Brevet FR3034386A1 — publié le 20161007

- 1 - GROUPE MOTOPROPULSEUR HYBRIDE COMPORTANT DEUX MOTEURS ELECTRIQUES ET UN MOTEUR THERMIQUE NON COAXIAUX 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 de deux coupleurs permettant d'établir sélectivement le transfert du couple fourni par l'arbre d'entrée de chaque 15 source motrice, sur un arbre de sortie commun vers les roues du véhicule. La présente invention a aussi pour objet le procédé de commande de ce groupe motopropulseur (GMP). Elle porte également sur la boîte de vitesses de ce 20 GMP, qui est une boîte de vitesses à arbres parallèles et à engrenages, comportant trois arbres d'entrée décalés axialement, reliés respectivement à trois sources motrices et à un arbre de sortie commun vers les roues du véhicule, et deux coupleurs permettant d'établir sélectivement le 25 transfert du couple 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 moteur 35 principal, et l'autre en génératrice. Ce GMP dispose de deux 3034386 - 2 - rapports à passage sous couple pour la machine électrique et le moteur thermique. Toutefois, le moteur électrique n'est pas déconnectable à haute vitesse, et la génératrice n'est pas utilisable en moteur. Les possibilités d'utilisation pratique de ce GMP sont donc réduites. 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, chacun des deux coupleurs permet d'établir deux rapports de transmission différents, entre un des arbres d'entrée et l'arbre de sortie commun. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les trois sources motrices sont respectivement une machine électrique principale, une machine électrique secondaire, et un moteur thermique. La boîte de vitesses comporte : un premier coupleur permettant d'établir la 20 transmission du couple d'un premier arbre d'entrée sur l'arbre de sortie commun sur deux rapports de transmission, et un deuxième coupleur permettant d'établir la transmission du couple d'un deuxième arbre d'entrée vers 25 l'arbre de sortie commun, sur deux rapports de transmission. La boîte de vitesses comporte un pignon double tournant librement autour du troisième arbre d'entrée, pour envoyer le couple des deux premiers arbres d'entrée sur l'arbre de sortie commun. 30 L'ouverture des deux coupleurs, permet au véhicule de se déplacer avec seulement la machine électrique principale. L'appoint de la machine électrique secondaire est obtenu sur deux rapports électriques, en fermant un coupleur. La fermeture simultanée des deux coupleurs, permet 35 le déplacement du véhicule avec le cumul des deux machines 3034386 - 3 - électriques sur quatre modes de transmission hybrides, définis par les rapports de transmission thermique et hybrides. Ces mesures permettent de proposer à la fois une 5 puissance globale importante par l'utilisation simultanée des trois sources motrices, ainsi que de nombreuses configurations de fonctionnement, telles que la recharge des batteries en roulage ou à l'arrêt, un mode « refuge », avec uniquement le moteur thermique, ou bien des modes hybrides 10 « boost », où la puissance du moteur thermique se cumule à celle des deux machines électriques. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins 15 annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma d'architecture du GMP proposé, - les figures 2A à 2C illustrent trois modes électriques en marche avant, - les figures 3A et 3B illustrent deux modes électriques en marche arrière, - les figures 4A à 4D illustrent quatre modes hybrides, - les figures 5A à 5D illustrent quatre modes de 25 recharge de batteries, et - les figures 6A à 6D illustrent quatre autres modes hybrides, avec le moteur thermique en prise directe. Le GMP représenté schématiquement sur les figures, est composé de trois sources motrices 1, 2, 3 reliées par 30 des arbres d'entrée décalés axialement 11, 12, 6 