FR2753143A1 - Systeme hybride de propulsion en serie - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un système hybride de propulsion en série comportant un moteur à combustion (1), un générateur (5) couplé mécaniquement au moteur à combustion, un accumulateur d'énergie (8) couplé électriquement au générateur et au moins un moteur électrique de commande (9) relié électriquement au générateur et à l'accumulateur d'énergie. Le groupe moteur à combustion-générateur (1, 4, 5) est utilisé le long d'une caractéristique de fonctionnement dont la puissance correspond à la puissance nécessaire, lissée dans le temps du moteur électrique de commande (9), le moteur à combustion fonctionnant constamment ou pratiquement à pleine charge. En même temps, l'accumulateur d'énergie (8) a une capacité de quelques kWh maximum et une densité élevée de puissance et sert à équilibrer des différences rapides de puissance entre la puissance nécessaire instantanée du moteur électrique de commande et la puissance correspondant à la puissance nécessaire du moteur électrique.

Description

SYSTEME HYBRIDE DE PROPULSION
La présente invention concerne un système hybride de propulsion en série, utilisable en particulier dans les véhicules automobiles, comportant un moteur à combustion, un générateur couplé mécaniquement au moteur à combustion, un accumulateur d'énergie couplé électriquement au générateur et au moins un moteur électrique de commande relié électriquement au générateur et à l'accumulateur d'énergie, caractérisé en ce que le groupe moteur à combustion-générateur est utilisé le long d'une caractéristique de fonctionnement dont la puissance correspond à la puissance nécessaire du moteur électrique de commande et lissée dans le temps, le moteur à combustion fonctionnant constamment à pleine charge ou pratiquement à pleine charge et en ce que l'accumulateur d'énergie a une capacité d'accumulateur d'énergie de quelques kWh maximum et une densité élevée de puissance et sert à équilibrer des différences rapides de puissance entre la puissance nécessaire instantanée du moteur électrique de commande et la puissance correspondant à la puissance nécessaire du moteur électrique de commande qui est lissée dans le
temps et est émise par le groupe moteur à combustion-
générateur. Dans de tels systèmes hybrides de propulsion, une puissance motrice mécanique est proposée grace à un ou plusieurs moteurs électriques de commande, par exemple pour entraîner les roues motrices
lors de l'utilisation dans un véhicule automobile.
L'énergie requise à cet effet est générée par le groupe moteur à combustion-générateur et après la phase de marche, elle est respectivement amenée directement aux moteurs électriques de commande ou stockée
temporairement dans l'accumulateur d'énergie.
Dans la plupart des systèmes hybrides de propulsion en série traditionnels de véhicules automobiles, il est prévu pendant certaines phases de marche, par exemple, des parcours en ville, de rouler, sur plusieurs minutes ou heures, uniquement avec l'énergie accumulée au préalable dans l'accumulateur
d'énergie, le moteur à combustion restant à l'arrêt.
Afin de permettre ceci, les accumulateurs d'énergie sont utilisés avec une capacité de stockage assez
importante de - typiquement - plus de dix kWh.
Dans le brevet EP O 437 266 A2, on décrit un véhicule automobile comportant un système hybride de propulsion en série dans lequel le groupe moteur à combustion-générateur est commandé en fonction de l'état de charge de l'accumulateur d'énergie et/ou de l'état de la puissance de sortie du moteur électrique de commande, différentes variantes étant proposées à cet effet. Dans une première variante, le moteur à combustion est utilisé sur la base d'un type de réglage par tout ou rien, au choix avec une vitesse-puissance sélectionnée selon des points de vue d'optimisation ou avec un régime de ralenti. Dans une seconde variante, le moteur à combustion est réglé à une puissance de sortie plus élevée ou plus basse et est ainsi adapté un peu à la puissance nécessaire du véhicule. En même temps, le moteur à combustion doit tourner le plus longtemps possible à ou pratiquement à son point de fonctionnement optimal du point de vue de la consommation, à l'occasion de quoi une variation de 10 % maximum est admise de manière préférée. Dans une troisième variante, la puissance électrique émise par le générateur est réglée, ce qui montre une adaptation régulière de la puissance du générateur à l'état de la puissance de sortie du moteur électrique. Dans les deux dernières variantes citées, on affecte de préférence au moteur à combustion une commande qui pour la puissance du moteur à combustion respectivement requise, sélectionne la combinaison vitesse/couple la plus avantageuse possible du point de vue de la consommation de carburant et/ou de l'émission de substances polluantes. Les variations d'énergie restantes sont respectivement équilibrées par l'accumulateur d'énergie
qui est conçu en tant qu'accumulateur à volant.
