FR3065919A1 - Architecture de traction pour vehicule automobile integrant deux machines electriques tournantes reversibles - Google Patents

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Abstract

L'invention porte principalement sur une architecture de traction (10) pour véhicule automobile comportant: - une chaîne de traction (11) implantée sur un train avant (12) comprenant notamment un moteur thermique (13) associé à une boîte de vitesses (16), - une première machine électrique tournante (21) de type réversible, ladite première machine électrique tournante (21) étant une machine électrique tournante à courroie accouplée au moteur thermique (13), - une deuxième machine électrique tournante (26) de type réversible, ladite deuxième machine électrique tournante (26) étant une machine électrique tournante sans courroie implantée sur un train arrière (27) du véhicule automobile, caractérisée en ce que la première machine électrique tournante (21) et la deuxième machine électrique tournante (26) sont connectées à un premier réseau électrique (35) présentant une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts.

Description

Titulaire(s) : VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR Société par actions simplifiée.
O Demande(s) d’extension :
® Mandataire(s) : VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR Société par actions simplifiée.
® ARCHITECTURE DE TRACTION POUR VEHICULE AUTOMOBILE INTEGRANT DEUX MACHINES ELECTRIQUES TOURNANTES REVERSIBLES.
FR 3 065 919 - A1 (57) L'invention porte principalement sur une architecture de traction (10) pour véhicule automobile comportant:
- une chaîne de traction (11 ) implantée sur un train avant (12) comprenant notamment un moteur thermique (13) associé à une boîte de vitesses (16),
- une première machine électrique tournante (21) de type réversible, ladite première machine électrique tournante (21) étant une machine électrique tournante à courroie accouplée au moteur thermique (13),
- une deuxième machine électrique tournante (26) de type réversible, ladite deuxième machine électrique tournante (26) étant une machine électrique tournante sans courroie implantée sur un train arrière (27) du véhicule automobile, caractérisée en ce que la première machine électrique tournante (21) et la deuxième machine électrique tournante (26) sont connectées à un premier réseau électrique (35) présentant une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts.
Figure FR3065919A1_D0001
Figure FR3065919A1_D0002
ARCHITECTURE DE TRACTION POUR VÉHICULE AUTOMOBILE INTÉGRANT DEUX MACHINES ÉLECTRIQUES TOURNANTES REVERSIBLES
La présente invention porte sur une architecture de traction pour véhicule automobile intégrant deux machines électriques tournantes réversibles pouvant fonctionner dans un mode alternateur et dans un mode moteur électrique.
De façon connue en soi, une chaîne de traction implantée sur le train avant d'un véhicule automobile comporte un moteur thermique accouplé à une boîte de vitesses par l'intermédiaire d'un embrayage. La boîte de vitesses est reliée mécaniquement aux roues par l'intermédiaire d'un différentiel.
Une machine électrique réversible et à courroie est accouplée au moteur thermique via la façade accessoires. Cette machine électrique, appelée communément alterno-démarreur, est apte à fonctionner dans un mode générateur pour recharger une batterie du véhicule ainsi que dans un mode moteur pour assurer un démarrage du moteur thermique ou pour ajouter un couple mécanique. Cette machine électrique pourra également être utilisée pour fournir de l'énergie à la batterie lors d'une phase de freinage récupératif.
Pour des applications à quatre roues motrices, il est connu d'utiliser une autre machine électrique réversible implantée sur un train arrière du véhicule. Cette machine électrique est apte à fonctionner en mode moteur pour assurer une traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique. Cette machine est également apte à fonctionner en mode générateur pour fournir de l'énergie à la batterie du véhicule.
Ces machines électriques sont des machines de forte puissance, de l'ordre de 50kW, connectées sur un réseau électrique présentant une tension de fonctionnement moyenne de 300 Volts à 500 Volts.
