WO1999052730A1 - Commande de couple de traction dans un vehicule hybride electrique - Google Patents

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Abstract

Il comprend a) une chaîne de traction mécanique comportant un moteur thermique (1), un système de transmission (2) d'au moins une partie de la puissance de sortie du moteur (1) à au moins une roue (3) du véhicule et un moyen d'accouplement (4) dudit moteur (1) audit système de transmission (2), b) une chaîne de traction électrique comportant un générateur d'énergie électrique (14) entraîné par le moteur thermique (1), un moteur électrique (9) alimenté par le générateur (14) et couplé mécaniquement audit système de transmission (2) et des moyens de stockage d'énergie électrique (11) alimentés par le générateur (14). Ce dispositif comprend en outre un organe de mesure (21) de la demande en couple du conducteur du véhicule, et des moyens (12) sensibles à cette mesure pour commander en couple les moteurs (1, 9) et le générateur (14), de manière à établir le couple demandé.

Description

COMMANDE DE COUPLE DE TRACTION DANS UN VEHICULE HYBRIDE ELECTRIQUE
La présente invention est relative à un dispositif de traction pour véhicule électrique hybride et, plus particulièrement, à un tel dispositif comprenant a) une chaîne de traction mécanique comportant un moteur thermique, un système de transmission d'au moins une partie de la puissance de sortie du moteur à au moins une roue du véhicule et un moyen d'accouplement dudit moteur audit système de transmission, et b) une chaîne de traction électrique comportant un générateur d'énergie électrique entraîné par ledit moteur, un moteur électrique alimenté par ledit générateur et couplé mécaniquement audit système de transmission et des moyens de stockage d'énergie électrique alimentés par ledit générateur. On connaît un tel dispositif de traction du document EP-A-0 648 635, le dispositif décrit dans ce document pouvant fonctionner sélectivement suivant le mode "hybride série" ou le mode "hybride parallèle".
On sait que dans le mode hybride série la puissance nécessaire à la traction du véhicule est fournie par le moteur électrique, celui-ci étant alimenté par l'alternateur et/ou les moyens de stockage d'énergie (des batteries par exemple) , ces moyens étant eux-mêmes alimentés par le générateur, un alternateur par exemple, qui est animé par le moteur thermique.
Dans le mode hybride parallèle, les énergies mécaniques développées par les deux moteurs peuvent se combiner, ou être utilisées séparément, pour assurer la traction du véhicule. Dans le dispositif décrit dans le document précité, le moteur thermique et le moteur électrique sont connectés à la transmission du véhicule par l'intermédiaire de premier et deuxième arbres d'entrée, respectivement, d'un train épicycloïdal, l'arbre de sortie dudit train étant connecté à la transmission. Des moyens de commande 2
permettent d'assurer un fonctionnement du type hybride série aux faibles vitesses et aux faibles puissances et un fonctionnement du type hybride parallèle aux vitesses moyennes et élevées. Ce dispositif présente néanmoins plusieurs inconvénients .
D'une part, sa structure est complexe en ce sens qu'il comprend, outre le train épicycloïdal, un volant d'inertie pour imposer un sens de rotation à l'arbre de sortie de ce train épycicloïdal, et deux freins pour pouvoir bloquer l'un ou l'autre des deux arbres d'entrée.
D'autre part, la commande de ce dispositif est, elle aussi, complexe. Pour passer du fonctionnement "hybride série" au fonctionnement "hybride parallèle", il faut, à la fois, actionner un frein et accoupler le moteur thermique en agissant sur un embrayage associé à ce moteur. La commande du couple de freinage doit être très précise pour éviter un calage du moteur thermique ou d'autres réactions affectant négativement le confort de conduite ou le niveau de bruit émis par le moteur thermique.
La présente invention a pour but de réaliser un dispositif de traction pour véhicule électrique hybride qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci- dessus et qui, en particulier, soit de structure simple, et de commande simple et souple, notamment lors de transitions entre un fonctionnement hybride série et un fonctionnement hybride parallèle par exemple.
On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un dispositif de traction pour véhicule électrique hybride comprenant les chaînes de traction mécanique et électrique décrites en préambule de la présente description, ce dispositif étant remarquable en ce qu'il comprend, en combinaison, un organe de mesure 3
de la demande en couple du conducteur de véhicule, et des moyens sensibles à ladite mesure pour commander en couple le moteur thermique, le moteur électrique et le générateur d'énergie électrique, de manière à établir le couple demandé.
