EP2512893A1 - Procede de pilotage d'un dispositif de motorisation de vehicule hybride, et dispositif associe - Google Patents

Procede de pilotage d'un dispositif de motorisation de vehicule hybride, et dispositif associe

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Publication number
EP2512893A1
EP2512893A1 EP10766244A EP10766244A EP2512893A1 EP 2512893 A1 EP2512893 A1 EP 2512893A1 EP 10766244 A EP10766244 A EP 10766244A EP 10766244 A EP10766244 A EP 10766244A EP 2512893 A1 EP2512893 A1 EP 2512893A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
internal combustion
mode
combustion engine
consumption
wheels
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10766244A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Stéphane SAINT-MACARY
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Continental Automotive France SAS
Original Assignee
Continental Automotive France SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive France SAS filed Critical Continental Automotive France SAS
Publication of EP2512893A1 publication Critical patent/EP2512893A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
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    • B60K6/442—Series-parallel switching type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60W30/188—Controlling power parameters of the driveline, e.g. determining the required power
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Definitions

  • a method of driving a hybrid vehicle engine device
  • the invention relates to the field of motorizations of vehicles. It relates more particularly to so-called hybrid engines, comprising an electromechanical chain and an internal combustion engine. Even more specifically, it relates to a method of managing a hybrid vehicle, as well as the associated device.
  • a motorization system is said to be hybrid in that it is composed of two different energy sources.
  • These energy sources may be, for example and in the most usual case, an internal combustion engine (“ICE”) unit and an electric propulsion unit, which then generally comprises a electrical energy storage system (SSEE) such as batteries or supercapacitors.
  • ICE engine an internal combustion engine
  • SSEE electrical energy storage system
  • Hybrid systems provide autonomy comparable to vehicles with a conventional engine type internal combustion engine, while reducing emissions and consumption.
  • the hybrid combination of a vehicle is particularly considered, by a mechanical chain (ICE engine + transmission) and an integrated electromechanical chain.
  • the constituents of this electromechanical chain are essentially composed of electric machines controlled by a motor or generator connected by a SSEE through electrical converters for controlling these electrical machines. These electric converters may or may not be integrated with electrical machines. For the sake of simplification, we will consider the electric converter controlling the electric machine in engine or generator mode as a single entity that will be called simply electric machine.
  • FIGS. 1 to 3 three main architectural families are distinguished for the current hybrid vehicles, illustrated here in FIGS. 1 to 3.
  • the double lines represent the mechanical power transmission lines, and the simple lines power transmission lines.
  • ICE internal combustion engine
  • SSEE 3 a first architecture, called “series” (see Figure 1), an internal combustion engine (ICE) 1 is connected to a generator 2 which produces electricity.
  • ICE internal combustion engine
  • This electrical energy is stored in a SSEE 3 and then used to drive one or more electrical machines 4, which provide the power necessary to drive the wheels 5, via a differential 6, to propel the vehicle.
  • an ICE thermal engine 1 associated with a transmission 7, on the one hand, and an electric machine 4, on the other hand, are mechanically connected to the wheels 5 of the vehicle, through a differential 6.
  • the electromechanical chain then participates in accelerations, energy recovery and possibly in the ribs and at startup.
  • Such a parallel hybrid system often gives a good performance, when the additional torque brought by the electric machine 4 in engine mode corresponds to the optimized zone (speed, torque) of the engine ICE 1.
  • the energy efficiency of the parallel hybrid system is no longer optimized.
  • the wheels 5 of the vehicle are linked to the ICE engine 1 through the different stages of mechanical gear ratios and the optimized adjustment of the engine speed, among the speed stages proposed by the transmission, is not possible.
  • a third architecture is a particular construction of hybrid systems that allows to switch from one mode (parallel or series) to another, gradually or not.
  • an ICE motor 1 is capable of driving the wheels 5 through a mechanical energy distributor 8 and a differential 6.
  • the mechanical energy distributor 8 is in turn connected to a generator 2, that transforms some of the energy ICE engine 1 mechanical energy, which is stored in a SSEE 3.
  • One or more electric motors 4 also drive the wheels 5 through the differential 6.
  • the mechanical energy distributor 8 distributes the mechanical power at will in two streams, thanks to an epicyclic gear train.
  • a first part of this mechanical power is used to directly drive the wheels 5, and the other part of this mechanical power is converted into electricity via the generator 2 to power the electric motor 4 or load the SSEE 3.
  • This architecture takes advantage of the possibility of controlling the torque and the engine speed cleverly distribute the power flows without benefiting from the total independence of these two variables.
  • a torque-speed dependence relation on the three axes of the planetary gear train does not allow to choose a torque and a regime which corresponds to a point of operation of the fully optimized ICE.
  • the system controls the two drive sources 1, 4 to obtain a good performance of the ICE engine 1 according to the driving conditions.
  • This power distribution structure is found in particular on hybrid vehicles most widely marketed today.
  • the present invention therefore aims to provide a device responding to the problem described above namely the reduction of fuel consumption.
  • a second object of the invention is to be simple and inexpensive to implement.
  • the invention is directed to a device for motorizing a hybrid land vehicle, said device comprising a first mechanical power transmission line comprising an internal combustion engine connected to a first machine electrical, a second mechanical power transmission line comprising a second electric machine capable of driving rotating wheels of the vehicle, the two electric machines, controllable as a motor or generator, being connected to an electrical energy storage system,
  • the device further comprising:
  • control means for these various elements connected to a computer
  • the consumption of the internal combustion engine in parallel mode defined as a mode in which the shaft of the internal combustion engine drives the wheels via different mechanical gear members, the two mechanical transmission lines being connected to the through the coupling device, that is to say, the consumption of said internal combustion engine at a given moment without electrical assistance and,
  • an equivalent consumption calculated from the optimal consumption of the internal combustion engine to which are added the losses due to the activation of the electric chain of the serial mode defined as a mode in which the traction of the vehicle is provided by the second electric machine alone, the two mechanical transmission lines being separated by the coupling device, an intermittent use of the internal combustion engine to recharge the electrical energy storage system regularly to meet a continuous demand power at the wheels.
  • the all-or-nothing coupling-decoupling system is a clutch-type device which makes it possible to completely separate, from a mechanical point of view, the two mechanical power transmission lines.
  • This decoupling coupling system can also be replaced if necessary by the conventional clutch associated with the gearbox.
  • the device also comprises a gearbox disposed on one of the mechanical power transmission lines.
  • This gearbox can be associated with its own conventional clutch system or use the coupling-decoupling system used in this case as a clutch box.
  • This arrangement conventionally makes it possible to use the internal combustion engine at its optimum operating point at several speeds of the vehicle.
  • the two electrical machines are sized for a nominal power of the order of 10 to 30 kW.
  • This power is roughly half the power of electrical machines used in the prior art for comparable reductions in fuel consumption.
  • the electrical energy storage system is of the fast charging and discharging type.
  • the invention aims, in a second aspect, at a method for controlling a hybrid vehicle power device as described, the method consisting in using at least two distinct modes of architecture:
  • the intermittent recharging of the SSEE by the ICE takes place through the first electric machine.
  • the transition from one mode to the other is determined by a comparison step between the consumption of the internal combustion engine in parallel mode (that is to say, the consumption of said engine internal combustion at a given instant without electric assistance), and the equivalent consumption calculated from the optimal consumption of the internal combustion engine to which are added the losses due to the activation of the electric chain of the series mode.
  • the computer uses the series mode with intermittent use of the internal combustion engine.
  • the computer controls the various members of the electromechanical chain for intermittent use of the internal combustion engine.
  • the computer uses the parallel mode, and the internal combustion engine is used alone to drive the wheels.
  • the computer uses the parallel mode, and one or both electrical machines are used in motor mode to provide additional torque on the transmission shaft to drive the wheels together with the internal combustion engine. It is understood that the invention proposes to optimize the management method of a series / parallel system known until now by allowing a connection:
  • the ICE engine loads the SSEE through the first electrical machine (used in generator mode), at its optimum operating point, that is to say at its operating point (speed, torque) corresponding to the better (ie the lowest) fuel consumption while the second electric machine (used in engine mode) delivers to the wheels the power demanded by the driver.