II a été observé qu'avec ce type d'architecture les émissions de dioxyde de carbone et autres particules polluantes sont élevées sur les grandes distances de roulage. En effet, sur ces distances, les conditions de roulage sont telles que le véhicule fonctionne le plus souvent en mode thermique. Or, le poids des batteries alimentant le réseau haute tension étant important, le moteur thermique consomme beaucoup de carburant dans ces phases de roulage pour assurer seul la traction du véhicule, ce qui engendre une émission importante de dioxyde de carbone et autres particules polluantes. En outre, le coût de revient d'une telle architecture est élevé.
La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant une architecture de traction pour véhicule automobile comportant:
- une chaîne de traction implantée sur un train avant comprenant notamment un moteur thermique associé à une boîte de vitesses,
- une première machine électrique tournante de type réversible, ladite première machine électrique tournante étant une machine électrique tournante à courroie accouplée au moteur thermique,
- une deuxième machine électrique tournante de type réversible, ladite deuxième machine électrique tournante étant une machine électrique tournante sans courroie implantée sur un train arrière du véhicule automobile, caractérisée en ce que la première machine électrique tournante et la deuxième machine électrique tournante sont connectées à un premier réseau électrique présentant une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts.
L'invention permet ainsi, grâce à l'utilisation d'un réseau électrique inférieur à 60 Volts, d'embarquer des batteries moins lourdes que sur un réseau haute tension classique, ce qui permet de minimiser les émissions de particules polluantes sur les grandes distances lorsque le véhicule fonctionne dans un mode de roulage thermique. L'invention permet en outre de réduire le coût de l'architecture de traction du fait de la taille réduite des machines électriques tournantes.
Selon une réalisation, la tension de fonctionnement du premier réseau électrique est de 48 Volts.
Selon une réalisation, un démarreur est connecté à un deuxième réseau électrique ayant une tension de fonctionnement inférieure à celle du premier réseau électrique.
Selon une réalisation, la tension de fonctionnement du deuxième réseau électrique est de 12 Volts.
Selon une réalisation, le premier réseau électrique et le deuxième réseau électrique sont interfacés entre eux par l'intermédiaire d'un convertisseur continu/continu.
Selon une réalisation, ladite architecture de traction est configurée pour pouvoir réaliser une fonction de roulage électrique.
Selon une réalisation, ladite architecture de traction est configurée de telle façon que, dans certaines situations de vie, la première machine électrique tournante est apte à fournir une énergie électrique directement à la deuxième machine électrique tournante pour assurer une traction du véhicule.
Selon une réalisation, ladite architecture de traction est configurée pour pouvoir réaliser une fonction de roulage à quatre roues motrices.
Selon une réalisation, ladite architecture de traction est configurée pour réaliser une fonction de mise à disposition d'un couple électrique à l'arrêt du véhicule.
Selon une réalisation, la deuxième machine électrique tournante est connectée mécaniquement au train arrière par l'intermédiaire d'un différentiel.
Selon une réalisation, un ratio du différentiel est compris entre 10 et 40.
Selon une réalisation, le ratio du différentiel est égal à 19.
Selon une réalisation, la première et la deuxième machines électriques tournantes sont des machines électriques synchrones à aimants permanents. Dans un mode de réalisation, la première machine est dite à roue polaire avec ou sans aimants permanents.
Selon une réalisation, le convertisseur continu/continu pourra être utilisé pour transférer une énergie électrique depuis une batterie du deuxième réseau électrique vers une batterie du premier réseau électrique pour garantir un démarrage du moteur thermique par la première machine électrique tournante.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1 est une représentation schématique d'une architecture de traction pour véhicule automobile selon la présente invention;
La figure 2 est une représentation schématique des réseaux électriques interfacés mis en oeuvre dans la présente invention;
La figure 3 est un tableau illustrant les différentes fonctions pouvant être mises en oeuvre respectivement avec une architecture à alterno-démarreur seul et avec une architecture selon l'invention comprenant un alternodémarreur utilisé en combinaison avec une machine électrique implantée sur le train arrière.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d’une figure à l’autre.
