FR2961753A1

FR2961753A1 - Chaine de traction pour vehicule hybride

Info

Publication number: FR2961753A1
Application number: FR1054992A
Authority: FR
Inventors: Pierre Gauthier
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-30
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: FR2961753B1

Abstract

Chaîne de traction pour un véhicule hybride, comportant un train planétaire (10) disposé entre un moteur thermique (2) de traction et une transmission (4) comprenant différents rapports de vitesse, cette chaîne de traction comportant de plus un circuit hydraulique comprenant une machine hydraulique (20) pouvant travailler en moteur ou en pompe, disposant d'une cylindrée continument variable qui est réglée par un calculateur de gestion (6), cette machine hydraulique (20) étant reliée à un accumulateur de pression hydraulique (24), caractérisée en ce que la couronne (12) du train planétaire (10) est reliée au moteur thermique (2), le pignon solaire (14) à l'arbre d'entrée de la transmission (4), et le porte-satellites (16) à la machine hydraulique (20).

Description

CHAINE DE TRACTION POUR VEHICULE HYBRIDE

La présente invention concerne une chaîne de traction pour un véhicule hybride utilisant l'énergie hydraulique comme moyen de stockage d'énergie, un procédé de fonctionnement de cette chaîne de traction, ainsi qu'un véhicule hybride équipé d'une telle chaîne de traction. Un type de véhicule hybride connu appelé hybride série, comporte un moteur thermique relié à une pompe hydraulique pour charger des accumulateurs de pression hydraulique, puis un moteur hydraulique qui utilise cette pression pour générer un couple d'entraînement des roues motrices. Pour ces véhicules, le moteur hydraulique doit pouvoir à la fois délivrer un couple élevé pour assurer le démarrage du véhicule dans les conditions les plus chargées, et une vitesse élevée pour assurer les grandes vitesses de circulation, tout en conservant un bon rendement. Un tel moteur hydraulique est difficile à réaliser. Un autre type de véhicule hybride connu appelé hybride parallèle, comporte un moteur thermique relié aux roues motrices par une transmission comportant des changements de rapport, et une pompe hydraulique pouvant aussi travailler en moteur, qui est reliée à cette transmission pour charger des accumulateurs de pression hydraulique, ou apporter partiellement ou totalement le couple d'entraînement des roues motrices. Pour ces véhicules on peut obtenir un meilleur rendement car le moteur transmet aux roues motrices directement par la transmission, une majeure partie de la puissance. Seulement la transmission n'est plus standard comme sur les véhicules conventionnels, et il faut la modifier fortement pour intégrer la liaison avec la pompe hydraulique. Une variante connue de ces véhicules hybrides, présentée notamment par le document WO-A1-2006/051403, comporte un train planétaire dont la couronne est reliée au moteur thermique, le pignon solaire à une motorisation auxiliaire comme une machine hydraulique pouvant travailler en moteur ou en pompe, et le porte-satellites à une transmission qui reste standard, entraînant les roues motrices du véhicule. Le train planétaire travaille comme un différentiel qui combine les puissances délivrées à la fois par le moteur thermique et le moteur hydraulique, pour entraîner les roues motrices. Le train planétaire constitue un module inséré entre le moteur thermique et la transmission, à la place de l'organe de démarrage qui est généralement un embrayage ou un convertisseur de couple, pour assurer le démarrage du véhicule.

Un problème qui se pose avec cette disposition est que pour assurer le démarrage du véhicule, il faut laisser le pignon solaire et donc la pompe hydraulique, tourner à une grande vitesse qui est supérieure à celle du moteur thermique, pour permettre au porte-satellites relié aux roues motrices de rester à l'arrêt. Or une pompe hydraulique acceptant des grandes vitesses de rotation est difficile à réaliser. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure, et d'apporter une solution simple et efficace à la réalisation d'une chaîne de traction pour un véhicule hybride, utilisant l'énergie hydraulique.

Elle propose à cet effet une chaîne de traction pour un véhicule hybride, comportant un train planétaire disposé entre un moteur thermique de traction et une transmission comprenant différents rapports de vitesse, cette chaîne de traction comportant de plus un circuit hydraulique comprenant une machine hydraulique pouvant travailler en moteur ou en pompe, disposant d'une cylindrée continument variable qui est réglée par un calculateur de gestion, cette machine hydraulique étant reliée à un accumulateur de pression hydraulique, caractérisée en ce que la couronne du train planétaire est reliée au moteur thermique, le pignon solaire à l'arbre d'entrée de la transmission, et le porte-satellites à la machine hydraulique.

