Brevet FR3034387A1 — publié le 20161007

- 1 - GROUPE MOTOPROPULSEUR HYBRIDE COMPORTANT DEUX MOTEURS ELECTRIQUES ET UN MOTEUR THERMIQUE La présente invention se rapporte aux architectures 5 de traction hybride, notamment pour véhicule routier. Elle concerne en particulier un groupe motopropulseur (GMP) hybride, comportant deux machines électriques et un moteur thermique. Plus précisément, l'invention a pour objet un groupe 10 motopropulseur hybride de véhicule, composé de trois sources motrices reliées par des arbres d'entrée décalés axialement à une boîte de vitesses à arbres parallèles et à engrenages, munie plusieurs coupleurs permettant d'établir sélectivement le transfert du couple fourni par l'arbre 15 d'entrée de chaque source motrice sur un arbre de sortie commun vers les roues du véhicule. La présente invention a aussi pour objet le procédé de commande d'un tel groupe motopropulseur. Elle porte également sur une boîte de vitesses à 20 arbres parallèles et à engrenages pour véhicule comportant trois arbres d'entrée décalés axialement reliés à trois sources motrices et à un arbre de sortie commun en direction des roues du véhicule, et plusieurs coupleurs permettant d'établir sélectivement le transfert du couple 25 fourni par l'arbre d'entrée de chaque source motrice sur l'arbre de sortie commun. Il existe aujourd'hui dans le domaine automobile un besoin pour des GMP puissants, qui émettent peu de gaz carbonique, et qui permettent de réaliser des déplacements 30 sur des distances importantes. Par la publication US 8 622 861, on connaît un GMP hybride pour véhicule muni d'un moteur thermique et de deux machines électriques montées autour d'un train épicycloïdal. L'une des machines électriques est montée en 35 moteur principal, et l'autre en génératrice. Ce GMP dispose 3034387 -2 de deux rapports à passage sous couple, pour la machine électrique et le moteur thermique. Toutefois, dans ce GMP, les trois moteurs sont alignés, et les arbres d'entrée de mouvement dans le mécanisme de changement de vitesses le sont également. En raison de cet alignement et du nombre limité d'entrées de mouvement dans le train épicycloïdal, ses possibilités d'utilisation sont limitées. En particulier, la machine électrique de traction ne peut pas être déconnectée à haute vitesse. La présente invention vise à réaliser une chaîne de traction multimodes, permettant l'utilisation simultanée, ou découplée, de trois sources motrices, pour disposer de nombreux modes de fonctionnement, électriques, thermiques ou hybrides. Dans ce but, un des coupleurs de la boîte permet d'établir deux rapports de transmission différents entre l'un des arbres d'entrée et l'arbre de sortie commun. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les trois sources motrices sont respectivement une machine 20 électrique principale, une machine électrique secondaire et un moteur thermique. Dans la boîte de vitesses, le couple de la machine électrique principale est renvoyé sur l'arbre de sortie commun par l'intermédiaire d'un pignon double, tournant 25 librement sur l'arbre d'entrée de la machine électrique secondaire. La fermeture d'un coupleur assure le déplacement du véhicule en mode électrique avec une machine électrique, sur l'un ou l'autre de deux rapports électriques. 30 La fermeture simultanée de deux des trois coupleurs, assure le déplacement du véhicule en mode électrique avec une première machine électrique sur l'un ou l'autre de deux rapports électriques. La fermeture simultanée des trois coupleurs, assure 35 le déplacement du véhicule en mode hybride, avec la 3034387 - 3 - puissance cumulée des deux machines électriques et du moteur thermique. La fermeture simultanée de deux des trois coupleurs permet également de déplacer le véhicule en mode 5 électrique, avec une machine électrique, tout en utilisant le moteur thermique pour faire tourner une autre machine électrique en générateur. Le véhicule peut se déplacer en mode électrique, en fermant seulement un coupleur. 