Par le brevet DE 41 33 013 Al, on connaît des systèmes hybrides de propulsion en série conformes au genre et comportant un volant ou un accumulateur permettant de stocker l'énergie électrique. Cependant, l'alimentation d'énergie électrique dans le moteur électrique de commande respectif se fait au choix par le groupe moteur à combustion-générateur et/ou l'accumulateur d'énergie en fonction de la consommation de carburant, de la qualité des gaz d'échappement, de l'émission sonore et/ou de la sollicitation du groupe du moteur à combustion ainsi que de l'état de charge de l'accumulateur d'énergie; à cette occasion, en tant que point de fonctionnement optimal du moteur à combustion on sélectionne si possible un point qui se situe dans une gamme de puissance moyenne du moteur à combustion dans laquelle le moteur dispose d'un rendement élevé. Dans le cas o une puissance élevée du moteur électrique de commande est requise rapidement, le moteur à combustion est maintenu de manière inchangée, dans l'état de fonctionnement qu'il avait jusqu'alors et l'énergie supplémentaire est proposée pour le moteur électrique par l'accumulateur. Si la puissance nécessaire élevée du moteur électrique de commande est bloquée plus longtemps qu'un intervalle de temps prédéfini de manière variable par exemple, par l'état de charge de l'accumulateur, le moteur à combustion monte en régime de manière traditionnelle
par les mesures habituelles de commande du moteur.
La, présente invention a pour objet la mise à disposition d'un système hybride de propulsion en série du type cité au début, qui puisse être réalisé à relativement peu de frais et qui permette un fonctionnement du véhicule si possible non polluant. La présente invention résout cet objet en proposant un système hybride de propulsion en série comportant un moteur à combustion, un générateur couplé mécaniquement au moteur à combustion, un accumulateur d'énergie couplé électriquement au générateur et au moins un moteur électrique de commande relié électriquement au générateur et à l'accumulateur d'énergie, caractérisé en ce que le groupe moteur à combustion-générateur est utilisé le long d'une caractéristique de fonctionnement dont la puissance correspond à la puissance nécessaire du moteur électrique de commande et lissée dans le temps, le moteur à combustion fonctionnant constamment à pleine charge ou pratiquement à pleine charge et en ce que l'accumulateur d'énergie a une capacité d'accumulateur d'énergie de quelques kWh maximum et une densité élevée de puissance et sert à équilibrer des différences rapides de puissance entre la puissance nécessaire instantanée du moteur électrique de commande et la puissance correspondant à la puissance nécessaire du moteur électrique de commande qui est lissée dans le
temps et est émise par le groupe moteur à combustion-
générateur. Dans ce d'un système hybride de propulsion, le groupe moteur à combustion-générateur est utilisé constamment le long d'une ligne de fonctionnement dont la puissance correspond à la puissance nécessaire, lissée dans le temps du moteur électrique de commande, le moteur à combustion fonctionnant constamment à pleine puissance ou pratiquement à pleine puissance, polluant très peu et présentant une consommation avantageuse. La mesure consistant à prendre pour base de la caractéristique de fonctionnement destinée au réglage du fonctionnement du groupe moteur à combustion-générateur, non pas directement la courbe de puissance nécessaire du moteur électrique de commande mais au contraire son tracé lissé dans le temps selon l'une quelconque des méthodes habituelles, a pour avantage que lors du fonctionnement du moteur à combustion, il ne survient pas de rapides sauts de puissance mais que ce fonctionnement est soumis au contraire uniquement à de lentes modifications temporelles si bien que le moteur à combustion peut être stabilisé en faveur d'émissions polluantes très faibles, c'est à dire, peut fonctionner conformément à
la puissance motrice nécessaire, lissée dans le temps.
