Brevet FR3114055A1 — publié le 20220318

L’invention a pour objet l’électrification d’un essieu moteur pour véhicule hybride ou électrique dans lequel le différentiel est remplacé par deux trains épicycloïdaux T1 et T2 qui amplifient les régulations en couple des Roues r1 et r2 par deux Machines Electriques ME1 et ME2. Ces dernières ont la particularité de fonctionner en opposition génératrice-motrice, de telle sorte que l’énergie de l’une soit absorbée par l’autre et que la balance soit alternativement absorbée ou fournie par la Batterie BAT. Les trains T1 et T2 sont entrainés par un Moteur Principal MT, thermique ou électrique, à variations de vitesses réduites. En électrique, et du fait du dédoublement de la puissance de la régulation, la haute tension peut être réservée au seul Moteur Principal MT sans variateur et à sa Batterie. Le système fonctionne comme deux CVTs indépendantes avec des améliorations de la liaison au sol. Figure pour l’abrégé : Figure 2 Essieu électrifié pour véhicules hybrides ou électriques. La recherche d’une meilleure efficacité énergétique et d’une baisse des coûts a multiplié les architectures de véhicules hybrides ou électriques sans qu’aucune soit totalement satisfaisante à ce jour. Ci-après, Il est proposé une architecture innovante susceptible d’apporter de nouvelles améliorations tant aux véhicules hybrides qu’électriques en électrifiant leur essieu moteur. Une hybridation que l’on pourrait appeler P5 dans la logique des appellations de P0 à P4. Les améliorations sur l’efficacité énergétique se réclament de trois axes fondamentaux sous-jacents : la limitation des transformations énergétiques, la limitation des variations autour de l’optimal et la diminution des flux. Les autres améliorations portent surtout sur la liaison au sol. Comme d’autres architectures, la nouvelle architecture proposée fait appel à des trains d’engrenages épicycloïdaux à trois arbres : un arbre d’entrée entrainé par un Moteur Principal, un arbre de sortie entrainant les deux Roues motrices et un arbre pilote pour « piloter » la puissance transmise aux Roues par le truchement d’un moteur électrique régulé. Malheureusement dans les architectures connues, ces équipements sont lourds, complexes et coûteux, tout particulièrement au niveau des deux Machines Electriques, des variateurs électroniques, de leur Batterie et des isolements électriques HT, sans que pour autant les gains sur les rendements soient extraordinaires. De plus, de nombreuses transformations énergétiques dans la transmission plombent l’efficacité globale. Description de l’architecture innovante : L’idée de base est de remplacer le différentiel de l’essieu moteur par deux trains d’engrenages épicycloïdaux, un de raison (rapport des engrenages) négative et l’autre de raison positive, pour entrainer et amplifier indépendamment la régulation en couple de chaque arbre de Roue fournie par deux Machines Electriques régulées sur chaque train. Les deux Machines Electriques ont la particularité fonctionner en opposition génératrice-motrice de telle sorte que l’énergie de l’une soit absorbée par l’autre et vice et versa sur la plage des vitesses les plus utiles du véhicule. Cette opposition améliore le bilan électrique et minimise le flux de et vers la Batterie. Le tout est entrainé par un Moteur Principal thermique ou électrique à plage de variations de vitesses réduite mais nécessitant une adaptation aux vitesses d’entrainement des trains épicycloïdaux. Pour cela, le Moteur Principal entraine en amont les deux trains épicycloïdaux dans des rapports d’adaptation différents engendrant un rapport « k » entre les vitesses d’entrainement des arbres d’entrée des trains afin d’élargir la zone d’opposition des deux Machines Electriques. Il permet, en outre, d’ajuster le bilan électrique global du véhicule en fonction de sa destination. Le second but est de reporter les variations de vitesses du système sur les deux Machines Electriques d’essieu de manière à limiter, voire supprimer, les variations au niveau du Moteur Principal qui est la source principale d’énergie (généralement les ¾ de la puissance totale). Les moteurs modernes électriques ou thermiques à haut rendement ont des plages de fonctionnement de plus en plus étroites du fait de la recherche de phénomènes de résonnance ou de phénomènes