Brevet FR3144069A1 — publié le 20240628

L’invention concerne un groupe motopropulseur (2) pour véhicule automobile (1) hybride, comportant un moteur à combustion interne (3), des roues motrices (13), et un arbre de transmission (9) adapté à coupler le moteur à combustion interne aux roues motrices, caractérisé en ce qu’il est prévu, pour le couplage du moteur à combustion interne à l’arbre de transmission, un dispositif de roue libre (7) qui comprend un arbre d’entrée adapté à être couplé au moteur à combustion interne et un arbre de sortie qui est adapté à être couplé à l’arbre de transmission et qui est couplé à l’arbre d’entrée seulement lorsque l’arbre d’entrée présente une vitesse de rotation égale à celle de l’arbre de sortie. Il est également proposé un véhicule automobile (1) équipé d’un tel groupe motopropulseur et un procédé de gestion d’énergie électrique. Figure pour l’abrégé : Fig.1 Groupe motopropulseur, véhicule automobile équipé d’un tel groupe motopropulseur et procédé de gestion d’énergie Domaine technique de l'invention La présente invention concerne de manière générale le domaine de l’automobile, notamment le domaine des véhicules automobiles hybrides. Elle concerne plus particulièrement un groupe motopropulseur, un véhicule automobile équipé d’un tel groupe motopropulseur et un procédé de gestion d’énergie, notamment dans un tel véhicule automobile. Etat de la technique Dans le domaine de l’automobile hybride, il est connu d’utiliser des boîtes de vitesses manuelles plutôt qu’automatiques, afin notamment de réduire le coût de production des véhicules. Une boîte de vitesses manuelle implique la présence d’un dispositif d’embrayage, afin de déconnecter le moteur à combustion interne de l’arbre de transmission (qui est lié en rotation aux roues motrices) lors d’un changement de rapport de vitesses. Ces dispositifs peuvent être commandés mécaniquement ou électroniquement (on parle alors de « e-clutch », selon la terminologie anglo-saxonne parfois employée par l’homme du métier pour désigner un embrayage électromécanique commandé). L’intérêt du dispositif d’embrayage électromécanique commandé est qu’il permet de découpler le moteur à combustion interne des roues motrices lorsque le véhicule est propulsé uniquement par le moteur électrique, sans nécessiter aucune intervention du conducteur. Or, les dispositifs d’embrayages électromécaniques commandés et leurs moyens d’actionnement sont complexes et coûteux et peuvent être soumis à une usure mécanique qui entraîne une dérive de la commande à appliquer. Dans ce cas, il est nécessaire de mettre en œuvre un algorithme de compensation complexe et coûteux. Présentation de l'invention Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose de remplacer le dispositif d’embrayage électromécanique commandé par un dispositif plus simple et moins coûteux. Plus particulièrement, on propose selon l’invention un groupe motopropulseur pour véhicule automobile hybride, comportant un moteur à combustion interne, des roues motrices, et un arbre de transmission adapté à coupler le moteur à combustion interne aux roues motrices, dans lequel il est prévu, pour le couplage du moteur à combustion interne à l’arbre de transmission, un dispositif de roue libre qui comprend un arbre d’entrée adapté à être couplé au moteur à combustion interne et un arbre de sortie qui est adapté à être couplé à l’arbre de transmission et qui est couplé à l’arbre d’entrée seulement lorsque l’arbre d’entrée présente une vitesse de rotation égale à celle de l’arbre de sortie. Ainsi, grâce à l’invention, lorsque le véhicule est propulsé par le moteur électrique seul, le dispositif de roue libre permet de déconnecter le moteur à combustion interne des roues motrices, sans nécessiter aucune intervention du conducteur ou d’un actionneur électromécanique commandé. En revanche, en mode hybride, ce dispositif permet de transmettre le couple issu du moteur à combustion interne vers les roues motrices, lesquelles sont par ailleurs entraînées aussi par la machine électrique principale. D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du groupe motopropulseur conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : - le groupe motopropulseur comporte une boîte de vitesses manuelle couplée mécaniquement au moteur à combustion interne, le dispositif de roue libre étant placé entre le moteur à combustion interne et la boîte de vitesses. - le groupe motopropulseur comporte un dispositif d’embrayage (ou, en variante, une boîte à crabots, typiquement celle commercialisée par la société Renault sous la dénomination « e-tech ») et une boîte de vitesse manuelle, le dispositif de roue