FR3142707A1 - Hydrogen powertrain and method of controlling this powertrain - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un groupe motopropulseur (10) comportant une machine électrique principale, un système de stockage de dihydrogène et une pile à combustible (110) alimentée en dihydrogène par ledit système de stockage et adaptée à générer un courant électrique alimentant la machine électrique principale. Selon l’invention, le groupe motopropulseur comporte en outre un moteur à combustion interne (120) alimenté en dihydrogène par ledit système de stockage. Figure pour l’abrégé : Fig.3The invention relates to a powertrain (10) comprising a main electric machine, a dihydrogen storage system and a fuel cell (110) supplied with dihydrogen by said storage system and adapted to generate an electric current powering the main electric machine . According to the invention, the powertrain further comprises an internal combustion engine (120) supplied with dihydrogen by said storage system. Figure for abstract: Fig.3
Description
La présente invention concerne de manière générale la génération d’un couple mécanique et de puissances motrices combinées.The present invention generally relates to the generation of combined mechanical torque and driving powers.
Elle concerne plus particulièrement un groupe motopropulseur comportant au moins une machine électrique principale, un système de stockage de dihydrogène et une pile à combustible alimentée en dihydrogène par ledit système de stockage et adaptée à générer un courant électrique alimentant chaque machine électrique principale.It relates more particularly to a powertrain comprising at least one main electrical machine, a dihydrogen storage system and a fuel cell supplied with dihydrogen by said storage system and adapted to generate an electric current powering each main electrical machine.
Elle concerne également un véhicule automobile équipé d’un tel groupe motopropulseur, et un procédé de commande de ce groupe motopropulseur. Ce véhicule pourra être du type traction, propulsion ou quatre roues motrices.It also relates to a motor vehicle equipped with such a powertrain, and a method for controlling this powertrain. This vehicle may be traction, propulsion or four-wheel drive.
Dans un souci de réduire les émissions polluantes des véhicules automobiles, il est connu d’équiper ces derniers de groupes motopropulseurs électriques ou hybrides (batterie électrique-essence/Diesel/BioFuel/e-Fuel).In order to reduce polluting emissions from motor vehicles, it is known to equip them with electric or hybrid powertrains (electric-petrol battery/Diesel/BioFuel/e-Fuel).
Dans le cas des groupes motopropulseurs électriques dits à batterie, ces derniers comportent généralement un moteur électrique et une batterie d’accumulateurs de grande capacité. Un inconvénient d’une telle batterie embarquée est qu’elle est coûteuse, composée de matériaux rares (donc pas disponibles sur tous les continents), polluante à fabriquer et recycler, que sa recharge est lente (par rapport à un plein d’essence), et que sa durée de vie est limitée.In the case of so-called battery electric powertrains, they generally include an electric motor and a large capacity storage battery. A disadvantage of such an on-board battery is that it is expensive, made of rare materials (therefore not available on all continents), polluting to manufacture and recycle, and that its recharge is slow (compared to a full tank of gasoline). , and that its lifespan is limited.
Une autre solution connue consiste à générer le courant électrique d’alimentation du moteur électrique au moyen d’une système de pile à combustible dans lequel se produit une réaction d’oxydation de dihydrogène sur une électrode et une réaction de réduction d'oxygène contenu dans l'air sur une autre électrode (ce qui produit de l’eau et de l’électricité).Another known solution consists of generating the electric current supplying the electric motor by means of a fuel cell system in which a reaction of oxidation of dihydrogen occurs on an electrode and a reaction of reduction of oxygen contained in air on another electrode (which produces water and electricity).
Un tel système de pile à combustible n’est pas polluant à l’usage. Il présente toutefois des inconvénients tels qu’il ne peut pas être utilisé seul dans toutes les conditions d’usage d’un véhicule automobile. Typiquement, dans certains cas de figure, il ne permet par exemple pas de délivrer instantanément une puissance importante ou de gérer de forts gradients de puissance lorsque le conducteur souhaite accélérer brutalement. Il ne permet pas non plus de récupérer et stocker l’énergie cinétique du véhicule au moment du freinage.Such a fuel cell system is not polluting in use. However, it has disadvantages such that it cannot be used alone in all conditions of use of a motor vehicle. Typically, in certain cases, it does not, for example, make it possible to instantly deliver significant power or to manage strong power gradients when the driver wishes to accelerate suddenly. It also does not allow the kinetic energy of the vehicle to be recovered and stored when braking.