10 La marche arrière peut être assurée par une seule machine électrique, ou par les deux, en fermant seulement l'un des coupleurs. Le mode thermique est obtenu en fermant seulement l'un des coupleurs. 15 Selon une disposition interne de la boîte de vitesses, le couple de la machine électrique principale est renvoyé sur l'arbre de sortie commun par l'intermédiaire d'un pignon double, tournant librement sur l'arbre d'entrée de la machine électrique secondaire. Ces mesures assurent à la fois une puissance globale importante par l'utilisation simultanée des trois moteurs, ainsi que de nombreuses configurations de fonctionnement, telles que la recharge des batteries en roulage, un mode « refuge », avec uniquement le moteur thermique, un mode hybride « boost » ou la puissance du moteur thermique se cumule à celle des deux machines électriques et, un mode « économique », avec seulement la machine électrique la moins puissante. La présente invention sera mieux comprise à la 30 lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma d'architecture du GMP proposé, 3034387 - 4 - - sur la figure 2A, ce GMP est en mode électrique, avec la machine électrique principale seule, sur un premier rapport R1, - sur la figure 2B, il est en mode électrique, avec 5 la machine électrique principale seule, sur un deuxième rapport R2, - sur la figure 2C, il est en mode électrique sur le rapport R1, avec les deux machines électriques, - sur la figure 2D, il est en mode électrique sur le 10 rapport R2 avec les deux machines électriques, sur les figure 2E, 2F, 2G il est en mode électrique « range extender », respectivement en roulant sur le rapport R1 (figure 2E), en roulant sur le rapport R2 (figure 2F), et à l'arrêt (figure 2G), 15 - sur la figure 2H, il est en mode hybride « boost », sur un troisième rapport R3, avec les trois sources motrices fonctionnant simultanément, - sur la figure 21, il est en mode thermique avec un apport de puissance possible par la machine électrique 20 principale. sur la figure 2J, il est en mode électrique « économique » sur le rapport R3, - sur la figure 2K, il est en marche arrière avec la machine électrique secondaire, et 25 - sur la figure 2L, il est en marche arrière avec les deux machines électriques. Le GMP représenté schématiquement sur les figures, est composé de trois sources motrices 1, 2, 3 reliées à une même boîte de vitesses 4 à arbres parallèles munie de trois coupleurs 19, 28, 16 permettant d'établir sélectivement dans celle-ci la transmission du couple fourni par une ou plusieurs des trois sources motrices vers les roues du véhicule sur différents rapports de transmission. Dans le mode de réalisation non limitatif de l'invention, illustré par les figures, les trois sources motrices sont respectivement une machine électrique principale 1, une machine électrique secondaire 2 et un moteur thermique 3. 3034387 - 5 - Leurs couples se réunissent dans la boîte 4 à partir des trois arbres d'entrée 5, 6, 11, décalés axialement les uns par rapport aux autres. Ils sont reliés à chacune des sources motrices 1, 2, 3, et à un arbre de sortie commun 7 5 en direction des roues du véhicule. La boîte de vitesses 4 dispose ainsi de trois entrées de mouvement. Elle présente un arbre d'entrée 6 pour la machine électrique principale 1 (ME1), un arbre d'entrée 5, pour la machine électrique secondaire 2 (ME2), 10 et un arbre d'entrée 11 pour le moteur thermique 3. La boîte 4 comporte en plus un arbre intermédiaire 12 qui renvoie le mouvement de l'arbre d'entrée 11 du moteur thermique 3 sur l'arbre d'entrée 6 de la machine électrique secondaire 2. Enfin, le mouvement de la première machine 15 électrique 1 est transmis par un pignon de renvoi 13, de son arbre d'entrée, sur l'arbre secondaire 7, assurant la sortie du mouvement vers les roues du véhicule. L' « arbre d'entrée thermique » 11, porte un seul pignon fixe 11a, qui engrène en permanence avec un pignon 20 18 de l'arbre intermédiaire 12. De gauche à droite, l'« arbre d'entrée électrique » 6 porte un premier pignon fou 14 engrenant avec un pignon fixe 23 de l'arbre secondaire 7, en imposant un rapport R3 au mouvement transmis. Le pignon fou 14 est associé à un coupleur 16 25 (C3), qui le lie en rotation sur son arbre, lorsqu'il est actionné pour assurer descente du couple de la machine secondaire ME2 sur l'arbre secondaire 7. Un deuxième pignon fou 17, associé au moteur thermique 3, engrène en permanence avec un pignon 18 de l'arbre intermédiaire 12. 