Brevet FR3020995A1 — publié le 20151120

L'hybridation d'un véhicule consiste à associer à sa chaîne de propulsion thermique, une chaîne de propulsion auxiliaire qui peut être électrique, oléopneumatique ou mécanique. La chaîne auxiliaire permet de décaler le point de fonctionnement du moteur thermique de manière à le faire travailler à un meilleur rendement. En général, le meilleur rendement est obtenu en abaissant la vitesse du moteur thermique et en augmentant son couple. Malheureusement à faible vitesse du véhicule, la vitesse du moteur thermique ne peut pas être abaissée en dessous de sa limite de stabilité, entre 800 et 900 tr/mn, ce qui limite l'effet de l'hybridation. La solution habituelle est d'arrêter purement et simplement la chaîne de propulsion thermique et de continuer avec la seule propulsion auxiliaire alors mieux adaptée à la faible puissance demandée. Bien entendu, cette possibilité est limitée par l'énergie stockée dans le véhicule à cet effet et, en général, un redémarrage en thermique s'impose à plus ou moins brève échéance. Cette technique a les inconvénients suivants : - Un régime discontinu fortement perturbé par les arrêts et les redémarrages du moteur thermique, - Un stockage d'énergie important lourd et couteux qu'il soit électrique, oléopneumatique ou autre, - Une surconsommation due aux multiples démarrages du moteur thermique, des pertes dans le stockage d'énergie et de multiples transformations d'énergie. La présente invention a pour objectif de minimiser ces inconvénients. En effet, si l'on considère une hybridation dite série-parallèle, c'est-à-dire, une hybridation dans laquelle un train épicycloïdal répartit la puissance motrice entre les deux chaînes de propulsion, le brevet FR1103315 nous enseigne qu'il est possible de stocker de l'énergie cinétique dans le rotor de la génératrice et /ou dans un volant associé à ce dernier. Cette énergie est suffisante pour entrainer à la fois le véhicule et son moteur 30 thermique non alimenté en carburant pendant de courts instants. Dans ces conditions, il est possible d'envisager un fonctionnement pulsé du moteur thermique avec une phase active, alimentation en carburant ouverte et une phase passive, alimentation en carburant fermée. Pour maintenir la vitesse du véhicule, le moteur thermique et la génératrice devront ralentir et ré accélérer au rythme des pulsations. On voit immédiatement, que le moteur thermique n'est jamais complétement arrêté, ni redémarré, pour moins de perturbations sur le véhicule et qu'il est instantanément 5 disponible pour les appels de puissance. Son rendement est aussi amélioré, car la puissance demandée pendant les phases actives est, de loin, supérieure à la puissance moyenne requise. De plus, comme nous le verrons, une bonne partie de l'énergie pulsée est transférée mécaniquement par le train épicycloïdal. Nous verrons aussi tout l'intérêt pour cette invention, d'une transmission à double train comme 10 décrite dans les brevets FR1103315, FR1102521 et FR1004546. De nombreuses architectures d'hybridation ou même de « stop and start » existent dont certaines sont commercialisées à grande échelle. Par rapport à cet état de l'art, 15 l'originalité du brevet FR1103315 est d'envisager un stockage de l'énergie dans l'inertie du rotor de la génératrice et/ou à un volant d'inertie associé, couplés à un train épicycloïdal à dérivation de puissance de raison négative. La présente invention a pour but d'améliorer les performances de ce système à basse vitesse du véhicule, en particulier au niveau du rendement et du CO2, en le rendant apte à un 20 fonctionnement pulsatoir. A notre connaissance, seul l'hybride air envisagerait un fonctionnement de cette nature avec d'importantes différences. Ce serait, en fait, une succession d'arrêts et de redémarrages complets du moteur thermique avec un système d'entrainement et de stockage oléopneurnatique de l'énergie. Ce système est à la fois lourd et complexe. De plus, l'absence d'énergie électrique ne prépare pas 25 aux développements avec une batterie « plug in », développements inévitables dans le futur. L'architecture de la transmission du véhicule hybride selon l'invention comprend : 30 - Un train épicycloïdal à dérivation de puissance de raison négative avec : o Un arbre d'entrée entraîné par le moteur thermique, o Un arbre de sortie entraînant l'essieu du véhicule, lui-même entraîné en parallèle par un moteur électrique réversible, o Un arbre pilote (3éme arbre du train) connecté