Comme on le verra plus loin en détail, ces moyens de commande permettent de passer simplement d'un mode de fonctionnement du dispositif à un autre, de manière à optimiser ce fonctionnement, notamment du triple point de vue de la puissance motrice fournie, de la consommation d'énergie et de la réduction de la pollution de l'air par les gaz d'échappement.
Suivant un mode de réalisation de l'invention, pour ce faire, les moyens de commande du dispositif agissent en outre sur le moyen d'accouplement pour activer sélectivement un fonctionnement du dispositif du type hybride série ou du type hybride parallèle. Ledit moyen d'accouplement est de préférence constitué par un embrayage monté entre l'arbre de sortie du moteur thermique et l'arbre d'entrée du système de transmission. Suivant l'invention encore, le système de transmission du dispositif peut être un engrenage réducteur, une boîte de vitesses manuelle ou robotisée.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel :
- la figure 1 est un schéma d'un premier mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, et
- les figures 2 à 4 illustrent schématiquement et partiellement des variantes du dispositif de la figure 1.
On se réfère à la figure 1 du dessin annexé où il apparaît que le mode de réalisation représenté du dispositif suivant l'invention comprend une chaîne de traction mécanique comportant un moteur thermique 1 tel qu'un moteur à combustion interne par exemple, et un 4
système de transmission 2 d'au moins une partie de la puissance de sortie du moteur 1 à au moins une roue 3 d'un véhicule propulsé par ce dispositif.
Un moyen d'accouplement 4 assure la liaison entre l'arbre de sortie 5 du moteur 1 et un arbre d'entrée 7, ou arbre primaire, du système de transmission. Dans le mode de réalisation représenté, le moyen 4 est constitué par un embrayage commandé.
Le dispositif comprend en outre une chaîne de traction électrique comportant un générateur d'énergie électrique tel qu'un alternateur 8, et un moteur électrique 9 alimenté par ledit alternateur 8 à travers un onduleur ou hacheur 10. Des moyens de stockage d'énergie 11, tels que des batteries d'accumulateurs, sont installés de manière à constituer un réservoir d'énergie électrique "tampon", entre l'alternateur 8 et l'onduleur 10. Dans le mode de réalisation représenté, le moteur électrique 9 est monté sur l'arbre de sortie 17, ou arbre secondaire, du système de transmission 2. Suivant la présente invention, le dispositif comprend des moyens de commande 12 du fonctionnement des moteurs 1 et 9, ainsi que de l'alternateur 8. Ces moyens sont pratiquement constitués par un calculateur électronique numérique dûment programmé à cet effet, appelé dans la suite "superviseur". La stratégie de commande exécutée par le superviseur s'appuie sur la connaissance de la valeur de divers paramètres, notamment la demande de couple moteur formulée par le conducteur du véhicule, telle que cette demande est traduite par l'enfoncement α d'une pédale d'accélérateur 21, l'état de charge des batteries 11, connu par l'intensité I qu'elles délivrent et leur capacité, etc..
Le superviseur agit sur les moteurs 1 et 9, sur l'alternateur 8 et sur l'état de l'embrayage 4 par l'élaboration de signaux appropriés de commande 5
respectivement, de l'angle β d'ouverture d'un papillon motorisé, de l'intensité I ou de la fréquence F du courant d'alimentation du moteur 9, d'une unité de contrôle 14 du courant de sortie de l'alternateur 8 et de l'état E de 1 ' embrayage 4.
Dans le mode de réalisation du dispositif représenté à la figure 1, le système de transmission 2 est constitué par un simple engrenage réducteur à deux pignons 15, 16, montés sur l'arbre d'entrée 7 et sur l'arbre de sortie 17 du système, respectivement.
Le fonctionnement du dispositif représenté s'établit alors comme suit. D'une manière générale, la demande de couple C formulée par le conducteur du véhicule étant connue du superviseur 12 par l'enfoncement α de la pédale d'accélérateur 21, le superviseur agit sur l'angle d'ouverture β du papillon des gaz du moteur à combustion interne 1, sur les caractéristiques I, F de l'énergie électrique fournie au moteur électrique 9 par l'onduleur 10, sur le couple résistant développé par l'alternateur 8 et sur l'embrayage 4 de manière que, aux pertes mécaniques dans la transmission près, on ait :
C ≡ Ci + C2 - C3 Ci et C2 étant les couples moteurs délivrés par les moteurs 1 et 9, C3 le couple résistant de l'alternateur. Le superviseur 12 est dûment programmé pour calculer les couples Ci, C , C3 à partir des paramètres de fonctionnement classiques des moteurs 1 et 9 et de l'alternateur 8, et des caractéristiques de ces machines.
