FR3065920A1 - Architecture de traction pour vehicule automobile comprenant 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 intégrée dans la chaîne de traction, et - 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) est de type sans courroie.

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.
FR 3 065 920 - A1 (54) ARCHITECTURE DE TRACTION POUR VEHICULE ELECTRIQUES TOURNANTES REVERSIBLES.
(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 intégrée dans la chaîne de traction, et
- 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) est de type sans courroie.
AUTOMOBILE COMPRENANT DEUX MACHINES
Figure FR3065920A1_D0001
Figure FR3065920A1_D0002
ARCHITECTURE DE TRACTION POUR VÉHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT DEUX MACHINES ÉLECTRIQUES TOURNANTES REVERSIBLES
La présente invention porte sur une architecture de traction pour véhicule automobile comprenant 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. 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.
Avec une telle architecture, le mode de roulage électrique est limité, dans la mesure où seule la machine électrique arrière peut en assurer la fonction. En effet, une traction du véhicule par l'alterno-démarreur entraîne trop de pertes mécaniques liées aux pertes par frottement des composants internes du moteur thermique et aux pertes du dispositif de transmission à courroie interposé entre l'alterno-démarreur et le moteur thermique.
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 intégrée dans la chaîne de traction, et
- 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 est de type sans courroie.
L'invention permet ainsi d'autoriser un mode de roulage électrique mis en œuvre uniquement par la machine électrique avant du fait de la réduction des frottements mécaniques obtenue par la suppression de la courroie. II sera également possible de disposer d'un mode de roulage électrique à quatre roues motrices suivant lequel la première et la deuxième machines électriques tournantes assurent ensemble la traction véhicule.
Selon une réalisation, la première machine électrique tournante est positionnée entre le moteur thermique et la boîte de vitesses.
Selon une réalisation, la première machine électrique tournante est accouplée à la chaîne de traction par l'intermédiaire d'un système de transmission de mouvement à chaîne, un premier embrayage étant intercalé entre le moteur thermique et le système de transmission de mouvement à chaîne, un deuxième embrayage étant intercalé entre le système de transmission de mouvement à chaîne et la boîte de vitesses.
Selon une réalisation, la première machine électrique tournante est accouplée avec la boîte de vitesses.
Selon une réalisation, 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. Une telle configuration permet d'embarquer des batteries moins lourdes que sur un réseau haute tension de 300 Volts, ce qui permet de minimiser les émissions de particules polluantes sur les grandes distances lorsque le véhicule fonctionne dans un mode de roulage thermique. Cela 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, 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 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.
Selon une réalisation, le convertisseur continu/continu est configuré pour 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 1a est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation de l'architecture de traction pour véhicule automobile selon la présente invention;
La figure 1b est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation de l'architecture de traction pour véhicule automobile selon la présente invention;
La figure 1c est une représentation schématique d'un troisième mode de réalisation de l'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 à courroie et avec une architecture selon l'invention comprenant un machine électrique sans courroie sur le train avant utilisée 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.
Les figures 1a et 1b montrent 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, ou une boîte de vitesses automatique. Bien entendu, dans ce dernier cas, on supprime la présence de l'embrayage 17.
Une machine électrique tournante 21 de type réversible est intégrée dans la chaîne de traction 11. Cette machine électrique 21 est de type sans courroie, c’est-à-dire qu'elle est accouplée avec un élément de la chaîne de traction 11 à l'aide d'un dispositif d'accouplement autre qu'un système à poulie et à courroie. Avantageusement, la machine électrique 21 est accouplée avec un élément de la chaîne de traction 11 par un système à engrenages ou un système de transmission par chaîne.
Dans le mode de réalisation de la figure 1a, la machine électrique 21 est accouplée avec la boîte de vitesses 16 en engrenant par exemple avec un pignon de la boîte de vitesses. Dans le mode de réalisation de la figure 1b, la machine électrique 21 est positionnée entre le moteur thermique 13 et la boîte de vitesses 16.
Cette machine électrique 21 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. Le mode moteur pourra également être utilisé pour assurer un roulage électrique, notamment à quatre roues motrices, comme cela est expliqué plus en détails ci-après. Cette machine électrique 21 pourra également être utilisée pour fournir de l'énergie à la batterie 24 lors d'une phase de freinage récupératif.