Un avantage de cette chaîne de traction est que l'on peut obtenir un débrayage et un démarrage du véhicule avec le moteur thermique, en laissant tourner le porte-satellites et donc la pompe hydraulique à une vitesse modérée qui est inférieure à celle de ce moteur thermique. La chaîne de traction selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, la chaîne de traction comporte un frein qui peut immobiliser la couronne. Selon une disposition particulière, le porte-satellites comporte un pignon à denture externe, qui engrène avec un autre pignon dont l'arbre entraîne la machine hydraulique. En option, la chaîne de traction peut comporter un deuxième train planétaire interposé entre le premier train planétaire et la transmission, le pignon solaire du deuxième train planétaire étant relié au pignon solaire du premier train planétaire, le porte-satellites de ce deuxième train planétaire étant relié à un point fixe, et la couronne de ce deuxième train planétaire étant liée à l'arbre d'entrée de la transmission. Avantageusement, le premier et le deuxième train planétaire possèdent sensiblement le même rapport de nombre de dents entre leur couronne et leur pignon solaire.

L'invention a aussi pour objet un premier procédé de fonctionnement d'une chaîne de traction comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes, pour un mode de fonctionnement en freinage avec récupération d'énergie, mis en oeuvre par le calculateur de gestion qui active le frein, et règle la cylindrée de la machine hydraulique utilisée en pompe, en fonction de la puissance de freinage demandée par le conducteur. L'invention a aussi pour objet un deuxième procédé de fonctionnement d'une chaîne de traction comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes, pour un mode de fonctionnement en démarrage du véhicule avec la machine hydraulique, mis en oeuvre par le calculateur de gestion qui active le frein, et règle la cylindrée de cette machine hydraulique utilisée en moteur, en partant d'une cylindrée maximum pour ensuite progressivement diminuer cette cylindrée. L'invention a de plus pour objet un véhicule hybride disposant d'une chaîne de traction comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. Avantageusement, le ou les trains planétaires sont directement reliés à un arbre d'entrée de la transmission, qui ne comporte pas de dispositif d'accouplement progressif d'entrée. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma de la chaîne de traction d'un véhicule hybride comprenant un module d'entraînement selon l'invention, comportant un seul train planétaire ; - la figure 2 est un schéma de cette chaîne de traction fonctionnant avec un mode où le moteur thermique et la pompe hydraulique peuvent délivrer un couple de traction ; - la figure 3 est un schéma de cette chaîne de traction fonctionnant avec un mode de récupération d'énergie au freinage ; - la figure 4 est un schéma de cette chaîne de traction fonctionnant avec un mode de recharge des accumulateurs par le moteur thermique ; - la figure 5 est un schéma de cette chaîne de traction fonctionnant avec un mode de démarrage du moteur thermique par le moteur hydraulique ; et - la figure 6 est un schéma de cette chaîne de traction comportant en variante un deuxième train planétaire. La figure 1 présente schématiquement une chaîne de traction 1 comprenant un moteur thermique 2 dont l'arbre moteur 8 est axialement aligné sur l'arbre d'entrée d'une transmission mécanique 4, qui entraîne des roues motrices d'un véhicule hybride.

La transmission comporte plusieurs rapports de vitesse, elle peut être du type boîte de vitesses manuelle ou robotisée, boîte de vitesses à double embrayage, transmission automatique, ou transmission à variation continue. La transmission ne comporte pas d'élément de couplage progressif d'entrée utilisé habituellement pour assurer le démarrage du véhicule, qui peut être un embrayage ou un convertisseur de couple. Un train planétaire 10 est disposé entre l'arbre de sortie 8 du moteur thermique 2 et la transmission 4, il comprend une couronne extérieure 12 reliée au moteur thermique, un pignon solaire 14 relié à l'arbre d'entrée de la transmission 4, et un porte-satellites 16 relié à une machine hydraulique 20, pouvant fonctionner en moteur ou en pompe hydraulique. Le porte-satellites 16 comporte un pignon à denture externe, qui engrène avec un autre pignon 18 dont l'arbre entraîne directement la machine hydraulique 20, ce qui permet à cette machine de disposer d'un axe déporté par rapport à celui du train planétaire 10. La couronne 12 comporte un frein 32 piloté par une unité de contrôle 6, qui permet de bloquer cette couronne quand le frein est activé. La machine hydraulique 20 comporte une cylindrée variable pilotée par l'unité de contrôle 6, qui reçoit des informations sur le fonctionnement du véhicule comme la vitesse de rotation de cette machine hydraulique, la position des pédales de gaz ou de frein actionnées par le conducteur, la vitesse du véhicule, ou la vitesse de rotation du moteur thermique 2. La machine hydraulique 20 est connectée par une vanne de haute pression 28 à un accumulateur de pression 24, qui peut maintenir un certain volume de fluide sous pression grâce à un volume de gaz pressurisé, séparé du fluide par une membrane. La machine hydraulique 20 est connectée aussi par une vanne de basse pression 30 à un réservoir hydraulique 22 pressurisé par la haute pression, qui permet de maintenir une basse pression minimum permettant d'éviter des problèmes de cavitation à l'aspiration de cette machine hydraulique, quand elle est utilisée en pompe.

