Brevet FR3075703A1 — publié le 20190628

"Ensemble de transformation d'énergie électrique en énergie mécanique pour l'entraînement d'un véhicule automobile" DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne un ensemble de transformation d'énergie électrique en énergie mécanique, ou inversement, pour l'entraînement d'un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un ensemble 10 comportant deux machines électriques qui coopèrent avec un organe mécanique récepteur appartenant à la transmission d'un véhicule automobile. Chaque machine électrique est utilisée en moteur électrique de propulsion, mais elle peut aussi être utilisée en 15 génératrice de courant pour récupérer de l'énergie, par exemple durant des phases de freinage du véhicule. ARRIERE PLAN TECHNIQUE DE L'INVENTION 20 Dans le domaine des véhicules à motorisation électrique ou hybride, il est souhaitable de pouvoir disposer d'une transmission de puissance aux roues dont l'efficacité soit optimale. Pour une puissance donnée, l'utilisation d'un ratio de 25 transmission faible augmente la charge du moteur électrique et diminue le régime d'entrée en permettant ainsi d'atteindre des points de meilleur rendement. L'agrément de conduite pousse à utiliser des rapports élevés de transmission pour démultiplier le couple disponible à la 30 roue et pour augmenter la capacité d'accélération du véhicule, mais de tels rapports élevés de transmission font fonctionner le moteur et la transmission vers des points de plus faible rendement. 2 Il est ainsi souhaitable de pouvoir utiliser et associer deux moteurs électriques possédant des rapports différents de transmission - un faible et un élevé - afin de conserver les avantages mentionnés ci-dessus pour chacun des moteurs 5 électriques, tout en cumulant les couples et les puissances fournis par les deux moteurs, et avec un rendement global le plus élevé d'un tel ensemble à deux moteurs électriques. On connaît des ensembles du type mentionné précédemment, tel que par exemple décrit et représenté dans le lo document EP-1.445.855, qui comporte deux machines électriques distinctes qui sont accouplées l'une à l'autre au moyen d'une transmission mécanique intermédiaire conçue sous la forme d'un différentiel mécanique auquel sont reliés les arbres de sortie de chacune des machines électriques et dont l'arbre de sortie de ce 15 différentiel entraîne la transmission du véhicule. Une telle conception est complexe, lourde et coûteuse et d'un rendement insuffisant. De plus, le train épicycloïdal utilisé dans cette conception ne permet de faire varier les puissances des machines que par 20 les vitesses, c'est-à-dire que la répartition de couple(s) résulte du ratio de transmission du train épicycloïdal. Le couple est donc imposé à chaque machine et seule sa vitesse est variable On connaît aussi d'autres conceptions selon lesquelles les deux machines électriques sont accouplées à une transmission du 25 type à variation continue du rapport de transmission dite CVT (Continuous Variable Transmission). Ici encore le rendement global d'une telle transmission CVT est insuffisant. L'invention vise notamment à optimiser l'utilisation de 30 chacune des deux machines électriques, qu'elles soient du type synchrone ou asynchrone, en bénéficiant d'un couple variable disponible. 3 BREF RESUME DE L'INVENTION L'invention propose un ensemble de transformation d'énergie électrique en énergie mécanique, ou inversement, pour 5 l'entraînement d'un véhicule automobile, comportant : - une roue réceptrice dentée portée par un arbre appartenant à la transmission mécanique du véhicule ; - une première machine électrique dont un premier arbre porte un premier pignon qui engrène directement, ou indirectement, avec la roue réceptrice ; - une deuxième machine électrique dont un deuxième arbre, parallèle au premier arbre, porte un deuxième pignon ; - et un arbre qui porte : -- une roue intermédiaire dentée qui engrène directement avec le deuxième pignon ; -- et un pignon qui engrène directement avec la roue du différentiel. Selon d'autres caractéristiques