Dans le mode de réalisation de la figure 1c, la machine électrique 21 est accouplée à la chaîne de traction 10 par l'intermédiaire d'un système de transmission de mouvement à chaîne 22. En outre, un premier embrayage 17.1 est intercalé entre le vilebrequin du moteur thermique 13 et le système de transmission de mouvement 22. Un deuxième embrayage 17.2 est intercalé entre le système de transmission de mouvement 22 et l'arbre primaire de la boîte de vitesses 16.
L'ouverture du premier embrayage 17.1 et la fermeture du deuxième embrayage 17.2 permet d'assurer une traction purement électrique du véhicule via la première machine 21, sans entraîner le vilebrequin du moteur thermique 13. La fermeture du premier embrayage 17.1 et la fermeture du deuxième embrayage 17.2 permet d'assurer un entraînement du véhicule au moyen du moteur thermique 13. Alternativement, la machine électrique 21 est montée sur la chaîne de traction 10 entre les deux embrayages 17.1, 17.2 sans utiliser de système de transmission de mouvement par chaîne 22.
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 expliqué 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, le 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. Dans un exemple de réalisation, le couple fournit peut être de 200Nm. Les machines électriques 21, 26 pourront par exemple être des machines de type synchrone à aimants permanents. Alternativement, les machines électriques 21, 26 pourront présenter une puissance supérieure et être connectées sur un réseau électrique 35 ayant une tension de fonctionnement de 300 Volts.
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, 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).
Par ailleurs, une fonction de roulage électrique pur pourra être assurée soit par la machine électrique arrière 26 seule, soit par la machine électrique avant 21 seule, soit par les deux machines électriques 21,26 simultanément. On dispose ainsi d'un mode 4x4 électrique. Le roulage électrique pourra notamment 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). Ce mode 4x4 pourra être obtenu en roulage électrique pur comme indiqué précédemment ou en roulage hybride suivant lequel le moteur thermique 13 entraîne le train avant 12 et la machine électrique 26 entraîne le train arrière 27. 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. 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 5 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 (16)

  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 intégrée dans la chaîne de traction (11), et
    - 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) est de type sans courroie.
  2. 2. Architecture de traction (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première machine électrique tournante (21) est positionnée entre le moteur thermique (13) et la boîte de vitesses (16).
  3. 3. Architecture selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première machine électrique tournante (21) est accouplée à la chaîne de traction (10) par l'intermédiaire d'un système de transmission de mouvement à chaîne (22), et en ce qu'un premier embrayage (17.1) est intercalé entre le moteur thermique (13) et le système de transmission de mouvement à chaîne (22), un deuxième embrayage (17.2) étant intercalé entre le système de transmission de mouvement (22) et la boîte de vitesses (16).
  4. 4. Architecture de traction (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première machine électrique tournante (21) est accouplée avec la boîte de vitesses (16).
  5. 5. Architecture de traction (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 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.
  6. 6. Architecture de traction (10) selon la revendication 5, caractérisée en ce que la tension de fonctionnement du premier réseau électrique (35) est de 48 Volts.
  7. 7. Architecture de traction (10) selon la revendication 5 ou 6, 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).
  8. 8. Architecture de traction (10) selon la revendication 7, 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).
  9. 9. Architecture de traction (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour pouvoir réaliser une fonction de roulage électrique.
  10. 10. Architecture de traction (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour pouvoir réaliser une fonction de roulage à quatre roues motrices.
  11. 11. Architecture de traction (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour réaliser une fonction de mise à disposition d'un couple électrique à l'arrêt du véhicule.
  12. 12. Architecture de traction (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que la deuxième machine électrique tournante (26) est connectée mécaniquement au train arrière (27) par l'intermédiaire d'un différentiel (30).
  13. 13. Architecture de traction (10) selon la revendication12, caractérisée en ce qu'un ratio du différentiel (30) est compris entre 10 et 40.
  14. 14. Architecture de traction (10) selon la revendication13, caractérisée en ce que le ratio du différentiel (30) est égal à 19.
  15. 15. Architecture de traction (10) selon l'une quelconquedes revendications 1 à 14, caractérisée en ce que la première et la deuxième machines électriques tournantes (21, 26) sont des machines électriques synchrones à aimants permanents.
  16. 16. Architecture selon la revendication 8, caractérisée en ce que le
    5 convertisseur continu/continu (39) est configuré pour 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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