FR3059754B1 - Systeme de boite de vitesses pour vehicule hybride comportant un onduleur et une machine electrique - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet un système de boîte de vitesses pour véhicule automobile hybride, comprenant une boîte de vitesses (20), ainsi qu'un onduleur (8) et une machine électrique de traction (6) fixés sur cette boîte de vitesses, l'onduleur (8) alimentant la machine électrique de traction (6) qui est reliée à un arbre de la boîte de vitesses (20), ce système étant remarquable en ce que la boîte de vitesses (20) comporte un circuit d'huile (22) de lubrification interne comprenant une pompe de circulation (10), qui alimente en huile l'onduleur (8) et la machine électrique (6) pour les refroidir.
Description
SYSTEME DE BOITE DE VITESSES POUR VEHICULE HYBRIDECOMPORTANT UN ONDULEUR ET UNE MACHINE ELECTRIQUE
La présente invention concerne un système de boîte de vitesses pourun véhicule automobile hybride, comportant une machine électrique et unonduleur, ainsi qu’un véhicule hybride équipé d’un tel système de boîte devitesses.
Certains véhicules automobiles hybrides comportent une boîte devitesses disposée entre un moteur thermique et les roues du véhicule,supportant une machine électrique de traction reliée à un arbre de cette boîtede vitesses, qui est alimentée par des batteries de traction.
Suivant les conditions de roulage afin d’optimiser la consommation decarburant, on utilise le moteur thermique, la machine électrique, ou ces deuxmotorisations. La machine électrique peut fonctionner en moteur, ou engénératrice pour recharger les batteries de traction.
Ces boîtes de vitesses peuvent supporter de plus un onduleur relié à lamachine électrique pour l’alimenter, qui est directement fixé sur la boîte devitesses afin d’être disposé au plus près de cette machine électrique.L’onduleur produit à partir du courant électrique continu délivré par la batteriede traction, un courant alternatif adapté pour la machine électrique.
Par ailleurs un type de boîte de vitesses automatique largementrépandu comporte un convertisseur de couple en entrée et des trainsplanétaires reliés par des embrayages et des freins, qui sont commandés parune pression d’huile venant d’une pompe à huile assurant un débit important.Le fonctionnement des différents éléments, en particulier du convertisseur decouple, peut générer une énergie thermique importante qu’il faut dissiper.
Ces boîtes de vitesses automatiques comportent généralement unéchangeur thermique disposé sur le circuit d’huile, qui transfère les caloriesde l’huile au circuit d’eau de refroidissement du moteur thermique, équipé d’un échangeur avec l’air disposant de ventilateurs, présentant une capacitéde dissipation élevée.
Pour ces boîtes de vitesses automatiques utilisées sur un véhiculehybride, il est connu de refroidir la machine électrique fixée dessus par unecirculation interne d’huile de cette boîte, et de refroidir l’onduleur par unecirculation interne d’eau venant du circuit de refroidissement du moteurthermique.
Avec la circulation d’eau on dispose d’une capacité de refroidissementimportante de l’onduleur, intéressante pour les machines électriquesprésentant une puissance élevée et générant beaucoup de calories.Cependant cette disposition pose des problèmes car elle nécessite desraccords entre l’onduleur et le circuit de refroidissement du moteurthermique, qui présentent un encombrement et ajoutent des coûts.
Toutefois d’autres types de boîtes de vitesses automatiques, comme lesboîtes de vitesses à double embrayage ou les boîtes de vitesses robotisées,comportant des engrenages montés sur des arbres parallèles, engagés pardes systèmes de synchronisation, et présentant un bon rendement, posentdes problèmes thermiques qui sont différents.
Par ailleurs afin d’assurer le refroidissement d’un système électroniquede puissance disposé sur une transmission, un type de transmission connu,présenté notamment par le document US-B2-8074753, comporte une plaquesupportant sur le dessus des composants électroniques dissipant de lachaleur, présentant en dessous des surfaces métalliques formant desradiateurs.