La figure 1 montre une architecture de traction 10 pour véhicule automobile comportant une chaîne de traction 11 implantée sur le train avant 12 d'un véhicule automobile. Cette chaîne de traction 11 comporte un moteur thermique 13 accouplé à une boîte de vitesses 16 par l'intermédiaire d'un embrayage 17. La boîte de vitesses 16 est reliée mécaniquement à un différentiel 18 du train avant 12. La boîte de vitesses 16 pourra être une boîte de vitesses manuelle, une boîte de vitesses manuelle pilotée, une boîte de vitesses automatique, ou une boîte de type DCT ou CVT à double embrayage. Bien entendu, dans ce dernier cas, on supprime la présence de l'embrayage 17.
Une machine électrique tournante 21 de type réversible est accouplée au moteur thermique 13 via la façade accessoires. Cette machine électrique 21 est une machine à courroie, c’est-à-dire que le dispositif de transmission de mouvement 22 entre le moteur thermique 13 et la machine électrique 21 comporte une courroie coopérant avec des poulies portées respectivement par l'arbre du vilebrequin et l'arbre de la machine électrique 21.
Cette machine électrique 21, appelée communément alterno-démarreur, est apte à fonctionner dans un mode générateur pour recharger une batterie 24 du véhicule ainsi que dans un mode moteur pour assurer un démarrage du moteur thermique 13 alors que le véhicule est à l'arrêt ou lors d'une transition d'un mode de roulage électrique vers un mode de roulage thermique. Cette machine électrique 21 pourra également être utilisée pour fournir de l'énergie à la batterie 24 lors d'une phase de freinage récupératif.
En outre, une deuxième machine électrique tournante 26 de type réversible est implantée sur un train arrière 27 du véhicule automobile. La machine électrique arrière 26 est mécaniquement découplée du train avant 12. La machine électrique 26 est une machine sans courroie qui est connectée mécaniquement au train arrière 27 par l'intermédiaire d'un différentiel 30.
Comme cela est expliqué plus en détails ci-après, la machine électrique 26 est apte à fonctionner dans un mode générateur lors d'une phase de freinage récupératif pour recharger la batterie 24 ainsi que dans un mode moteur pour assurer un roulage électrique du véhicule.
Le ratio du différentiel 30 ne doit pas être trop faible au risque de ne pas disposer de suffisamment de couple, ni trop élevé au risque de ne pas pouvoir supporter des vitesses de rotation élevée de la machine électrique 26 en roulage électrique. Avantageusement, ce ratio du différentiel 30 est compris entre 10 et 40 et est de préférence égal à 19.
La machine électrique 26 est associée à un onduleur 33 qui pourra être fixé à l'arrière de la machine 26 ou être séparé de la machine 26. Le circuit de refroidissement de l'onduleur 33 et des machines électriques 21, 26 pourra être à base d'eau ou d'huile. Le cas échéant, le circuit de refroidissement pourra être commun à ces trois éléments 21,26, 33.
Comme on peut le voir sur la figure 2, les deux machines électriques tournantes 21, 26 sont connectées à un premier réseau électrique 35 sur lequel est également branchée la batterie 24. Ce réseau électrique 35 présente une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts. Avantageusement, la tension de fonctionnement du premier réseau électrique 35 est de 48 Volts. D'autres charges électriques 36 pourront également être connectées sur le réseau électrique 35.
Chaque machine électrique 21,26 pourra présenter une puissance comprise entre 15kW et 25 kW et fournir un couple compris entre 55Nm et 80Nm en fonction de sa longueur. Les machines électriques 21, 26 pourront par exemple être des machines de type synchrone à aimants permanents. Dans un autre exemple, la machine 21 peut être de type roue polaire avec ou sans aimants.