de l'ensemble : - la roue intermédiaire est portée par le premier arbre ; - la roue intermédiaire est portée par un arbre intermédiaire parallèle au premier arbre ; - l'ensemble comporte des moyens de désaccouplement de la deuxième machine électrique ; - l'ensemble comporte des moyens de désaccouplement de la première machine électrique ; - ces moyens de désaccouplement comportent un dispositif commandé d'embrayage ou d'accouplement ; - la roue réceptrice appartient à un différentiel de transmission mécanique ; - le ratio de transmission entre la première machine électrique et la roue réceptrice est inférieur au ratio de transmission entre la deuxième machine électrique et la roue réceptrice ; 4 - le ratio de transmission entre la première machine électrique et la roue réceptrice est compris entre un tiers et deux tiers du ratio de transmission entre la deuxième machine électrique et la roue réceptrice ; 5 - le ratio de transmission entre la première machine électrique et la roue réceptrice est égal à quatre ; - chaque pignon ou roue est lié(e) en rotation à l'arbre qui le ou la porte. 10 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux 15 dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective qui illustre un premier mode de réalisation d'un ensemble selon l'invention comportant deux moteurs électriques d'arbres parallèles et qui sont agencés "tête bêche" ; 20 - la figure 2 est une représentation schématique illustrant la coopération des pignons de sortie des deux machines électrique et de la roue réceptrice d'entrée de la transmission du véhicule de l'ensemble de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 1 qui 25 illustre un deuxième mode de réalisation d'un ensemble selon l'invention comportant deux moteurs électriques d'arbres parallèles et qui sont agencés adjacents l'un à l'autre ; - la figure 4 est une représentation schématique illustrant la coopération des pignons de sortie des deux machines 30 électrique et de la roue réceptrice d'entrée de la transmission du véhicule de l'ensemble de la figure 3 ; - la figure 5 est un diagramme illustrant des rendements comparés ; 5 - la figure 6 est un diagramme illustrant la capacité théorique d'accélération du véhicule entraîné par la première machine électrique ; - la figure 7 est un diagramme illustrant la capacité 5 théorique d'accélération du véhicule entraîné par la deuxième machine électrique ; - la figure 8 est un diagramme illustrant la capacité théorique d'accélération du véhicule entraîné par les deux machines électriques ; 10 - la figure 9 est un diagramme illustrant l'écart en besoin de puissance entre un ensemble à deux machines électriques motrices selon l'invention, et un groupe motopropulseur à un seul moteur électrique. 15 DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES Dans la suite de la description, des éléments présentant une structure identique ou des fonctions analogues seront désignés par des mêmes références. 20 PREMIER MODE DE REALISATION On a représenté à la figure 1 une première machine électrique M1 qui peut notamment fonctionner en moteur 25 électrique et dont l'arbre de sortie Al porte et entraîne en rotation un premier pignon denté de sortie Pl. On a aussi représenté une deuxième machine électrique M2 qui peut notamment fonctionner en moteur électrique et dont l'arbre de sortie A2 porte et entraîne en rotation un deuxième 30 pignon denté de sortie P2. Les axes de rotation des arbres de sortie Al et A2 des deux machines électriques M1 et M2 sont parallèles et décalés latéralement l'un par rapport à l'autre, et les corps des deux 6 machines électriques sont axialement "opposés", c'est à dire que les machines électriques sont agencées "tête-bêche". On a encore représenté une roue réceptrice RO sous la forme d'une couronne dentée qui est la roue d'entrée de 5 puissance d'une transmission d'un véhicule automobile qui est portée et liée en rotation à un arbre AO appartenant à la transmission mécanique du véhicule. A titre d'exemple non limitatif, la roue réceptrice RO peut par exemple appartenir