libre étant placé entre le dispositif d’embrayage (ou, en variante, la boîte à crabots) et la boîte de vitesse manuelle. - le dispositif d’embrayage est optionnel. - le groupe motopropulseur comporte une machine électrique principale, une batterie d’accumulateurs configurée pour alimenter la machine électrique principale, au moins un dispositif consommateur de courant distinct de la machine électrique principale, un moyen d’acquisition d’un état de charge (ou niveau de charge) de la batterie d’accumulateurs, et une unité de pilotage de la machine électrique principale, l’unité de pilotage étant programmée pour, lors d’une phase de décélération de la rotation de l’arbre de transmission, charger la batterie d’accumulateurs si l’état de charge de la batterie d’accumulateurs est inférieur à un seuil prédéterminé ou alimenter le dispositif consommateur de courant si l’état de charge de la batterie d’accumulateur est supérieur au seuil prédéterminé. - le dispositif consommateur de courant est une machine électrique secondaire adaptée à être liée en rotation à un arbre du moteur à combustion interne. - le groupe motopropulseur comporte une boîte de vitesse manuelle et la machine électrique principale comporte une un arbre de sortie qui est lié en rotation à un arbre de la boîte de vitesse. - la machine électrique principale est liée en rotation à un arbre de pont du groupe motopropulseur. Il est également proposé un véhicule automobile équipé d’un groupe motopropulseur selon l’invention. L’invention concerne également un procédé de gestion de l’énergie électrique générée par la machine électrique principale d’un groupe motopropulseur selon l’invention lors d’une phase de décélération, dans lequel l’énergie électrique générée par la machine électrique principale est transmise à la batterie d’accumulateurs si l’état de charge de la batterie est inférieur à un seuil prédéterminé et transmise au dispositif électrique du véhicule automobile si l’état de charge de la batterie est supérieur ou égal au seuil prédéterminé. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Description détaillée de l'invention La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : est une vue schématique d’un véhicule automobile équipé d’un groupe motopropulseur selon un premier mode de réalisation de l’invention ; est un logigramme illustrant un procédé de gestion d’énergie électrique selon l’invention ; est un graphique illustrant la variation de paramètres de fonctionnement du groupe motopropulseur de la ; est une vue schématique d’un véhicule automobile équipé d’un groupe motopropulseur selon un second mode de réalisation de l’invention. Dans la suite de la description, le terme « couplé » sera utilisé pour définir une liaison entre deux éléments qui permet de transmettre un couple de l’un à l’autre de ces deux éléments. On dira en revanche de deux éléments qu’ils sont « liés en rotation » lorsque la rotation de l’un entraîne la rotation de l’autre à une même vitesse de rotation. Sur la , on a représenté un véhicule automobile hybride 1 comportant un groupe motopropulseur 2 selon un premier mode de réalisation de l’invention. Le groupe motopropulseur est configuré pour générer une énergie mécanique et la transmettre vers des roues motrices 13 du véhicule 1. Dans cet exemple, le groupe motopropulseur 2 comporte, pour générer de l’énergie mécanique, un moteur à combustion interne 3, une machine électrique principale 4, et une machine électrique secondaire 5, ici un alterno-démarreur. Il comporte ici un embrayage 14 qui comprend un arbre d’entrée couplé à un vilebrequin du moteur à combustion interne 3, et un arbre de sortie. En variante, le groupe motopropulseur comporte une boîte à crabot à la place de l’embrayage 14. Il comporte également une boîte de vitesse manuelle 6 qui comprend un arbre d’entrée adapté à être lié en rotation à l’arbre de sortie de l’embrayage 14, et un arbre de sortie. Le groupe motopropulseur 2 comporte en outre, pour entraîner les roues motrices 13 du véhicule automobile 1, un arbre de transmission 9. Cet arbre de transmission 9 est utilisé au moins pour transmettre le couple généré par le moteur à combustion interne 3 vers les roues motrices 13 du véhicule automobile 1. Il est constamment couplé avec celles-ci. En pratique, cet arbre de transmission 9 est formé par l’arbre de sortie de la boîte de vitesses 6. Ici, un double volant amortisseur est prévu au niveau de l’embrayage 14. Le rôle du double volant amortisseur est d’amortir les vibrations du moteur et d’empêcher qu’elles ne soient transmises aux éléments situés en aval (relativement au sens de transmission de la puissance mécanique), en