du régime de celui-ci et du couple nécessaire à fournir à la pompe (3) de la figure 2 pour atteindre la pression consigne dans l'accumulateur. Pour cela on utilise l'expression suivante 10 Couple prepo = o 'Nine+ C yl P mPe frbo da) 2 -Ir Les termes « Iniot », « Cylpompe», « Pb° » et « Pb' », représentent respectivement, l'inertie du moteur, la cylindrée de la pompe, la pression de l'accumulateur et la pression de la bâche. Ce couple de pré-positionnement calculé par (4) est transmis à la cartographie (5) avec le régime moteur pour être traduit en 15 position accélérateur. Le PID (10) reçoit ce pré-positionnement ainsi que le critère « J » à minimiser. En sortie il retourne la position de l'accélérateur du moteur thermique. Avec cette position et le régime moteur, la cartographie (11) détermine le couple délivré par le moteur thermique. Ce couple estimé est consommé notament par l'estimateur de consommation spécifique (CSe) mais 20 aussi si nécessaire par les estimateurs de polluants et de bruit.