à une génératrice réversible ayant une inertie élevée soit de par l'inertie de son rotor, soit de par l'adjonction d'un volant d'inertie, - Un système d'alimentation périodique en carburant du moteur thermique, - Un variateur électrique permettant de transférer et de réguler l'énergie entre la génératrice et le moteur électrique réversibles, - Une petite batterie pour un équilibrage fin du bilan électrique et la fourniture d'énergie aux auxiliaires, - Un système de contrôle-commande de l'ensemble. Pour la simplicité de l'exposé, nous envisagerons toujours une puissance d'entraînement du véhicule positive et nous n'envisagerons pas le cas d'une puissance négative possible en descente ou en freinage régénératif. Bien entendu, le système est tout à fait apte à gérer ces situations avec d'éventuelles variations en sens et en valeur des flux d'énergie. Leurs descriptions complexifieraient inutilement l'exposé compte tenu du nombre de cas possibles. A basse vitesse du véhicule, donc à faible puissance, le fonctionnement devient cyclique comme ci-après: Le cycle est décomposé en une phase active, courte, pendant laquelle le moteur thermique fournit non seulement l'énergie pour la propulsion du véhicule mais aussi l'énergie pour accélérer la génératrice et son éventuel volant. Dans une seconde phase passive, plus longue, seule l'énergie emmagasinée dans le rotor de la génératrice et/ou le volant propulse à la fois le véhicule et le moteur thermique non alimenté en carburant. L'alimentation en carburant du moteur thermique est donc cyclique, alternativement ouverte ou fermée. L'intérêt est de faire travailler le moteur thermique, quand il travaille, à une puissance beaucoup plus élevée que la puissance moyenne requise, donc à un bien meilleur rendement. A vitesses plus élevées, le fonctionnement n'a plus besoin d'être cyclique et rejoint ceux décrits dans les brevets FR1103315, FR1102521 ou FR1004546. Bien entendu, ce fonctionnement n'élimine pas les frottements mécaniques et thermodynamiques du moteur thermique pendant sa phase passive (environ 1 KVV), mais on n'a pas à consommer d'énergie pour relancer le moteur. Les déperditions peuvent être cependant minimisées en : Fermant ou ouvrant, cette fois, le volet des gaz de façon cyclique. En effet, le débit d'air étant nul à la fermeture, la puissance du cycle thermodynamique est beaucoup faible. Il est aussi possible d'utiliser des soupapes électriques ouvertes quand la compression n'est pas nécessaire. La plupart des propulsions auxiliaires intègrent des machines électriques synchrones qui permettent de connaître avec une très grande précision la position de chaque piston. Cette remarque ouvre la voie à des rampes progressives et des injections optimales de carburant callées sur la position des pistons déduite de la position angulaire des rotors des machines électriques. Le même principe peut aussi s'appliquer à la commande des soupapes électriques. Les soupapes électriques augmentent l'intérêt de l'invention car l'absence d'arbre à cames minimise considérablement les frottements du moteur en phase passive et diminue l'intérêt de son arrêt complet. L'invention est compatible avec la plupart des techniques connues d'amélioration de l'efficacité énergétique des moteurs thermiques : EGR, downsizing, compression, injection etc.... avec des impacts seulement à basse vitesse du véhicule et des impacts pas forcément négatifs. Ce principe pourrait s'appliquer à une architecture d'hybridation parallèle, c'est-à-dire avec un moteur électrique et un moteur thermique entraînant en parallèle l'essieu. Le premier obstacle serait des sens de variation de la vitesse des arbres inadéquats pour un stockage cinétique sans un variateur-inverseur. Un tel variateur devrait opérer à des puissances beaucoup plus élevées que dans le système selon l'invention. En effet, le variateur selon l'invention travaille, comme nous le montrerons, au pire que sur la moitié de la puissance nécessaire à basse vitesse. De plus, il serait impropre à un fonctionnement pulsatoir comme envisagé. Il est aussi possible d'envisager un fonctionnement similaire avec un stockage d'énergie électrique par batteries, ou mieux par ultra-capacités. Mais, la fréquence des cycles serait préjudiciable à leur durée de vie. L'invention à l'avantage d'un stockage mécanique. Le dispositif selon l'invention est plus particulièrement recommandé pour une transmission à double train épicycloïdal à dérivation de puissance, comme décrite