dans une boîte de vitesses 4 à arbres parallèles et à engrenages. Cette boîte possède deux coupleurs 24 (Cl), 26 (C2), permettant d'établir sélectivement le transfert du couple fourni par l'arbre d'entrée de chaque source motrice, sur un 35 arbre de sortie commun 7 vers les roues du véhicule. Dans le mode de réalisation non limitatif de l'invention, illustré par les figures, les trois sources motrices sont respectivement une machine électrique principale ME1, une 3034386 - 4 - machine électrique secondaire ME2, et un moteur thermique 3. Leurs couples sont réunis dans la boîte 4. Leurs trois arbres d'entrée sont décalés axialement les uns par rapport aux autres, et reliés à l'arbre de sortie commun 7. 5 La boîte de vitesses 4 présente ainsi un arbre d'entrée 5 pour la machine électrique principale 1 (ME1), un arbre d'entrée 6, pour la machine électrique secondaire 2 (ME2) et un arbre d'entrée 11 pour le moteur thermique 3. L'arbre de sortie commun, ou arbre secondaire 7, entraîne la 10 couronne 8 d'un différentiel 9 relié aux roues du véhicule. L'arbre entrée 11 du moteur thermique n'est pas concentrique aux arbres d'entrée 5, 6 des machines électriques. Le couple du moteur thermique 3 est envoyé sur l'arbre de sortie commun 7 par l'intermédiaire d'un pignon double 13, 14, 15 tournant librement sur l'arbre d'entrée 5 de la machine électrique principale ME1, dont le couple est transmis en permanence à l'arbre de sortie commun 7 par un pignon fixe 12 de son arbre d'entrée 5, en prise avec un pignon fixe 21 de l'arbre 7. 20 L'arbre d'entrée 5 de la machine électrique principale ME1 porte, de la gauche vers la droite des schémas, le pignon fixe 12 de descente sur l'arbre secondaire 7, et le pignon double 13, 14, monté sur des aiguilles en libre en rotation. L'arbre d'entrée 6 de la machine électrique secondaire ME2, porte un seul pignon fixe 16 de renvoi sur l'arbre de sortie 7. L'arbre d'entrée 11 du moteur thermique porte deux pignons fous 17, 18, de rapport R1 et R2, engrenant respectivement avec chacune des dentures 13, 14, du pignon double 13, 14 sur les « rapports thermiques » R1 et R2. L'arbre de sortie commun 7 vers les roues du véhicule porte de la gauche vers la droite des schémas, un pignon d'attaque 19 sur la couronne de différentiel 8, un pignon fixe de ligne secondaire 21 en prise avec le pignon fixe 12 de l'arbre d'entrée 5 de la machine électrique principale ME1, et deux pignons fous 22, 23 de rapport de transmission électrique r1 et r2, engrenant respectivement avec chacune des dentures 13, 14, du pignon 3034386 - 5 - double 13, 14 sur les « rapports électriques » ri et r2. La boîte 4 ne comporte donc que deux coupleurs Cl, C2. Le premier coupleur Cl établit la transmission du couple du moteur thermique 3 sur l'arbre de sortie commun 7 sur les 5 deux rapports de transmission thermiques R1, R2. Le deuxième coupleur C2 établit la transmission du couple de la machine électrique secondaire ME2 vers l'arbre de sortie commun 7, sur deux rapports de transmission électriques ri, r2. Les deux pignons fous 17, 18 de l'arbre d'entrée 10 thermique 11 sont associés au premier coupleur 24 (C1) par exemple un coupleur à baladeur, qui lie en rotation l'un ou l'autre d'entre eux à leur arbre, lorsque son baladeur est écarté vers la gauche ou vers la droite à partir de sa position centrale. Les deux pignons fous 23, 26 de l'arbre 15 de sortie 7 sont associés au deuxième coupleur 26 (C2), par exemple à baladeur qui lie l'un ou l'autre de ces pignons sur leur arbre 7, lorsqu'il est déplacé vers la gauche ou vers la droite, à l'écart de sa position centrale. En résumé, la boîte 4 comporte deux coupleurs, de 20 préférence à baladeur, Cl et C2. le premier coupleur Cl permet d'établir la transmission du couple du moteur thermique sur l'arbre d'entrée 6 de la machine électrique