Avantageusement, le régime du moteur à combustion interne 1 est réglé par le superviseur à une valeur correspondant à un maximum de rendement de manière à minimiser la consommation et donc la pollution de l'air par les gaz d'échappement du moteur.
Le superviseur peut ainsi, en fonction des informations qu'il reçoit, commander divers modes de 6
fonctionnement du dispositif de traction, notamment en "tout électrique", en "hybride série" ou en "hybride parallèle" .
Fonctionnement en "tout électrique" Aux basses vitesses du véhicule, quand l'état de charge des batteries 11 est jugé satisfaisant par le superviseur 12, celui-ci maintient le moteur à combustion interne 1 à l'arrêt et l'embrayage 4 débrayé. C'est alors le moteur électrique 9, alimenté par les seules batteries 11, qui fournit toute la puissance nécessaire à la propulsion du véhicule, puissance appliquée directement à l'arbre de sortie du réducteur 2.
A l'arrêt du véhicule, c'est ainsi que le moteur électrique 9 permet de démarrer le véhicule. Le dispositif suivant l'invention peut comprendre un sélecteur de mode 18 permettant au conducteur de "forcer" ce mode de fonctionnement dans certaines circonstances, pour minimiser les émissions et le bruit (circulation en ville, par exemple) . Incidemment, on notera que le sélecteur 18 peut servir à forcer d'autres modes de fonctionnement, par exemple des variantes "sportives" ou "économiques" du type hybride, ou un fonctionnement en "tout thermique". Fonctionnement hybride série Si les batteries 11 ne disposent pas de l'énergie nécessaire pour assurer la propulsion du véhicule dans des conditions données, du fait d'une décharge antérieure ou d'un mauvais fonctionnement, le superviseur commande la mise en route du moteur thermique 1 et du couple qu'il délivre de manière que l'entraînement de l'alternateur 8 qui en résulte assure la fourniture au moteur électrique d'une énergie suffisante pour que celui-ci délivre à la roue 3 le couple demandé par le conducteur. L'embrayage 4 étant alors débrayé, aucune énergie mécanique n'est fournie directement à la roue 3 par le moteur thermique 7
1. Celui-ci peut cependant fournir une puissance supplémentaire pour assurer la recharge des batteries 11, à travers l'alternateur 14.
Le superviseur commande "en couple" le moteur thermique 1 et l'alternateur 8 de manière à respecter une consigne de régime et à limiter la consommation de carburant et donc les émissions nocives, tout en limitant les charges et décharges des batteries 11. Le régime du moteur thermique, dans ce fonctionnement, peut être assez bas. Fonctionnement hybride "parallèle"
A partir d'une certaine vitesse du véhicule, le superviseur 12 fait croître le régime du moteur thermique 1 afin de synchroniser celui-ci avec la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée du réducteur 2, de manière à pouvoir alors activer l'embrayage 4 et assurer, sans à- coups, la transmission d'une puissance mécanique importante venue du moteur 1, à la roue 3 du véhicule.
Le moteur électrique 9 peut alors être éteint et c'est le moteur thermique 1 qui fournit toute la puissance mécanique nécessaire à la propulsion du véhicule. Le fonctionnement du dispositif cesse alors d'être du type "hybride parallèle".
Ce type de fonctionnement peut cependant être rétabli par le superviseur 12 si celui-ci perçoit une forte demande de couple de la part du conducteur, de manière que le surcroît de couple demandé puisse être fourni par le moteur électrique 9.
Evidemment, si les batteries 11 sont déchargées, le moteur thermique peut fournir une puissance supplémentaire pour recharger ces batteries, à travers l'alternateur 8.
Egalement, on comprend que lors d'une phase de freinage, l'énergie de freinage peut être récupérée et transformée en énergie électrique par l'alternateur 8 et le moteur électrique 9, afin de recharger les batteries 11. 8
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation de la figure 1. C'est ainsi que le moteur électrique 9 pourrait aussi bien être monté sur l'arbre primaire 7 du réducteur 2 et que ce dernier pourrait être remplacé par une boîte de vitesses manuelle ou robotisée, comme illustre par les variantes du bloc B de la figure 1 représentées aux figures 2 a 4. Sur ces dernières, sauf indication contraire, les moyens non représentés du dispositif suivant l'invention sont ceux représentés à la figure 1. Sur ces figures, également, des références numériques identiques, éventuellement affectées d'un "prime" ou d'un "seconde", à des références utilisées sur la figure 1 repèrent des éléments ou organes analogues a ceux repérés sur cette dernière. A la figure 2, on a représenté une boîte de vitesses manuelle 2' commandée par une tringlerie 19 et un levier 20, le moteur électrique 9 étant monté sur l'arbre primaire de la boîte 2'. Des moyens (non représentés) transmettent au superviseur 12 le rapport R enclenché dans la boîte 2'. Cette boîte pourrait être remplacée par un réducteur tel que celui de la figure 1.