pointus aux performances exceptionnelles, mais avec des rendements qui s’écroulent très vite en dehors du point de fonctionnement optimal, d’où l’intérêt d’avoir de faibles variations sur le Moteur Principal. D’autres aspects en sont améliorés comme : le refroidissement, les émissions électromagnétiques, l’électronique de contrôle etc. Une fois émise, l’énergie mécanique du Moteur Principal doit subir le minimum de transformations énergétiques pour éviter la multiplication des rendements de transformation malheureusement multiplicatifs dans beaucoup de véhicules connus. Les trains épicycloïdaux sont idéals pour laisser passer directement l’énergie mécanique du Moteur Principal vers les Roues sans aucune transformation. Pour résumer, le différentiel d’essieu qui est déjà un train épicycloïdal sphérique aux engrenages coniques et hypoïdes, est remplacé par deux trains épicycloïdaux, les plus simples qui soient, beaucoup plus faciles à réaliser et ayant malgré tout d’excellents rendements. Chacun est associé à une Machine Electrique pour réguler le couple sur chaque arbre de Roue tout en permettant une variation continue de leur vitesse à la manière de deux CVTs indépendantes. Dans cette configuration, les Machines Electriques ont la particularité innovante de fonctionner le plus possible en opposition génératrice-motrice avec échange de leurs énergies. Un double variateur électronique pilote indépendamment les Machines Electriques en régulation de couple à partir d’un même point de consigne modifiable à la hausse ou à la baisse par le conducteur. Cependant, si les raisons des deux trains ne sont pas égales et opposées, le point de consigne doit être corrigé sur un des trains d’un coefficient égal au rapport des raisons des deux trains pour obtenir des couples de sortie égaux sur les deux arbres de Roues. En effet, le couple de sortie d’un train est inversement proportionnel à sa raison d’où, d’ailleurs, l’effet d’amplificateur du système. Cependant avec des raisons égales et opposées, les calculs restent extrêmement simples et rapides, surtout pour des calculs en temps réel, puisque les vitesses et les puissances des arbres pilotes des deux trains sont simplement décalées d’une constante. Par contre, le Moteur Principal a sa propre boucle de régulation pour maintenir la puissance nécessaire au système selon des dispositifs connus. Les flux entre les Machines Electriques en opposition sont à bilan nul pour une certaine vitesse du véhicule que l’on cherchera à placer le plus utilement possible dans la zone d’utilisation la plus probable du véhicule. Or cette vitesse ne dépend que de la vitesse d’entrée du train épicycloïdal et d’un facteur constant seulement dépendant de la raison « r » et du rapport « k » mais, in fine, voisin de 1 (0,82 dans l’application de la figure 3). La vitesse d’entrée et la vitesse de sortie des trains, soit la vitesse des arbres de Roues, doivent être dans un même ordre de grandeur. Par conséquent, Il y a un intérêt à avoir l’adaptation des vitesses en amont des trains épicycloïdaux et non pas en aval comme sur des véhicules connus. De même, à qualité égale, un train épicycloïdal aura toujours une vitesse limite inférieure à un train de 2 engrenages et un niveau bruit supérieur, d’où l’intérêt qu’il soit le plus en aval possible dans la chaine de transmission, soit à l’essieu. Les amplifications en couple et en puissance n’en souffrent pas car elles sont seulement inversement proportionnelles à la raison du train, quelle que soit sa position dans la chaine de transmission. Contrairement à un différentiel où la perte d’adhérence d’une des Roues conduit à la perte de la poussée sur les deux Roues, seule la consigne de la Roue en perte d’adhérence est automatiquement abaissée pour garder une partie de la propulsion sur la deuxième Roue et retrouver de l’adhérence sur la première. La perte d’adhérence d’une Roue peut être facilement détectée en surveillant les variations brutales du couple et de la vitesse sur la Machine Electrique correspondante. Une fois l’adhérence rétablie, la régulation en couple peut être corrigée suivant un algorithme dédié à garder la poussée dans l’axe du véhicule, particulièrement dans les courbes, ce que ne fait pas un différentiel mécanique. La liaison sol en est améliorée à la fois sur route ou