FR2941066A1 - Dispositif d'assistance electrique destine a un vehicule hybride - Google Patents

Dispositif d'assistance electrique destine a un vehicule hybride Download PDF

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Abstract

Le dispositif comprend un moteur électrique (1) couplé mécaniquement au moteur thermique (4) du véhicule, un dispositif de commande électrique (2) qui assure, d'une part, l'alimentation du moteur électrique (1) en énergie électrique depuis un réseau d'alimentation (10) et assure, d'autre part, la fourniture d'énergie électrique au réseau d'alimentation (10) lorsque le moteur électrique (1) fonctionne en mode générateur, et une batterie de service (8) connectée au réseau d'alimentation (10), notamment pour le démarrage du moteur thermique (4). Le dispositif comporte, de plus, une batterie d'assistance (7) pour le transfert d'énergie électrique vers le réseau d'alimentation (10) par l'intermédiaire d'un dispositif d'interface électrique (6), et des moyens qui permettent d'acquérir des données de fonctionnement de la batterie d'assistance (7), afin de déterminer la quantité d'énergie électrique que cette dernière contient, et de piloter ledit dispositif de commande électrique (2). Véhicules automobiles de type « hybride ». Assistance électrique aux véhicules automobiles de type « hybride ».

Description

DISPOSITIF D'ASSISTANCE ELECTRIQUE DESTINE A UN VEHICULE HYBRIDE.
La présente invention concerne un dispositif d'assistance électrique destiné à un véhicule hybride. Par véhicule hybride , on entend, dans le présent texte, un véhicule dont la traction est obtenue par l'association d'un moteur thermique et d'un moteur électrique.
La présente invention concerne plus particulièrement un véhicule hybride du type susceptible d'accepter une recharge électrique de ses stockeurs d'énergie électrique depuis un réseau électrique, par exemple un réseau domestique 220 Volts. Un tel véhicule est appelé couramment véhicule hybride plug-in . Les véhicules hybrides plug-in bénéficient d'un apport en énergie électrique régulier, qui leur permet de réduire substantiellement la consommation de carburant du véhicule et de diminuer les rejets polluants dans l'atmosphère. On connaît aussi des véhicules à technologie micro- hybride, dotés d'un moteur thermique à fonctionnement intermittent. Ces véhicules comportent un système permettant de couper et de redémarrer le moteur à volonté, ce qui permet d'en interrompre le fonctionnement lorsque le véhicule est arrêté, par exemple à un feu rouge, et de le redémarrer dès qu'il est nécessaire de mouvoir le véhicule. Le dispositif de redémarrage du moteur le plus utilisé est un alterno-démarreur, ou alternateur réversible, accouplé au moteur thermique par l'intermédiaire d'une courroie. Cet alterno-démarreur, commandé par un système électronique, peut tour à tour fonctionner comme un générateur de courant et alimenter en courant le véhicule, ou fonctionner comme un démarreur et entraîner le moteur en rotation à partir de la puissance fournie par la batterie. De tels véhicules permettent également, pour un coût raisonnable, de réduire la consommation de carburant du moteur thermique et de diminuer les rejets polluants dans l'atmosphère. Différents solutions d'assistance électrique appliquées à des véhicules sont connues de l'art antérieur.
Le document WO 98/17494 décrit un véhicule hybride avec un moteur électrique qui fournit une assistance en puissance, dite stratégique , au moteur à combustion interne. Le moteur électrique est couplé en parallèle avec le moteur à combustion interne. Un calculateur électronique commande des paramètres ayant trait au fonctionnement du moteur à combustion interne, et fournit un signal de commande pour la commande du moteur électrique. Le document EP 0 987 146 B1 décrit un système à deux batteries comprenant une batterie de démarrage, un alternateur, une charge primaire, une batterie de réseau de bord, un démarreur, un commutateur de puissance disposé entre la batterie de démarrage et la batterie de réseau de bord ainsi qu'un commutateur électronique qui peut être commandé en parallèle avec le commutateur de puissance. La batterie de démarrage et la batterie de réseau de bord peuvent être connectées en parallèle par le biais du commutateur de puissance lors du démarrage. Une charge électrique peut être transférée entre la batterie de réseau de bord et la batterie de démarrage par le biais du commutateur électronique, de façon à charger la batterie de démarrage. Le commutateur électronique est un transistor à effet de champ de type MOSFET, dont la borne du drain est reliée à la batterie de démarreur et la borne de source à la batterie de réseau de bord.