La plaque constitue un couvercle disposé au-dessus du carter de latransmission, recevant par en dessous des projections d’huile de lubrificationde cette transmission, venant de la rotation d’arbres et d’engrenages, quirefroidissent les radiateurs.
On obtient de cette manière un certain refroidissement du système depuissance. Toutefois ce refroidissement peut poser des problèmes car lesprojections d’huile sont mal contrôlées, dépendant en particulier fortement des vitesses de rotation des arbres. De plus il faut une transmissionspécifique présentant une grande ouverture sur le dessus pour recevoir laplaque.
La présente invention a notamment pour but d’éviter ces problèmes del’art antérieur.
Elle propose à cet effet un système de boîte de vitesses pour véhiculeautomobile hybride, comprenant une boîte de vitesses, ainsi qu’un onduleuret une machine électrique de traction fixés sur cette boîte de vitesses,l’onduleur alimentant la machine électrique de traction qui est reliée à unarbre de la boîte de vitesses, ce système étant remarquable en ce que laboîte de vitesses comporte un circuit d’huile de lubrification internecomprenant une pompe de circulation, qui alimente en huile l’onduleur et lamachine électrique pour les refroidir.
Un avantage de ce système de boîte de vitesses est que le circuitd’huile activé par la pompe de circulation, passant dans l’onduleur et dans lamachine électrique, constitue grâce à une maîtrise du débit dans ceséléments, un moyen efficace et contrôlé de refroidissement de ces deuxéléments.
On notera en particulier qu’un type de boîte de vitesses présentant desarbres parallèles, génère grâce à son bon rendement mécanique uneénergie thermique faible. Les calories apportées par le refroidissement d’unonduleur relié à une machine électrique présentant une puissance nedépassant pas une certaine limite, sont facilement absorbées par la massede la boîte de vitesses, puis dissipées grâce à l’ensemble des surfaces deses carters qui reçoivent à l’intérieur les projections d’huile répartissant lescalories.
En réalisant des raccordements directs du circuit d’huile entre la boîtede vitesses, et l’onduleur et la machine électrique fixés dessus, et avec peude modifications de la boîte de vitesses, on obtient de manière simple etéconomique, avec un encombrement et une masse réduite, sans utiliserd’échangeur avec le circuit d’eau de refroidissement du moteur thermique, une certaine capacité de refroidissement de l’onduleur et de sa machineélectrique.
La boîte de vitesses pour véhicule hybride selon l’invention peut de pluscomporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent êtrecombinées entre elles.
En particulier, la boîte de vitesses peut comporter des arbres parallèles,supportant des engrenages engagés par des manchons de synchronisationpour réaliser différents rapports de vitesse.
Avantageusement, le circuit d’huile présente une circulation passantd’abord dans l’onduleur, puis dans la machine électrique.
En particulier, la pompe de circulation peut comporter un entraînementélectrique.
Avantageusement, la machine électrique présente une puissanceinférieure à 30kW.
En particulier, la machine électrique peut présenter une puissancecomprise entre 10 et 20kW.
En complément, le circuit d’huile peut comporter un échangeurthermique vers l'air ambiant, ou vers un circuit de refroidissement d'unmoteur thermique du véhicule. L’invention a aussi pour objet un véhicule automobile hybride équipéd’un moteur thermique entraînant les roues motrices par une boîte devitesses à double embrayage, faisant partie d’un système de boîte devitesses comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes. L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques etavantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-aprèsdonnée à titre d’exemple et de manière non limitative, en référence auxdessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma présentant un système de boîte de vitessesselon l'art antérieur, pour un véhicule hybride équipé d’une boîte de vitessesautomatique ; et - la figure 2 est un schéma présentant un système de boîte de vitessesselon l’invention, pour un véhicule hybride équipé d’une boîte de vitesses àdouble embrayage.
La figure 1 présente une boîte de vitesses automatique 4 prévue pourrecevoir la puissance du moteur thermique d’un véhicule hybride, comportanten entrée un convertisseur hydrodynamique de couple, et des trainsplanétaires commandés par des freins et des embrayages.