particulier à la boîte de vitesses 6. La machine électrique principale 4 comporte classiquement un carter qui loge un rotor et un stator. Le rotor est adapté à tourner dans le carter et il est fixé à un arbre de sortie qui est ici couplé à un arbre de la boîte de vitesses 6. La machine électrique secondaire 5 comporte également un carter qui loge un rotor et un stator. Le rotor est adapté à tourner dans le carter et il est fixé à un arbre de sortie qui est adapté à être couplé à un arbre du moteur à combustion interne, typiquement au vilebrequin. Une batterie d’accumulateurs 8, par exemple une batterie de 48 volts de tension, permet ici d’alimenter la machine électrique principale 4, la machine électrique secondaire 5, ainsi que d’autres dispositifs consommateurs de courant, par exemple un système de ventilation du véhicule 1, une climatisation, un système d’éclairage, etc. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l’invention, le moteur à combustion interne 3 est couplé à la boîte de vitesse 6 par l’intermédiaire d’un dispositif de roue libre 7. Ce dispositif de roue libre comporte un arbre d’entrée adapté à être couplé au moteur à combustion interne 3 et un arbre de sortie adapté à être couplé à l’arbre de transmission. En pratique, ce dispositif de roue libre s’interpose entre l’arbre de sortie de l’embrayage 14 et l’arbre d’entrée de la boîte de vitesses 6. Il peut typiquement s’agir d’un dispositif de roue libre à cliquet, dans lequel les arbres de sortie et d’entrée sont découplés tant que l’arbre de sortie tourne plus vite que l’arbre d’entrée et dans lequel ces arbres sont sinon couplés. Ainsi, le moteur à combustion interne 3 n’est couplé à l’arbre de transmission 9 que si la vitesse de rotation qu’il impose à l’arbre d’entrée du dispositif de roue libre 7 est égale à la vitesse de rotation de l’arbre de sortie. Cette configuration est avantageuse car elle permet de passer d’une traction du véhicule réalisée par la machine électrique principale seule à une traction réalisée par le moteur à combustion interne 3 (seul ou en combinaison avec la machine électrique principale 4) sans que le conducteur ne soit forcé d’actionner l’embrayage. Le moteur à combustion interne 3, la machine électrique principale 4 et la machine électrique secondaire 5 sont pilotés par une unité de pilotage (non représentée). Cette unité de pilotage comporte un processeur, une mémoire et différentes interfaces d'entrée et de sortie. Grâce à ses interfaces d'entrée, l’unité de pilotage est adaptée à recevoir des données telles que l’état de charge de la batterie d’accumulateurs 8 (plus connu sous l’acronyme anglais SOC pour « state of charge »). Grâce à sa mémoire, elle mémorise une application informatique, constituée de programmes d’ordinateur comprenant des instructions dont l’exécution par le processeur permet la mise en œuvre du procédé décrit ci-après. On comprend que le moteur à combustion interne 3, dans cette configuration, ne peut pas générer de frein moteur. Ici, l’unité de pilotage est alors configurée pour, lors des phases de décélération du véhicule 1 (lorsque la vitesse de rotation de l’arbre de transmission 9 diminue), convertir l’énergie mécanique de rotation de l’arbre de transmission 9 en énergie électrique. La machine électrique principale 4 agit alors comme un générateur de courant et comme un frein à la rotation des roues (et donc à la rotation de l’arbre de transmission 9). On pourra alors parler de frein moteur. Le courant ainsi généré est notamment utilisé pour recharger la batterie d’accumulateurs 8. Cependant, lorsque l’état de charge de la batterie d’accumulateurs 8 atteint un certain seuil, il convient de ne plus l’alimenter afin de ne pas l’endommager, ou du moins afin de préserver sa durée de vie (ce seuil est par exemple de 80%). Un véhicule selon l’invention peut donc, lorsque la batterie d’accumulateurs 8 présente un état de charge supérieur ou égal à ce seuil de charge prédéterminé, rouler en roue libre. Ainsi, la machine électrique principale ne générera plus de courant. La décélération du véhicule 1 sera alors assurée seulement par les frottements du véhicule 1 et par l’actionnement d’un système de freinage du véhicule 1. Cette solution, bien que fonctionnelle, n’est pas préférée. Dans le cadre de l’invention, il est proposé une solution additionnelle qui met en œuvre le frein moteur de la machine électrique principale 4 (c’est-à-dire qui met en œuvre la machine électrique principale 4 pour qu’elle se comporte en générateur électrique et donc en frein moteur), quel que soit l’état de charge de la batterie d’accumulateurs 8. Un procédé correspondant à cette