principale ME1, sur l'un ou l'autre de deux « rapports thermiques » R1, R2, 25 le deuxième coupleur C2 permet d'établir la transmission du couple de la machine électrique secondaire 2 sur l'un ou l'autre des « rapports électriques » ri, r2. Le couple de l'arbre d'entrée 11, descend sur le pignon double 13, 14 par l'un ou l'autre des deux pignons 30 fous 17, 18 selon la position du premier coupleur Cl. Le couple de l'arbre d'entrée 6 est transmis sur l'arbre de sortie commun 7 par l'engrenage de pignons 16, 22, ou par l'intermédiaire du pignon double 13, 14 selon la position du deuxième coupleur C2. 35 Les modes de fonctionnement illustrés par les figures 3034386 - 6 - 2A à 3B sont purement électriques. Sur la figure 2A, les deux coupleurs Cl, C2 sont ouverts. Le véhicule peut se déplacer avec seulement la machine électrique principale ME1, en prise directe. La fermeture du deuxième coupleur C2 5 autorise l'appoint de la machine électrique secondaire ME2 sur le premier rapport électrique ri, lorsque son baladeur se déplace vers la droite (figure 2B), ou sur le deuxième rapport électrique r2, lorsqu'il se déplace vers la gauche (figure 2C). Le véhicule se déplace alors en mode 10 électrique avec la machine électrique principale ME1 et l'appoint de la machine électrique secondaire ME2 sur le rapport électrique ri ou r2. La marche arrière est obtenue en inversant le sens de rotation de la machine électrique principale ME1, avec les 15 deux coupleurs ouverts (figure 3A). En cas de forte pente, l'appoint de la machine secondaire ME2 peut être requis. Il suffit de déplacer le deuxième coupleur vers la droite ou vers la gauche, et de faire tourner la machine ME2 à l'envers, comme la machine principale ME1. En plaçant le 20 baladeur du deuxième coupleur à droite, comme sur la figure 3B, le véhicule peut bénéficier, en marche arrière, de l'appoint de la machine secondaire ME2, sur le rapport électrique ri. En déplaçant le baladeur vers la gauche (disposition non illustrée par les figures), la machine ME2 25 fournirait son appoint en marche arrière, sur le rapport r2. Les quatre figures suivantes décrivent des modes de fonctionnement hybrides, où les couples des trois sources motrices se cumulent, selon les positions des deux coupleurs Cl et C2. Le couple du moteur thermique s'ajoute à celui de 30 la machine électrique principale ME1 en descendant sur le pignon double 13, 14, sur le rapport R1 par le pignon 18. Celui de la machine électrique additionnelle ME2 transite par le pignon 22 sur le rapport ri. En résumé, la fermeture simultanée des deux coupleurs Cl, C2 permet le déplacement 35 du véhicule avec le cumul des deux machine électriques 1, 2 sur quatre modes de transmission hybrides définis par les rapports de transmission thermique et hybrides : R1, ri ; 3034386 - 7 - R1, r2 ; R2, ri ; R2, r2. Sur la figure 4B, le coupleur Cl est passé à gauche. Le GMP cumule le couple de la machine électrique principale ME1, celui du moteur thermique sur le rapport R2 par le 5 pignon 17, et celui de la machine électrique additionnelle ME2 sur le rapport ri. Sur la figure 4C, le coupleur Cl est à gauche, et le coupleur C2 est à gauche. Le GMP cumule le couple de la machine électrique principale ME1, celui du moteur thermique sur le rapport R2 par le pignon 17, et 10 celui de la machine électrique additionnelle ME2 sur le rapport r2. Sur la figure 4D, le coupleur Cl est à gauche et le coupleur C2 est à gauche. Le GMP cumule le couple de la machine électrique principale ME1, celui du moteur thermique sur le rapport R2 par le pignon 17, et celui de la machine 15 électrique additionnelle sur le rapport r2 par le pignon 18. Les figures 5A à 5D illustrent des modes de fonctionnement de prolongation d'autonomie, dits « range extender » où le moteur thermique fait tourner la machine électrique