dans le brevet FR1103315. En effet, cette architecture permet : - de diviser par 2 la puissance de la chaîne de propulsion électrique pour l'amener au niveau de la puissance nécessaire pour la présente invention, - d'abaisser la raison du train utilisé par la présente invention, afin d'avoir un stockage d'énergie cinétique plus efficace, pour moins de variations sur les vitesses et un volant et/ou un rotor de génératrice plus légers. La régulation est classique pour ce type d'architecture série-parallèle. L'ordinateur de bord pré-calcule la quantité de carburant à introduire dans le moteur thermique à partir des paramètres du véhicule : masse, tramée, vitesse, grade. A partir des écarts obtenus sur les vitesses des arbres, qui sont connues de façon précise grâce aux deux machines électriques synchrones, une correction est apportée au débit du carburant en suivant. Or les paramètres masse et tramée sont susceptibles de variations notables ce qui augmente la correction potentielle. Dans une architecture avec volant d'inertie, comme décrite dans la présente invention ou dans les brevets cités, le comportement aérodynamique du volant est un quasi invariant. En comparant sa vitesse calculée à sa vitesse réelle, il est alors possible d'en déduire la masse et la tramée effective du véhicule à l'instant t, pour les réintroduire comme paramètres dans le pré-calcul du débit en carburant. Cela permet de réduire considérablement la correction et d'avoir une régulation beaucoup plus précise à partir d'une référence stable, soit le comportement du volant, sur la durée de vie du véhicule. Ce principe s'applique que ce soit un volant et/ou une génératrice à inertie élevée. Pour l'action corrective dans la présente invention, il est aussi commode de jouer sur 5 la durée des phases actives et passives. A titre d'exemple non limitatif, pour illustrer l'invention, nous avons choisi : Un véhicule de 1500 kg avec une chaine de propulsion électrique de 10kw et 10 consommant une puissance de 4 KW à 30 Km/h. La puissance de la chaîne électrique plafonnera la puissance du moteur thermique à 24 KW (10X2+4) à cette vitesse. Son arbre pilote d'une inertie de 0,7 Kgm2 est pulsé entre 5000 et 6000 tr/mn, soit une variation d'énergie cinétique de 42 KJ permettant d'entrainer le véhicule pendant 15 10 s. Il sera ensuite relancé à 6000 tr/mn par le moteur thermique en 2,2 s. Le cycle se décomposera donc, en une phase passive de 10 s pendant laquelle le moteur ne développera aucune puissance et une phase active de 2,2 s pendant laquelle le moteur développera une puissance de 24 KW. Soit un facteur puissance de 6 (24/4) par rapport à la puissance requise pour l'entrainement du véhicule en 20 continu et un rendement deux fois meilleur du moteur thermique. Soit, en ordre de grandeur, pour un moteur thermique à 3 cylindres, 25 cycles thermodynamiques actifs pour 117 cycles thermodynamiques passifs. L'examen des figures montre qu'il est possible d'allonger les phases actives mais cela augmente les variations de vitesse et un compromis est à trouver avec le confort 25 de conduite. Les figures décrivent des applications possibles, mais non exclusives, du système 30 selon l'invention. La figure 1, représente les courbes d'iso-rendements d'un moteur thermique mis à profit par l'invention. La figure 2, montre les caractéristiques vitesses en figure 2a, les caractéristiques puissances en figure 2b et leurs relations géométriques, du dispositif selon l'invention à très basse vitesse du véhicule, voire nulle. La figure 3, montre les caractéristiques vitesses en figure 3a, les caractéristiques puissances en figure 3b et leurs relations géométriques, du dispositif selon l'invention à basse vitesse du véhicule. La figure 4, schématise une transmission série-parallèle selon l'invention dans une configuration à 1 train en 4a et 4b, à 2 trains en 4c et 4d. La figure 5, montre l'évolution périodique des puissances du moteur thermique et du volant d'inertie. FIGURE 1 : cette figure représente les courbes d'iso-rendements d'un moteur thermique avec sa zone de meilleur rendement. A titre d'exemple, le point A est un point de fonctionnement à basse vitesse sans le dispositif selon l'invention donc un fonctionnement en continu. Pour le point B, le moteur thermique développe la même énergie que pour le point A, toujours à la même vitesse, mais seulement sur une partie du cycle. Pour produire la même quantité d'énergie, la puissance en B est nécessairement beaucoup plus élevée