30 Un autre coupleur 19 (C1) permet de lier le pignon fou 17 sur son arbre 6, pour assurer le transfert du couple du moteur thermique sur celui-ci. Un pignon double 21, 22, monté sur des aiguilles, tourne librement sur l'arbre d'entrée électrique 6. Le couple de la machine électrique 35 principale ME1 peut être transmis directement à l'arbre de sortie commun 7 par le pignon de renvoi 13 sur un pignon fou 27 de deuxième rapport R2, tournant sur l'arbre 7, ou 3034387 - 6 - par l'intermédiaire du pignon double 21, 22 sur le pignon fou 26 de premier rapport (R1) qui tourne également autour de l'arbre 7. Ce dernier porte un premier pignon fixe 23, en prise 5 avec le pignon fou 14 de l'arbre 6, un pignon d'attaque 24 sur la couronne de différentiel 8, et les deux pignons fous 26, 27 des rapports électriques R1 et R2. Un dernier coupleur 28 (C2) permet de lier l'un ou l'autre des pignons fous 26, 27, sur l'arbre secondaire 7 pour imposer le 10 rapport R1 ou R2 au mouvement de la machine principale ME1. Le coupleur C2 permet d'établir deux rapports de transmission différents entre l'un des arbres d'entrée et l'arbre de sortie commun. Enfin, le pignon de renvoi 13 de l'arbre d'entrée 5 engrène en permanence avec le pignon fou 15 de rapport R2, 27. En résumé, la boîte 4 comporte porte trois coupleurs, de préférence à baladeur, Cl, C2, et C3. - le premier coupleur Cl permet d'établir la transmission du couple du moteur thermique sur l'arbre 20 d'entrée 6 de la machine électrique secondaire ME2, ou d'établir la transmission entre l'arbre 6 et le pignon double 21, 22 : la machine ME2 est alors couplée à la machine ME2, et l'on dispose des rapports R1 et R2. - le deuxième coupleur C2 permet d'établir la 25 transmission du couple de la machine électrique principale ME1 vers l'arbre de sortie commun 7, sur deux premiers rapports de transmission R1, R2, - le troisième coupleur C3 16 permet d'établir la transmission du couple de la machine électrique secondaire 30 ME2 vers l'arbre de sortie commun 7, sur un troisième rapport de transmission R3. Les modes de fonctionnement illustrés par les figures 2A à 2D, sont purement électriques. La fermeture du deuxième coupleur C2 assure le déplacement du véhicule en 35 mode électrique avec la machine électrique principale 1, sur l'un ou l'autre des deux rapports électriques R1, R2. 3034387 -7 - Sur la figure 2A, seule la machine électrique principale ME1 fournit de l'énergie. Celle-ci remonte sur le pignon double 21, 22 de l'arbre d'entrée 6 par le pignon de renvoi 13 et le pignon secondaire, 27 qui tourne fou sur son 5 arbre. Le baladeur du coupleur 28 (C2) est déplacé vers la droite, pour lier le pignon secondaire 26 de rapport R1 sur son arbre 7. Les deux autres coupleurs Cl et C3 sont au repos. Le GMP est dans un mode de fonctionnement purement électrique, avec la machine électrique principale ME1 10 seule, sur le rapport R1 (premier rapport). Sur la figure 2B, le baladeur de C2 a changé de position. Il est déporté vers la gauche. Il lie en rotation le pignon secondaire 27 de deuxième rapport électrique R2 sur son arbre 7. Le couple de la machine principale ME1 est 15 transmis aux roues sur le deuxième rapport électrique R2. La fermeture simultanée du deuxième coupleur C2 et du troisième coupleur C3 assure le déplacement du véhicule en mode électrique avec la machine électrique principale ME1 sur l'un ou l'autre de deux rapports électriques R1, 20 R2, avec l'appoint de la machine électrique