Le document WO 2006/107807 A3 décrit un véhicule automobile, qui comprend au moins un moteur électrique de propulsion, une source d'énergie électrique rechargeable pour alimenter en énergie le moteur électrique, et une alimentation, dite APU , pour recharger la source d'énergie électrique quand le véhicule est en roulage. Le véhicule comporte, de plus, un connecteur pour connecter le véhicule à une structure fixe dans le but d'alimenter en puissance électrique la structure fixe à partir de l'APU lorsque le véhicule n'est pas en fonctionnement. L'APU peut être une pile à combustible à oxyde solide, une pile à combustible à membrane à échange de protons, un générateur ou moteur à combustion interne. Le document US 2007/0113814 Al décrit un procédé pour réaliser un premier démarrage d'un moteur à combustion interne d'un véhicule hybride. Selon ce procédé, on active un module de puissance secondaire avant le démarrage pour diriger la puissance stockée dans une batterie à tension élevée dans le module de puissance secondaire à un niveau de tension d'une batterie de tension basse, de façon à assister la batterie de tension faible lors de la mise en puissance d'un moteur de démarrage pour le démarrage du moteur à combustion interne. Le document WO 2007/037972 A3 décrit un système de propulsion hybride de type plug-in , qui comporte un dispositif de stockage rapide d'énergie préservant la durée de vie de la batterie. Les éléments de stockage d'énergie du train moteur hybride peuvent être chargés avec de l'électricité fournie par l'extérieur et de l'énergie provenant du moteur ou du freinage rétroactif. On utilise des commutateurs électroniques, une électronique passive, des circuits de régulation, et/ou des algorithmes pour commander le flux de puissance entre un moteur à essence, une batterie, un système de stockage rapide d'énergie, des moteurs de traction, un chargeur, des systèmes secondaires, un système de distribution électrique, et/ou un train moteur.
Le but de la présente invention est de fournir un dispositif d'assistance électrique, qui permette d'apporter à un véhicule de type micro-hybride les avantages liés à la fonctionnalité dite plug-in , en gardant toutefois un coût compétitif.
Un autre but de la présente invention est de fournir un tel dispositif d'assistance électrique, qui permette de diminuer sensiblement la consommation de carburant du véhicule, de manière relativement économique et sans accroître réellement l'encombrement par rapport à un véhicule de type micro-hybride. Un autre but de la présente invention est de fournir un tel dispositif d'assistance électrique, qui donne au système de traction obtenu une compacité suffisante pour permettre son implantation dans des véhicules de petite taille qui ne pourraient pas accueillir un système de traction hybride de type plug-in complet.