en tout-terrain. De même en cours de freinage, le système de freinage peut ajuster son action sur chaque Roue quand l’emballement de la Machine Electrique correspond à un blocage intempestif de la Roue et à un début de dérapage. L’excédent de puissance généré par les Machines Electriques est dirigé vers la Batterie d’une capacité forcément limitée. Au cas où cette dernière est saturée à basse vitesse, les deux Machines Electriques passent automatiquement en mode moteur créant un bilan électrique déficitaire mais avec un couple inverse sur le Moteur Principal. Ce dernier est alors protégé par une roue anti-dériveuse par rapport à son carter. Aux vitesses élevées, cette situation ne peut pas se produire car la balance électrique est toujours déficitaire. Cette fonction est très utile pour limiter la taille de la Batterie grâce à un fonctionnement alterné moteur-générateur-batterie comme sur des véhicules connus. De même les alimentations régulées sont souvent dimensionnées pour la moitié des puissances des Machines Electriques en faisant participer la Batterie à 50 % des flux nécessaires. Avantageusement dans l’architecture innovante, cette situation n’est nécessaire qu’aux vitesses extrêmes hautes et basses du véhicule car les Machines Electriques sont en opposition aux vitesses intermédiaires. En 48 V et en propulsion électrique pure, la puissance cumulée des deux Machines Electriques d’essieu (environ 30 KW) est suffisante pour entrainer le véhicule à basse vitesse. Cette constatation permet de limiter la haute tension au seul Moteur Principal et à sa Batterie ce qui accroit la sécurité des passagers tout en diminuant considérablement les coûts de la haute tension. Les Machines Electriques pouvant aussi assurer des fonctions annexes telles que : le démarrage du Moteur Principal, le freinage régénératif, le « boosting » des performances ou même un certain niveau de « plug in » etc., on a tout intérêt à garder ces fonctionnalités en 48 V jusqu’aux actionneurs. Sur le plan mécanique, dans l’arrangement innovant des trains épicycloïdaux, le couple maximal transmis au niveau des arbres de Roues mobilise un grand nombre de dents en prises (2 trains X 1 à 4 satellites X coefficient de denture) d’où des petits modules de denture compactes et économiques. Les trains épicycloïdaux apportent aussi une vitesse et des fréquences élevées pour les Machines Electriques là où elles sont le plus économiquement performantes. Etat de la technique des véhicules sans différentiel d’essieu : Par rapport aux Machines Electriques de l’architecture innovante ci-dessus, les moteurs dans les Roues, donc sans différentiel d’essieu, sont beaucoup plus exposés aux intempéries, aux vibrations et aux poussières. Les distances entre les équipements sont beaucoup plus longues pour les câbles de puissance qui ne bénéficient pas de la baisse des intensités des courants électriques imputable à l’amplification mécanique des trains épicycloïdaux. Par rapport aux véhicules électriques entrainés par deux moteurs électriques, donc sans différentiel, ils ne bénéficient pas, non plus, de l’amplification mécanique de la régulation apportée par le train épicycloïdal. La totalité de la puissance doit être régulée ce qui augmente, les pertes dans les variateurs électroniques, l’étendue de la haute tension, les émissions électromagnétiques, les difficultés de refroidissement des Moteurs à basse vitesse et in fine les coûts. Etat de la technique des véhicules hybrides série-parallèles avec CVT : Les véhicules hybrides série-parallèles avec CVT connus disposent aussi d’une régulation amplifiée par un train épicycloïdal associé à un tandem génératrice-motrice dans un arrangement différent de celui de l’architecture innovante décrite ci-dessus. Cependant la puissance de leurs équipements non dédoublés est au minium deux fois plus élevée et reste inaccessible au 48V. De plus dans leur configuration, plaçant d’ailleurs l’adaptation des vitesses en aval du train, la recherche d’un bilan électrique génératrice-motrice nul, bien positionné dans la zone des vitesses les plus utiles, contrarie la baisse de la raison qui reste élevée. Le facteur d’amplification est faible et les équipements puissants. Etat de la technique des véhicules hybrides parallèles P0, P1, P2, P3 et P4 : Les véhicules thermiques