Aux figures 3 et 4, la boîte de vitesse 2" est robotisée et le rapport R enclenché est commandé par le superviseur 12. L'utilisation d'une boîte de vitesses robotisée permet au superviseur 12 de synchroniser au mieux les rotations des axes dans la boîte lors des changements du rapport R, ce qui est très favorable au confort de conduite du véhicule, à la réduction de la consommation et de la pollution. Le moteur électrique 9 est monté sur l'arbre primaire dans le dispositif de la figure 3 et sur l'arbre secondaire dans celui de la figure 4.
Il apparaît maintenant que l'invention permet bien d'atteindre les objectifs vises, a savoir fournir un dispositif de traction pour un véhicule hybride qui soit 9
de structure simple, à nombre réduit de composants, et de fonctionnement souple par changement sans à-coups de modes de fonctionnement. A cet égard, le fonctionnement hybride "série" permet de bénéficier de la souplesse d'utilisation du moteur thermique, notamment pour limiter les émissions nocives lors de démarrages à froid, de limiter les charges et décharges des batteries, et d'utiliser une transmission à nombre de rapports réduit, voire un seul rapport si le moteur électrique est monté sur l'arbre moteur de la transmission.
Le fonctionnement hybride "parallèle" permet de bénéficier d'un bon rendement de la chaîne de transmission et de bonnes performances et, sauf lorsque le conducteur demande une forte puissance, de se passer du moteur électrique.
Quand l'énergie mécanique de propulsion est délivrée par le seul moteur électrique, l'embrayage est débrayé, ou la boîte de vitesses est mise au point mort. Quand toute l'énergie mécanique de propulsion provient du moteur thermique, point n'est besoin de bloquer l'arbre du moteur électrique. Dans les deux cas, on évite avantageusement d'avoir à bloquer un arbre par un frein, alors que de tels freins sont nécessaires dans le dispositif de EP-A-0 648 635 précité. L'alternateur joue aussi le rôle de démarreur et de volant d'inertie, ce qui permet de se passer d'un volant spécifique.
L'utilisation d'une boîte de vitesses robotisée permet de se dispenser de l'embrayage 4, si le fonctionnement du moteur thermique est possible dès les faibles vitesses du véhicule.

Claims

10REVENDICATIONS
1. Dispositif de traction pour véhicule électrique hybride comprenant : a) une chaîne de traction mécanique comportant un moteur thermique (1), un système de transmission
(2;2';2") d'au moins une partie de la puissance de sortie du moteur (1) à au moins une roue (3) du véhicule et un moyen d'accouplement dudit moteur (1) audit système de transmission (2;2';2"), b) une chaîne de traction électrique comportant un générateur d'énergie électrique (14) entraîné par ledit moteur thermique (1), un moteur électrique (9) alimenté par ledit générateur (14) et couplé mécaniquement audit système de transmission (2;2';2") et des moyens de stockage d'énergie électrique (11) alimentés par ledit générateur (14), ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, c) un organe de mesure (21) de la demande en couple (C) du conducteur du véhicule, et d) des moyens (12) sensibles à ladite mesure (C) pour commander en couple lesdits moteurs (1,9) et ledit générateur (14) de manière à établir le couple demandé.
2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (12) agissent en outre sur ledit moyen d'accouplement (4) pour activer sélectivement un fonctionnement du dispositif du type hybride série ou hybride parallèle.
3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen d'accouplement (4) est un embrayage monté entre l'arbre de sortie du moteur thermique (1) et un arbre d'entrée (7) du système de transmission (2; 2'/ 2").
4. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit système de transmission est un engrenage réducteur (2). 11
5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit système de transmission est une boîte de vitesse (2') à commande manuelle.
6. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit système de transmission est une boîte de vitesse robotisée (2") .
7. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour transmettre aux moyens de commande (4) le rapport (R) enclenché dans la boîte de vitesses (2').
8. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens (4) commandent le rapport (R) enclenché dans la boîte de vitesse (2") .
9. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que ledit moteur électrique (9) est monté sur l'arbre secondaire (17) du système de transmission (2;2';2").
10. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que ledit moteur électrique (9) est monté sur l'arbre primaire (7) du système de transmission (2;2',2").
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