Brevet FR3054499A1 — publié le 20180202

Système de propulsion automobile par générateur et batterie électrique DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne de façon générale un système d'architecture de propulsion de véhicule électrique. Elle trouve en particulier avantageusement application pour l'amélioration de l'autonomie des véhicules électriques. ETAT DE LA TECHNIQUE Pour des raisons économiques et écologiques, les véhicules automobiles de type électrique sont vus comme la voie de développement privilégiée 15 des transports individuels. Cependant, même si ce marché s'est considérablement développé et démocratisé ces cinq dernières années, il ne correspond pas au marché attendu une quinzaine d'années auparavant. Ainsi, le frein essentiel au développement du véhicule électrique était et 20 reste, encore aujourd'hui, lié aux faibles performances des batteries. Deux inconvénients notables du véhicule électrique sont liés à son système de stockage d'énergie : d'une part une masse élevée de batterie avec une faible autonomie et, d'autre part, il nécessite une grande puissance électrique de recharge ou longue durée de recharge. En 25 revanche, ses deux principaux atouts sont l'absence de pollution atmosphérique locale et le faible bruit acoustique. Bien que la voiture électrique soit au point dans son aspect mécanique et électronique de commande, le problème de l'autonomie a jusqu'ici grandement pénalisé cette technologie. Cela est dû à la très grande 30 différence de densité énergétique entre l'essence (ou tout autre carburant liquide) et les accumulateurs électriques. Ainsi l'autonomie est rarement de plus de 200 km pour un véhicule électrique, 500 km pour les modèles 10 3054499 2 les plus performants, alors qu'elle dépasse fréquemment 500 km pour les véhicules à essence, voire 1 000 km pour une voiture Diesel. De plus, une fois la batterie épuisée, il faut plusieurs dizaines de minutes pour la recharger (temps pendant lequel le véhicule est indisponible) alors 5 que dans une voiture classique, il ne faut que quelques minutes pour refaire le plein d'essence et pouvoir repartir. Il se pose également la problématique du nombre de prises et sites de recharge suffisant pour permettre une recharge rapide. Une grande part du marché actuel s'est donc tournée vers des solutions 10 de type hybride. Un véhicule hybride désigne l'association moteur thermique et véhicule électrique, permettant de faire appel à deux stockages d'énergie embarqués distincts pour se mouvoir. Au démarrage, c'est souvent le moteur électrique qui assure la mise en mouvement de la voiture, jusqu'à une vitesse de l'ordre de 50 km/h. 15 Lorsqu'une vitesse plus élevée est atteinte ou qu'une accélération forte est demandée, le moteur thermique prend le relais pour remplacer progressivement le moteur électrique. En phase de décélération, de descente ou de freinage, une part de l'énergie cinétique est transformée par le moteur/générateur en électricité pour recharger les batteries 20 permettant ainsi de prolonger l'autonomie. Ce type de motorisation diminue de 10 à 30 % la consommation des véhicules suivant l'utilisation. Cependant par définition, ce type de véhicule hybride fait appel à une alimentation par essence, source de pollution, et n'augmente que de 25 façon modérée l'autonomie de la batterie. Il existe donc un besoin pour proposer un dispositif permettant d'améliorer l'autonomie de manière importante d'un véhicule basée exclusivement sur une alimentation électrique. 30 3054499 3 PRESENTATION DE L'INVENTION Dans ce contexte la présente invention a pour but de présenter de nouveaux moyens permettant de perfectionner l'état de la technique. 5 Ce but est atteint selon la présente invention grâce à un système de propulsion électrique d'un véhicule exclusivement électrique, comprenant : - un générateur électrique ; - un dispositif mécanique d'entrainement du générateur comportant des 10 moyens mécaniques d'engrenage adapté à être entrainé par au moins une roue du véhicule, lesdits moyens d'engrenage étant couplés a un moyen d'entrainement du générateur ; - une batterie électrique adapté à être rechargée par le générateur ; et - au moins une autre roue comprenant un moteur électrique adapté à être 15 alimentée par ledit générateur. Avantageusement mais facultativement, le procédé selon l'invention peut en outre comprendre au moins une des caractéristiques suivantes : - dispositif mécanique d'entrainement du générateur comporte un 20 différentiel ; - le différentiel comporte un arbre primaire comportant un premier pignon et un arbre secondaire avec un axe parallèle au dit arbre