Enfin, c'est également un but de la présente invention de fournir un tel dispositif d'assistance électrique, qui soit de conception simple, de réalisation aisée, et qui soit fiable. Pour parvenir à ces buts, la présente invention a pour 15 objet un dispositif d'assistance électrique destiné à un véhicule hybride, qui comprend : - un moteur électrique couplé mécaniquement au moteur thermique du véhicule, - un dispositif de commande électrique qui assure, 20 d'une part, l'alimentation du moteur électrique en énergie électrique depuis un réseau d'alimentation fournissant une tension continue et, d'autre part, la fourniture d'énergie électrique au réseau d'alimentation lorsque le moteur électrique fonctionne en mode générateur, 25 - une batterie de service connectée au réseau d'alimentation, notamment pour le démarrage du moteur thermique, - une batterie d'assistance, rechargeable, pour le transfert d'énergie électrique vers le réseau d'alimentation 30 par l'intermédiaire d'un dispositif d'interface électrique qui, dans certaines phases de fonctionnement du véhicule, empêche ou limite le transfert d'énergie électrique depuis le réseau d'alimentation vers la batterie d'assistance, et - des moyens qui permettent d'acquérir des données de 35 fonctionnement de la batterie d'assistance, afin de déterminer la quantité d'énergie électrique que cette dernière contient, et de piloter ledit dispositif de commande électrique. La batterie de service peut permettre également d'alimenter des consommateurs d'énergie embarqués dans le véhicule lorsque le moteur électrique ne fonctionne pas en mode générateur. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le dispositif d'assistance électrique comprend, de plus, un chargeur électrique, qui permet de recharger la batterie d'assistance depuis un réseau de distribution électrique auquel le chargeur peut être connecté. Selon le mode préféré de réalisation de l'invention également, le réseau de distribution électrique peut être un réseau de distribution domestique monophasé, et le chargeur électrique peut être connecté audit réseau de distribution domestique au moyen d'une prise électrique. Selon encore le mode préféré de réalisation de l'invention, les moyens qui permettent d'acquérir des données de fonctionnement de la batterie d'assistance et de piloter le dispositif de commande électrique peuvent être constitués par un calculateur électronique. De préférence, le calculateur électronique peut piloter le dispositif d'interface électrique. Le moteur électrique peut être un alternateur 25 réversible. Le dispositif de commande électrique peut être un onduleur triphasé. Le moteur électrique peut être couplé mécaniquement au moteur thermique du véhicule par un mécanisme de couplage du 30 type à renvoi à base de poulies et d'une courroie. Le dispositif d'interface électrique peut être constitué d'une diode permettant uniquement le transfert d'énergie électrique depuis la batterie d'assistance vers le réseau d'alimentation. 35 Le dispositif d'interface électrique peut être constitué d'un relais électromécanique piloté par le calculateur électronique, ou bien, en variante, par un dipôle de transconductance non linéaire, disposé en série sur le conducteur de polarité positive ou négative, ladite transconductance pouvant être ou non modifiée par le calculateur électronique.
En variante également, le dispositif d'interface électrique peut être constitué par un convertisseur électrique de type continu/continu, piloté par le calculateur électronique afin de contrôler le transfert d'énergie entre la batterie d'assistance et le réseau d'alimentation. L'invention a également pour objet un véhicule automobile de type hybride, qui comporte un moteur thermique et un moteur électrique, et ce véhicule comporte un dispositif d'assistance électrique conforme à celui décrit ci-dessus dans ses grandes lignes, ce dispositif d'assistance électrique permettant d'apporter au véhicule les avantages liés à la fonctionnalité dite plug-in . D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit de différents modes de réalisation, non limitatifs de l'objet et de la portée de la présente demande de brevet, accompagnée d'une figure unique, qui est un schéma fonctionnel illustrant le principe de la présente invention. En référence à cette figure unique, nous allons décrire les éléments principaux d'un dispositif d'assistance électrique selon la présente invention. Le dispositif d'assistance électrique comprend un moteur électrique 1, qui est couplé mécaniquement au moteur thermique 4 du véhicule par l'intermédiaire d'un dispositif de couplage mécanique 3.
Le moteur électrique 1 est connecté à un dispositif de commande électrique 2, qui assure l'alimentation électrique à partir d'un réseau d'alimentation 10 délivrant une tension continue. Le dispositif de commande électrique 2 assure aussi la fourniture d'énergie électrique au réseau d'alimentation 10 lorsque le moteur électrique 1, qui est entraîné par le moteur thermique 4, fonctionne en mode générateur.