  • This mode of operation necessarily induces rapid alternating phases of operation of the ICE engine (load of the SSEE at the optimum operating point of the ICE) with stopping phases of the ICE motor (SSEE discharge).
  • the idea is therefore to use the ICE motor intermittently (according to an "all or nothing" operating mode) in its optimal operating zone, ie in the operating zone corresponding to the fuel consumption. lower.
  • FIG. 5 a schematic view of a serial / parallel hybridization device according to the invention.
  • Figure 5 illustrates in a simplified manner the elements of a motorization device according to the invention. It finds its place in a land vehicle such as a car, hybrid type of motorization.
  • the device comprises in the first place an internal combustion engine 1, of gasoline type in the present example in no way limiting.
  • an ICE engine 1 is known per se and is therefore not detailed further here.
  • This first electric machine 9 The functions of this first electric machine 9 are:
  • the device also comprises a second electrical machine 4, which is also connected to the SSEE 3.
  • This second electric machine 4 When used in motor mode:
  • the purpose of the invention is not a power distribution between the ICE engine 1 and the electric generator motors 4, 9 but an optimized use of the ICE engine 1 with possible occasional electrical assistance by these engines if necessary, both Generating motors 4, 9 can be sized at a relatively low power, for example 10 to 30 kW. This is different from the prior art, in which a 50 kW electric motor and a 30 kW generator are typically used.
  • the second electrical machine 4 is connected to the wheels 5 of the vehicle via a second mechanical transmission line 13 which comprises a transmission member 11, composed of a gearbox and possibly a clutch device. box, and a differential 6.
  • the function of the gearbox is to allow both the ICE engine 1 and the second electric machine 4 to operate at satisfactory torques and speeds, corresponding to their range or optimized operating zone.
  • the gearbox is of a type known to those skilled in the art.
  • the device further comprises, on the mechanical power transmission line of the ICE engine 1, downstream of the first electrical machine 9, and upstream of the second electrical machine 4, a clutch type device 10 for coupling-decoupling.
  • This clutch 10 is the element that allows the passage from serial mode to parallel mode.
  • This clutch is of a type known to those skilled in the art.
  • the SSEE 3 is connected to the two electrical machines 4, 9.
  • the SSEE 3 serves as a buffer stage, on the one hand by quickly storing the energy supplied by the ICE engine 1 when it operates at its optimal point, during its active phase, and secondly by delivering the required continuous power to the wheels 5.
  • the SSEE 3 makes it possible to recover a portion of the kinetic energy of the vehicle during the deceleration phases
  • the SSEE can provide additional energy during the acceleration phases.
  • SSEE 3 can be loaded and unloaded very quickly, so that the ICE 1 engine does not have the time to cool between two operations.
  • the SSEE 3 must therefore be of small capacity (a few tens of Wh), compared to the prior art, which is very advantageous in terms of cost and embedded weight.
  • the device also comprises a computer 14 connected to the main elements of the motorization described, in particular the two electrical machines 4, 9, the SSEE 3, the ICE motor 1, the coupling-decoupling system 10 and the transmission member 11.
  • the device as seen in FIG. 5, has several differences with respect to the prior art of hybrid architectures, and notably:
  • a transmission member 1 comprising a gearbox and possibly a box clutch device.
  • the nominal powers of the two prior art generator engines are designed to provide sufficiently large additional powers to the ICE engine (between 30% and 50% of the total available power) to enable ICE 1 to to be reduced accordingly.
  • the epicyclic gear train of the energy distributor 8 never makes it possible to completely eliminate the transfer of mechanical energy to the electrical generation chain, and permanently generates a loss of energy. yield, up to 20%.
  • the ICE engine meanwhile does not undergo or little power reduction can remain identical to that of a comparable conventional vehicle.
  • the dimensions of the heat sink elements necessary for the proper functioning of the electromechanical chain components are proportional to the nominal power they must transfer and will therefore be significantly reduced.
  • the invention particularly aims to use the electric assistance provided by the electrical machines 4, 9 wisely.
  • the driving method of a hybrid architecture according to the invention consists in using two modes: a first mode called “parallel”, and a second mode called “intermittent series”.
  • the parallel mode is obtained when the clutch 10 is in the engaged position.
  • the mechanical connection is connected between the ICE engine 1 and the wheels 5 via the various gear reduction members of the transmission devices.
  • the ICE engine 1 drives the wheels 5, with or without the electric assistance (assistance only during strong acceleration phase) of the electrical machines 4, and / or 9. It is important to note that in this case , the ICE engine 1 is then not used to charge the SSEE 3.
  • the two electrical machines 4 and / or 9 can recover the kinetic energy recoverable from the vehicle during the deceleration phases (generator mode).
  • the clutch 10 In the intermittent serial mode, the clutch 10 is in the disengaged position. The mechanical connection is thus disconnected between the ICE engine 1 and the wheels 5.
  • the wheels are driven by the second electric machine 4.
  • the ICE engine 1 is used intermittently,
  • the computer 14 manages the stopping and starting phases of the injection system of the ICE synchronously with respect to the control of the two electrical machines. Both electrical machines have different functions. Firstly in the active phase of the ICE engine, the first electrical machine 9 drives the ICE engine for startup (motor mode). Then when the ICE is started, the computer 14 authorizes the fuel injection system at the ICE so that the latter is in the optimal operating zone (rpm, torque) and controls the electric machine 9 in mode generator to transmit the energy of the ICE engine 1 to the SSEE that is charging.
  • the optimal operating zone rpm, torque
  • the computer 14 controls the stopping of the fuel injection system of the ICE and the electric machine 9 still in generator mode contributes to the deceleration of the ICE engine by recovering part of the kinetic energy of the moving parts of the ICE engine.
  • the electric machine 9 is also stopped.
  • the demand for power to the wheels is entirely provided by the SSEE which discharges through the second electric machine 4. This operates in this case either in motor mode (traction of the vehicle) or in generator mode (deceleration of the vehicle).
  • control method according to the invention also allows hybrid standard functions, of assistance type of the two electric generator motors 4, 9 on the wheels 5 during strong accelerations (function known as “boost”), braking energy recovery by the two electric motors-generators 4, 9, and automatic shutdown of the ICE engine 1 at each stop of the vehicle (function known as “stop & start “or” stop & go “).
  • the method according to the invention comprises a comparison step between the consumption of the ICE engine 1 in parallel mode (that is to say, the consumption of the ICE engine 1 at a given instant without electrical assistance), and the optimal consumption of the ICE 1 engine to which are added the losses due to the activation of the electric chain of the serial mode.
  • the ICE motor 1 when the consumption of the ICE motor 1 in parallel mode is greater than the equivalent consumption of the set "ICE (optimal) + losses of the electric chain in series mode", then the ICE motor 1 operates in series mode so intermittent. That is, whether it is operating at its optimum operating point for charging the SSEE 3, or that it is stopped. In these two cases corresponding to the intermittent series mode, the second electrical machine 5 alone ensures the transmission of power to the wheels.
  • the graphical representation of this function is illustrated in FIG. 4, in which the axes represent, in abscissas, the engine speed in revolutions / minute, in the ordinate the engine torque (in Nm).
  • the closed curves IC then represent isotower lines of the motor, included in the present non-limiting example, between 250 g / kWh and 550 g / kWh. In other words, all the points corresponding to the same consumption are connected together to constitute "iso-consumptions" in the plane (torque regime) of the ICE engine.
  • the optimal operating zone of the ICE engine is then, as understood, the zone included in the closed curve IC 2 so and groups together the operating points of the ICE engine whose consumption is equal to 250 g / kWh.
  • the graph also illustrates, by the high LF curve, the limit of the operating range of the internal combustion engine.