Il est alors connu d’utiliser soit un système de pile à combustible de forte puissance associé à une batterie de petite capacité et à forte puissance, soit un système de pile à combustible moins puissant associé à une batterie de capacité plus grande. Dans le premier cas, la pile à combustible est utilisée comme source principale de courant et la batterie vient épauler la pile à combustible, notamment lors des phases d’accélération du véhicule, à la fois comme tampon pour les montées transitoires de puissance, en surcroit de puissance par rapport à ce qu’est capable de délivrer le système pile à combustible mais aussi en batterie de traction seule. Dans le second cas, la batterie sert de source principale d’alimentation du moteur électrique et la pile à combustible est utilisée comme prolongateur d’autonomie. Quoi qu’il en soit, dans ces deux cas, il est nécessaire de doubler les sources d’électricité, ce qui s’avère couteux et encombrant car le système pile à combustible comme la batterie sont couteux quand ils sont dimensionnés de façon conséquente pour produire une puissance équivalente à des véhicules électriques à batterie bien motorisés.It is then known to use either a high-power fuel cell system associated with a small capacity, high-power battery, or a less powerful fuel cell system associated with a larger capacity battery. In the first case, the fuel cell is used as the main source of current and the battery supports the fuel cell, particularly during vehicle acceleration phases, both as a buffer for transient increases in power, and in addition of power compared to what the fuel cell system is capable of delivering but also in traction battery alone. In the second case, the battery serves as the main source of power for the electric motor and the fuel cell is used as a range extender. In any case, in these two cases, it is necessary to double the sources of electricity, which turns out to be expensive and cumbersome because both the fuel cell system and the battery are expensive when they are sized significantly for produce power equivalent to well-motorized battery electric vehicles.
Il est par ailleurs connu d’utiliser autrement la source d’énergie que constitue le dihydrogène, à savoir en l’injectant soit dans un moteur à combustion interne comprenant des cylindres et des pistons, soit dans un moteur rotatif. Le rendement moyen de cette ces solutions s’avère toutefois moindre que celui d’une pile à combustible et n’est pas dépourvu émissions à l’échappement (même si à priori, ces émissions sont très faibles). Il n’en demeure pas moins que cette solution pourrait être utilisable seule, ou en combinaison avec une batterie dans le cadre d’un véhicule hybride rechargeable ou non. En effet, le coût d’un tel moteur à combustion interne est moindre que celui d’une pile à combustible. En outre, cette solution si le moteur est utilisé seul permet de se passer de batterie de traction du véhicule.It is also known to use the energy source constituted by hydrogen in a different way, namely by injecting it either into an internal combustion engine comprising cylinders and pistons, or into a rotary engine. The average efficiency of these solutions, however, turns out to be less than that of a fuel cell and is not without exhaust emissions (even if a priori, these emissions are very low). The fact remains that this solution could be used alone, or in combination with a battery as part of a rechargeable hybrid vehicle or not. In fact, the cost of such an internal combustion engine is lower than that of a fuel cell. In addition, this solution, if the engine is used alone, makes it possible to do without the vehicle's traction battery.
Aucune des solutions envisagées jusqu’alors ne forme un bon compromis, tant en termes de coût de fabrication, de coût d’usage, d’indépendance aux matériaux rares, de rendement sur tous les types de roulage à la fois : en ville, sur route ou sur autoroute, que de poids et d’encombrement.None of the solutions considered until now forms a good compromise, both in terms of manufacturing cost, usage cost, independence from rare materials, performance on all types of driving at the same time: in town, on road or highway, only weight and bulk.
La présente invention propose alors une nouvelle solution offrant un nouveau compromis plus avantageux entre tous les différents critères précités.The present invention then proposes a new solution offering a new, more advantageous compromise between all the different aforementioned criteria.
Plus particulièrement, on propose selon l’invention un groupe motopropulseur tel que défini dans l’introduction (comprenant donc une pile à combustible), dans lequel il est prévu en outre un moteur à combustion interne alimenté en dihydrogène par le système de stockage.More particularly, according to the invention, we propose a powertrain as defined in the introduction (therefore comprising a fuel cell), in which there is also provided an internal combustion engine supplied with dihydrogen by the storage system.