Au réseau d'alimentation 10 sont connectés une batterie de service 8 et un ou plusieurs consommateurs électriques 5 embarqués dans le véhicule. La batterie de service 8 permet notamment de démarrer le moteur thermique 4 par l'action intermédiaire du moteur électrique 1, et d'alimenter les consommateurs électrique 5 lorsque le moteur électrique ne fonctionne pas en mode générateur. Le dispositif d'assistance électrique selon la présente invention comporte, outre les éléments précités, une batterie d'assistance 7, de grande capacité, susceptible de transférer de l'énergie électrique vers le réseau d'alimentation 10 au moyen d'un dispositif d'interface électrique 6. Ce dispositif d'interface 6 doit permettre, dans certaines phases de fonctionnement du véhicule, d'empêcher ou de limiter le transfert d'énergie électrique depuis le réseau d'alimentation 10 vers la batterie d'assistance 7. Un chargeur 9 permet de recharger la batterie d'assistance 7 depuis un réseau de distribution électrique auquel il peut être connecté par l'intermédiaire d'une prise électrique 11. Ce réseau peut être, par exemple, un réseau de distribution domestique monophasé. Le dispositif d'assistance électrique de l'invention comporte, de plus, un calculateur de contrôle 12, qui acquiert des données paramétriques de fonctionnement relatives à la batterie d'assistance 7 dans le but de déterminer la quantité d'énergie que cette dernière contient. Ce calculateur de contrôle 12 comporte des moyens pour piloter d'une part le dispositif de commande électrique 2 et, d'autre part, le dispositif d'interface électrique 6 dans le cas où ce dernier peut être piloté. Le dispositif d'assistance électrique de l'invention décrit ci-dessus fonctionne de la manière suivante : Lorsque le moteur thermique 4 est sollicité pour faire mouvoir le véhicule et que la batterie d'assistance 7 comporte une réserve d'énergie suffisante, le calculateur de contrôle 12 pilote le dispositif de commande 2, de telle sorte que le moteur électrique 1 génère un couple permettant d'assister le moteur thermique 4. De cette façon, le moteur thermique 4 peut réduire le couple qu'il fournit et sa consommation de carburant s'en trouve diminuée.
Simultanément, le dispositif d'interface 6 autorise le transfert d'énergie depuis la batterie d'assistance 7 vers le réseau d'alimentation 10, fournissant de cette façon l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du moteur électrique 1 et des consommateurs électriques embarqués 5.
Lorsque la batterie d'assistance 7 se trouve déchargée, le moteur thermique 4 fournit seul le couple nécessaire à la traction du véhicule. Le calculateur de contrôle 12 pilote alors le moteur électrique 1 en mode générateur, afin que ce dernier fournisse l'énergie nécessaire au maintien de la charge de la batterie de service 8 et à l'alimentation de consommateurs électriques 5 embarqués dans le véhicule. A l'arrêt du moteur thermique 4, la batterie de service 8 alimente les consommateurs électriques 5. Dans ce mode de fonctionnement, le dispositif d'interface électrique 6 limite ou empêche le transfert d'énergie électrique depuis le réseau d'alimentation 10 vers la batterie d'assistance 7. En effet, la restitution d'énergie à la batterie d'assistance 7 se traduirait par une consommation de couple accrue au niveau du moteur thermique 4, et donc par une consommation de carburant supplémentaire. Pour interdire ou limiter cette restitution d'énergie, le dispositif d'interface 6 peut recevoir une commande de la part du calculateur de contrôle 12. Lorsque la prise de charge 11 est branchée sur un réseau de distribution électrique, comme par exemple le réseau de distribution domestique 220 