primaire et comprenant un second pignon, l'arbre secondaire étant adapté à entrainer l'arbre primaire par contact entre ledit second 25 pignon et ledit premier pignon ; - les moyens mécaniques d'engrenage sont adaptés à être entrainé par au moins une roue avant du véhicule ; - à une vitesse supérieure à 40 km/h, au moins une roue comprenant un moteur électrique est alimentée par le générateur ; 30 - à une vitesse inférieure à 40 km/h, au moins une roue comprenant un moteur électrique est alimentée par la batterie ; 3054499 4 - à une vitesse supérieure à 40 km/h, le surplus d'énergie non nécessaire à l'alimentation d'au moins une roue comprenant un moteur électrique est fourni à la batterie ; - le différentiel est adapté à fournir une vitesse de rotation minimum 5 de 2000 rpm au générateur ; - le différentiel est adapté à fournir une vitesse de rotation maximum de 8000 rpm au générateur ; et - le générateur est adapté pour fournir une puissance de 130 kW en pointe et 70 kW en nominal et une tension de 360V. La présente invention concerne également un véhicule automobile électrique comprenant : - des moyens mécaniques d'engrenage adapté à être entrainé par au moins une roue sans moteur électrique du véhicule ; lesdits moyens 15 d'engrenage étant couplés a un moyen d'entrainement du générateur ; - une batterie électrique alimentée par le générateur ; et - au moins une autre roue comprenant un moteur électrique alimenté par ledit générateur. 20 DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples et non limitatifs et 25 sur lesquels : - la figure 1 représente une architecture d'un bus à haute tension d'un véhicule électrique comprenant des roues à moteurs électriques alimentées par un générateur ou une batterie selon l'invention, 30 - la figure 2 représente une architecture d'un bus à basse tension d'un véhicule électrique comprenant des roues à moteurs électriques alimentées par un générateur ou une batterie selon l'invention, 3054499 5 - la figure 3 représente une architecture d'un bus CAN d'un véhicule électrique comprenant des roues à moteurs électriques alimentées par un générateur ou une batterie selon l'invention, - la figure 4 représente une vue schématique d'un dispositif disposé dans un 5 mécanique d'entrainement d'un générateur compartiment moteur selon l'invention, - les figures 5A, 5B et 5C représentent une dispositif mécanique d'entrainement d'un l'invention, et 10 - la figure 6 représente une vue détaillée d'un générateur selon vue schématique d'un dispositif mécanique d'entrainement d'un générateur relié aux roues avant d'un véhicule selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION On a représenté en figure 1, un système de propulsion électrique pour un véhicule automobile 100. La propulsion est assurée par au moins une roue-moteur 110, disposée de préférence à l'arrière du véhicule 100. La roue-moteur 110 est un ensemble de fonctions intégrées dans la roue et qui comprend, en plus de ses fonctions habituelles, le moteur électrique de traction, un moteur et le système de suspension active électrique qui permet de faire varier la hauteur de la caisse sur une course importante, mais aussi d'incliner la caisse dans les virages pour améliorer la tenue de route, et le système de freinage à ventilation forcée. On connait des roues-moteurs telles que le système Active Wheel mis au point par Michelin ou le In-Wheel Motor par Protean Drive. L'avantage principal d'un tel système est son encombrement réduit et le fait qu'il ne nécessite pas de transmission. 3054499 6 La propulsion du véhicule 100 est assurée par 2 roues-moteur 110 situées préférentiellement à l'arrière du véhicule. Lesdites roues-moteur 110 s'appuient sur une énergie instantanée sous la forme d'un courant fort et de variation très rapide (inférieure à la seconde) issue 5 d'une batterie 120 et d'une énergie de fond fournie par la mécanique et un générateur 130. Les roues-moteurs 110 sont dimensionnées pour fournir les spécifications suivantes : - 70 kW en pointe pendant 30 secondes ; 10 - 30 kW en nominal ; - 900 à 1000 Nm jusqu'à 600 RPM ; - 100 Nm à 1100 RPM ; - vitesse maximale de 1100 RPM. 15 Le générateur 130 est relié à un bus haute tension 150 aux roues- moteurs 110 et à une batterie 120. A partir de 40 km/h, le générateur 130 fourni la puissance suffisante pour alimenter le bus haute tension 150 dont la tension nominale est préférentiellement de 360 V DC. Le générateur 130 peut typiquement 20 fournir cette tension de 360 V DC à partir d'une vitesse de rotation de 2000 RPM. Cette vitesse de rotation est préférentiellement obtenue à partir d'une vitesse de 40 km/h du véhicule. Le véhicule 100 comporte une architecture permettant à la fois de 25 disposer de l'énergie fournie par le générateur 130 et à la fois de l'énergie de la batterie 120. La batterie 120 est typiquement une batterie lithium ion polymère, par exemple d'une capacité de 27 kWh et d'une puissance de 90 kW. La 30 batterie 120 comprend une tension nominale de 360V DC, et alimente les roues-moteurs 110 par des onduleurs 140 qui permettent de fournir des tensions et des courants alternatifs. 