Ainsi, grâce à l’invention, une seule source principale d’énergie est employée pour propulser le véhicule, à savoir le dihydrogène (combiné avec l’oxygène contenu dans l’air ambiant). Cette solution permet alors de se passer de carburant autre que le dihydrogène et de batterie suffisamment dimensionnée pour assurer seule la traction du véhicule dans de nombreuses situations, tout en optimisant le rendement global. Elle permet en outre de réduire l’encombrement et le poids global du groupe motopropulseur : elle emplie en effet un « petit » moteur à combustion interne de puissance réduite et un « petit » système pile à combustible de puissance réduite, tout en limitant les coûts de fabrication.Thus, thanks to the invention, a single main source of energy is used to propel the vehicle, namely dihydrogen (combined with the oxygen contained in the ambient air). This solution then makes it possible to do without fuel other than dihydrogen and a battery sufficiently sized to ensure vehicle traction alone in many situations, while optimizing overall efficiency. It also makes it possible to reduce the overall size and weight of the powertrain: it in fact uses a “small” internal combustion engine of reduced power and a “small” fuel cell system of reduced power, while limiting costs. Manufacturing.
On notera que grâce au système de stockage du dihydrogène, l’invention permet de se passer d’un système additionnel de réaction chimique de reformage.It will be noted that thanks to the dihydrogen storage system, the invention makes it possible to do without an additional chemical reforming reaction system.
D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du groupe motopropulseur conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- le moteur à combustion interne comporte un arbre de sortie adapté à être couplé à des roues motrices du véhicule automobile par une boîte de vitesses ;
- il est prévu une machine électrique auxiliaire couplée au moteur à combustion interne ;
- le moteur à combustion interne comporte un arbre de sortie couplé à une génératrice qui est adaptée à générer un courant électrique alimentant la machine électrique principale ;
- il est prévu au moins un compresseur d’air électrique adapté à insuffler de l’air sous pression en entrée de la pile à combustible et en entrée du moteur à combustion interne ;
- il est prévu une batterie d’accumulateurs de capacité inférieure strictement à 1 kWh, qui est connectée de manière à récupérer l’énergie en cas de freinage et/ou décélération du véhicule automobile.Other advantageous and non-limiting characteristics of the powertrain according to the invention, taken individually or in all technically possible combinations, are as follows:
- the internal combustion engine comprises an output shaft adapted to be coupled to the drive wheels of the motor vehicle by a gearbox;
- an auxiliary electric machine coupled to the internal combustion engine is provided;
- the internal combustion engine comprises an output shaft coupled to a generator which is adapted to generate an electric current powering the main electric machine;
- at least one electric air compressor is provided adapted to blow air under pressure into the inlet of the fuel cell and into the inlet of the internal combustion engine;
- there is provided a battery of accumulators with a capacity strictly less than 1 kWh, which is connected so as to recover energy in the event of braking and/or deceleration of the motor vehicle.
L’invention concerne aussi un véhicule automobile comportant au moins une roue motrice, et un groupe motopropulseur tel que précité, permettant de transmettre un couple à ladite au moins une roue motrice.The invention also relates to a motor vehicle comprising at least one drive wheel, and a powertrain as mentioned above, making it possible to transmit a torque to said at least one drive wheel.
L’invention concerne aussi un procédé de commande d’un groupe motopropulseur tel que précité, dans lequel il est prévu une étape d’acquisition d’une donnée relative à un couple demandé au groupe motopropulseur et une étape d’activation de la pile à combustible de préférence seule ou en combinaison avec le moteur à combustion interne. Exceptionnellement, on pourrait prévoir que le moteur à combustion interne soit activé seul.The invention also relates to a method of controlling a powertrain as mentioned above, in which there is provided a step of acquiring data relating to a torque requested from the powertrain and a step of activating the battery. fuel preferably alone or in combination with the internal combustion engine. Exceptionally, the internal combustion engine could be activated alone.