Une soupape de limitation de pression 26 est interposée entre le circuit haute pression et le circuit basse pression, qui laisse passer du fluide entre ces deux circuits pour limiter la différence de pression au-delà d'un maximum.

Des capteurs de haute et basse pression non représentés sont disposés sur les deux circuits haute et basse pression, ils permettent de mesurer la différence de pression s'appliquant sur la machine hydraulique 20, qui permet à l'unité de contrôle 6 de calculer la valeur du couple moteur ou frein s'exerçant sur l'arbre de cette machine. La mesure de la différence de pression ainsi que le suivi des débits de fluide dans l'accumulateur de pression 24, permet de plus de déterminer la quantité d'énergie disponible dans cet accumulateur de pression. La figure 2 présente la chaîne de traction avec un mode de fonctionnement où le moteur thermique 2 et la machine hydraulique 20 utilisée en moteur, peuvent délivrer un couple de traction. Pour une traction du véhicule uniquement par le moteur thermique 2, la machine hydraulique 20 est bloquée, par exemple avec une vanne fermant son débit de fluide, ce qui permet à la puissance du moteur PM de se transmettre sur le pignon solaire 14, en prenant appui sur le porte-satellites 16 qui est bloqué. On délivre une puissance PT sur la transmission 4, en réalisant une inversion du sens de marche ainsi qu'une multiplication de la vitesse. La transmission 4 comporte une cinématique tenant compte de l'inversion du sens de marche ainsi que de la multiplication de vitesse réalisées par le train planétaire 10, pour proposer une liaison globale entre le moteur thermique 2 et les roues motrices, qui comporte des caractéristiques standards. Pour une traction du véhicule uniquement par la machine hydraulique 20, la couronne 12 du porte-satellites 10 est bloquée par le frein 32 qui est activé, ce qui permet à la puissance délivrée par la machine hydraulique PH de se transmettre au pignon solaire 14 en prenant un appui de réaction sur cette couronne. On obtient une puissance PT délivrée sur la transmission 4, avec une multiplication de la vitesse. Ce mode de traction uniquement par la machine hydraulique 20, est utilisé dans le cas ou le besoin en puissance est faible, inférieur notamment à quelques kilowatts, le moteur thermique 2 comportant dans ce cas un mauvais rendement. Le mode de traction uniquement par la machine hydraulique 20 est utilisé aussi pour des démarrages du véhicule qui se trouve à l'arrêt, en partant d'une cylindrée maximum permettant d'obtenir un fort couple avec une vitesse de rotation faible, puis en diminuant régulièrement la cylindrée pour accélérer cette vitesse. On peut ainsi sans moyen de friction obtenir des démarrages avec de forts couples, et d'autres fonctions comme un maintien en pente du véhicule, ou une avance à très faible vitesse pour des manoeuvres par exemple. On notera que ces fonctions sont réalisées sans moyen de frottement, et donc sans usure ni génération de calories venant d'un frottement, ce qui permet de les maintenir pendant de longues périodes. Pour une traction du véhicule utilisant simultanément le moteur thermique 2 et la machine hydraulique 20 utilisée en moteur, le frein 32 est libre, et le calculateur de gestion 6 dose le couple délivré par ce moteur hydraulique avec le réglage de sa cylindrée, suivant une certaine répartition entre les deux moteurs, pour obtenir une puissance PT sur les roues motrices correspondant à l'addition des deux puissances PM, PH délivrées par les moteurs.