  • the second family of curves P corresponds to the power delivered by the engine in kvV, for each pair and number of revolutions / minute. Curves P are in the present example from 10 to 160 kW. The curve P 30 corresponding to the value 30 kW is here indicated in dotted lines.
  • this point of consumption remains on average equal to 250 g / kWh because the electromechanical chain is not activated and no electrical loss comes degrade this performance.
  • the operating point of the ICE must take into account the losses generated by the use of the electromechanical chain, that is to say about 20%.
  • the power of the ICE to compensate for the losses must be increased accordingly, which leads to an equivalent consumption of the ICE 1 engine around 300 g / kWh.
  • the ICE engine 1 runs near the ideal consumption point, for example at 280 g / KWh (point F2). Indeed it is useless to force the engine to run at 250 g / kWh (F1 point) and to solicit the electromechanical chain, since this equates to an average equivalent consumption of 300 g / kWh, higher than that of the starting point (280 g / kWh). It is therefore preferable for this point to remain in parallel mode, ie to drive the wheels 5 directly with the ICE engine 1.
  • the operating point of the ICE engine 1 is equivalent to a consumption of 360 g / kWh (point F3 in FIG. 4), ie far from the optimal consumption of 250 g / KWh (point F1), it becomes interesting to switch to intermittent serial mode.
  • the average equivalent consumption of the ICE motor then becomes that of the optimum point increased losses of the serial link is 300 g / KWh, (point F1) and it remains however lower than the initial consumption (360 g / kWh).
  • the wheels 5 are then driven by the second electric machine 4.
  • the stops of the ICE engine 1 are necessary so as not to overload the SSEE 3 which is of low capacity, but they must be short-lived so as not to not allowing the ICE 1 engine to cool too much, which could degrade the combustion quality of the ICE engine and thus contribute to increasing pollutant emission rates
  • the power required for the traction of the wheels must be compatible with the available power of the SSEE 3 and the second electric machine 4.
  • the average power demanded from the wheels must be lower than the peak power delivered by the ICE motor during the load phases of the SSEE, ie 30 kW in our example.
  • the intermittent serial mode (clutch disengaged) makes it possible to improve the overall consumption of the vehicle for the efficiency points of the ICE engine 1 greater than 300 g / kWh, and for a traction power of less than 30 kW in this example.
  • FIG. 4 Considering the particular case of a transfer power of 30 kW, the points concerned are thus, in FIG. 4, below the iso-power curve 30 kW, and below the insulation curve. consumption of 300 g / kWh (ie 250 g / kWh + 20%). They are represented by a hatched area in FIG. 4, corresponding to the present example provided here by way of no limitation. It is obvious that at these power levels (below 30 kW in our example), the high engine speeds will preferably be reduced by the play of the different stages of the transmission, at much lower speeds thus limiting the hatched area of the Figure 4 at relatively low engine speeds.
  • This zone corresponds to an operation of the ICE engine in low load and low speed, that is to say mainly to a city cycle, which represents the vast majority of the cases of use of vehicles of automobile type. It is understood that the computer 14 proceeds at regular intervals to the comparison of consumptions in accordance with what has just been described, and then determines the operating mode used. It then controls the engagement or disengagement of the clutch 10 accordingly.
  • the computer 15 controls the operation of the electrical machines 4, 9 in motor or generator mode.
  • the computer 14 uses the intermittent serial mode (disengaged clutch), with the ICE engine 1 used in all or nothing mode in its optimum operating zone for charging the SSEE 3, and the wheels 5 driven by the second electric machine 4.
  • the computer 14 uses the parallel mode (engaged clutch), with the ICE motor 1 used continuously to directly drive the wheels via the transmission members.
  • the presence of the gearbox 11 contributes to getting closer to the optimal operation of the ICE engine.
  • the computer 14 uses the parallel mode (engaged clutch), with the ICE motor 1 used continuously to directly drive the wheels, the two electrical machines 4, 9 can then also be used in motor mode to increase the power applied to the wheels 5.
  • the computer 14 retains the previously engaged mode (series, or parallel). Part of the kinetic energy of the vehicle is recovered in the SSEE, either by the second electrical machine 4 (series mode) or by one or two electrical machines 4, 9 (parallel mode) the machines are then used as generators.
  • a first advantage is a reduction in fuel consumption higher than the serial / parallel hybridization system of the prior art.
  • the device requires only a small capacity battery which reduces the cost of said battery and its size in the vehicle.
  • the device allows the use of relatively low power electrical machines, because the electrical assistance is requested preferentially only during low loads.
  • these elements are then of low cost and reduced size.
  • the coupling-decoupling system 10 may possibly be replaced by the existing box clutch system of the transmission member. Management and control between the different modes are simple.

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  • Control Of Vehicle Engines Or Engines For Specific Uses (AREA)

Abstract

Le procédé de pilotage d'un dispositif de motorisation de véhicule hybride du type correspondant à l'une quelconque des revendications précédentes, consiste à utiliser alternativement deux modes de connexion des roues au moteur électrique et au moteur à combustion interne : • un mode parallèle dans lequel le moteur à combustion interne entraîne les roues directement, sans assistance électrique, • un mode série dans lequel le moteur électrique entraîne les roues, avec une utilisation intermittente du moteur à combustion interne seulement à son point de fonctionnement optimal, en vue de recharger la batterie régulièrement le passage d'un mode à l'autre étant déterminé par une étape de comparaison entre la consommation du moteur à combustion interne en mode parallèle, et la consommation optimale du moteur à combustion interne à laquelle s'ajoutent les pertes dues à l'activation de la chaîne électrique du mode série.

Description

Procédé de pilotage d'un dispositif de motorisation de véhicule hybride,
et dispositif associé
L'invention relève du domaine des motorisations de véhicules. Elle concerne plus particulièrement les motorisations dites hybrides, comportant une chaîne électromécanique et un moteur à combustion interne. Encore plus spécifiquement, elle concerne un procédé de gestion d'un véhicule hybride, ainsi que le dispositif associé.
Avec la diminution progressive des réserves d'hydrocarbures, de nouvelles solutions de motorisation de véhicules terrestres sont étudiées depuis quelques années. Parmi celles-ci, la motorisation hybride est une voie prometteuse.
On rappelle qu'un système de motorisation est dit hybride en ce qu'il est composé de deux sources d'énergie différentes. Ces sources d'énergie peuvent être, par exemple et dans le cas le plus usuel, une unité de type moteur à combustion interne («Internai Combustion Engine», ICE en anglais) et une unité de propulsion électrique, laquelle comporte alors en général un système de stockage d'énergie électrique (SSEE) tel que batteries ou supercondensateurs. A titre de simplification, on utilisera le terme de "moteur ICE", pour désigner le moteur à combustion interne ainsi que le terme SSEE pour désigner le système de stockage d'énergie électrique dans la suite de la description.
Ces combinaisons, bien choisies, peuvent rendre les véhicules hybrides jusqu'à deux fois plus efficaces que les véhicules conventionnels, en termes de consommation, tout en fournissant des performances et un confort similaires. Les systèmes hybrides assurent une autonomie comparable aux véhicules dotés d'une motorisation classique de type moteur à combustion interne, tout en réduisant les émissions polluantes et les consommations. Dans la suite de la description, on considère particulièrement la combinaison hybride d'un véhicule, par une chaîne mécanique (moteur ICE + transmission) et une chaîne électromécanique intégrée.
Les constituants de cette chaîne électromécanique sont essentiellement composés de machines électriques commandées en moteur ou générateur connectées par un SSEE au travers de convertisseurs électriques permettant la commande de ces machines électriques. Ces convertisseurs électriques peuvent être intégrés ou non aux machines électriques. Par souci de simplification, nous considérerons le convertisseur électrique pilotant la machine électrique en mode moteur ou générateur comme une seule entité que l'on nommera simplement machine électrique.