Le réseau électrique 35 est interfacé avec un deuxième réseau électrique 38 basse tension par l'intermédiaire d'un convertisseur continu/continu 39. Un démarreur 40 assurant les démarrages à froid du moteur thermique 13, ainsi que des consommateurs électriques 41 du véhicule de type éclairage, actionneurs de vitres ou de sièges, et contrôle moteur, sont connectés au réseau électrique 38. Ce réseau électrique 38 associé à une batterie 42 présente une tension de fonctionnement inférieure à celle du premier réseau électrique 35. La tension de fonctionnement du réseau électrique 38 est de préférence de l'ordre de 12 Volts.
Comme cela est illustré par la figure 3, une telle architecture 10 permet, grâce à la première machine électrique 21, d'assurer une fonction d'arrêt et de redémarrage automatique du moteur thermique 13 en fonction des conditions de circulation (fonction dite STT pour stop and start en anglais).
Une fonction dite boost en anglais permet à l'une et/ou l'autre des machines électriques 21, 26 d'assister ponctuellement le moteur thermique 13 lors d'une phase de roulage en mode thermique.
Une fonction de freinage récupératif permet à l'une et/ou l'autre des machines électriques 21,26 de fournir de l'énergie électrique à la batterie 24 lors d'une phase de freinage. L'utilisation simultanée des deux machines électriques 21,26 permet de maximiser l'énergie récupérée par la batterie 24 lors du freinage.
Une fonction de roue libre, dite de coasting en anglais, permet d'automatiser l'ouverture de la chaîne de traction 11 sans action explicite du conducteur pour réduire le régime moteur ou l'arrêter afin de minimiser la consommation en carburant ainsi que les émissions polluantes. S'il a été arrêté, la machine électrique avant 21 pourra assurer le re-démarrage du moteur thermique 13.
En outre, par rapport à un alterno-démarreur 40 seul, l'architecture 10 permet de disposer d'un couple électrique à l'arrêt du véhicule pour assurer notamment un décollage du véhicule (fonction dite de creeping en anglais).
La machine électrique arrière 26 permet également d'assurer un roulage électrique pur. Le roulage électrique pourra être sollicité juste après une sortie de phase de roulage en roue libre. Dans certaines situations de vie dans lesquelles la batterie 24 est vide, la machine électrique avant 21 pourra fournir directement une énergie électrique à la machine électrique arrière 26 pour assurer une traction du véhicule.
Compte tenu de la séparation entre les deux machines électriques 21, 26, l'architecture 10 garantit une transition souple entre le mode de roulage électrique pur et le mode de roulage thermique.
L'architecture 10 permet également de réaliser une fonction de roulage à quatre roues motrices (mode 4x4) qui est limitée par l'autonomie de la batterie 24. Le mode de fonctionnement 4x4 pourra être utilisé pour améliorer la sécurité du véhicule en cas de situation d'urgence.
Grâce au roulage électrique pur, à la fonction de freinage récupératif par les deux machines électriques 21, 26, ainsi qu'au poids réduit des batteries utilisées 24, 42, l'invention permet un gain en carburant de l'ordre de 20% lors des roulages sur de longues distances.
Par ailleurs, le différentiel 30 pourra intégrer une fonction de découplage de la machine électrique 26 par rapport au train arrière 27 à haute vitesse ou lorsque la machine électrique arrière 26 n'est pas utilisée. Cela permet de supprimer les pertes de la machine électrique arrière 26 afin d'améliorer le rendement du système.
Lors de la transition du mode de roulage électrique vers le mode de roulage thermique, l'énergie de la batterie 24 est utilisée afin de démarrer le moteur thermique 13 avec la machine avant 21 à courroie. II sera possible de contrôler un niveau de charge suffisant de la batterie 24 permettant le démarrage du moteur thermique 13. Si ce n'est pas le cas, le calculateur moteur pourra commander l'arrêt du mode de roulage électrique afin de disposer d'un niveau d'énergie minimum. Le convertisseur 39 pourra également être utilisé pour transférer de l'énergie depuis la batterie 12 Volts vers la batterie 48 Volts afin de garantir le démarrage du moteur thermique 13 par la machine électrique avant 21.