Préférentiellement, le moteur à combustion interne est activé en fonction de la température extérieure, de l’altitude et d’un niveau de vieillissement de la pile à combustible.Preferably, the internal combustion engine is activated as a function of the exterior temperature, the altitude and a level of aging of the fuel cell.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'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.Of course, the different characteristics, variants and embodiments of the invention can be associated with each other in various combinations as long as they are not incompatible or exclusive of each other.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.The description which follows with reference to the appended drawings, given as non-limiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be carried out.
Sur les dessins annexés :On the attached drawings:
En préliminaire on notera que les éléments identiques ou similaires des différents modes de réalisation de l’invention représentés sur les différentes figures seront, dans la mesure du possible, référencés par les mêmes signes de référence et ne seront pas décrits à chaque fois.As a preliminary note, it should be noted that the identical or similar elements of the different embodiments of the invention represented in the different figures will, as far as possible, be referenced by the same reference signs and will not be described each time.
Sur les figures 1 et 2, on a représenté deux architectures d’un groupe motopropulseur 10.In Figures 1 and 2, two architectures of a powertrain 10 are shown.
Ce groupe motopropulseur 10 est de préférence prévu pour être embarqué dans un véhicule automobile (voiture, camion.) et pour développer un couple et une puissance mécaniques permettant de propulser ce véhicule.This powertrain 10 is preferably designed to be embedded in a motor vehicle (car, truck.) and to develop mechanical torque and power making it possible to propel this vehicle.
En variante, il pourrait être utilisé à des fins différentes, par exemple dans un navire, un avion…Alternatively, it could be used for different purposes, for example in a ship, an airplane…
Quoi qu’il en soit, le groupe motopropulseur 10 comporte une machine électrique principale 130 couplée à des roues motrices 20 du véhicule automobile et un moteur à combustion interne 120.In any case, the powertrain 10 comprises a main electric machine 130 coupled to drive wheels 20 of the motor vehicle and an internal combustion engine 120.
Dans la suite de la description, le terme « couplé » sera utilisé pour désigner une connexion mécanique entre deux éléments qui est telle que la rotation d’un des éléments peut entraîner la rotation du second.In the remainder of the description, the term “coupled” will be used to designate a mechanical connection between two elements which is such that the rotation of one of the elements can cause the rotation of the second.
Un couplage pourra être direct ou indirect. Typiquement, ici, il sera indirect puisque la machine électrique principale 130 sera couplée aux roues motrices 20 via un différentiel.A coupling may be direct or indirect. Typically, here, it will be indirect since the main electrical machine 130 will be coupled to the drive wheels 20 via a differential.
La source d’énergie utilisée pour alimenter le moteur à combustion interne 120 et la machine électrique principale 130 (via la pile à combustible) est la même. Il s’agit de dihydrogène (et d’oxygène puisé dans l’air ambiant).The energy source used to power the internal combustion engine 120 and the main electrical machine 130 (via the fuel cell) is the same. This is dihydrogen (and oxygen drawn from the ambient air).
Le moteur à combustion interne 120 est directement alimenté en dihydrogène, tandis que la machine électrique principale 130 reçoit un courant électrique généré par un système de pile à combustible (ci-après appelée plus simplement « pile à combustible 110 ») qui est lui-même alimenté directement en dihydrogène.The internal combustion engine 120 is directly supplied with dihydrogen, while the main electrical machine 130 receives an electric current generated by a fuel cell system (hereinafter more simply called "fuel cell 110") which is itself supplied directly with hydrogen.
Le groupe motopropulseur 10 comporte alors un système de stockage 150 de dihydrogène qui est connecté au moteur à combustion interne 120 et à la pile à combustible 110.The powertrain 10 then comprises a dihydrogen storage system 150 which is connected to the internal combustion engine 120 and to the fuel cell 110.
De manière préférentielle, il est également prévu un compresseur d’air électrique 160 (voir figures 3 et suivantes) adapté à insuffler de l’air sous pression en entrée de la pile à combustible 110 et en entrée du moteur à combustion interne 120 pour accroître leurs performances. Ce compresseur peut être partagé par la pile à combustible 110 et le moteur à combustion interne 120, ou il peut comporter deux systèmes distincts associés chacun à l’un de ces deux éléments.Preferably, an electric air compressor 160 is also provided (see Figures 3 and following) adapted to blow air under pressure into the inlet of the fuel cell 110 and into the inlet of the internal combustion engine 120 to increase their performance. This compressor can be shared by the fuel cell 110 and the internal combustion engine 120, or it can comprise two distinct systems each associated with one of these two elements.