On distingue, dans l'art antérieur, trois grandes familles d'architecture pour les véhicules hybrides actuels, illustrées ici par les figures 1 à 3. Dans ces figures, les lignes doubles représentent les lignes de transmission de puissance mécanique, et les lignes simples les lignes de transmission de puissance électrique. Dans une première architecture, dite « série » (voir figure 1), un moteur à combustion interne (ICE) 1 est connecté à une génératrice 2 qui produit de l'électricité. Cette énergie électrique est emmagasinée dans un SSEE 3 puis utilisée pour entraîner une ou plusieurs machines électriques 4, qui fournissent la puissance nécessaire pour entraîner les roues 5, via un différentiel 6, afin de propulser le véhicule.
Dans cette architecture série, les nombreuses étapes de conversion de puissance mécanique en puissance électrique génèrent des pertes de rendement cumulatives. Elles autorisent cependant des stratégies de contrôle intéressantes et une optimisation du fonctionnement du moteur thermique (ICE). Le rendement global du système s'en trouve en général amélioré dans des parcours de type « cycles urbains ». Afin de couvrir différents types de parcours, il convient d'augmenter l'autonomie du SSEE 3. Naturellement, plus celle-ci présente une capacité de stockage importante, plus elle devient relativement lourde et coûteuse. A titre purement informatif, une autonomie de 50 km en mode purement électrique suppose l'emport de batteries 3 pesant environ 70 kg.
Dans une seconde architecture, dite « parallèle » (voir figure 2), un moteur thermique ICE 1 associé à une transmission 7, d'une part, et une machine électrique 4, d'autre part, sont reliés de façon mécanique aux roues 5 du véhicule, à travers un différentiel 6. La chaîne électromécanique participe alors aux accélérations, à la récupération d'énergie et éventuellement dans les côtes et au démarrage. Un tel système hybride parallèle donne souvent un bon rendement, lorsque le couple additionnel apporté par la machine électrique 4 en mode moteur correspond à la zone (régime, couple) optimisé du moteur ICE 1. Lorsqu'on s'écarte de cette zone de régime moteur optimisé, le rendement énergétique du système hybride parallèle n'est plus optimisé. En effet, les roues 5 du véhicule sont liées au moteur ICE 1 au travers des différents étages de démultiplications mécaniques et le réglage optimisé du régime moteur, parmi les étages de vitesse proposés par la transmission, n'est pas possible.
Néanmoins, l'avantage de cette architecture parallèle, par rapport à l'architecture série, est que l'on peut déconnecter le mode électrique lorsque celui-ci n'apporte pas de gain en termes d'efficacité énergétique, ce qui est généralement le cas aux hautes vitesses du véhicule.
Une troisième architecture, dite « série / parallèle » (voir figure 3) est une construction particulière des systèmes hybrides qui permet de passer d'un mode (parallèle ou série) à un autre, de manière progressive ou non. Dans cette architecture série / parallèle, un moteur ICE 1 est susceptible d'entraîner les roues 5 à travers un répartiteur d'énergie mécanique 8 et un différentiel 6. Le répartiteur d'énergie mécanique 8 est à son tour relié à une génératrice 2, qui transforme une partie de l'énergie mécanique du moteur ICE 1 en énergie électrique, laquelle est stockée dans un SSEE 3. Un ou plusieurs moteurs électriques 4 entraînent également les roues 5 à travers le différentiel 6.
Le répartiteur d'énergie mécanique 8 répartit à volonté la puissance mécanique en deux flux, grâce à un train épicycloïdal. Une première partie de cette puissance mécanique est utilisée pour entraîner directement les roues 5, et l'autre partie de cette puissance mécanique est transformée en électricité via la génératrice 2 pour alimenter le moteur électrique 4 ou charger le SSEE 3. Cette architecture, disposant d'un train épicycloïdal, profite de la possibilité de contrôler le couple et le régime moteur en répartissent astucieusement les flux de puissance sans toutefois bénéficier de l'indépendance totale de ces deux variables. Une relation de dépendance couple-vitesse sur les trois axes du train planétaire ne permet pas de choisir un couple et un régime qui correspondrait à un point de fonctionnement de l'ICE totalement optimisé.
Autrement dit, le système contrôle les deux sources motrices 1 , 4 pour obtenir un bon rendement du moteur ICE 1 en fonction des conditions de conduite.
De cette manière, à basse vitesse, la performance de l'architecture série / parallèle est comparable aux hybrides série.
A haute vitesse, elle est comparable aux hybrides parallèles.
Cette structure à répartition de puissance se retrouve en particulier sur les véhicules hybrides les plus largement commercialisés actuellement.
Un des inconvénients d'un tel système, outre sa complexité de mise en œuvre et de pilotage, est la sollicitation quasi constante de la chaîne électromécanique lorsque le moteur ICE 1 est actif. Il en résulte une baisse de rendement du système (ICE 1 + génératrice 2 + SSEE 3 + moteur 4 + train épicycloïdal 8) qui peut être de l'ordre de 20%.
En effet le train épicycloïdal du répartiteur d'énergie 8, de par sa fonction de transmission continue, sollicite une partie plus ou moins importante du flux de puissance transitant par la chaîne de conversion électromécanique, dégradant par la même occasion le rendement de l'ensemble.
Il est clair qu'une telle perte de rendement est dommageable aux performances du véhicule en termes de consommation, ce qui devient de nos jours un critère fondamental de choix des véhicules par les usagers.
La présente invention a donc pour objet de proposer un dispositif répondant au problème exposé ci-dessus à savoir la réduction de consommation de carburant. Un second but de l'invention est d'être simple et peu onéreuse à mettre en œuvre.
A cet effet, l'invention vise un dispositif de motorisation d'un véhicule terrestre hybride, ledit dispositif comportant une première ligne de transmission de puissance mécanique comportant un moteur à combustion interne relié à une première machine électrique, une deuxième ligne de transmission de puissance mécanique comportant une seconde machine électrique susceptible d'entraîner des roues du véhicule en rotation, les deux machines électriques, commandables en moteur ou générateur, étant reliées à un système de stockage d'énergie électrique,
le dispositif comportant en outre :
- un système de couplage-découplage en "tout ou rien" des deux lignes de transmission de puissance mécanique,
- des moyens de commande de ces divers éléments, reliés à un calculateur,
- des moyens de comparaison entre :
d'une part, la consommation du moteur à combustion interne en mode parallèle, défini comme un mode dans lequel l'arbre du moteur à combustion interne entraine les roues via différents organes d'engrenages mécaniques, les deux lignes de transmissions mécaniques étant reliées au travers du dispositif de couplage, c'est à dire, la consommation dudit moteur à combustion interne à un instant donné sans assistance électrique et,
d'autre part, une consommation équivalente calculée à partir de la consommation optimale du moteur à combustion interne à laquelle s'ajoutent les pertes dues à l'activation de la chaîne électrique du mode série, défini comme un mode dans lequel la traction du véhicule est assurée seule par la seconde machine électrique, les deux lignes de transmissions mécaniques étant séparées par le dispositif de couplage, une utilisation intermittente du moteur à combustion interne permettant de recharger le système de stockage d'énergie électrique régulièrement afin de répondre à une demande continue de puissance au niveau des roues.
On comprend que le système de couplage-découplage en tout ou rien est un dispositif de type embrayage, permettant de séparer complètement, d'un point de vue mécanique, les deux lignes de transmission de puissance mécanique. Ce système de couplage découplage pourra en outre être remplacé le cas échéant par l'embrayage classique associé à la boîte de vitesse.
Préférentiellement, le dispositif comporte également une boîte de vitesse disposée sur l'une des lignes de transmission de puissance mécanique. Cette boîte de vitesse peut être associée a son propre système d'embrayage classique ou bien utiliser le système de couplage-découplage utilisé dans ce cas comme embrayage de boîte.
Cette disposition permet classiquement d'utiliser le moteur à combustion interne à son point de fonctionnement optimal à plusieurs vitesses du véhicule.
Avantageusement, les deux machines électriques sont dimensionnées pour une puissance nominale de l'ordre de 10 à 30 kW.