secondaire ME2 au travers du troisième rapport R3. Sur la figure 2C, le coupleur C2 est dans la même position que sur la figure 4A, mais le coupleur permet à la machine électrique secondaire ME2 d'ajouter son couple à la première ME1, en rapport Ri. 25 Sur la figure 2D, le coupleur C2 est dans la même position que sur la figure 2B, pour le rapport R2 de la machine principale ME1, avec l'appoint de la machine secondaire ME2. Les trois figures suivantes illustrent des modes 30 dits de prolongation d'autonomie (dits « range extender »), où le moteur thermique 3 est utilisé pour faire tourner la machine électrique secondaire ME2 comme générateur pour recharger les batteries du véhicule ou alimenter directement la machine ME1. Le premier coupleur Cl assure 35 la liaison entre la machine électrique secondaire ME2 et le moteur thermique 3 (arbre d'entrée 11). Son déplacement côté droit permet de faire tourner la machine électrique 3034387 -8 - secondaire ME2 en roulage sur l'un des deux rapports électriques R1, R2, ou à l'arrêt. Sur la figure 2E, le coupleur 28 (C2) est déplacé vers la gauche. Le véhicule roule en mode électrique avec la première machine El sur le 5 deuxième rapport électrique R2. Sur la figure 2F, le baladeur du coupleur 28 est déplacé vers la droite. Le véhicule roule en mode électrique sur le premier rapport Ri. Sur la figure 2G, le baladeur du coupleur 28 est au centre. Le GMP charge les batteries du véhicule à l'arrêt. 10 La fermeture simultanée des trois coupleurs Cl, C2, C3 assure le déplacement du véhicule en mode hybride avec la puissance cumulée des deux machines électriques ME1, ME2 et du moteur thermique 3. La figure 2H illustre ce mode de fonctionnement hybride sportif, dit « boost », avec cumul 15 des trois sources d'énergie. La machine électrique principale ME1 transmet son couple sur le rapport R1 (baladeur du coupleur C2 à gauche). Le coupleur Cl est à gauche pour coupler l'arbre d'entrée thermique 11 avec l'arbre d'entrée 6 de la machine électrique ME2. Le 20 baladeur du coupleur C3 (16) aussi à gauche. Dans un mode de fonctionnement similaire non représenté, avec le baladeur du coupleur C2 à droite, les puissances des trois sources d'énergie peuvent se cumuler avec la machine ME1 sur le rapport R2. 25 Sans l'appoint de la machine ME2, on a un autre mode de fonctionnement thermique ou hybride, illustré par la figure 21. Il est particulièrement adapté aux déplacements à vitesse stabilisée, avec le moteur thermique en prise directe sur le rapport R3. Sans la machine principale ME1, 30 on est en mode thermique. Avec son apport de puissance sur le rapport R2, on est en mode hybride. Finalement, la fermeture simultanée du premier et du troisième coupleur Cl, C3, permet de déplacer le véhicule en mode thermique sur le troisième rapport R3 avec ou sans la machine 35 électrique principale ME1. Dans le mode de fonctionnement illustré par la figure 2J, on ferme uniquement le troisième coupleur C3. La 3034387 -9 - seule source d'énergie sollicitée pour déplacer le véhicule est la deuxième machine ME2 en rapport R3. Le véhicule peut ainsi se déplacer en mode électrique avec seulement la machine électrique secondaire ME2, dans un mode de roulage 5 électrique « économique ». Sur la figure 2K, la boîte de vitesses 4 est en marche arrière. La marche arrière est assurée par la machine électrique secondaire ME2 seule, en fermant le troisième coupleur C3, qui la couple à la boîte de vitesses 10 4. Le sens de rotation de la machine électrique ME2 est inversé. Le coupleur C2 assure la descente du mouvement sur le rapport R1, lorsqu'il est placé à droite comme sur la figure 2K. En le plaçant à gauche, la descente serait sur le rapport R2. 15 Enfin, sur la figure 2L, les deux machines électriques ME1 et ME2 peuvent se cumuler en marche arrière en fermant les deux coupleurs C2 et C3. Ce mode de fonctionnement convient notamment pour effectuer des marche-arrière en forte pente. 