La boîte de vitesses automatique 4 comporte une machine électrique 6fixée sur cette boîte, alimentée par des batteries de traction du véhicule, quiest reliée à un arbre de la boîte de vitesses afin de délivrer une puissancesur cet arbre en travaillant en moteur, ou de recevoir une puissance entravaillant en génératrice afin de recharger les batteries.
Un circuit d’huile 12 de lubrification interne de la boîte de vitesses,comporte une pompe 10 entraînée par le moteur thermique, réalisant unecirculation d’huile passant d’abord par un échangeur thermique 14 afin d’êtrerefroidie par l’eau du circuit de refroidissement haute température 16 dumoteur thermique.
Le circuit de refroidissement haute température 16 du moteur thermiquecomporte un radiateur d’échange avec l’air extérieur, et des ventilateurs quiactivent cet air si nécessaire, afin d’obtenir une capacité de refroidissementimportante.
Après l’échangeur thermique 14, le circuit d’huile 12 passe par lamachine électrique 6, afin de refroidir cette machine avec l’huile présentantune température suffisamment basse.
La machine électrique 6 est alimentée par un onduleur 8 fixé aussi surcette boîte, afin d’obtenir des raccordements électriques très courts.L’onduleur 8 produit à partir du courant continu des batteries, un courantalternatif avec une tension et une fréquence adaptée afin de commander cemoteur.
Un circuit d’eau de refroidissement basse température 18 comporte uneboucle passant par l’échangeur thermique 14 du circuit haute température 16 du moteur thermique pour céder des calories, puis par l’électronique depuissance de l’onduleur 8 pour la refroidir. On notera que l’onduleur 8développe une énergie thermique dépendant directement de la puissancedélivrée par la machine électrique 6.
On obtient de cette manière une capacité de refroidissement importanteà la fois de la machine électrique 6 et de l’onduleur 8, qui permet d’utiliserdes machines électriques présentant des puissances élevées. En pratique onpeut utiliser une machine électrique délivrant une puissance supérieure à 20kW, et notamment supérieure à 30 kW.
La figure 2 présente une boîte de vitesses à double embrayage 20,comprenant deux embrayages entraînant des arbres d’entrée disposéssuivant un même axe.
La boîte de vitesses comporte un circuit d’huile 22 de lubrificationinterne, comprenant une pompe de circulation 10 destinée à la lubrificationdes différents éléments en rotation, ainsi qu’à une diffusion de la chaleur surles parois intérieures de l’ensemble des carters. L’évacuation des calories sefait ensuite par rayonnement et par convection des surfaces des carters versl’air extérieur.
En particulier la pompe de circulation 10 peut être à entraînementmécanique, présentant une liaison avec un arbre de la boîte de vitesses pourassurer sa rotation En variante la pompe de circulation 10 peut être àentraînement électrique, comportant un moteur électrique permettantd’ajuster en permanence sa vitesse et son débit.
On notera que la boîte de vitesses à double embrayage 20 génère unefaible quantité de calories grâce à sa technologie présentant un bonrendement.
La boîte de vitesses à double embrayage 20 supporte l’onduleur 8alimentant la machine électrique 6, qui est reliée à un arbre de cette boîte.
Le circuit d’huile 22 passe d’abord par l’onduleur 8, puis par la machineélectrique 6, avant de revenir dans l’intérieur du carter de la boîte de vitesses20 afin de lubrifier et de refroidir ses différents composants en rotation.
Avantageusement le circuit d’huile 22 comporte des conduits et desraccords reliant le plus directement possible le carter de la boîte de vitesses20 aux boîtiers de l’onduleur 8 et de la machine électrique 6, de manière àlimiter le nombre de raccords et la longueur des conduits afin d’optimiserl’encombrement et la masse du système.
Le circuit d’huile 22 peut comporter tout type d’équipement nécessairepour une optimisation de son fonctionnement, notamment un filtre à huilepour purifier son huile, des capteurs de température, ou des vannes de by-pass permettant de limiter automatiquement la pression dans ce circuit.