secondaire ME2 en générateur, en vue de charger 20 les batteries du véhicule, avec le premier coupleur fermé. Sur les figures 5A et 5B, le véhicule se déplace grâce à la machine électrique principale ME1. Il est à l'arrêt sur les figures 5C et 5D. Sur les figures 5A et 5C, le coupleur Cl est à droite. Le couple de l'arbre d'entrée 6 de la machine 25 ME2 descend par les pignons 18, 14, 13, 23 et 16. Le moteur thermique entraîne la machine électrique sur le rapport Ri. Sur les figures 5B et 5D, Cl est à gauche. Le couple descend sur l'arbre 6 par les pignons 17, 13, 23 et 16. Le moteur thermique entraîne la machine ME2 sur le rapport R2. 30 Les figures 6A à 6D illustrent quatre autres modes de fonctionnement hybrides, avec le moteur thermique en prise directe, et la machine électrique principale ME1. Ces modes sont particulièrement adaptés aux déplacements à vitesse stabilisée. Sur la figure 6A, le coupleur Cl est craboté sur 35 le rapport R1 (pignon 18) et le coupleur C2 sur le rapport ri (pignon 22). Sur la figure 6B, le coupleur Cl est craboté sur le rapport R2 (pignon 17), et le coupleur C2 sur 3034386 - 8 - le rapport ri (pignon 22). Sur la figure 6C le coupleur Cl est craboté sur le rapport R2 (pignon 17) et le coupleur C2 sur le rapport r2 (pignon 21). Sur la figure 6D, le coupleur Cl est craboté sur le rapport R1 (pignon 18), et le 5 coupleur C2 sur le rapport r2 (pignon 21). La fermeture simultanée des deux coupleurs Cl, C2 permet ainsi de déplacer le véhicule en cumulant la machine électrique principale ME1 et le moteur thermique 3, sur quatre modes de transmission hybrides définis par les rapports de 10 transmission thermique et hybrides : R1, ri ; R1, r2 ; R2, ri ; R2, r2. 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 15 d'utilisation, qui permet de proposer un véhicule électrique puissant, avec une autonomie importante. On peut notamment : cumuler la puissance des trois moteurs et proposer un véhicule sportif et puissant, 20 rouler en mode électrique, standard ou économique, - proposer un mode sportif « boost » avec une démultiplication différente entre les deux moteurs électriques, 25 faire de la récupération d'énergie cinétique, recharger les batteries en roulant en mode « range extender », et - rouler en mode « refuge », avec uniquement le moteur thermique. 30 Enfin, le GMP effectue ses passages de rapports sans rupture de couple, car la machine électrique principale reste en prise constante durant les passages de rapports des différents modes. Par ailleurs, l'architecture de boîte présente l'avantage de n'avoir que deux coupleurs à 35 baladeur, pour un grand nombre de modes d'utilisation et de combinaisons possibles, notamment deux rapports de transmission pour le moteur thermiques et pour la machine 3034386 - 9 - électrique secondaire, un « mode extender », positionné sur le rendement optimal, et un rapport traction en mode thermique positionné sur la puissance maximale du moteur. 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 de deux coupleurs (24, 26) 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 chacun des deux coupleurs permet d'établir deux rapports de transmission différents entre 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 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 le premier coupleur (24) établit la transmission du couple du moteur thermique (3) sur l'arbre de sortie commun (7) sur deux rapports de transmission (R1, R2). 4. Groupe motopropulseur selon la revendication 2 25 ou 3, caractérisé en ce que le deuxième coupleur (26) établit la transmission du couple de la machine électrique secondaire (7) vers l'arbre de sortie commun (7), sur deux rapports de transmission (r1, r2). 