20 Les avantages du GMP proposé et de sa boîte de vitesses, ainsi que de son fonctionnement, sont nombreux. Parmi ceux-ci, il faut souligner la très grande flexibilité d'utilisation, qui permet de proposer un véhicule électrique puissant, avec une autonomie importante. 25 L'utilisation simultanée ou découplée des trois sources motrices, offre en effet de nombreuses possibilités de fonctionnement. On peut notamment : cumuler la puissance des trois moteurs et proposer un véhicule sportif et puissant, 30 rouler en mode électrique, standard ou économique, proposer un mode sportif « boost » avec une démultiplication différente entre les deux moteurs électriques, 35 faire de la récupération d'énergie cinétique, recharger les batteries en roulant en mode « range extender », et REVENDICATIONS1. Groupe motopropulseur hybride de véhicule, composé de trois sources motrices (1, 2, 3) reliées par des 5 arbres d'entrée décalés axialement (11, 12, 6) dans une boîte de vitesses (4) à arbres parallèles et à engrenages, munie plusieurs coupleurs (19, 28, 16) permettant d'établir sélectivement le transfert du couple fourni par l'arbre d'entrée de chaque source motrice sur un arbre de sortie 10 commun (7) vers les roues du véhicule, caractérisé en ce que l'un des coupleurs (28) permet d'établir deux rapports de transmission différents entre l'un des arbres d'entrée et l'arbre de sortie commun. 2. Groupe motopropulseur selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que les trois sources motrices (1, 2, 3) sont respectivement une machine électrique principale (1), une machine électrique secondaire (2) et un moteur thermique (3). 3. Groupe motopropulseur selon la revendication 2, 20 caractérisé en ce que la boîte de vitesses (4) comporte un coupleur (19) permettant d'établir la transmission du couple du moteur thermique (3) sur l'arbre d'entrée (6) de la machine électrique secondaire (2). 4. Groupe motopropulseur selon la revendication 2 25 ou 3, caractérisé en ce que la boîte de vitesses comporte un coupleur (28) permettant d'établir la transmission du couple de la machine électrique principale (1) vers l'arbre de sortie commun (7), sur deux rapports de transmission (R1, R2). 30 5. Groupe motopropulseur selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que la boîte de vitesses comporte un coupleur (16) permettant d'établir la transmission du couple de la machine électrique secondaire(2) principale vers l'arbre de sortie commun (7) sur un troisième rapport 35 de transmission (R3). 6. Groupe motopropulseur selon l'une des 3034387 - 12 - revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le couple de la machine électrique principale (1) est renvoyé sur l'arbre de sortie commun (7) par l'intermédiaire d'un pignon double (21, 22), tournant librement sur l'arbre d'entrée (6) de la machine électrique secondaire (2). 7. Groupe motopropulseur selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la boîte de vitesses (4) comporte un arbre intermédiaire (12) de renvoi du mouvement de l'arbre d'entrée (11) du moteur thermique (3) sur l'arbre d'entrée (6) de la machine électrique secondaire (2). 8. Groupe motopropulseur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le mouvement de la première machine électrique (1) est transmis directement à l'arbre de sortie commun (7) par un pignon de renvoi (13) sur un pignon fou (27) du deuxième rapport (R2) tournant autour de l'arbre de sortie (7) de la boîte, ou par l'intermédiaire du pignon double (21, 22) sur le pignon fou (26) du premier rapport (R1). 9. Boîte de vitesses (4) à arbres parallèles et à engrenages pour véhicule comportant trois arbres d'entrée (5, 6, 11) décalés axialement (11, 12, 6) reliés à un arbre de sortie commun (7) en direction des roues du véhicule et plusieurs coupleurs (19, 28, 16) permettant d'établir sélectivement le transfert du couple fourni par l'arbre d'entrée de chaque source motrice sur l'arbre de sortie commun (7), caractérisée en ce que l'un des coupleurs (28) permet d'établir deux rapports de transmission différents entre l'un des arbres d'entrée et l'arbre de sortie commun. 