Cette puissance est globalement la moitié de la puissance des machines électriques utilisées dans l'art antérieur pour des réductions de consommations de carburant comparables.
Selon un mode de réalisation préféré, le système de stockage d'énergie électrique est de type à charge et décharge rapide.
L'invention vise sous un second aspect un procédé de pilotage d'un dispositif de motorisation de véhicule hybride tel qu'exposé, le procédé consistant à utiliser au moins deux modes d'architecture distincts :
• un mode parallèle dans lequel l'arbre du moteur à combustion interne entraine les roues via différents organes d'engrenages mécaniques, les deux lignes de transmissions mécaniques étant reliées au travers du dispositif de couplage,
• un mode série dans lequel la traction du véhicule est assurée seule par la seconde machine électrique, les deux lignes de transmissions mécaniques étant séparées par le dispositif de couplage, une utilisation intermittente du moteur à combustion interne (marche, arrêt) permettant de recharger le système de stockage d'énergie électrique régulièrement afin de répondre à une demande continue de puissance au niveau des roues.
La recharge intermittente du SSEE par l'ICE s'opère au travers de la première machine électrique.
Dans ce cas, selon un mode de réalisation préféré, le passage d'un mode à l'autre est déterminé par une étape de comparaison entre la consommation du moteur à combustion interne en mode parallèle (c'est à dire, la consommation dudit moteur à combustion interne à un instant donné sans assistance électrique), et la consommation équivalente calculée à partir de la consommation optimale du moteur à combustion interne à laquelle s'ajoutent les pertes dues à l'activation de la chaîne électrique du mode série.
Selon diverses mises en œuvre du procédé :
- dans une configuration du véhicule en traction à faible puissance, le calculateur utilise le mode série avec utilisation intermittente du moteur à combustion interne. Dans ce cas, le calculateur contrôle les différents organes de la chaîne électromécanique permettant l'utilisation intermittente du moteur à combustion interne.
- en configuration de traction du véhicule à puissance normale, le calculateur utilise le mode parallèle, et le moteur à combustion interne est utilisé seul pour entraîner les roues.
- en configuration de traction du véhicule à forte puissance, par exemple en cas d'accélération forte, le calculateur utilise le mode parallèle, et une ou les deux machines électriques sont utilisées en mode moteur pour fournir un couple additionnel sur l'arbre de transmission afin d'entraîner les roues conjointement au moteur à combustion interne. On comprend que l'invention propose d'optimiser le procédé de gestion d'un système série/parallèle connu jusqu'à maintenant en permettant une liaison :
• soit directe entre le moteur ICE et les roues, le plus souvent sans solliciter la chaîne électrique, ce qui correspond à un mode parallèle. Cette configuration est activée dans les conditions de fonctionnement où le moteur ICE seul est plus favorable (en termes de consommation) que le fonctionnement du moteur ICE entraînant la chaîne électrique (mode série), ce qui évite ainsi de baisser le rendement global du système.
• soit indirecte entre le moteur ICE et les roues en sollicitant la chaîne électrique, ce qui correspond à un mode série. Cette configuration est activée dans les conditions de fonctionnement où le moteur ICE n'aurait pas été optimisé si la liaison avait été directe.
Dans cette seconde configuration, le moteur ICE charge le SSEE au travers de la première machine électrique (utilisée en mode générateur), à son point de fonctionnement optimum, c'est à dire à son point de fonctionnement (régime, couple) correspondant à la meilleure (c'est à dire la plus basse) consommation de carburant pendant que la deuxième machine électrique (utilisée en mode moteur) délivre aux roues la puissance demandée par le conducteur. Ce mode de fonctionnement induit nécessairement des phases rapides d'alternance de fonctionnement du moteur ICE (charge du SSEE au point de fonctionnement optimal de l'ICE) avec des phases d'arrêt du moteur ICE (décharge du SSEE). Bien sûr, pour tout moteur ICE, il n'existe pas qu'un seul point de fonctionnement optimal, mais un ensemble de points de fonctionnement (couple, régime), qui définissent une zone de fonctionnement optimal correspondant à la zone de moindre consommation de carburant.
L'idée est donc d'utiliser le moteur ICE de manière intermittente (selon un mode de fonctionnement « tout ou rien ») dans sa zone de fonctionnement optimal, c'est à dire dans la zone de fonctionnement correspondant à la consommation de carburant la plus basse.
Ceci peut être réalisé au moyen d'une machine électrique et d'un SSEE de tailles réduites, par rapport à l'art antérieur des architectures hybrides série / parallèle. En effet, puisque le moteur ICE est utilisé uniquement proche de son point de fonctionnement optimisé, et que la fréquence des phases de démarrage et d'arrêt de l'ICE n'altère pas ou peu la consommation moyenne de l'ICE, l'ICE peut donc fournir de la puissance sous forme de créneaux " tout ou rien" nettement plus souvent sans dégrader son rendement, il devient alors inutile de recharger un gros SSEE. Cette architecture nouvelle est ainsi très économe et de plus beaucoup plus légère que les solutions existantes.
On comprend que, d'une manière générale, l'assistance électrique, (en termes de réduction de consommation de carburant), n'est intéressante que lorsqu'elle permet au moteur ICE de fonctionner globalement à des niveaux de rendement supérieur tout en tenant compte des pertes occasionnées par l'utilisation de la chaîne électrique. Il convient de s'interroger en permanence de l'intérêt de solliciter la chaîne électrique ou non. La gestion de l'entraînement des roues selon cette comparaison constitue le but de la présente invention.
Les buts et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description et des dessins d'un mode particulier de réalisation, donnés à titre d'exemple non limitatif, et pour lequel les dessins représentent :
- Figure 1 (déjà citée) : Schéma du circuit d'énergie pour un système hybride série ;
- Figure 2 (déjà citée) : Schéma du circuit d'énergie pour un système hybride parallèle ;
- Figure 3 (déjà citée) : Schéma du circuit d'énergie pour un système hybride série/parallèle ;
- Figure 4 : Carte de consommation d'un moteur thermique (ICE) de type essence ;
- Figure 5 : une vue schématique d'un dispositif d'hybridation série/parallèle selon l'invention.
La figure 5 illustre de façon simplifiée les éléments d'un dispositif de motorisation conforme à l'invention. Celle-ci trouve sa place dans un véhicule terrestre tel qu'une automobile, à motorisation de type hybride.
Le dispositif comporte en premier lieu un moteur à combustion interne 1 , de type à essence dans le présent exemple nullement limitatif. Un tel moteur ICE 1 est connu en soi et n'est donc pas détaillé plus avant ici.
Il comporte ensuite une première machine électrique 9, disposée sur une première ligne 12 de transmission de puissance mécanique, reliée au moteur ICE 1.
Les fonctions de cette première machine électrique 9 sont :
Lorsqu'elle est utilisée en mode moteur :
- d'entraîner le moteur ICE 1 en vue d'effectuer son démarrage,
- d'assister le moteur ICE 1 pendant les phases de fortes accélérations du véhicule. Et, lorsqu'elle est utilisée en mode générateur :
- de transmettre des créneaux d'énergie du moteur ICE 1 vers un système de stockage d'énergie électrique (noté SSEE par simplification dans la suite de la description) 3,
- de ralentir rapidement le moteur ICE 1 en vue d'effectuer son arrêt,
- de récupérer une partie de l'énergie cinétique récupérable du véhicule pendant les phases de décélérations.
Le dispositif comporte également une seconde machine électrique 4, laquelle est aussi reliée au SSEE 3.
Les fonctions de cette seconde machine électrique 4 sont : Lorsqu'elle est utilisée en mode moteur :
- de transmettre l'intégralité de la puissance demandée aux roues 5, en mode série,
- de transmettre une partie de la puissance demandée pendant les phases de fortes accélérations du véhicule en mode parallèle.
Et, lorsqu'elle est utilisée en mode générateur :
- de récupérer tout ou partie de l'énergie cinétique récupérable du véhicule pendant les phases de décélérations, quel que soit le mode utilisé.