hybrides parallèles de P0 à P4 nécessitent tous de maintenir une boite de vitesses plus ou moins sophistiquée, plus ou moins lourde, avec au moins un mécanisme d’embrayage et un différentiel d’essieu. Même les véhicules électriques purs ont recours à des boites de vitesses simplifiées pour améliorer leur rendement. Optimisations : L’amplification de la régulation dans un train épicycloïdal est inversement proportionnelle à sa raison. Malheureusement pour les raisons inférieures à I 0,2 I, il est nécessaire de prévoir un train à deux étages pour des raisons liées à la technologie des engrenages. Cela est toujours possible dans l’architecture innovante ci- dessus au prix d’une augmentation de l’encombrement et des coûts. L’augmentation de la raison positive et la baisse du rapport « k » ont le même effet sur l’élargissement de la zone d’opposition générateur- moteur des Machines Electriques. Cependant il faut éviter de trop baisser l’amplification du train épicycloïdal en augmentant sa raison. L’ajustement final de ces deux paramètres est fonction de la balance électrique la plus probable du véhicule suivant son utilisation. Variantes : L’alternative suivante a les mêmes propriétés : l’arbre d’entrée est la couronne, l’arbre de sortie est le porte-satellite et l’arbre pilote est le planétaire pour les deux trains épicycloïdaux. La raison d’un train épicycloïdal et son signe peuvent être obtenus avec différents arrangements d’engrenages. Cette innovation couvre ces arrangements alternatifs dans la mesure où les deux trains ont des raisons de signes contraires. En variante, les rotors des Machines Electriques ME1 et ME2 peuvent être montés directement sur les deux planétaires « pilotes » des trains épicycloïdaux T1 et T2 en supprimant les 2 multiplicateurs de vitesses (16-17) et (26-27) de la figure 3. Les stators peuvent alors être alignés sur l’axe principal de l’essieu dans un même boitier à la manière d’un moteur à deux axes de sorties opposées mais indépendantes. Les trains épicycloïdaux peuvent aussi être ou ne pas être intégrés dans ce boitier, de chaque côté et dans l’axe principal de l’ensemble. Les rapports des 2 multiplicateurs de vitesses (16-17) et (26-27) de la figure 3 peuvent être différents au prix d’une correction compliquée du point de consigne pour rétablir l’égalité des couples sur les arbres de Roues. Figures : La montre le diagramme couple-vitesse typique des moteurs thermiques en 1a et électriques à aimants permanents en 1b. La surface pointillée correspond au domaine utilisable et la partie hachurée à sa zone de meilleur rendement. L’association avec les caractéristiques des variateurs électroniques pour les moteurs électriques et la prise en compte des contraintes sur la pollution pour les moteurs thermiques réduisent encore la zone cible. Cette constatation est quasiment la même pour tous les types de moteurs. La décrit schématiquement les arrangements au niveau du principe de base de l’architecture innovante afin de remplacer le différentiel entre les Roues motrices par deux CVTs à régulation de couple, une sur chaque arbre de Roue. La transmission comprend alors deux trains épicycloïdaux, un T1 de raison négative (10) et un T2 de raison positive (20), à trois arbres : un arbre d’entrée « e », un arbre de sortie « s » et un arbre pilote « p ». Les deux arbres d’entrée, « e », sont entraînés le Moteur Principal MP (30) dans un rapport « k » grâce à deux trains d’engrenages (32) permettant aussi l’adaptation en amont des trains épicycloïdaux de la vitesse du Moteur Principal MP (30). Les arbres de sortie, « s », entraînent directement et séparément les Roues motorisées « r1 » (40) et « r2 » (50). Les Roues « r1 » et « r2 » sont reliées cinématiquement par leur liaison au sol. Les arbres pilotes, « p », sont entrainés ou entrainent les Machines Electriques ME1 (80) et ME2 (90) réversibles, pilotées séparément en régulation de couple par une unité centrale UC (100) à partir d’un point de consigne donné par l’Accélérateur AC (100) modifiable par le conducteur. Cet Accélérateur AC est du type « pédale à tout faire » : le relâchement relève le point de consigne alors que son enfoncement provoque son abaissement et l’activation des freins hydrauliques en fin de course, selon des dispositifs connus. Les Machines Electriques ME1 (80) et