10. Boîte de vitesses (4), selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte un premier coupleur (19) permettant d'établir la transmission du couple du moteur thermique sur l'arbre d'entrée (6) de la machine électrique secondaire (2), un deuxième coupleur (28) permettant d'établir la transmission du couple de la machine électrique principale (1) vers l'arbre de sortie 3034387 - 13 - commun (7), sur deux rapports de transmission (R1, R2), et un troisième coupleur (16) permettant d'établir la transmission du couple de la machine électrique secondaire(2 vers l'arbre de sortie commun (7) sur un 5 troisième rapport de transmission (R3). 11. Boîte de vitesses selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que le couple de la machine électrique principale (1) est renvoyé sur l'arbre de sortie commun (7) par l'intermédiaire d'un pignon double (21, 22), 10 tournant librement sur l'arbre d'entrée (6) de la machine électrique secondaire (2). 12. Boîte de vitesses selon la revendication 9, 10 ou 11, caractérisée en ce qu'elle comporte un arbre intermédiaire (12) de renvoi du mouvement de l'arbre 15 d'entrée (11) du moteur thermique (3) sur l'arbre d'entrée (6) de la machine électrique secondaire (2). 13. Boîte de vitesses selon la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce que le mouvement de la machine électrique principale (1) est transmis directement à 20 l'arbre de sortie commun (7) par un pignon de renvoi (13) sur un pignon (28) fou (27) de deuxième rapport (R2) tournant sur l'arbre de sortie (7) de la boîte, ou par l'intermédiaire du pignon double (21, 22) sur le pignon fou (26) de premier rapport (R1). 25 14. Procédé de commande d'un groupe motopropulseur selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la fermeture d'un coupleur (28) assure le déplacement du véhicule en mode électrique avec la machine électrique principale (1), sur l'un ou l'autre de deux rapports 30 électriques (R1, R2). 15. Procédé de commande d'un groupe motopropulseur selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la fermeture simultanée de deux coupleurs (28, 16) assure le déplacement du véhicule en mode électrique avec la 35 machine électrique principale (1) sur l'un ou l'autre de deux rapports électriques (R1, R2), avec l'appoint de la 3034387 - 14 - machine électrique secondaire. 16. Procédé de commande d'un groupe motopropulseur selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que la fermeture d'un coupleur (19) permet de faire tourner la 5 machine électrique secondaire en générateur (2) avec le moteur thermique (3) , sur l'un des deux rapports électriques (R1, R2), ou à l'arrêt. 17. Procédé de commande d'un groupe motopropulseur selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que 10 la fermeture simultanée des trois coupleurs (19, 28, 16) assure le déplacement du véhicule en mode hybride avec la puissance cumulée des deux machines électriques (1, 2) et du moteur thermique (3). 18. Procédé de commande d'un groupe motopropulseur 15 selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la fermeture simultanée de deux coupleurs (19, 16) permet de déplacer le véhicule en mode thermique sur le troisième rapport (R3) avec ou sans l'appoint de la machins électrique principale (1). 20 19. Procédé de commande selon l'une des revendications 14 à 18, caractérisé en ce que la marche arrière est assurée par la machine électrique secondaire seule (2) en fermant un coupleur (16). 20. Procédé de commande selon la revendication 19, 25 caractérisé en ce que les puissances deux machines électriques se cumulent en marche arrière, en fermant simultanément deux coupleurs (19, 28). 21. Procédé de commande selon l'une des revendications 14 à 20, caractérisé en ce que le véhicule 30 peut se déplacer en mode électrique avec seulement la machine électrique secondaire (2), en fermant seulement un coupleur (16).