solution est illustré schématiquement sur la . Ce procédé s’exécute alors que le véhicule 1 est dans une phase de décélération (c’est-à-dire lorsque la vitesse de rotation de l’arbre de transmission 9 décroit) et que l’unité de pilotage pilote la machine électrique principale 4 de façon que cette dernière se comporte comme un générateur. Lors d’une première étape E1 du procédé, un moyen d’acquisition de l’état de charge détermine l’état de charge de la batterie d’accumulateurs 8. Par exemple, le moyen d’acquisition peut comporter un capteur de tension. Si l’état de charge de la batterie d’accumulateurs est inférieur à un seuil donné, par exemple ici 80%, alors l’énergie électrique est transmise à la batterie d’accumulateurs 8 (étape E2) afin de la recharger, puis l’état de charge de la batterie d’accumulateurs 8 est mis à jour (étape E4). Si l’état de charge de la batterie d’accumulateurs 8 est supérieur ou égal au seuil donné, alors le courant électrique est transmis à un dispositif consommateur de courant (étape E3). L’état de charge de la batterie d’accumulateurs 8 est ensuite mis à jour (étape E4). Préférentiellement, le dispositif consommateur de courant est la machine électrique secondaire 5. L’idée est donc de faire tourner la machine électrique secondaire 5 dans le vide ou, de manière préférentielle en entraînant le vilebrequin du moteur à combustion interne 3 qui, par ses pertes intrinsèques (frottement…), permet de favoriser la consommation de courant. La illustre le fonctionnement d’un véhicule automobile 1 selon l’invention, équipé d’un dispositif de roue-libre et adapté à mettre en œuvre le procédé de la . Sur le graphique de la , une première courbe 10 indique la variation de la vitesse du véhicule 1 au cours du temps, une deuxième courbe 11 indique la variation du régime du moteur à combustion interne 3, et une troisième courbe 12 indique le mode de traction du véhicule 1 (la courbe 12 est à l’état haut lorsque la machine électrique principale 4 assure seule la traction du véhicule 1 et à l’état bas lorsque la traction est assurée au moins par le moteur à combustion interne 3). Lors d’une première phase P1 de roulage, la machine électrique principale 4 se met en route et entraîne les roues motrices via l’arbre de transmission. Le véhicule 1 accélère. Ici, la commande d’accélération, transmise par exemple par l’actionnement de la pédale correspondante du véhicule 1, devient rapidement supérieure à un seuil d’accélération prédéterminé qui correspond à l’accélération maximale qui peut être assurée par la seule machine électrique principale 4. Le moteur à combustion interne 3 est donc activé, ici par la machine électrique secondaire 5, et assure l’accélération requise. Lors d’une deuxième phase P2 de roulage, le véhicule automobile 1 maintient une vitesse constante, inférieure à un seuil de vitesse prédéterminé qui correspond à une vitesse maximale qui peut être assurée par la seule machine électrique principale 4. Dans cette phase, la traction du véhicule 1 est donc assurée par la seule machine électrique principale 4 et le moteur à combustion interne 3 est à l’arrêt. Lors d’une troisième phase P3 de roulage, le véhicule 1 est commandé de façon que son accélération soit supérieure au seuil d’accélération prédéterminé. Le moteur à combustion interne 3 démarre donc et assure l’accélération requise du véhicule, jusqu’à atteindre la vitesse souhaitée. Lors d’une quatrième phase de roulage P4, le véhicule 1 roule de façon constante à la vitesse souhaitée, qui est ici supérieure au seuil de vitesse prédéterminé. Le moteur à combustion interne 3 reste donc en marche et continue d’assurer la traction du véhicule 1 durant toute la quatrième phase P4. Lors d’une cinquième phase P5 de roulage, le véhicule 1 décélère, et la machine électrique principale 4 se comporte comme un générateur de courant pour assurer son rôle de frein moteur. L’état de charge de la batterie d’accumulateurs 8 étant initialement inférieur au seuil prédéterminé, le courant généré par la machine électrique principale 4 est transmis à la batterie d’accumulateurs 8 afin de la charger. Son état de charge augmente. Lors d’une sixième phase de roulage P6, le véhicule 1 continue de décélérer, mais l’état de charge de la batterie d’accumulateurs 8 a atteint le seuil prédéterminé. Le courant généré par la machine électrique principale 4 est donc transmis à la machine électrique secondaire 5, qui entraîne le moteur à combustion interne 3. A la fin de la sixième phase P6, la vitesse du véhicule est nulle. On notera ici que la machine électrique secondaire 5 entraîne, dans cette phase, le moteur à combustion interne 3 à un régime