Le but de l'invention n'étant pas une répartition de la puissance entre le moteur ICE 1 et les moteurs générateurs électriques 4, 9 mais une utilisation optimisée du moteur ICE 1 avec éventuellement une assistance électrique ponctuelle par ces moteurs si nécessaire, les deux moteurs générateurs 4, 9 peuvent être dimensionnés à une puissance relativement faible, par exemple 10 à 30 kW. Ceci se distingue de l'art antérieur, dans lequel on utilise typiquement un moteur électrique de 50 kW et une génératrice de 30 kW.
La seconde machine électrique 4 est reliée aux roues 5 du véhicule par l'intermédiaire d'une seconde ligne 13 de transmission mécanique qui comporte un organe de transmission 11 , composé d'une boîte de vitesse et éventuellement d'un dispositif d'embrayage de boîte, et un différentiel 6.
La fonction de la boîte de vitesse est de permettre aussi bien au moteur ICE 1 qu'a la seconde machine électrique 4 de fonctionner à des couples et régimes satisfaisant, correspondant à leur plage ou zone de fonctionnement optimisée. La boîte de vitesse est de type connu de l'homme de l'art.
Le dispositif comporte encore, sur la ligne de transmission de puissance mécanique du moteur ICE 1 , en aval de la première machine électrique 9, et en amont de la seconde machine électrique 4, un dispositif de type embrayage 10 permettant de réaliser un couplage-découplage des deux parties 12, 13 de ladite ligne de transmission de puissance mécanique. Cet embrayage 10 est l'élément qui permet le passage du mode série au mode parallèle. Cet embrayage est de type connu de l'homme de l'art.
Comme on l'a vu, le SSEE 3 est reliée aux deux machines électriques 4, 9. En mode série, le SSEE 3 sert d'étage tampon, d'une part en stockant rapidement l'énergie fournie par le moteur ICE 1 lorsqu'il fonctionne à son point optimal, pendant sa phase active, et d'autre part en délivrant la puissance continue demandée aux roues 5.
En mode série ou parallèle, le SSEE 3 permet de récupérer une partie de l'énergie cinétique du véhicule pendant les phases de décélérations
Enfin, en mode parallèle, le SSEE peut fournir de l'énergie additionnelle pendant les phases d'accélération.
Il est important que le SSEE 3 puisse être chargé et déchargé très rapidement, afin que le moteur ICE 1 n'ait pas le temps de refroidir entre deux fonctionnements. Le SSEE 3 doit donc être de petite capacité (quelques dizaines de Wh), par rapport à l'art antérieur, ce qui est très avantageux en termes de coût et de poids embarqué.
Le dispositif comporte également un calculateur 14 connecté aux éléments principaux de la motorisation décrite, notamment les deux machines électriques 4, 9, le SSEE 3, le moteur ICE 1 , le système de couplage-découplage 10 et l'organe de transmission 11.
On constate que le dispositif, tel qu'on le voit sur la figure 5, présente plusieurs différences par rapport à l'art antérieur des architectures hybrides, et notamment :
a) un embrayage 10 permettant le couplage-découplage des deux parties 12, 13 de la liaison mécanique,
b) deux machines électriques 4, 9 de faible puissance,
c) un SSEE 3 de faible capacité,
d) un organe de transmission 1 comportant une boîte de vitesse et éventuellement un dispositif d'embrayage de boîte.
Par rapport à la configuration hybride "série / parallèle" décrite plus haut, et illustrée par la figure 3, le groupe embrayage 10 + machine électrique 9 du dispositif selon l'invention semble, en première analyse, se rapprocher du groupe répartiteur d'énergie 8 + générateur électrique 2 de l'art antérieur hybride. En fait, il n'en est rien.
En premier lieu, les puissances nominales des deux moteurs générateurs de l'art antérieur sont prévues pour fournir des puissances additionnelles au moteur ICE suffisamment conséquentes (entre 30 à 50% de la puissance totale disponible) pour permettre à l'ICE 1 d'en être réduit d'autant.
Ce qui conduit à modifier entièrement l'architecture du véhicule conventionnel pour le rendre hybride.
En second lieu, dans l'art antérieur, le train épicycloïdal du répartiteur d'énergie 8 ne permet jamais de supprimer complètement le transfert d'une part de l'énergie mécanique vers la chaîne de génération électrique, et génère en permanence une perte de rendement, pouvant aller jusqu'à 20%.
Le choix, pour le dispositif selon l'invention, d'un embrayage 10 et d'un groupe de deux machines électriques 4, 9 de faible puissance est donc motivé, d'une part, par une grande simplicité de pilotage, que démontre le procédé de pilotage décrit, d'autre part, par les relatives faibles modifications apportées pour intégrer la chaîne électromécanique conduisant à l'hybridation du véhicule.
Le moteur ICE quant à lui ne subissant pas ou peu de réduction de puissance peut rester identique à celui d'un véhicule conventionnel comparable.
En outre, les dimensions des éléments dissipateurs thermiques nécessaires au bon fonctionnement des organes de la chaîne électromécanique (machines électriques, SSEE, convertisseurs...) sont proportionnelles à la puissance nominale qu'ils doivent transférer et seront donc par conséquent sensiblement réduits.
Les économies de carburant sont importantes même avec des puissances faibles de machines électriques embarquées.
L'invention a notamment pour but d'utiliser l'assistance électrique fournie par les machines électriques 4, 9 à bon escient. En résumé le procédé de pilotage d'une architecture hybride conforme à l'invention, consiste donc à utiliser deux modes : un premier mode dit "parallèle", et un second mode dit "série intermittente".
Le mode parallèle est obtenu lorsque l'embrayage 10 est en position embrayée. La liaison mécanique est connectée entre le moteur ICE 1 et les roues 5 via les différents organes de démultiplications des dispositifs de transmissions. Dans ce premier mode, le moteur ICE 1 entraine les roues 5, avec ou sans l'assistance électrique (assistance uniquement en phase de forte accélération) des machines électriques 4, et/ou 9. Il est important de noter que, dans ce cas, le moteur ICE 1 n'est alors pas utilisé pour charger le SSEE 3. Les deux machines électriques 4 et/ou 9 peuvent récupérer l'énergie cinétique récupérable du véhicule pendant les phases de décélérations (mode générateur).
Dans le mode série intermittente, l'embrayage 10 est en position débrayée. La liaison mécanique est donc déconnectée entre le moteur ICE 1 et les roues 5.
Dans ce second mode, l'entraînement des roues se fait par la seconde machine électrique 4. Le moteur ICE 1 est utilisé de façon intermittente,
Dans ce mode série intermittente, le calculateur 14 gère les phases d'arrêt et de mises en marche du système d'injection de l'ICE de manière synchrone par rapport au pilotage des deux machines électriques. Les deux machines électriques ont des fonctions différentes. Tout d'abord dans la phase active du moteur ICE, la première machine électrique 9 entraine le moteur ICE en vue de son démarrage (mode moteur). Puis lorsque l'ICE est lancé, le calculateur 14 autorise le système d'injection de carburant au niveau de l'ICE afin que ce dernier se trouve dans la zone de fonctionnement optimal (régime, couple) et commande la machine électrique 9 en mode générateur afin de transmettre l'énergie du moteur ICE 1 vers le SSEE qui se charge. Enfin, lorsque le SSEE est suffisamment chargé, le calculateur 14 commande l'arrêt du système d'injection de carburant de l'ICE et la machine électrique 9 toujours en mode générateur contribue à la décélération du moteur ICE en récupérant une partie de l'énergie cinétique des pièces en mouvement du moteur ICE. Dans la phase inactive du moteur ICE (arrêt total de l'ICE) la machine électrique 9 est aussi à l'arrêt. Par contre pendant le même temps, la demande de puissance aux roues est entièrement fournie par le SSEE qui se décharge au travers de la deuxième machine électrique 4. Celle-ci opère dans ce cas soit en mode moteur (traction du véhicule) soit en mode générateur (décélération du véhicule).