au différentiel de la transmission du lo véhicule. L'axe de rotation de l'arbre de transmission AO et de la roue réceptrice RO est parallèle aux axes de rotation des premier et deuxième arbres de sortie Al et A2 et est décalé latéralement par rapport à ceux-ci. 15 Le premier pignon P1 porté par le premier arbre de sortie Al engrène ici directement et de façon permanente avec la roue réceptrice RO. La transmission de puissance et de couple à partir de la première machine M1 est donc la suivante : 20 P1 -> RO. Dans ce premier mode de réalisation, le premier arbre de sortie Al porte et entraîne en rotation une roue intermédiaire dentée R3 de démultiplication. Le deuxième pignon P2 porté par le deuxième arbre de 25 transmission A2 engrène indirectement avec la roue réceptrice RO, par l'intermédiaire de la roue intermédiaire dentée R3. A cet effet, le deuxième pignon P2 porté par le deuxième arbre de transmission A2 engrène directement avec la roue intermédiaire R3 dont la rotation est transmise au premier arbre 30 de sortie Al dont le premier pignon de sortie P1 engrène avec la roue réceptrice RO. Autrement dit, le premier arbre de sortie Al fait fonction "d'arbre secondaire" pour la deuxième machine électrique M2. 7 La transmission de puissance et de couple à partir de la deuxième machine M2 est donc la suivante : P2 -> R3 -> P1 -> RO. Comme représenté schématiquement à la figure 1, on peut 5 prévoir un dispositif commandé E d'embrayage ou d'accouplement permettant d'interrompre la liaison en rotation entre la roue intermédiaire A3 et le premier arbre Al pour « désaccoupler » ainsi la deuxième machine électrique M2, de façon par exemple à entraîner ou non le rotor de la deuxième machine électrique M2 10 lorsque la première machine électrique M1 est la seule utilisée en moteur et ainsi de façon à utiliser ou non la deuxième machine électrique M2 en génératrice. Le débrayage ou désaccouplement peut aussi permettre de ne pas avoir à vaincre les frottements dus à la seconde machine 15 électrique M2 tournant « à vide », ni son inertie lors des phases de roulage en faible dynamique ou stabilisé. A titre de variante, un dispositif commandé d'embrayage ou d'accouplement peut aussi, comme dans le premier mode de réalisation, permettre de commander la liaison en rotation du 20 deuxième pignon P2 avec le deuxième arbre A2. A titre de variante non représentée, on peut aussi prévoir un dispositif commandé d'embrayage ou d'accouplement permettant d'interrompre la liaison en rotation entre le premier pignon P1 et le premier arbre Al pour « désaccoupler » ainsi la 25 première machine électrique Ml, de façon par exemple à entraîner ou non le rotor de la première machine électrique M1 lorsque la deuxième machine électrique M2 est la seule utilisée en moteur et ainsi de façon à utiliser ou non la première machine électrique M1 en génératrice. 30 8 DEUXIEME MODE DE REALISATION On a représenté à la figure 3 une première machine électrique MI qui peut notamment fonctionner en moteur 5 électrique et dont l'arbre de sortie Al porte et entraîne en rotation un premier pignon denté de sortie Pl. On a aussi représenté une deuxième machine électrique M2 qui peut notamment fonctionner en moteur électrique et dont l'arbre de sortie A2 porte et entraîne en rotation un deuxième lo pignon denté de sortie P2. Les axes de rotation des arbres de sortie Al et A2 des deux machines électriques MI et M2 sont parallèles et décalés latéralement l'un par rapport à l'autre, et les corps des deux machines électriques sont ici adjacents. 15 On a encore représenté une roue réceptrice RO sous la forme d'une couronne dentée qui est la roue d'entrée de puissance d'une transmission d'un véhicule automobile qui est portée et liée en rotation à un arbre AO appartenant à la transmission mécanique du véhicule. 