3054499 7 Les onduleurs 140 sont par exemple de la référence C0150 de la société TMA. Le bus haute tension 150 permet de connecter la batterie 120 aux onduleurs 140, eux-mêmes reliés aux roues-moteurs 120. Le bus 150 5 connecte également la batterie 120 au service plug 160 destiné au service de secours et de maintenance. Ledit bus 150 est constitué préférentiellement de 2 câbles, 151 et 152 de 35mm2 supportant 170 A en pointe sans échauffement significatif. Le câble 151 est le câble de puissance positif et le câble 152 le câble 10 de puissance négatif. L'impédance entre les 2 câbles 151 et 152 et le châssis du véhicule 100 est préférentiellement de plus de 1 Mohm. Le câble utilisé possède une âme cuivrée, une gaine d'isolation fine, une tresse cuivrée de blindage et une gaine épaisse mais souple comme couche externe. 15 Dans un mode de réalisation, de façon économique, les roues-moteurs 110 et le générateur 130 sont connectés à leur onduleur 140 respectif à l'aide du même câble. Le véhicule 100 comporte un circuit de refroidissement 170 typiquement par liquide eau-glycol dimensionné pour permettre le 20 refroidissement des 2 roues-moteurs 110 et de leur onduleur 140 respectif ainsi que du générateur 130 et de son onduleur 140 (la batterie est refroidie par convection forcée). Préférentiellement ledit circuit 170 fournit un refroidissement avec un débit de 12 I/mn à 0.6 bar. 25 Comme illustré en figure 2, le véhicule 100 comporte un bus basse tension 200. L'ensemble des calculateurs numériques sont connectés ensemble sur le bus basse tension 200, typiquement de 12V DC. La source d'énergie du bus basse tension est par exemple une batterie au 30 plomb 210 de 12V. Ladite batterie210 utilise un convertisseur DC/DC 220 pour se recharger relié à la batterie 120. 3054499 8 Les onduleurs 140 des roues-moteurs 110 et du générateur 130, ainsi que leur contrôleur associé 141 (SVC) sont alimentés sur ce bus basse tension 200. 5 Le système de contrôle (BMS) de la batterie 120 ainsi que le tableau de bord 230 du véhicule et l'organe de contrôle de l'habitacle 240 du véhicule (BSI) sont également connectés au bus basse tension 200. Le câble dudit bus 200 utilisé est un câble standard d'alimentation automobile et doit répondre aux spécifications de besoin en courant 10 des onduleurs 140. Le tableau de bord 230 est constitué par deux écrans latéraux présentant les informations principales, et un petit écran central affichant les informations relatives à l'opération en cours (recharge, vérification sous-ensembles, alarmes, média, ...). 15 Comme illustré en figure 3, le véhicule 100 comporte un bus réseau CAN 300. Le bus CAN 300 comprend le bus CAN Moteur 310 dédié au groupe moteur-roue (CAN MOTEUR), et le bus CAN Habitacle 320 dédié aux calculateurs habitacles (CAN HABITACLE). 20 Le bus CAN 300 est typiquement un bus CAN v2.0B à 500 kbits/sec. Préférentiellement, ledit bus est composé par un câble CAN spécifique équilibré 120 ohms, blindé et souple, à paire torsadée. Le SVC 141 dispose de 2 bus CAN physique. Dans ce sens, il sert de passerelle entre le bus CAN HABITACLE 310 et le bus CAN MOTEUR 25 320. Le SVC 141 gère de façon autonome la propulsion et la génération, et ceci en fonction des données qui lui sont directement rapportées : par exemple, freins, pédale d'accélérateur, vitesse, mesure de couple et de courant, ... 30 Toutefois il peut également prendre en compte des informations indirectes qui lui sont rapportées par un calculateur BSI 330 via le bus CAN HABITACLE 320 (SOC, DTC, mode nominal et mode défaut, mode économie d'énergie, mode sport, ...). 