Volts, le chargeur prélève de l'énergie sur ce réseau de distribution pour recharger la batterie d'assistance 7. En addition et en variante, les modes de fonctionnement suivants peuvent aussi être envisagés dans le cadre de la présente invention : - Lorsque le véhicule est temporairement à l'arrêt et le moteur thermique 4 coupé, le dispositif d'interface 6 autorise le transfert d'énergie électrique depuis la batterie d'assistance 7 vers le réseau d'alimentation 10, fournissant de cette manière l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement des consommateurs électriques 5 embarqués. - Lors de la recharge de la batterie d'assistance 7 depuis le réseau de distribution au moyen du chargeur 9, le calculateur de contrôle 12 pilote le chargeur 9 pour adapter le débit de recharge en fonction des paramètres de fonctionnement de la batterie 7. - Lors de l'opération de recharge mentionnée ci-dessus, le dispositif d'interface 6 autorise le transfert d'énergie électrique vers le réseau d'alimentation 10, permettant ainsi la recharge éventuelle de la batterie de service 8 et l'alimentation éventuelle des consommateurs électriques 5. - Lorsque le véhicule décélère, ou lorsque le frein moteur est utilisé, le calculateur de contrôle 12 pilote le dispositif d'interface 6, de telle sorte que ce dernier permette temporairement un transfert d'énergie électrique depuis le réseau d'alimentation 10 vers la batterie d'assistance 7. Cette recharge ne grève pas la consommation de carburant car l'énergie correspondante est récupérée sur l'énergie cinétique ou sur l'énergie potentielle de pesanteur du véhicule. Selon un mode de réalisation particulier, le moteur électrique 1 est un alterno-démarreur ou alternateur réversible, le dispositif de commande électrique 2 est un onduleur triphasé, et un renvoi à base de poulies et d'une courroie fait fonction de dispositif de couplage mécanique 3 entre le moteur thermique 4 et l'alterno-démarreur 1. La batterie de service 8 est une batterie 12V, par exemple de type plomb/acide, assurant le démarrage et le redémarrage du moteur thermique 4. Cette batterie de service 8 peut aussi être constituée de super condensateurs.
Le dispositif d'interface électrique 6 peut être constitué d'une diode permettant uniquement le transfert d'énergie électrique depuis la batterie d'assistance 7 vers le réseau d'alimentation 10.
Selon un autre mode de réalisation, le dispositif d'interface électrique 6 peut être constitué d'un relais électromagnétique piloté par le calculateur de contrôle 12. En variante, le dispositif d'interface électrique 6 peut être constitué d'un transistor piloté par le calculateur de contrôle 12. Plus généralement, le dispositif d'interface électrique 6 peut être constitué d'un dipôle de transconductance non linéaire, disposé en série sur le conducteur de polarité positive ou négative, et ladite transconductance peut être ou non modifiée par le calculateur de contrôle 12. Une réalisation selon l'un de ces modes exposés ci-dessus peut être combinée à une batterie d'assistance constituée d'une ou plusieurs batteries 12V de type plomb/acide, ou constituée de batteries au lithium.
Selon un autre mode de réalisation encore, le dispositif d'interface électrique 6 peut être constitué d'un convertisseur électrique de type continu/continu. Ce convertisseur peut être, par conception, réversible en courant ou non. Le calculateur de contrôle 12 pilote le convertisseur afin de contrôler le transfert d'énergie électrique entre la batterie d'assistance 7 et le réseau d'alimentation 10. Dans ce mode de réalisation, la tension de la batterie d'assistance 7 peut être différente de la tension nominale du réseau d'alimentation 10.