Le fonctionnement stabilisé du moteur à combustion dans lequel il ne survient pas de modifications brusques de l'angle du papillon, empêche les valeurs maximales de concentration HC et co dans les gaz d'échappement et par comparaison aux propulsions traditionnelles d'automobiles, a pour effet un respect remarquablement plus précis de la proportion stoechiométrique du mélange air-carburant, ce qui améliore le taux de conversion du catalyseur. Le moteur à combustion peut être utilisé dans des zones caractéristiques avantageuses du point de vue de l'émission et le fonctionnement stabilisé du moteur dans les zones caractéristiques limitées maintient la fenêtre de la température des gaz d'échappement réduite et évite les valeurs maximales de température des gaz d'échappement, ce qui profite aussi bien au taux de conversion du
catalyseur qu'à la durabilité du catalyseur.
Les différences rapides de puissance qui en résultent entre la puissance nécessaire instantanée du moteur électrique de commande et la puissance de sortie stabilisée par le groupe moteur à combustion-générateur sont équilibrées par l'accumulateur d'énergie qui dispose dans ce but d'une densité élevée de puissance tandis que du point de vue de sa capacité de stockage, il est conçu pour quelques kWh maximum et ainsi, pour une capacité nettement plus réduite que les accumulateurs traditionnels de systèmes hybrides de propulsion. Conformément à cela, l'accumulateur d'énergie peut être construit dans le cas présent de manière très compacte et peut être réalisé par exemple, en tant que volant ou supercondensateur, l'accumulateur d'énergie disposant d'une capacité de stockage de
quelques centaines de watt-heures maximum.
Dans un autre mode de réalisation d'un système hybride de propulsion en série, le moteur à combustion est utilisé exclusivement à pleine charge, le point de fonctionnement instantané étant réglé sur la courbe caractéristique à pleine charge en fonction de la charge du générateur. Ce mode de fonctionnement permet dans un autre mode de réalisation selon lequel le système hybride de propulsion en série est caractérisé en ce qu'il comprend un catalyseur de gaz d'échappement qui est disposé dans le système de tuyaux des gaz d'échappement du moteur à combustion et peut être chauffé électriquement avec l'énergie de l'accumulateur d'énergie, d'utiliser comme moteur à combustion un moteur Otto qui ne présente pas de papillon avec une commande correspondante. C'est pourquoi, le moteur à combustion peut être réalisé de manière relativement simple et à un coût avantageux. En raison de l'absence de déplacement du papillon, la proportion stoechiométrique air-carburant peut être respectée à tout moment de manière précise, ce qui permet d'empêcher des valeurs maximales rapides d'émission de
substances polluantes et ainsi, des interruptions -
liées à ces substances polluantes - du taux de conversion du catalyseur. En raison de son manque complet d'étranglement, le moteur à combustion a un rendement optimal et fonctionne avec des émissions HC favorables si bien que d'autres mesures traditionnelles prises à cet effet telles qu'une injection directe ou une commande de soupapes entièrement variable sont inutiles. Dans un autre mode de réalisation, un système hybride de propulsion en série comprend un catalyseur de gaz d'échappement qui est disposé dans le système de tuyaux des gaz d'échappement du moteur à combustion et peut être chauffé électriquement avec l'énergie de l'accumulateur d'énergie. Avant le démarrage à froid, le catalyseur est chauffé électriquement par l'énergie sortant de l'accumulateur d'énergie qui par sa densité élevée de puissance, convient de manière idéale à un
chauffage très rapide du catalyseur.
Un mode de réalisation préféré de la présente
invention est montré sur la figure et décrit ci-après.
La figure unique montre sous forme de schéma fonctionnel un système hybride de propulsion en série,
utilisé sur un véhicule automobile.