tel que le dispositif de roue libre ne transmet aucun couple vers l’arbre de transmission, c’est-à-dire à un régime tel que la vitesse de rotation de l’arbre d’entrée de ce dispositif reste inférieure à la vitesse de rotation de l’arbre de sortie. L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation et de mise en œuvre décrit précédemment. En particulier, il a été décrit précédemment un groupe motopropulseur dans lequel la machine électrique principale est couplée à un arbre rotatif de la boîte de vitesse manuelle. Il a également été décrit un groupe motopropulseur dont les roues motrices 13 sont les roues avant. Toutefois, l’invention n’est pas limitée à cette topologie de véhicule. Par exemple, la illustre un véhicule automobile 1 comportant un groupe motopropulseur 2 selon l’invention dans lequel les roues motrices 13 sont les roues avant et arrière. En particulier dans l’exemple illustré, l’arbre de sortie de la machine électrique principale 4 est couplé aux arbres du pont arrière du véhicule, tandis que l’arbre de transmission 9 est couplé aux arbres du pont avant. En outre, bien qu’il ait été décrit une batterie d’accumulateurs de 48 volts, l’invention est compatible avec d’autres types de batterie, notamment des batteries à haute tension. Groupe motopropulseur pour véhicule automobile (1) hybride, comportant un moteur à combustion interne (3), des roues motrices (13), et un arbre de transmission (9) adapté à coupler le moteur à combustion interne (3) aux roues motrices (13), caractérisé en ce qu’il est prévu, pour le couplage du moteur à combustion interne (3) à l’arbre de transmission (9), un dispositif de roue libre (7) qui comprend un arbre d’entrée adapté à être couplé au moteur à combustion interne (3) et un arbre de sortie qui est adapté à être couplé à l’arbre de transmission (9) et qui est couplé à l’arbre d’entrée seulement lorsque l’arbre d’entrée présente une vitesse de rotation égale à celle de l’arbre de sortie. Groupe motopropulseur selon la revendication 1, comportant une boîte de vitesses manuelle (6), le dispositif de roue libre (7) étant placé entre le moteur à combustion interne (3) et la boîte de vitesses manuelle (6). Groupe motopropulseur selon la revendication 1 ou 2, comportant un dispositif d’embrayage (14) et une boîte de vitesse manuelle (6), le dispositif de roue libre (7) étant placé entre le dispositif d’embrayage (14) et la boîte de vitesse manuelle (6). Groupe motopropulseur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comportant : - une machine électrique principale (4), - une batterie d’accumulateurs (8) configurée pour alimenter la machine électrique principale (4), - au moins un dispositif consommateur de courant (5) distinct de la machine électrique principale (4), - un moyen d’acquisition d’un état de charge de la batterie d’accumulateurs (8), et - une unité de pilotage de la machine électrique principale (4), l’unité de pilotage étant programmée pour, lors d’une phase de décélération de la rotation de l’arbre de transmission (9), charger la batterie d’accumulateurs (8) si l’état de charge de la batterie d’accumulateurs (8) est inférieur à un seuil prédéterminé ou alimenter le dispositif consommateur de courant (5) si l’état de charge de la batterie d’accumulateurs (8) est supérieur au seuil prédéterminé. Groupe motopropulseur selon la revendication 4, dans lequel le dispositif consommateur de courant (5) est une machine électrique secondaire adaptée à être liée en rotation à un arbre du moteur à combustion interne (3). Groupe motopropulseur selon la revendication 4 ou 5 dans sa dépendance à la revendication 2 ou 3, comportant une boîte de vitesse manuelle (6) et dans lequel la machine électrique principale (4) comporte un arbre de sortie qui est lié en rotation à un arbre de la boîte de vitesse (6). Groupe motopropulseur selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la machine électrique principale (4) est liée en rotation à un arbre de pont du groupe motopropulseur. Véhicule automobile équipé d’un groupe motopropulseur (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7. Procédé de gestion de l’énergie électrique générée par la machine électrique principale (4) d’un groupe motopropulseur (2) selon la revendication 4 lors d’une phase de décélération, dans lequel l’énergie électrique générée par la machine électrique principale (4) est transmise à la batterie d’accumulateur (8) si l’état de charge de la batterie d’accumulateurs (8) est inférieur à un seuil prédéterminé et transmise au dispositif consommateur de courant si l’état de charge de la batterie d’accumulateurs (8) est supérieur ou égal au seuil prédéterminé.