Le dispositif d'assistance électrique décrit ci-dessus dans différents modes de réalisation présente de nombreux avantages, parmi lesquels les avantages suivants : - il permet de diminuer sensiblement la consommation de carburant du moteur thermique du véhicule, en apportant un surcoût et un encombrement raisonnables par rapport à un véhicule de type micro-hybride, parce qu'il suffit d'ajouter des composants de faible puissance (chargeur, batterie d'assistance, dispositif d'interface) à l'architecture micro-hybride pour obtenir le gain escompté, - il permet d'obtenir un système de traction très compact, permettant l'implantation de ce dernier dans des véhicules de petite taille qui ne pourraient pas accueillir un système de traction hybride de type plug-in complet. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés ci-dessus à titre d'exemples ; d'autres modes de réalisation peuvent être conçus par l'homme de métier sans sortir du cadre et de la portée de la présente invention.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'assistance électrique destiné à un véhicule hybride, qui comprend : - un moteur électrique (1) couplé mécaniquement au moteur thermique (4) du véhicule, - un dispositif de commande électrique (2) qui assure, d'une part, l'alimentation du moteur électrique (1) en énergie électrique depuis un réseau d'alimentation (10) fournissant une tension continue et, d'autre part, la fourniture d'énergie électrique au réseau d'alimentation (10) lorsque le moteur électrique (1) fonctionne en mode générateur, - une batterie de service (8) connectée au réseau 15 d'alimentation (10), notamment pour le démarrage du moteur thermique (4), ledit dispositif d'assistance électrique étant caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, une batterie d'assistance (7), rechargeable, pour le transfert d'énergie 20 électrique vers le réseau d'alimentation (10) par l'intermédiaire d'un dispositif d'interface électrique (6) qui, dans certaines phases de fonctionnement du véhicule, empêche ou limite le transfert d'énergie électrique depuis le réseau d'alimentation (10) vers la batterie d'assistance 25 (7), - et des moyens qui permettent d'acquérir des données de fonctionnement de la batterie d'assistance (7), afin de déterminer la quantité d'énergie électrique que cette dernière contient, et de piloter ledit dispositif de 30 commande électrique (2).
  2. 2. Dispositif d'assistance électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la batterie de service (8) permet également d'alimenter des consommateurs d'énergie (5) embarqués dans le véhicule lorsque le moteur 35 électrique (1) ne fonctionne pas en mode générateur.
  3. 3. Dispositif d'assistance électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, de plus,un chargeur électrique (9), qui permet de recharger la batterie d'assistance (7) depuis un réseau de distribution électrique auquel le chargeur (9) peut être connecté.
  4. 4. Dispositif d'assistance électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit réseau de distribution électrique est un réseau de distribution domestique monophasé, et en ce que le dit chargeur électrique (9) peut être connecté audit réseau de distribution domestique au moyen d'une prise électrique (11).
  5. 5. Dispositif d'assistance électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens qui permettent d'acquérir des données de fonctionnement de la batterie d'assistance (7) et de piloter le dispositif de commande électrique (2) sont constitués par un calculateur électronique (12).
  6. 6. Dispositif d'assistance électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit calculateur électronique (12) pilote le dispositif d'interface électrique (6).
  7. 7. Dispositif d'assistance électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur électrique (1) est un alternateur réversible.
  8. 8. Dispositif d'assistance électrique selon la 25 revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande électrique (2) est un onduleur triphasé.
  9. 9. Dispositif d'assistance électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur électrique (1) est couplé mécaniquement au moteur thermique (4) du 30 véhicule par un mécanisme de couplage (3) du type à renvoi à base de poulies et d'une courroie.
  10. 10. Dispositif d'assistance électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'interface électrique (6) est constitué d'une diode 35 permettant uniquement le transfert d'énergie électrique depuis la batterie d'assistance (7) vers le réseau d'alimentation (10).
  11. 11. Dispositif d'assistance électrique selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce que le dispositif d'interface électrique (6) est constitué d'un relais électromécanique piloté par le calculateur électronique (12) .
  12. 12. Dispositif d'assistance électrique selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce que le dispositif d'interface électrique (6) est constitué par un dipôle de transconductance non linéaire, disposé en série sur le conducteur de polarité positive ou négative, et ladite transconductance peut être ou non modifiée par le calculateur électronique (12).
  13. 13. Dispositif d'assistance électrique selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce que le dispositif d'interface électrique (6) est constitué par un convertisseur électrique de type continu/continu, piloté par le calculateur électronique (12) afin de contrôler le transfert d'énergie entre la batterie d'assistance (7) et le réseau d'alimentation (10).
  14. 14. Véhicule automobile de type hybride, qui comporte un moteur thermique (4) et un moteur électrique (1), caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'assistance électrique conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, ledit dispositif d'assistance électrique permettant d'apporter au véhicule les avantages liés à la fonctionnalité dite plug-in .30
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