Le passage en premier dans l’onduleur 8 a pour avantage de présenterdans cet onduleur un flux d’huile comprenant une température plus basseque dans la machine électrique 6, ce qui est préférable pour protégerl’électronique de puissance de l’onduleur.
On peut de cette manière utiliser des machines électriques 6 existantescomportant un circuit d’huile intérieur de refroidissement, prévues pour lesboîtes de vitesses automatiques 4 présentées figure 1, qui sont produites ensérie de manière économique.
On notera que d’une manière générale les véhicules hybrides utilisantdes moteurs thermiques à essence sont moins sollicités pour porter outracter des charges lourdes, ce qui est réservé plutôt aux véhicules utilitairesà moteur diesel. De plus ce type de véhicule n’est pas exploité dans les paysprésentant des températures très élevées car les batteries de tractionsupportent mal ces températures, avec un risque d’explosion.
Ces conditions d’utilisation font que la transmission étant relativementmoins sollicitée, elle génère aussi une énergie thermique limitée. La boîte devitesses à double embrayage 20 de ces véhicules peut suffire à dissiperl’énergie thermique supplémentaire venant de l’onduleur 8 et de la machineélectrique 6, pour une limite de puissance.
Le système de boîte de vitesses selon l’invention convientparticulièrement pour des machines électriques présentant une puissanceinférieure à 30kW, notamment comprise entre 10 et 20kW. En effet pour une puissance inférieure à 10kW, un refroidissement de la machine électrique etde l’onduleur par air pulsé peut être suffisant.
Cette gamme de puissance comprise entre 10 et 20kW convientparticulièrement pour des véhicules présentant une hybridation légère,appelée « Mild hybride » en terminologie anglaise, qui ne sont pasrechargeables sur le secteur.
En complément si la dissipation naturelle par la boîte de vitesses àdouble embrayage 20 est insuffisante, on peut ajouter sur le circuit d’huile 22un échangeur thermique dissipant les calories vers le circuit d’eau derefroidissement du moteur thermique, ou directement vers l'air ambiant.
Claims (8)
- REVENDICATIONS1 - Système de boîte de vitesses pour véhicule automobile hybride,comprenant une boîte de vitesses (20), ainsi qu’un onduleur (8) et unemachine électrique de traction (6) fixés sur cette boîte de vitesses, l’onduleur (8) alimentant la machine électrique de traction (6) qui est reliée à un arbrede la boîte de vitesses (20), caractérisé en ce que la boîte de vitesses (20)comporte un circuit d’huile (22) de lubrification interne comprenant unepompe de circulation (10), qui alimente en huile l’onduleur (8) et la machineélectrique (6) pour les refroidir.
- 2 - Système de boîte de vitesses selon la revendication 1, caractériséen ce que la boîte de vitesses (20) comporte des arbres parallèles,supportant des engrenages engagés par des manchons de synchronisationpour réaliser différents rapports de vitesse.
- 3 - Système de boîte de vitesses selon la revendication 1 ou 2,caractérisé en ce que le circuit d’huile (22) présente une circulation passantd’abord dans l’onduleur (8), puis dans la machine électrique (6).
- 4 - Système de boîte de vitesses selon l’une quelconque desrevendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe de circulation(10) comporte un entraînement électrique.
- 5 - Système de boîte de vitesses selon l'une quelconque desrevendications précédentes, caractérisé en ce que la machine électrique (6)présente une puissance inférieure à 30kW.
- 6 - Système de boîte de vitesses selon la revendication 5, caractériséen ce que la machine électrique (6) présente une puissance comprise entre10 et 20kW.
- 7 - Système de boîte de vitesses selon l'une quelconque desrevendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d’huile (22)comporte un échangeur thermique vers l'air ambiant, ou vers un circuit derefroidissement d'un moteur thermique du véhicule.
- 8 - Véhicule automobile hybride équipé d’un moteur thermiqueentraînant les roues motrices par une boîte de vitesses à double embrayage(20), caractérisé en ce que cette boîte de vitesses (90) fait partie d’unsystème de boîte de vitesses selon l’une quelconque des revendicationsprécédentes.
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