En permettant de jouer sur les deux modes parallèles et série intermittente, le procédé de pilotage selon l'invention permet également des fonctions standard hybrides, de type assistance des deux moteurs-générateurs électriques 4, 9 sur les roues 5 lors de fortes accélérations (fonction connue sous le nom de "boost"), récupération d'énergie au freinage par les deux moteurs-générateurs électriques 4, 9, et arrêt automatique du moteur ICE 1 lors de chaque arrêt du véhicule (fonction connue sous le nom de "stop & start" ou "stop & go").
Pour passer d'un mode à l'autre, le procédé selon l'invention comporte une étape de comparaison entre la consommation du moteur ICE 1 en mode parallèle (c'est à dire, la consommation du moteur ICE 1 à un instant donné sans assistance électrique), et la consommation optimale du moteur ICE 1 à laquelle s'ajoutent les pertes dues à l'activation de la chaîne électrique du mode série.
Quand la consommation du moteur ICE 1 en mode parallèle est inférieure à la consommation équivalente de l'ensemble « ICE (optimal) + pertes de la chaîne électrique en mode série », alors le mode parallèle est activé, et le moteur ICE 1 fonctionne seul.
Au contraire, quand la consommation du moteur ICE 1 en mode parallèle est supérieure à la consommation équivalente de l'ensemble « ICE (optimal) + pertes de la chaîne électrique en mode série », alors le moteur ICE 1 fonctionne en mode série de manière intermittente. C'est-à-dire, soit qu'il fonctionne à son point de fonctionnement optimal pour charger le SSEE 3, soit qu'il est arrêté. Dans ces deux cas correspondant au mode série intermittente, la seconde machine électrique 5 assure seule la transmission de puissance aux roues.
II est connu, dans le cas d'un véhicule à propulsion classique (non hybride, avec un moteur ICE seul) d'associer une consommation de carburant (ou un rendement énergétique) pour chaque point de fonctionnement donné du véhicule, c'est à dire pour une vitesse de rotation de l'arbre moteur (en t/min) et un couple sur l'arbre (en Nm).
La représentation graphique de cette fonction est illustrée figure 4, dans laquelle les axes représentent, en abscisses le régime moteur en tours/minute, en ordonnées le couple moteur (en Nm). Les courbes fermées IC représentent alors des lignes d'iso- consommation du moteur, comprises dans le présent exemple nullement limitatif, entre 250 g/kWh et 550 g/kWh. En d'autres termes, tous les points correspondant à la même consommation sont reliés ensemble pour constituer des « iso-consommations » dans le plan (régime couple) du moteur ICE. La zone de fonctionnement optimale du moteur ICE est alors, comme on le comprend, la zone comprise dans la courbe fermée IC2so et regroupe les points de fonctionnement du moteur ICE dont la consommation est égale à 250 g/kWh. Le graphique illustre également, par la courbe haute LF, la limite du domaine de fonctionnement du moteur à combustion interne.
La deuxième famille de courbes P, sensiblement parallèles entre elles, correspond à la puissance délivrée par le moteur en kvV, pour chaque couple et nombre de tours/minute. Les courbes P vont dans le présent exemple de 10 à 160 kW. La courbe P30 correspondant à la valeur 30 kW est ici indiquée en pointillés.
Afin de comprendre l'intérêt de passer d'un mode à l'autre, on choisit d'étudier différents points de fonctionnement de l'ICE en utilisant soit le mode parallèle soit le mode série.
En prenant par exemple une charge au niveau des roues correspondant à un point de fonctionnement de consommation égale à 250 g/kWh (point F1 sur la figure 4) c'est à dire égale à la meilleure consommation du moteur ICE considéré et correspondant à la puissance nominale de la première machine électrique 4.
En mode parallèle, ce point de consommation reste en moyenne égal à 250 g/kWh car la chaîne électromécanique n'est pas activée et aucune perte électrique ne vient dégrader ce rendement.
Pour cette même charge au niveau des roues, en utilisant le mode série, le point de fonctionnement de l'ICE doit tenir compte des pertes générées par l'utilisation de la chaîne électromécanique, soit à peu près 20%. La puissance de l'ICE pour compenser les pertes doit être augmentée d'autant, ce qui conduit à une consommation équivalente du moteur ICE 1 autour de 300 g/kWh.
Il n'y a donc aucun intérêt à solliciter la chaîne électromécanique pour ce point F1 de fonctionnement du moteur ICE 1. Il est alors préférable d'avoir une liaison directe entre le moteur ICE 1 et les roues 6 du véhicule et de faire fonctionner le moteur ICE 1 au point F1 de moindre consommation.
Il en est de même, si le moteur ICE 1 tourne près du point de consommation idéal, par exemple à 280 g/KWh (point F2). En effet il ne sert à rien de forcer le moteur à tourner à 250 g/kWh (point F1 ) et de solliciter la chaîne électromécanique, puisque cela équivaut à une consommation moyenne équivalente de 300 g/kWh, supérieure à celle du point de départ (280 g/kWh). Il est donc préférable pour ce point de rester en mode parallèle, c'est à dire d'entraîner les roues 5 directement avec le moteur ICE 1.
Par contre, si le point de fonctionnement du moteur ICE 1 équivaut à une consommation de 360 g/kWh (point F3 sur la figure 4), c'est à dire loin de la consommation optimale de 250 g/KWh (point F1 ), il devient intéressant de passer en mode série intermittent. La consommation moyenne équivalente du moteur ICE devient alors celle du point optimum augmentée des pertes de la liaison série soit 300 g/KWh, (point F1 ) et elle demeure cependant inférieure à la consommation de départ (360 g/kWh).
On comprend qu'il existe une limite de consommation du moteur ICE 1 au delà de laquelle il devient intéressant de passer au mode série intermittent, ce point limite se situe dans notre exemple autour de 300 g/kWh.
Pour ce point F3, il est donc intéressant de passer en mode série intermittente.
Dans ce mode série, Les roues 5 sont alors entraînées par la seconde machine électrique 4. Les arrêts du moteur ICE 1 sont nécessaires afin de ne pas surcharger le SSEE 3 qui est de faible capacité, mais ils doivent être de courte durée afin de ne pas permettre au moteur ICE 1 de trop refroidir, ce qui pourrait dégrader la qualité de combustion du moteur ICE et de contribuer ainsi à augmenter les taux d'émissions de polluants
Naturellement, dans ce mode série, la puissance nécessaire pour la traction des roues doit être compatible avec la puissance disponible du SSEE 3 et de la seconde machine électrique 4. En outre, afin d'autoriser l'alternance de phase de charge et de décharge du SSEE par le moteur ICE, la puissance moyenne demandée aux roues doit être inférieure à la puissance crête délivrée par le moteur ICE pendant les phases de charge du SSEE soit 30 kW dans notre exemple.
En d'autres termes, et en se référant à la figure 4, le mode série intermittente (embrayage débrayé) permet d'améliorer la consommation globale du véhicule pour les points de rendement du moteur ICE 1 supérieur à 300 g/kWh, et pour une puissance de traction inférieure à 30 kW dans cet exemple.
On comprend que la valeur de 20%, choisie comme définissant la perte de puissance due à la chaîne électrique, peut être modifiée en toute autre valeur selon les caractéristiques du dispositif et du procédé selon l'invention, sans sortir du cadre de celle- ci.
En considérant le cas particulier d'une puissance de transfert de 30 kW, les points concernés se situent donc, sur la figure 4, en dessous de la courbe d'iso-puissance 30 kW, et en dessous de la courbe d'iso-consommation de 300 g/kWh (soit 250 g/kWh + 20%). Ils sont représentés par une zone hachurée sur la figure 4, correspondant au présent exemple fourni ici à titre nullement limitatif. Il est évident qu'à ces niveaux de puissance (inférieur à 30 kW dans notre exemple), les hauts régimes moteurs seront préférablement ramenés par le jeu des différents étages de la transmission, à des régimes largement plus bas limitant ainsi la zone hachurée de la figure 4 à des vitesses moteur thermique relativement faibles.