20 L'axe de rotation de l'arbre de transmission AO et de la roue réceptrice RO est parallèle aux axes de rotation des premier et deuxième arbres de sortie Al et A2 et est décalé latéralement par rapport à ceux-ci. Le premier pignon PI porté par le premier arbre de sortie 25 Al engrène ici directement et de façon permanente avec la roue réceptrice RO. La transmission de puissance et de couple à partir de la première machine MI est donc la suivante : PI -> RO. 30 Le deuxième pignon P2 porté par le deuxième arbre de transmission A2 engrène indirectement avec la roue réceptrice RO, notamment par l'intermédiaire d'une roue intermédiaire dentée R3 de démultiplication. 9 Dans ce deuxième mode de réalisation, la roue intermédiaire dentée R3 de démultiplication est portée par un arbre intermédiaire A3 auquel elle est liée en rotation. L'axe de rotation de l'arbre intermédiaire A3 est parallèle 5 aux axes de rotation des premier et deuxième arbres de sortie Al et A2 et est décalé latéralement par rapport à ceux-ci. L'arbre intermédiaire A3 porte aussi un pignon intermédiaire P3 auquel il est lié en rotation et qui engrène directement avec la roue réceptrice RO. 10 L'arbre intermédiaire A3 fait ainsi fonction "d'arbre secondaire" pour la deuxième machine électrique M2. La transmission de puissance et de couple à partir de la deuxième machine M2 est donc la suivante : P2 -> R3 -> P3 -> RO 15 Comme dans le premier mode de réalisation, l'arbre secondaire A3 peut comporter un dispositif commandé d'embrayage ou d'accouplement permettant de « désaccoupler » la deuxième machine électrique M2, de façon par exemple à entraîner ou non le rotor de la deuxième machine électrique M2 20 lorsque la première machine électrique MI est la seule utilisée en moteur et ainsi de façon à utiliser ou non la deuxième machine électrique M2 en génératrice. Le débrayage ou désaccouplement peut aussi permettre de ne pas avoir à vaincre les frottements dus à la seconde machine 25 électrique M2 tournant « à vide », ni son inertie lors des phases de roulage en faible dynamique ou stabilisé. A titre de variante, un dispositif commandé d'embrayage ou d'accouplement peut aussi, comme dans le premier mode de réalisation, permettre de commander la liaison en rotation du 30 deuxième pignon P2 avec le deuxième arbre A2. A titre de variante non représentée, on peut aussi prévoir un dispositif commandé d'embrayage ou d'accouplement permettant d'interrompre la liaison en rotation entre le premier 10 pignon P1 et le premier arbre Al pour « désaccoupler » ainsi la première machine électrique Ml, de façon par exemple à entraîner ou non le rotor de la première machine électrique M1 lorsque la deuxième machine électrique M2 est la seule utilisée 5 en moteur et ainsi de façon à utiliser ou non la première machine électrique M1 en génératrice. A titre d'exemple non limitatif et quel que soit le mode de réalisation, le rapport d'engrènement ri de la première machine électrique M1 est petit, par exemple égal à 4, tandis que le 10 rapport d'engrènement r2 de la deuxième machine électrique est grand et par exemple égal à 12, soit le triple de ri. En variante et à titre non limitatif, ce rapport des ratios r2/r1 est compris entre 1, 5 et 3, notamment en fonction des machines électriques et du véhicule concerné. 15 L'utilisation en moteur de la seule première machine électrique M1 avec son petit ratio ri d'engrènement est optimale pour les vitesses stabilisées et les accélérations modérées du véhicule. Cette utilisation en faible vitesse et fort couple d'entrée du réducteur permet de faire travailler la première machine 20 électrique M1 et le réducteur sur des points de fort rendement en diminuant de ce fait les pertes et en réduisant donc la consommation énergétique. L'utilisation en moteur de la deuxième machine électrique M2 avec son grand ratio r2 d'engrènement est optimale pour les 25 accélérations moyennes et fortes du véhicule, tout en cumulant les couples et les puissances des deux machines électriques. Les agencements qui viennent d'être décrits permettent d'optimiser l'utilisation de la puissance et du couple pouvant être fournis par chacune des machines électriques appartenant au 30 groupe motopropulseur du véhicule, et permettent de « typer » le fonctionnement afin d'en maximiser la prestation offerte au conducteur du véhicule et en optimisant la consommation. 