On peut ainsi obtenir un complément de puissance momentané délivré par la machine hydraulique 20, qui consomme de l'énergie stockée dans l'accumulateur de pression 24. La figure 3 présente la chaîne de traction avec un mode de fonctionnement où la machine hydraulique 20 utilisée en pompe, reçoit une puissance PH venant de la transmission 4, ce qui lui permet de récupérer de l'énergie sous forme de pression hydraulique stockée dans le réservoir de pression 24, tout en freinant le véhicule. Pour ce mode de fonctionnement le frein 32 peut être activé, et le porte-satellites 16 est entraîné par le pignon solaire 14 avec une certaine réduction de la vitesse de rotation, entraînant à son tour la pompe 20. Dans le cas d'une demande de freinage par le conducteur, qui reste faible, la totalité du freinage du véhicule peut être effectuée par la pompe hydraulique 20, en réglant sa cylindrée pour ajuster le niveau de couple et donc la puissance PH absorbée.

Si la demande de freinage devient plus forte, alors le frein moteur peut être mis en oeuvre en relâchant le frein 32 de la couronne 12, puis les freins des roues si nécessaire pour apporter le complément de couple de freinage. Lorsque l'accumulateur de pression 24 est rempli, ce sont alors uniquement le frein moteur et les freins des roues qui sont mis en oeuvre pour apporter la totalité du couple de freinage. Le calculateur de gestion 6 communique avec un calculateur de freinage du véhicule, pour coordonner ces deux moyens de freinage, et effectuer les transitions de l'un à l'autre. La figure 4 présente la chaîne de traction avec un mode de fonctionnement où la machine hydraulique 20 utilisée en pompe, reçoit un couple et donc une puissance PH venant du moteur thermique 2 pour stocker de l'énergie dans l'accumulateur de pression 24, le véhicule étant à l'arrêt ou en marche. Si le véhicule est à l'arrêt avec des freins de ce véhicule activés pour maintenir l'arrêt, la transmission est bloquée et le pignon solaire 14 forme un appui de réaction permettant à la couronne 12 recevant la puissance PM du moteur thermique 2, d'entraîner le porte-satellites 16. La pompe 20 est entraînée à son tour en recevant une puissance PH, ce qui permet de stocker de l'énergie dans le réservoir 24.

Si le véhicule est en marche, entraîné par le moteur thermique 2, le calculateur de gestion 6 répartit la puissance PM reçu de ce moteur, vers la transmission 4, et vers la pompe hydraulique 20 en effectuant le réglage de la cylindrée de cette pompe. Pour le cas particulier du démarrage du véhicule avec le moteur thermique 2 en marche, la machine hydraulique 20 fonctionnant en pompe ne doit pas opposer au début de résistance en tournant le plus librement possible, le calculateur de gestion 6 règle une cylindrée sensiblement nulle, ce qui donne l'équivalent d'une position débrayée. Puis progressivement on augmente la cylindrée de la pompe 20, et donc le couple de freinage s'appliquant sur son arbre ainsi que la puissance hydraulique PH, pour freiner sa vitesse et aller vers une vitesse nulle, ce qui par réaction donne une vitesse du pignon solaire 16 qui partant de l'arrêt, va vers sa vitesse nominale. Ce principe de fonctionnement correspond à la fonction embrayage, qui est utilisée de manière habituelle en entrée d'une transmission.

La figure 5 présente la chaîne de traction avec un mode de fonctionnement où la machine hydraulique 20 utilisée en moteur, génère une puissance PH pour démarrer le moteur thermique 2. Si le véhicule est à l'arrêt avec des freins de ce véhicule activés pour le maintenir arrêté, la transmission 4 est bloquée et le pignon solaire 14 forme un appui de réaction permettant au porte-satellites 16 recevant la puissance PH du moteur hydraulique 20, d'entraîner la couronne 12 et donc le moteur thermique 2 pour le démarrer. Le véhicule peut aussi être en marche, entraîné par le moteur hydraulique 20, à ce moment une répartition de la puissance faite par le train planétaire 10, permet de délivrer une certaine puissance au moteur thermique 2 pour le démarrer. Si l'accumulateur de pression 24 est vide, alors le moteur thermique 2 est démarré avec un démarreur électrique conventionnel. La figure 6 présente une chaîne de traction 41 similaire, comportant un deuxième train planétaire 40 qui est positionné axialement entre le premier train planétaire 10 et la transmission 4.