Le système hybride de propulsion en série montré comprend un moteur à combustion (1) qui peut être utilisé avec du carburant stocké dans un réservoir (3) par l'intermédiaire d'une conduite de carburant (2). Un générateur (5) est couplé au moteur à combustion (1) par l'intermédiaire d'un arbre (4). Un accumulateur d'énergie (8) et un moteur électrique de commande (9) sont reliés en parallèle à la sortie électrique du générateur par l'intermédiaire des conduites de jonction (6, 7). Le moteur électrique de commande (9) agit par sa sortie mécanique sur un axe de commande (10) avec les roues motrices (11, 12) couplées du véhicule. Les gaz d'échappement du moteur à combustion sont évacués par l'intermédiaire d'un système de tuyaux de gaz d'échappement (13) dans lequel se trouve un catalyseur de gaz d'échappement (14) qui peut être chauffé par l'accumulateur d'énergie (8) par
l'intermédiaire d'une conduite de chauffage (15).
L'accumulateur d'énergie (8) est conçu comme un petit accumulateur avec une capacité de stockage de 100 Wh environ mais cependant une densité plus élevée de puissance. Il peut notamment être réalisé en tant que
volant ou comme supercondensateur.
Le moteur à combustion (1) est réalisé en tant que moteur sans papillon et par conséquent aussi, sans commande correspondante de papillon. C'est pourquoi, lors du fonctionnement, il est utilisé exclusivement directement sur sa courbe caractéristique à pleine charge. En raison de la suppression du papillon et de la commande afférente, le moteur à combustion (1) peut être réalisé de manière relativement simple et à un coût avantageux. En raison de son mode de fonctionnement sans étranglement du tout, il a un rendement optimal et des émissions polluantes réduites, notamment des émissions HC. De plus, la proportion stoechiométrique air/carburant peut être respectée précisément à tout moment si bien que des valeurs maximales rapides d'émissions polluantes ou des interruptions du taux de conversion du catalyseur ne surviennent pas. Le point de fonctionnement instantané sur la courbe caractéristique à pleine charge, c'est à dire, l'exigence de puissance instantanée pour le moteur à combustion (1) est réglée en spécifiant la courbe caractéristique correspondante à pleine charge, c'est à dire, la courbe caractéristique couple-vitesse,
uniquement en fonction de la charge du générateur.
Cette commande du groupe moteur à combustion-générateur (1, 4, 5) convient aussi bien aux phases de fonctionnement durant lesquelles le moteur est utilisé de manière stationnaire dans certains points du champ caractéristique aussi bien qu'aux phases de fonctionnement dynamiques du moteur. Dans le cas d'une exigence de performance très réduite de la part du moteur électrique de commande (9), le groupe moteur à combustion-générateur (1, 4, 5) peut être arrêté et l'énergie de marche uniquement nécessaire peut être extraite de l'accumulateur d'énergie (8). Comme le moteur (1) est utilisé exclusivement à pleine charge, il peut être adapté spécialement à ce mode de fonctionnement. A titre alternatif, il est bien sûr possible d'utiliser pour le moteur à combustion (1), un modèle avec papillon et par conséquent, avec la possibilité de commande de charge. Dans ce cas, le moteur à combustion (1) est utilisé normalement dans son champ caractéristique sur une courbe caractéristique à pleine charge ou pratiquement à
pleine charge.
Le réglage du groupe moteur à combustion-
générateur (1, 4, 5) sur la courbe caractéristique de fonctionnement sur ou près de la courbe caractéristique à pleine charge est déterminé par la puissance nécessaire du moteur électrique de commande (9). En même temps, ce n'est pas la puissance nécessaire instantanée du moteur électrique de commande (9) qui est utilisée directement comme critère de réglage mais un signal de la puissance nécessaire lissé dans le temps et obtenu par une méthode de lissage traditionnelle et appropriée si bien que la puissance exigée par le groupe moteur à combustion-générateur (1, 4, 5) correspond à la puissance nécessaire du moteur électrique de commande (9) lissée dans le temps. Ceci permet d'éviter la survenance de sauts de puissance pour le moteur à combustion (1); au contraire, une adaptation de puissance lissée dans le temps a lieu pour le moteur à combustion sans modifications brusques de l'angle du papillon. Grâce à ce fonctionnement stabilisé du moteur à combustion, les valeurs maximales de concentration HC et CO peuvent être évitées dans les gaz d'échappement du moteur. En outre, la proportion stoechiométrique air/carburant peut être respectée très précisément, ce qui permet des taux de conversion élevés du catalyseur. Le fonctionnement stabilisé du moteur à combustion dans une zone caractéristique limitée et pratiquement à pleine charge maintient les fluctuations de température des gaz d'échappement réduites et évite les valeurs maximales de température des gaz d'échappement, ce qui profite non seulement au taux de conversion du catalyseur mais également à la
durabilité du catalyseur.