11 Ils sont aussi très simples car ils permettent un grand choix de ratios de transmission avec un nombre réduit de pignons et de couronnes dentés en prise. A la figure 5 dont le diagramme illustre plusieurs courbes 5 Cl, C2 et C3 de rendement en fonction de la vitesse d'un véhicule à propulsion électrique, on peut voir le rendement (Courbe Cl) lorsque seule la première machine électrique M1 est utilisée (r1=4) et le rendement (Courbe C2) lorsque seule la deuxième machine électrique M2 (r2=12), et on peut comparer ces 10 rendements à celui (Courbe C3) obtenu sur un véhicule électrique à ratio unique de transmission. A la figure 6 dont la courbe représente l'accélération du véhicule électrique lorsqu'il est entrainé par la seule première machine électrique M1 en fonction de la vitesse du véhicule, on 15 constate que le couple fourni par la première machine électrique M1 peut permettre des accélérations modérées (Conduite en mode « économique ») et sa puissance/refroidissement peuvent être dimensionnés pour ne pas entrer dans une zone de dégradation des performances la de première machine électrique 20 Ml. L'essentiel de l'énergie qui est transmise aux roues motrices du véhicule est à fournir par cette première machine électrique M1 dont il convient de préférence de maximiser l'utilisation. 25 A la figure 7 dont la courbe représente l'accélération du véhicule électrique lorsqu'il est entrainé par la seule deuxième machine électrique M2 en fonction de la vitesse du véhicule, on constate que le couple fourni par la deuxième machine électrique M2 peut permettre des accélérations fortes (Conduite en mode 30 « dynamique ») et sa puissance/refroidissement peuvent être dimensionnés pour la réalisation des performances souhaitées du véhicule utilisé dans un tel mode. 12 Cette deuxième machine électrique M2 n'est de préférence utilisée que durant les phases de demandes d'accélérations fortes et de vitesses élevées. Dans le cas d'un roulage à vitesse élevée, il peut être 5 intéressant d'utiliser cette deuxième machine électrique M2 notamment si le circuit électrique ou la première machine électrique M1 ne sont pas capacitaires, voire en situation de bridage des performances pour des raisons de fiabilité. On a représenté à la figure 8 l'accélération du véhicule lo électrique lorsqu'il est entrainé par la première machine électrique M1 et la deuxième machine électrique M2, en fonction de la vitesse du véhicule. La figure 9 représente l'écart en besoin de puissance (Exprimée en Watts) entre un ensemble à deux machines 15 électriques motrices M1 et M2, et un groupe motopropulseur à un seul moteur électrique. On peut constater que, à 130 km/h, l'écart de besoin de puissance à l'entrée est supérieur à 1000 Watts. Parmi d'autres avantages : 20 - en phase de freinage le rendement amélioré permet de maximiser la récupération d'énergie par la première machine électrique M1 de ratio r1 ; - on peut aussi augmenter la capacité de récupération d'énergie par la deuxième machine électrique M2 qui tourne plus 25 vite ; - on peut encore utiliser les circuits électroniques de commande de la puissance des deux machines électriques M1 et M2 pour en maximiser le rendement en phase motrice, ainsi que en phase de récupération d'énergie. 30 Dans l'ensemble des modes de réalisation et variantes qui viennent d'être décrits ou évoqués, le premier pignon P1 engrène directement avec la roue réceptrice RO, c'est-à-dire avec un rapport de transmission constant entre ces deux éléments. 