Le pignon solaire 42 du deuxième train planétaire 40 est relié au pignon solaire 14 du premier train planétaire, le porte-satellites 44 de ce deuxième train planétaire est relié à un carter fixe de la transmission 4, et la couronne 46 de ce deuxième train planétaire est liée à l'arbre d'entrée de cette transmission. On réalise ainsi à partir du mouvement sortant du premier train planétaire 10, une inversion du sens de marche. De plus si les deux trains planétaires 10, 40 possèdent les mêmes rapports de nombre de dents entre leur couronne et leur solaire, on réalise une réduction de la vitesse permettant de rétablir sur l'entrée de la transmission 4 la vitesse d'origine délivrée par le moteur thermique 2, quand la machine hydraulique 20 est à l'arrêt. Cette disposition permet d'utiliser alors une transmission 4 conventionnelle, comportant des rapports de vitesse utilisés habituellement dans le cas d'un accouplement direct entre le moteur thermique 2 et cette transmission. D'une manière générale la chaîne de traction suivant l'invention, permet d'utiliser le moteur thermique 2 dans des conditions de vitesse et de couple restreintes, en réduisant les cas où son rendement est le moins bon, ainsi que les exigences de dynamique. On peut de cette manière simplifier le moteur thermique 2 et réduire son coût. La transmission 4 ne comportant pas d'organe d'accouplement progressif pour le démarrage, peut aussi être simplifiée.

Claims

REVENDICATIONS1 - Chaîne de traction pour un véhicule hybride, comportant un train planétaire (10) disposé entre un moteur thermique (2) de traction et une transmission (4) comprenant différents rapports de vitesse, cette chaîne de traction comportant de plus un circuit hydraulique comprenant une machine hydraulique (20) pouvant travailler en moteur ou en pompe, disposant d'une cylindrée continument variable qui est réglée par un calculateur de gestion (6), cette machine hydraulique (20) étant reliée à un accumulateur de pression hydraulique (24), caractérisée en ce que la couronne (12) du train planétaire (10) est reliée au moteur thermique (2), le pignon solaire (14) à l'arbre d'entrée de la transmission (4), et le porte-satellites (16) à la machine hydraulique (20).
2 - Chaîne de traction selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un frein (32) qui peut immobiliser la couronne (12).
3 - Chaîne de traction selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le porte-satellites (16) comporte un pignon à denture externe, qui engrène avec un autre pignon (18) dont l'arbre entraîne la machine hydraulique (20).
4 - Chaîne de traction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un deuxième train planétaire (40) interposé entre le premier train planétaire (10) et la transmission (4), le pignon solaire (42) du deuxième train planétaire (40) étant relié au pignon solaire (14) du premier train planétaire (10), le porte- satellites (44) de ce deuxième train planétaire étant relié à un point fixe, et la couronne (46) de ce deuxième train planétaire étant liée à l'arbre d'entrée de la transmission (4).
5 - Chaîne de traction selon la revendication 4, caractérisée en ce que le premier (10) et le deuxième (40) train planétaire, possèdent sensiblement le même rapport de nombre de dents entre leur couronne et leur pignon solaire.
6 - Procédé de fonctionnement d'une chaîne de traction (1, 41) selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que pour un mode de fonctionnement en freinage avec récupération d'énergie, le calculateur de gestion (6) active le frein (32), et règle la cylindrée de la machine hydraulique (20) utilisée en pompe, en fonction de la puissance de freinage demandée par le conducteur.
7 - Procédé de fonctionnement d'une chaîne de traction (1, 41) selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que pour un mode de fonctionnement en démarrage du véhicule avec la machine hydraulique (20), le calculateur de gestion (6) active le frein (32), et règle la cylindrée de cette machine hydraulique utilisée en moteur, en partant d'une cylindrée maximum pour ensuite progressivement diminuer cette cylindrée.
8 - Véhicule hybride disposant d'une chaîne de traction (1, 41) comportant une machine hydraulique (20), caractérisé en ce que cette chaîne de traction est réalisée selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
9 - Véhicule hybride selon la revendication 8, caractérisé en ce que le ou les trains planétaires (10, 40) sont directement reliés à un arbre d'entrée de la transmission (4), qui ne comporte pas de dispositif d'accouplement progressif d'entrée.