ME2 (90) sont régulées par l’Unité Centrale électrique- électronique UC (100). Cette unité recueille les informations des Machines Electriques, de l’Accélérateur AC et du Moteur Principal MP pour gérer les flux d’énergie, en particulier celui de et vers la Batterie BAT (60). Elle a aussi pour fonction de surveiller la liaison sol, de modifier le point de consigne si nécessaire et de calculer la vitesse du véhicule selon la formule de Willis, par des moyens et des dispositifs connus. Une roue anti-dériveuse AD (31) empêche automatiquement toute rotation inverse du Moteur Principal MP par rapport à son carter. Dans sa version électrique, l’alimentation Moteur Principal MP (30) est celle d’un moteur à vitesse fixe. Dans sa version thermique les variations de vitesse sont limitées et commandées par l’Unité Centrale UC (60) selon des tables d’efficacité maximale préétablies en usine et grâce à une boucle de régulation maintenant la fourniture d’une puissance suffisante au système. Au démarrage le Moteur Principal MP (30) est entrainé par les Machines Electriques (80) et (90) avec les Roues r1 (40) et r2 (50) freinées. La décrit plus en détail l’arrangement mécanique des deux CVTs remplaçant le différentiel d’essieu. Les arbres d’entrée des trains épicycloïdaux T1 et T2, soit les portes satellites (15) et (25), sont entraînés par le Moteur Principal MP grâce à deux engrenages (14) et (24) dans des rapports différentiés permettant des vitesses d’entrée dans un rapport « k ». Les arbres de sortie, soit les couronnes (11) et (21), entraînent directement et séparément les Roues motorisées « r1 » et « r2 ». Les Roues « r1 » et « r2 » sont reliées cinématiquement par leur liaison au sol. Les arbres pilotes des mêmes trains épicycloïdaux T1 et T2, soit les planétaires (12) et (22) sont entrainés par les Machines Electriques ME1 et ME2 par l’intermédiaire des réducteurs (16-17) et (26-27). Ces Machines Electriques sont réversibles et pilotées séparément en régulation de couple que l’on retrouve amplifiée au niveau des Roues « r1 » et « r2 » du fait de la proportionnalité des couples dans les trains épicycloïdaux. Les portes satellites (15) et (25) entrainent les satellites (13) et (23) qui s’engrainent avec les couronnes (11) et (21). Le ou les satellites du train T1 (13) s’engrainent directement avec le planétaire (12) alors que le ou les satellites du train T2 (23) s’engrainent avec le planétaire (22) par l’intermédiaire de ou des pignons (29) aussi portés par le porte satellite ((25) afin d’obtenir une raison positive. Le pignon (29) peut aussi être placé entre le satellite (23) et la couronne (21). Ce type de train est simple, compacte, facile à construire, tout en gardant un excellent rendement. Si les couronnes (11) et (21) et les planétaires (12) et (22) sont identiques, les raisons des deux trains T1 et T2 sont alors égales et opposées. Le couple maximal sur les couronnes (11) et (21) donc sur les Roues « r1 » et « r2 » est transmis par un grand nombre de dents en prise (2 trains X 1 à 4 satellites X coefficient de denture). Les couples sur les Machines Electriques bénéficient de la réduction des trains épicycloïdaux par rapport aux couples de sortie sur les Roues dans la proportion inverse de leur raison, diminués du rapport d’entrainement des couples d’engrenages (16-17) et (26-27). Elles bénéficient d’un effet multiplicateur inverse sur leur vitesse, faisant fonctionner les Machines Electriques ME1 et ME2 à grande vitesse et à faible couple, là où elles sont particulièrement compactes et efficaces. La représente en axonométrique l’option préférée de l’essieu motorisé avec : un Moteur Principal (30) transverse, les deux trains épicycloïdaux T1 (10) et T2 (20) montés en opposition sur un axe parallèle à l’essieu, idem pour les deux Machines Electriques ME1 (80) et ME2 (90) et enfin les deux Roues motorisées « r1 » (40) et « r2 » (50). La proximité des deux Machines Electriques ME1 (80) et ME2 (90) est très favorable à l’échange de puissance, même en 48 V. La donne représentation graphique de la puissance en KW en fonction de la vitesse du véhicule en Km/h issue d’un simulateur ainsi paramétré au niveau des arbres « e, s et p » : raisons T1 et T2 : -0,3 et 0,3, couple pilote :100 Nm, k=0,5, Diamètre Roues=0,6 m. Les courbes indiquent la puissance : totale sur les Roues pour A, sur ME1 pour B, sur ME2 pour C, la balance ME1 + ME2 pour D, fournie par MP pour E et ce dans les cas suivants en : 5a : vitesse d’entrée T1=1500 tr/mn, 5b : vitesse d’entrée T1=1000 tr/mn : La plage des vitesses où les deux Machines Electriques sont en opposition a été étendue par rapport au cas 5a, elle est maintenant de 38 km/h à 147 km/h avec une balance électrique nulle à 93 km/h, 5c : identique au cas 5b, mais avec une vitesse d’entrée T1=0 tr/mn : la propulsion est entièrement électrique grâce aux Machines Electriques ME1 et ME2, 5d : identique au cas 5b, mais avec la raison de T2 portée à 0,5 : la limite basse de la plage d’opposition baisse mais on perd sensiblement en amplification, 5e : identique au cas 5b, mais avec une limitation de puissance des Machines Electriques ME1 et ME2 à 15 KW chacune, 5f : identique au cas 5c, mais avec une limitation de puissance des Machines Electriques ME1 et ME2 à 15 KW. Coefficient d’amplification en couple : 3,33 Essieu électrifié pour véhicule hybride ou électrique dans lequel le différentiel est remplacé par deux trains épicycloïdaux, un de raison négative et l’autre de raison positive, pour amplifier indépendamment sur chaque arbre de Roue la régulation en couple fournie par deux Machines Electriques fonctionnant en opposition, génératrice-motrice, de telle sorte que l’énergie de l’une soit absorbée par l’autre et vice et versa sur la plage de vitesses la plus utile du véhicule, les trains épicycloïdaux étant entrainés par un Moteur Principal thermique ou électrique à plage réduite de variations de vitesses. Essieu électrifié pour véhicule hybride ou électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le Moteur Principal entraine les deux trains épicycloïdaux dans des rapports d’adaptation amonts différents engendrant un rapport « k » entre les vitesses d’entrainement des arbres d’entrée des trains. Essieu électrifié pour véhicule hybride ou électrique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux trains épicycloïdaux ont des raisons égales et opposées. Essieu électrifié pour véhicule hybride ou électrique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux trains épicycloïdaux sont des trains simples comprenant chacun une couronne entrainant les arbres de Roues, un planétaire entrainé ou entrainant les Machines Electriques de régulation, un ou plusieurs satellites sur un porte-satellite entrainé par le Moteur Principal dont les satellites du train de raison positive entrainent la couronne par rapport au planétaire par l’intermédiaire de pignons portés par le porte-satellite. Essieu électrifié pour véhicule hybride ou électrique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux trains épicycloïdaux et les deux Machines Electriques sont montés en opposition sur un même axe parallèle à l’essieu. Essieu électrifié pour véhicule hybride ou électrique selon les revendications 1, 2 et 3 dont les raisons des trains épicycloïdaux sont égales et opposées, caractérisé en ce que les Machines Electriques de régulation sont pilotées en fonction d’une consigne de couple modifiable par le conducteur. Essieu électrifié pour véhicule hybride ou électrique selon les revendications 1 et 2 dont les raisons des trains épicycloïdaux ne sont pas égales et opposées, caractérisé en ce qu’une des Machines Electriques est pilotée en fonction de la consigne de couple, modifiable par le conducteur, corrigée d’un facteur égal au rapport des raisons des deux trains. Essieu électrifié pour véhicule hybride ou électrique selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les deux Machines Electriques passent en mode moteur quand la Batterie est saturée à basse vitesse du véhicule. Essieu électrifié pour véhicule hybride ou électrique selon les revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le point de consigne est automatiquement abaissé sur la Machines Electrique concernée quand des variations de couple ou de vitesse anormales traduisent une perte d’adhérence de la Roue. Essieu électrifié pour véhicule hybride ou électrique selon les revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le système de freinage du véhicule ajuste son action sur chaque Roue quand l’emballement de la Machine Electrique correspond à un blocage intempestif de la Roue en cours de freinage.