13 A titre de variante, on peut prévoir que le premier pignon PI porté par le premier arbre de transmission Al engrène indirectement avec la roue réceptrice RO, notamment par l'intermédiaire d'une roue intermédiaire dentée supplémentaire 5 « Ri » de démultiplication et d'un pignon supplémentaire « Pi » porté par un arbre intermédiaire « Ai ». Selon une telle variante, la transmission de puissance et de couple à partir de la première machine MI est alors la suivante : 10 P2 -> Ri -> Pi -> RO. Outre la possibilité de faire varier le rapport de transmission entre la première machine MI et la roue réceptrice RO, l'association pour chacune des machines de ces différentes possibilités associées à des dispositifs commandés d'embrayage 15 ou d'accouplement, permet de piloter de manière optimisée une utilisation de l'une ou l'autre des deux machines en mode de récupération d'énergie pour produire de l'électricité. Il est ainsi possible d'utiliser et d'associer deux moteurs électriques MI et M2 possédant des rapports de transmission 20 différents - un ratio faible ri pour le moteur MI et un ratio élevé r2 pour le moteur M2 - afin de conserver les avantages mentionnés ci-dessus d'utilisation de chacun des moteurs électriques, tout en cumulant les couples et les puissances fournis par les deux moteurs, et avec un rendement global 25 optimal. L'association selon l'invention des deux moteurs électriques MI et M2 possédant des rapports de transmission différents permet aussi d'optimiser les utilisations en phase de récupération d'énergie. 30 Ainsi, à haute vitesse de roulage, on utilise principalement le moteur électrique à rapport long de transmission qui place cette machine électrique dans une zone de régime de rotation dans laquelle le rendement est bon (Le couple dépendant de la 14 masse du véhicule et de l'intensité du freinage), ce qui est plus avantageux qu'un ratio "moyen" dans le cas d'une architecture à une seule machine électrique. A basse vitesse de roulage et/ou à faible charge, on peut 5 optimiser la récupération d'énergie REVENDICATIONS1. Ensemble de transformation d'énergie électrique en énergie mécanique, ou inversement, pour l'entraînement d'un véhicule automobile, comportant : - une roue réceptrice (RO) dentée portée par un arbre (AO) appartenant à la transmission mécanique du véhicule ; - une première machine électrique (M1) dont un premier arbre (A1) porte un premier pignon (P1) qui engrène directement, ou indirectement, avec la roue réceptrice (RO) ; - une deuxième machine électrique (M2) dont un deuxième arbre (A2), parallèle au premier arbre, porte un deuxième pignon (P2) ; - et un arbre (Ai, A3) qui porte : -- une roue intermédiaire dentée (R3) qui engrène directement avec le deuxième pignon (P2) ; -- et un pignon (P1, P3) qui engrène directement avec la roue (RO) du différentiel. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la roue intermédiaire (R3) est portée par le premier arbre (A1). 3. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la roue intermédiaire (R3) est portée par un arbre intermédiaire (A3), parallèle au premier arbre (A1). 4. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce 25 qu'il comporte des moyens de désaccouplement de la deuxième machine électrique (M2). 5. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de désaccouplement de la première machine électrique (M1). 30 6. Ensemble selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de désaccouplement comportent un dispositif commandé d'embrayage ou d'accouplement. 16 7. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la roue réceptrice (RO) appartient à un différentiel de transmission mécanique. 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que le ratio (r1) de transmission entre la première machine électrique (M1) et la roue réceptrice (RO) est inférieur au ratio (r2) de transmission entre la deuxième machine électrique (M2) et la roue réceptrice (RO). 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce 10 que le ratio (r1) de transmission entre la première machine électrique (M1) et la roue réceptrice (RO) est compris entre un tiers et deux tiers du ratio (r2) de transmission entre la deuxième machine électrique (M2) et la roue réceptrice (RO). 10. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce 15 que le ratio (r1) de transmission entre la première machine électrique (M1) et la roue réceptrice (RO) est égal à quatre. 11. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque pignon (P1, P2, P3) ou roue (RO, R3) est lié(e) en rotation à l'arbre (AO, A1, A2, A3) 20 qui le ou la porte.