En cas de marche régulière, l'accumulateur d'énergie (8) sert à équilibrer les différences de puissance survenant rapidement entre la puissance nécessaire instantanée du moteur électrique de commande (9) et la puissance instantanée émise par le groupe moteur à combustion- générateur (1, 4, 5) et correspondant à la puissance nécessaire du moteur électrique de commande lissée dans le temps; en raison de sa densité élevée de puissance, il a les propriétés requises pour cela sans qu'une capacité élevée de l'accumulateur d'énergie ne soit nécessaire. Le fait que par conséquent, seulement une quantité relativement réduite d'énergie soit stockée temporairement dans l'accumulateur d'énergie (8), a pour effet un rendement élevé de l'ensemble des lignes de commande sans que, en raison de la renonciation au fonctionnement purement stationnaire du moteur à combustion, on ne doive s'attendre à des émissions supplémentaires notables en substances polluantes des gaz d'échappement. Un autre avantage de la capacité réduite de l'accumulateur d'énergie par rapport aux systèmes traditionnels de système hybride de propulsion comportant des batteries de traction de grande dimension consiste en ce que l'accumulateur d'énergie (8) peut être d'un poids
réduit, ce qui maintient le poids du véhicule réduit.
La densité élevée de puissance de l'accumulateur d'énergie (8) est en outre apte à réaliser des freinages par récupération avec un rendement assez élevé. Comme autre application de l'accumulateur d'énergie (8), il est prévu de chauffer le catalyseur (14) avec l'énergie stockée dans l'accumulateur d'énergie avant le démarrage à froid, la densité élevée de puissance de l'accumulateur d'énergie (8) convenant de manière idéale au chauffage très rapide du
catalyseur.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans
pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims (4)

REVENDICATIONS
1. Système hybride de propulsion en série comportant - un moteur à combustion (1), - un générateur (5) couplé mécaniquement au moteur à combustion, - un accumulateur d'énergie (8) couplé électriquement au générateur et - au moins un moteur électrique de commande (9) relié électriquement au générateur et à l'accumulateur d'énergie, caractérisé en ce que - le groupe moteur à combustion-générateur (1, 4, 5) est utilisé le long d'une caractéristique de fonctionnement dont la puissance correspond à la puissance nécessaire, lissée dans le temps du moteur électrique de commande (9), le moteur à combustion fonctionnant constamment à pleine charge ou pratiquement à pleine charge et en ce que - l'accumulateur d'énergie (8) a une capacité d'accumulateur d'énergie de quelques kWh maximum et une densité élevée de puissance et sert à équilibrer des différences rapides de puissance entre la puissance nécessaire instantanée du moteur électrique de commande et la puissance correspondant à la puissance nécessaire du moteur électrique de commande qui est lissée dans le
temps et est émise par le groupe moteur à combustion-
générateur.
2. Système hybride de propulsion en série selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le moteur à combustion (1) est utilisé exclusivement à pleine charge, le point de fonctionnement instantané étant réglé sur la courbe caractéristique à pleine charge en fonction de la
charge du générateur.
3. Système hybride de propulsion en série selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moteur à combustion (1) est un moteur Otto sans papillon dont le point de fonctionnement est réglé exclusivement sur la charge du générateur.
4. Système hybride de propulsion en série selon
l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé
en ce qu'il comprend un catalyseur de gaz d'échappement (14) qui est disposé dans le système de tuyaux des gaz d'échappement (13) du moteur à combustion (1) et peut être chauffé électriquement avec l'énergie de
l'accumulateur d'énergie (8).
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