qu'en A. Par exemple, un facteur puissance de 5 (durée de la phase passive égale 4 fois la durée de la phase active) permet de doubler le rendement. FIGURE 2: cette figure montre les caractéristiques vitesses en figure 2a, les caractéristiques puissances en figure 2b et leurs relations géométriques pour un train épicycloïdal à dérivation de puissance de raison négative. Elle est plus particulièrement dédiée au fonctionnement du dispositif selon l'invention à très basse vitesse du véhicule, voire nulle. Dans l'exemple pris, la vitesse de la génératrice oscille entre 5000 et 6000 tr/mn, 30 alors que la vitesse du moteur thermique oscille entre 900 et 1660 tr/mn, avec pour limite 6000 tr/mn pour la génératrice, soit le trapèze CDEF. La régulation maintiendra le point de fonctionnement vitesse dans ce trapèze tout en calculant et optimisant le rapport des phases active et passive du moteur thermique. Les points G, H et J donnent le rapport entre la puissance directe (puissance passant directement de l'arbre d'entrée à l'arbre de sortie du train) et la puissance dérivée (puissance passant de l'arbre d'entrée à l'arbre pilote du train) pour des vitesses particulières du moteur thermique de 900,1000 et 1660 tr/mn. A chaque point à l'intérieur du trapèze précédent CDEF, correspond un rapport précis et calculable des puissances directe et dérivée. Cet équilibre créé par le train épicycloïdal, offre la possibilité au variateur électrique d'agir non seulement sur la puissance dérivée mais aussi sur la puissance directe, même si la puissance totale dépasse sa puissance maximale. Dans le trapèze CDEF, les oscillations de la vitesse de la génératrice ne doivent pas placer le moteur thermique au-dessous de sa vitesse minimale de stabilité. Pour un maximum d'efficacité à très basse vitesse du véhicule, voire nulle, les oscillations seront préférées entre la valeur respectant la condition précédente et la vitesse minimale nécessaire au stockage de l'énergie cinétique permettant l'entretien de la phase passive. FIGURE 3: cette figure montre les caractéristiques vitesses en figure 3a, les caractéristiques puissances en figure 3b et leurs relations géométriques pour un train épicycloïdal à dérivation de puissance de raison négative. Elle est plus particulièrement dédiée au fonctionnement du dispositif selon l'invention à basse vitesse du véhicule, ici supposée à 30 km/h. Dans l'exemple choisi, la vitesse de la génératrice oscille entre 5000 et 6000 tr/mn et celle du moteur thermique entre 1940 et 2100 tr/mn, avec pour limite 6000 tr/mn pour la génératrice, soit un fonctionnement surie segment JK. Les points L et M donnent le rapport entre la puissance directe et la puissance dérivée. On voit que ces rapports sont souvent voisins de 0,5, ce qui permet au variateur électrique de pratiquement toujours contrôler le double de sa puissance. Ceci est vrai si les oscillations de la vitesse de la génératrice ne s'éloignent pas trop des oscillations permises à vitesse nulle du véhicule, ici entre 5000 et 6000 tr/mn. Cette condition permet aussi d'avoir des phases plus courtes, des variations plus faibles et un meilleur confort de conduite. FIGURE 4: les figures 4a, 4b, 4c et 4d schématisent une transmission série-parallèle avec un train épicycloïdal à dérivation de puissance V(2) à 3 arbres ; un arbre moteur, un arbre de sortie et un arbre pilote. Le moteur thermique (1) entraîne l'arbre moteur, l'arbre pilote entraine la génératrice (4) avec son volant d'inertie (3), l'arbre de sortie entraîne l'essieu (5) en parallèle avec le moteur électrique (6). Le variateur électrique (7) transfert et régule l'énergie entre le moteur électrique (6) et la génératrice (4) tous deux réversibles. Une batterie (8) assure l'équilibrage fin du bilan électrique et l'alimentation des auxiliaires. Un deuxième train épicycloïdal Y(9) à dérivation de puissance avec son sélecteur (10) est recommandé pour pouvoir diminuer la raison du premier train V (2) et améliorer ainsi l'efficacité du stockage cinétique, comme décrit dans le brevet FR1103315. La puissance de la chaîne de propulsion électrique en est aussi réduite pour être plus compatible avec la présente invention et avec de la basse tension telle le 48V. La vanne de coupure (11) de l'alimentation en carburant du moteur thermique (1) y est aussi représentée. Les flèches indiquent le sens des flux de puissance suivant les cas : - Configuration à un train épicycloïdal V (2): o Figure 4a: pendant la phase où le moteur