3054499 9 Le calculateur BSI 240 est préférentiellement constitué par un système embarqué de type processeur ARM à faible temps de démarrage et fonctionnant sur un mécanisme de mise en veille à faible 5 consommation (typiquement 50mA sous 12V DC). Le boîtier dudit calculateur 240 est par exemple un boîtier CINCH étanche comportant le coeur CPU ARM et les différents sous-ensembles communicants (Ethernet, CAN, USB, RS232). Le calculateur BSI 240 est en capacité de piloter, tracer et dialoguer sur le bus CAN 10 HABITACLE 320. La figure 4 illustre un dispositif mécanique d'entrainement 400 du générateur 130. Le dispositif d'entrainement est un ensemble mécanique qui est composé d'un différentiel 410 sur lequel est fixé le 15 générateur électrique 130. Ledit générateur 130 est entrainé par le mouvement rotatif de la roue avant gauche ou droite du véhicule 100. Comme illustré en figure 5a, 5b et 5c, en regard d'une disposition conventionnelle d'un moteur dans un véhicule typique, le dispositif 20 mécanique d'entrainement 400 est préférentiellement disposé dans le compartiment moteur sous l'arceau moteur 510. Il comporte un ensemble de pièces mécaniques disposées coaxialement conjointement à un radiateur-ventilateur 520. Le dispositif mécanique d'entrainement 400 comporte à une extrémité 25 un élément de support 401 pour une pièce en matériau souple permettant d'absorber des chocs ou des vibrations entre différentes pièces mécaniques (appelée couramment silent bloc). Cet élément de support est disposé contre une face du générateur 130. Ledit générateur 130 correspond par exemple au modèle AF-130 30 de GKN Land Systems. Le générateur peut comporter une épaisseur de 110mm et un diamètre de 335mm. Sur l'autre face dudit générateur 130, est fixée une flasque 131, la flasque est de section cylindrique préférentiellement de 240mm de 3054499 10 diamètre, et préférentiellement de 50 mm d'épaisseur. La flasque 131 est de section pleine et comporte une section creuse coaxiale au générateur de forme géométrique en forme de couronne. Cette section creuse permet le passage de l'arbre d'entrainement 132 du générateur 5 130 L'arbre de transmission 132 du générateur 130 a préférentiellement un diamètre d'environ 50mm et une longueur d'environ 120mm. L'arbre de transmission 132 comporte des cannelures internes et externes préférentiellement réalisées par brochage. 10 Le générateur 130 est séparé d'un différentiel 550 par une entretoise 570. Ladite entretoise 570 comporte préférentiellement un diamètre de 210 mm, une section cylindrique creuse de diamètre de 200mm et une longueur de 70 mm en regard de l'axe de l'entretoise. Le générateur 130 est engagé par son arbre d'entrainement 132 dans 15 un accouplement 530. Ce dernier permet également l'engagement d'un arbre primaire 540. L'arbre primaire 540 traverse coaxialement une flasque différentielle 551 et un bloc différentiel 552. L'arbre primaire 540 comporte un pignon préférentiellement avec 19 dents. Un arbre secondaire 560 est également engagé à travers la flasque 20 551 et le bloc différentiel 552. L'arbre secondaire 560 comporte une première section proximale du bloc différentiel avec 35 dents et une seconde section distale du bloc différentiel 552 avec 26 dents. L'arbre secondaire 560 comporte un pignon 561, préférentiellement de 37 dents, fixé par frettage. 25 Les pignons 541 et 561 sont des pignons hélicoïdaux avec un entraxe de 84mm. L'arbre primaire 540 et le pignon 541 réalisent un premier engrenage de préférence de diamètre de 60mm. L'arbre secondaire 560 et le pignon 561 réalisent un second engrenage 30 de préférence de diamètre de 114mm. L'arbre primaire 540 et l'arbre secondaire 560 comportent des axes parallèles. Les dents de leurs pignons respectifs sont en contact et définissent donc des engrenages parallèles. 3054499 11 Comme illustré en figure 6, le différentiel 550 est relié par une transmission à cardan 610 aux roues avant 620. La transmission à cardan est reliée à un pignon conique 5 préférentiellement avec 26 dents en contact avec une couronne préférentiellement de 93 dents. Ledit pignon conique est en contact avec le pignon 561 de l'arbre secondaire 560. Ainsi la rotation d'une ou des roues avant(s) entraîne(nt) la transmission du mouvement à l'arbre secondaire 560 en contact par engrenage avec l'arbre primaire 10 540, entraînant ainsi l'arbre d'entrainement du générateur 130 et donc la production d'énergie électrique. Le différentiel 550 permet de fournir un rapport de réduction I= 37*93/16*26 = 6.965. 15 Le générateur 130 pour produire l'énergie nécessaire à l'alimentation des roues-moteurs 110 doit tourner à une vitesse minimum de 2000 Tr/min. Pour des raisons de sécurité, le générateur 130 est également prévu pour tourner à une vitesse maximum de 8000 Tr/min. On considère des roues typiques avec des pneus de 18 pouces 20 possédants un rayon R égal à 0.35m. Pour obtenir une vitesse de rotation minimum du générateur Nm = 2000 Tr/min, avec le rapport du différentiel, on obtient une vitesse de rotation minimum des roues de Np = Nm/I = 287 Tr/min. Ainsi, on obtient une vitesse minimum du véhicule de Vp = Np*R*TT = 10.52 25 m/s soit 37.9 km/h. On considère donc qu'à partir de 40km/h, le générateur 130 est en mesure de fournir l'énergie nécessaire à la propulsion des roues-moteurs 110. En considérant une vitesse maximum du véhicule Vm égale à 150 30 km/h, on obtient une vitesse des roues Nr égale à 1145 Tr/min. La réduction du différentiel permet d'obtenir une vitesse de rotation du générateur 130 de 1145*6.965 = 7975 Tr/min. 3054499 12 Ainsi le rapport du différentiel 550, permet d'obtenir à la vitesse maximum du véhicule, une vitesse de rotation du générateur dans la gamme de fonctionnement dudit générateur. 