Cette zone correspond à un fonctionnement du moteur ICE en faible charge et faible vitesse, c'est à dire principalement à un cycle ville, qui représente la très grande majorité des cas d'utilisation de véhicules de type automobiles. On comprend que le calculateur 14 procède à intervalles réguliers à la comparaison des consommations conformément à ce qui vient d'être décrit, et détermine alors le mode de fonctionnement utilisé. Il commande alors en conséquence l'engagement ou de dégagement de l'embrayage 10.
Par ailleurs, selon les configurations du véhicule, le calculateur 15 commande le fonctionnement des machines électriques 4, 9 en mode moteur ou générateur.
Plus précisément, dans une configuration du véhicule en traction à faible puissance, le calculateur 14 utilise le mode série intermittente (embrayage désengagé), avec le moteur ICE 1 utilisé en mode tout ou rien dans sa zone de fonctionnement optimal pour charger le SSEE 3, et les roues 5 entraînées par la seconde machine électrique 4. Dans une configuration à puissance normale, le calculateur 14 utilise le mode parallèle (embrayage engagé), avec le moteur ICE 1 utilisé en continu pour entraîner directement les roues via les organes de transmission. La présence de la boîte de vitesse 11 contribuant à se rapprocher du fonctionnement optimal du moteur ICE. Dans une configuration de traction à forte puissance, par exemple lors d'une accélération, le calculateur 14 utilise le mode parallèle (embrayage engagé), avec le moteur ICE 1 utilisé en continu pour entraîner directement les roues, les deux machines électriques 4, 9 peuvent alors également être utilisées en mode moteur pour augmenter la puissance appliquée aux roues 5. Dans une configuration de décélération modérée, le calculateur 14 conserve le mode préalablement engagé (série, ou parallèle). Une partie de l'énergie cinétique du véhicule est récupérée dans le SSEE, soit par la seconde machine électrique 4 (mode série), soit par une ou deux machines électriques 4, 9 (mode parallèle) les machines sont alors utilisées alors en générateurs.
Dans une configuration de décélération forte, un complément de décélération peut être réalisé par frein moteur en repassant en mode parallèle le cas échéant.
On comprend que le dispositif et le procédé, tels qu'ils viennent d'être exposés, présentent plusieurs avantages.
Un premier avantage est une réduction de la consommation de carburant supérieure au système d'hybridation série/parallèle de l'art antérieur.
Le dispositif nécessite seulement une batterie de petite capacité ce qui réduit le coût de ladite batterie et son encombrement dans le véhicule.
De même, le dispositif permet l'utilisation de machines électriques de relativement faible puissance, car l'assistance électrique est sollicitée préférentiellement que lors des faibles charges. Ici encore, ces éléments sont alors de faible coût et d'encombrement réduit.
Le système de couplage-découplage 10 peut éventuellement être remplacé par le système d'embrayage de boîte existant de l'organe de transmission. La gestion et le contrôle entre les différents modes sont simples.
Dans le cas d'une conception complète du moteur ICE, il ne serait pas nécessaire de concevoir des moteurs à combustion interne optimisés sur une plage de fonctionnement très large, puisqu'ils ne seraient pas destinés à fonctionner à des points de faibles charges. Par conséquent, les rendements de ces nouveaux moteurs thermiques sur des plages restreintes seraient améliorés, l'invention est toutefois réalisable avec un moteur et une boîte de vitesse existants, sans avoir besoin de développer un nouveau bloc moteur thermique pour le véhicule hybride concerné. Ceci réduit considérablement le coût de développement du véhicule hybride utilisant l'invention et permet une intégration de la chaîne électromécanique à partir d'un véhicule conventionnel.
La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considérées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de motorisation d'un véhicule terrestre hybride, ledit dispositif comportant une première ligne de transmission de puissance mécanique (12) comportant un moteur à combustion interne (1) relié à une première machine électrique (9), une deuxième ligne de transmission de puissance mécanique (13) comportant une seconde machine électrique (4) susceptible d'entraîner des roues (5) du véhicule en rotation, les deux machines électriques (9, 4), commandables en moteur ou générateur, étant reliés à un système de stockage d'énergie électrique (3),
caractérisé en ce que le dispositif comporte en outre :
• un système de couplage-découplage (10) en "tout ou rien" des deux lignes de transmission de puissance mécanique (12, 13),
• des moyens de commande de ces divers éléments, reliés à un calculateur (14),
• des moyens de comparaison entre :
- d'une part, la consommation du moteur à combustion interne (1) en mode parallèle, défini comme un mode dans lequel l'arbre du moteur à combustion interne (1) entraine les roues (5) via différents organes d'engrenages mécaniques, les deux lignes de transmissions mécaniques (12, 13) étant reliées au travers du dispositif de couplage (10), c'est à dire, la consommation dudit moteur à combustion interne (1) à un instant donné sans assistance électrique et,
- d'autre part, une consommation équivalente calculée à partir de la consommation optimale du moteur à combustion interne (1) à laquelle s'ajoutent les pertes dues à l'activation de la chaîne électrique (3,4,9) du mode série, défini comme un mode dans lequel la traction du véhicule est assurée seule par la seconde machine électrique (4), les deux lignes de transmissions mécaniques étant séparées par le dispositif de couplage (10), une utilisation intermittente du moteur à combustion interne (1) dans une zone de fonctionnement optimal correspondant à la zone de moindre consommation de carburant permettant de recharger le système de stockage d'énergie électrique (3) régulièrement afin de répondre à une demande continue de puissance au niveau des roues (5).
2. Dispositif de motorisation selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte en outre une boîte de vitesse (11 ) disposée sur l'une des lignes de transmission de puissance mécanique (12, 13)
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les deux machines électriques (4, 9) sont dimensionnées à une puissance de l'ordre de 10 à
30 kW.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de stockage d'énergie électrique (3) est de type à charge et décharge rapide.
5. Procédé de pilotage d'un dispositif de motorisation de véhicule hybride du type correspondant à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser au moins deux modes d'architecture distincts :
• un mode parallèle dans lequel l'arbre du moteur à combustion interne (1) entraîne les roues (5) via différents organes d'engrenages mécaniques, les deux lignes de transmissions mécaniques (12, 13) étant reliées au travers du dispositif de couplage (10),
• un mode série dans lequel la traction du véhicule est assurée seule par la seconde machine électrique (4), les deux lignes de transmissions mécaniques étant séparées par le dispositif de couplage (10), une utilisation intermittente du moteur à combustion interne (1 ) dans une zone de fonctionnement optimal correspondant à la zone de moindre consommation de carburant permettant de recharger le système de stockage d'énergie électrique (3) régulièrement afin de répondre à une demande continue de puissance au niveau des roues (5).
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le passage d'un mode à l'autre est déterminé par une étape de comparaison entre la consommation du moteur à combustion interne (1 ) en mode parallèle, c'est à dire, la consommation dudit moteur à combustion interne (1) à un instant donné sans assistance électrique, et une consommation équivalente calculée à partir de la consommation optimale du moteur à combustion interne (1) à laquelle s'ajoutent les pertes dues à l'activation de la chaîne électrique (3,4,9) du mode série.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que, dans une configuration du véhicule en traction à faible puissance, le calculateur (14) utilise le mode série avec utilisation intermittente du moteur à combustion interne (1).
8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que, en configuration de traction du véhicule à puissance normale, le calculateur (14) utilise le mode parallèle, et le moteur à combustion interne (1 ) est utilisé seul pour entraîner les roues (5).
9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que, en configuration de traction du véhicule à forte puissance, par exemple en cas d'accélération forte, le calculateur (14) utilise le mode parallèle, et les deux machines électriques (4, 9) sont utilisées en mode moteur pour entraîner les roues (5) conjointement au moteur à combustion interne (1).
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