thermique (1) est actif, vanne (11) ouverte, o Figure 4b: pendant la phase où le moteur thermique (1) est inactif, vanne (11) fermée, - Configuration à deux trains épicycloïdaux V (2) et Y (9) : o Figure 4c: pendant la phase où le moteur thermique (1) est actif, vanne (11) ouverte, o Figure 4d: pendant la phase où le moteur thermique (1) est inactif, vanne (11) fermée, FIGURE 5: La figure 5 montre l'évolution périodique des puissances du moteur thermique et du volant d'inertie avec une phase où le moteur est actif, trapèze OPQR et une phase où il est passif, segment RS. Les segments inclinés OP et QR traduisent les rampes nécessaires aux variations de puissance. Sur TU : dans un 5 premier temps, le volant d'inertie continue à céder de la puissance pour compenser la rampe de montée en puissance du moteur thermique et dans un second temps, il absorbe le reliquat de puissance de ce dernier. Il est ainsi accéléré en stockant de l'énergie cinétique qu'il commence à restituer de façon progressive à fin du segment VVV pour compenser cette fois la rampe descente en puissance du moteur thermique, 10 puis de façon constante sur WX. REVENDICATIONS1. véhicule hybride selon l'invention comprenant : un train épicycloïdal à dérivation de puissance V (2) de raison négative, dont l'arbre d'entrée est entrainé par le moteur thermique (1), dont l'arbre de sortie entraîne l'essieu (5) en parallèle avec un moteur électrique réversible (6) et dont l'arbre pilote entraine une génératrice (4) de forte inertie ou associé à volant d'inertie (3), un système d'alimentation en carburant (11) du moteur thermique (1) périodiquement ouvert quand la puissance demandée est faible, un variateur électrique (7) pour transférer et réguler l'énergie électrique entre le moteur (6) et la génératrice (4) tous deux réversibles, une batterie (8) pour assurer l'équilibrage fin du bilan électrique, un système de contrôle-commande de l'ensemble. Revendication 2: véhicule hybride selon la revendication 1, comprenant un second train épicycloïdal à dérivation de puissance Y(9) de raison négative plus élevée, associé à un sélecteur (10). Revendication 3: véhicule hybride selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le système d'alimentation en carburant (11) du moteur thermique (1) est périodiquement ouvert et fermé quand la puissance demandée est faible déterminant ainsi une phase active où le moteur thermique (1) est alimenté et une phase passive où le moteur thermique (1) n'est plus alimenté en carburant. Revendication 4: véhicule hybride selon la revendication 3, caractérisé en ce que le volant (3) et/ ou le rotor de la génératrice (4) entrainent à la fois le véhicule et le moteur thermique (1) pendant la phase passive du moteur thermique (1). Revendication 5: véhicule hybride selon les revendications 3, caractérisé en ce que le moteur thermique (1) entraine à la fois le véhicule et la génératrice (4) et/ou le volant (3) pendant la phase active du moteur thermique (1).Revendication 6: véhicule hybride selon les revendications 3, 4 et 5, caractérisé en ce que le variateur (7) transfert et régule la puissance électrique entre le moteur électrique (6) et la génératrice (4) tous deux étant réversibles. Revendication 7: véhicule hybride selon les revendications 3, 4, 5 et 6, caractérisé en ce qu'à très basse vitesse du véhicule, voire nulle, la vitesse de la génératrice (4) oscille entre une vitesse minimale nécessaire à la stabilité du moteur thermique et une vitesse supérieure correspondant à 1"énergie cinétique nécessaire au maintien de la phase passive. Revendication 8: véhicule hybride selon les revendications 3, 4, 5 et 6, caractérisé en ce que les oscillations de la vitesse de la génératrice (4) permises à vitesse nulle du véhicule servent de référence aux oscillations de la vitesse de la génératrice (4) à basse vitesse du véhicule. Revendication 9: véhicule hybride selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le comportement du volant inertiel et/ou du rotor de la génératrice soient pris en référence pour le calcul de la masse et de la tramée effectives du véhicule à l'instant t pour être ensuite utilisées par le système de régulation. 10 15 20 Revendication 10 : véhicule hybride selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la position des rotors des machines électriques détermine la position des pistons afin d'optimiser l'apport en carburant dans les cylindres du moteur thermique et /ou commander des soupapes électriques. 25