5. Groupe motopropulseur selon l'une des 30 revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le couple du moteur thermique (3) est envoyé sur l'arbre de sortie commun (7) par l'intermédiaire d'un pignon double (13, 14), tournant librement sur l'arbre d'entrée (5) de la machine électrique principale (1). 35 6. Groupe motopropulseur selon la revendication 2 à 5, caractérisé en ce que le couple de la machine électrique 3034386 principale (1) est transmis en permanence à l'arbre de sortie commun (7) par un pignon fixe (12) de son arbre d'entrée 5, en prise avec un pignon fixe (21) de l'arbre de sortie commun (7). 7. Boîte de vitesses (4) à arbres parallèles et engrenages, comportant trois arbres d'entrée (5, 6, 11) décalés axialement, reliés respectivement à trois sources motrices (1, 2, 3) et à un arbre de sortie commun vers les roues du véhicule, et deux coupleurs (19, 28, 16) permettant d'établir sélectivement le transfert du couple fourni par l'arbre d'entrée de chaque source motrice l'arbre de sortie commun (7), caractérisée en ce qu'elle comporte : un premier coupleur (24) permettant d'établir la transmission du couple d'un premier arbre d'entrée (11) sur 15 l'arbre de sortie commun (7) sur deux rapports de transmission (R1, R2), et un deuxième coupleur (26) permettant d'établir la transmission du couple d'un deuxième arbre d'entrée (6) vers l'arbre de sortie commun (7), sur deux rapports de 20 transmission (r1, r2). 8. Boîte de vitesses selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un pignon double (13, 14) tournant librement autour du troisième arbre d'entrée (5) pour envoyer le couple des deux premiers arbres d'entrée 25 (11, 6) sur l'arbre de sortie commun (7). 9. Boîte de vitesses selon la revendication 8, caractérisée en ce que le couple du premier arbre d'entrée (11) descend sur le pignon double (13, 14) par l'un ou l'autre de deux pignons fous (17, 18) selon la position du 30 premier coupleur (24). 10. Boîte de vitesses selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que le couple du deuxième arbre d'entrée est transmis sur l'arbre de sortie commun 7 par un engrenage (16, 22), ou par l'intermédiaire du pignon double (13, 14) 35 selon la position du deuxième coupleur (26). 11. Procédé de commande d'un groupe motopropulseur 3034386 - 12 - selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que l'ouverture des deux coupleurs (24, 26), permet de déplacer le véhicule avec seulement la machine électrique principale (1). 5 12. Procédé de commande d'un groupe motopropulseur selon la revendication 11, caractérisé en ce que la fermeture du deuxième coupleur (26) assure le déplacement du véhicule en mode électrique avec la machine électrique principale (1) et l'appoint de la machine électrique 10 secondaire (2) sur le rapport électrique (r1) ou (r2). 13. Procédé de commande d'un groupe motopropulseur selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que la fermeture simultanée des deux coupleurs (24, 26) permet le déplacement du véhicule avec le cumul des deux machine électriques (1, 2) sur quatre modes de transmission hybrides définis par les rapports de transmission thermique et hybrides (R1, r1), (R1, r2), (R2, r1), (R2, r2). 14. Procédé de commande d'un groupe motopropulseur selon la revendication 11, 12 ou 13, caractérisé en ce que la fermeture du premier coupleur permet au moteur thermique (3) de faire tourner la machine électrique secondaire (2) en générateur, pour recharger les batteries du véhicule, en roulage et à l'arrêt. 15. Procédé de commande d'un groupe motopropulseur selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que la fermeture simultanée des deux coupleurs (C1, C2) permet le déplacement du véhicule avec le cumul de la machine électrique principale (1) et du moteur thermique (3) sur quatre modes de transmission hybrides définis par les rapports de transmission thermique et hybrides(R1, r1), (R1, r2), (R2, r1), (R2, r2).