5 Lorsque l'énergie fournie par le générateur est supérieure à l'énergie nécessaire à l'alimentation des moteurs-roues 110, cette énergie sert également à recharger la batterie 120. Le couple des moteurs-roues servira à répondre aux besoins des fortes 10 accélérations. La consommation de courant sera maximale et les sollicitations pourraient être très brèves (quelques secondes). Les micro-variations d'effort (imperfection de la route, virage, montée brutale, trottoir ...) génèrent des appels de courant avec de fortes variations dans des temps très courts, y compris à basse vitesse. 15 L'architecture du véhicule 100 permet ainsi d'utiliser l'énergie instantanée de la batterie 120 et de l'énergie à forte inertie du générateur 130. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de 20 réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. REVENDICATIONS1. Système de propulsion électrique d'un véhicule exclusivement électrique (100), comprenant : - un générateur électrique (130) ; - un dispositif mécanique d'entrainement (400) du générateur (130) comportant des moyens mécaniques d'engrenage adapté à être entrainé par au moins une roue du véhicule, lesdits moyens d'engrenage étant couplés a un moyen d'entrainement du générateur (130) ; - une batterie électrique (120) adapté à être rechargée par le générateur (130) ; et - au moins une autre roue (110) comprenant un moteur électrique adapté à être alimenté par ledit générateur (130). 2. Système de propulsion électrique selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif mécanique d'entrainement (400) du générateur (130) comporte un différentiel (550). 3. Système de propulsion électrique selon la revendication précédente, dans lequel le différentiel (550) comporte un arbre primaire (540) comportant un premier pignon (541) et un arbre secondaire (560) avec un axe parallèle au dit arbre primaire (540) et comprenant un second pignon (561), l'arbre secondaire (560) étant adapté à entrainer l'arbre primaire (540) par contact entre ledit second pignon (561) et ledit premier pignon (541). 4. Système de propulsion électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens mécaniques d'engrenage sont adaptés à être entrainé par au moins une roue avant du véhicule (100). 5. Système de propulsion électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel à une vitesse supérieure à 40 km/h, au moins une roue (110) comprenant un moteur électrique est alimentée par le générateur (130). 3054499 14 6. Système de propulsion électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel à une vitesse inférieure à 40 km/h, au moins une roue (110) comprenant un moteur électrique est alimentée par la 5 batterie (120). 7. Système de propulsion électrique selon la revendication 5, dans lequel à une vitesse supérieure à 40 km/h, le surplus d'énergie fournie par le générateur (130), non nécessaire à l'alimentation d'au moins une 10 roue (100)comprenant un moteur électrique, est fourni à la batterie (120). 8. Système de propulsion électrique selon la revendication 5, dans lequel le différentiel (550) est adapté à fournir une vitesse de rotation 15 minimum de 2000 rpm au générateur (130). 9. Système de propulsion électrique selon la revendication 5, dans lequel le différentiel (550) est adapté à fournir une vitesse de rotation maximum de 8000 rpm au générateur (130). 20 10. Système de propulsion électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le générateur (130) est adapté pour fournir une puissance de 130 kW en pointe et 70 kW en nominal et une tension de 360V. 25 11. Véhicule automobile électrique (100) comprenant : - des moyens mécaniques d'engrenage adapté à être entrainé par au moins une roue avant du véhicule ; lesdits moyens d'engrenage étant couplés a un moyen d'entrainement du générateur (130) ; 30 - une batterie électrique (120) alimentée par le générateur (130) ; et - au moins une autre roue (110) comprenant un moteur électrique alimenté par ledit générateur (130); et adapté à mettre en oeuvre les revendications 1 à 10.35