Dans un mode de réalisation particulier, il sera également possible d'implanter l'onduleur 33 de la machine électrique arrière 26 ainsi que le convertisseur 39 à l'intérieur d'un même boîtier. L'onduleur 33 est alors connecté à l'aide de câble de phase à la machine électrique arrière 26.
Les connecteurs de puissance des machines 21, 26 sur la batterie 24 pourront être séparés, c’est-à-dire qu'il existe deux bornes positives B+ et deux bornes négatives B- fixées sur la batterie 24, un couple de borne B+, Bétant dédié à chaque machine électrique 21, 26. Alternativement, les machines électriques 21,26 sont connectées sur une batterie 24 standard de 48 Volts munie d'un seul couple de bornes B+, B-.
Suivant une variante de réalisation, il sera possible d'implanter une machine électrique supplémentaire sur le train arrière 27, afin d'augmenter la puissance et le couple disponible en roulage électrique.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS
    1. Architecture de traction (10) pour véhicule automobile comportant:
    - une chaîne de traction (11) implantée sur un train avant (12) comprenant notamment un moteur thermique (13) associé à une boîte de vitesses (16),
    - une première machine électrique tournante (21) de type réversible, ladite première machine électrique tournante (21) étant une machine électrique tournante à courroie accouplée au moteur thermique (13),
    - une deuxième machine électrique tournante (26) de type réversible, ladite deuxième machine électrique tournante (26) étant une machine électrique tournante sans courroie implantée sur un train arrière (27) du véhicule automobile, caractérisée en ce que la première machine électrique tournante (21) et la deuxième machine électrique tournante (26) sont connectées à un premier réseau électrique (35) présentant une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts.
  2. 2. Architecture de traction (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tension de fonctionnement du premier réseau électrique (35) est de 48 Volts.
  3. 3. Architecture de traction (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'un démarreur (40) est connecté à un deuxième réseau électrique (38) ayant une tension de fonctionnement inférieure à celle du premier réseau électrique (35).
  4. 4. Architecture de traction (10) selon la revendication 3, caractérisée en ce que la tension de fonctionnement du deuxième réseau électrique (38) est de 12 Volts.
  5. 5. Architecture de traction (10) selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le premier réseau électrique (35) et le deuxième réseau électrique (38) sont interfacés entre eux par l'intermédiaire d'un convertisseur continu/continu (39).
  6. 6. Architecture de traction (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour pouvoir réaliser une fonction de roulage électrique.
  7. 7. Architecture de traction (10) selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle est configurée de telle façon que, dans certaines situations de vie, la première machine électrique tournante (21) est apte à fournir une énergie électrique directement à la deuxième machine électrique tournante (26) pour assurer une traction du train arrière (27).
  8. 8. Architecture de traction (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour pouvoir réaliser une fonction de roulage à quatre roues motrices.
  9. 9. Architecture de traction (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour réaliser une fonction de mise à disposition d'un couple électrique à l'arrêt du véhicule.
  10. 10. Architecture de traction (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la deuxième machine électrique tournante (26) est connectée mécaniquement au train arrière (27) par l'intermédiaire d'un différentiel (30).
  11. 11. Architecture de traction (10) selon la revendication10, caractérisée en ce qu'un ratio du différentiel (30) est compris entre 10 et 40.
  12. 12. Architecture de traction (10) selon la revendication11, caractérisée en ce que le ratio du différentiel (30) est égalà 19.
  13. 13. Architecture de traction (10) selon l'une quelconquedes revendications 1 à 12, caractérisée en ce que la première et la deuxième machines électriques tournantes (21, 26) sont des machines électriques synchrones à aimants permanents.
  14. 14. Architecture selon la revendication 5, caractérisée en ce que le convertisseur continu/continu (39) pourra être utilisé pour transférer une énergie électrique depuis une batterie (24) du deuxième réseau électrique (38) vers une batterie (24) du premier réseau électrique (35) pour garantir un démarrage du moteur thermique (13) par la première machine électrique tournante (21).
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