Préférentiellement aussi, il est prévu une batterie d’accumulateurs 170. Cette batterie peut être de type Lithium-Ion ou autre (Sodium-Ion, Batterie tout solide….). Elle présente une capacité utile inférieure à 1000 Wh, qui est adaptée à assurer des fonctions diverses, telles que par exemple (et de manière non limitative) le démarrage du moteur à combustion interne 120, l’alimentation en courant du compresseur d’air 160, et la récupération d’énergie en cas de freinage et/ou décélération du véhicule automobile. Elle assure en outre un lissage de la puissance de la pile à combustible 110 lors des phases transitoires, ainsi que la recharge de l’éventuelle batterie basse tension du véhicule (si ce dernier en comporte une).Preferably also, a battery of 170 accumulators is provided. This battery can be of the Lithium-Ion or other type (Sodium-Ion, all-solid-state battery, etc.). It has a useful capacity of less than 1000 Wh, which is adapted to ensure various functions, such as for example (and in a non-limiting manner) the starting of the internal combustion engine 120, the power supply of the air compressor 160 , and energy recovery in the event of braking and/or deceleration of the motor vehicle. It also ensures smoothing of the power of the fuel cell 110 during transient phases, as well as the recharging of any low voltage battery of the vehicle (if the latter has one).
Cette batterie d’accumulateurs 170, du fait de sa capacité réduite, peut ne pas être utilisée comme batterie de traction.This accumulator battery 170, due to its reduced capacity, may not be used as a traction battery.
Dans ce cas, elle est connectée à un réseau électrique qui est distinct du réseau électrique d’alimentation de la machine électrique principale 130.In this case, it is connected to an electrical network which is distinct from the electrical supply network of the main electrical machine 130.
Toutefois, en variante, cette batterie d’accumulateurs 170 pourrait être connectée de façon à pouvoir épauler la pile à combustible en alimentant la machine électrique principale 130.However, as a variant, this accumulator battery 170 could be connected so as to be able to support the fuel cell by powering the main electrical machine 130.
Dans ce cas, la batterie d’accumulateurs 170 ne vient pas non plus en surcroit de puissance maximum de la pile à combustible 110. Même si elle n’est pas dédiée à la traction du véhicule, elle pourra alimenter la machine électrique principale 130 dans certaines conditions (température, altitude…), jouer un rôle de lissage des transitoires dans les montées de puissance de la pile à combustible... Autrement formulé, elle pourra accompagner la pile dans sa montée dynamique de puissance comme peut le faire un système pile à combustible dit « full power », mais de façon beaucoup moins fréquente.In this case, the accumulator battery 170 does not increase the maximum power of the fuel cell 110 either. Even if it is not dedicated to the traction of the vehicle, it can power the main electrical machine 130 in certain conditions (temperature, altitude, etc.), play a role in smoothing transients in the power increases of the fuel cell... Otherwise formulated, it can support the cell in its dynamic increase in power as a battery system can do. so-called “full power” fuel, but much less frequently.
On peut maintenant détailler les différents composants de ce groupe motopropulseur 10.We can now detail the different components of this powertrain 10.
Le système de stockage 150 de dihydrogène est agencé de façon à pouvoir alimenter tant la pile à combustible que le moteur à combustion interne. Il comporte à cet effet un ou plusieurs réservoirs qui sont interconnectés de façon que le dihydrogène stocké dans n’importe quel réservoir puisse être transmis tant à la pile à combustible qu’au moteur à combustion interne. Ce stockage peut être envisagé sous plusieurs formes : Gazeuse, Liquide ou solide en fonction de la maturité des technologies de stockage dihydrogène.The dihydrogen storage system 150 is arranged so as to be able to power both the fuel cell and the internal combustion engine. To this end, it comprises one or more tanks which are interconnected so that the hydrogen stored in any tank can be transmitted to both the fuel cell and the internal combustion engine. This storage can be considered in several forms: Gaseous, Liquid or solid depending on the maturity of hydrogen storage technologies.
Le moteur à combustion interne 120 pourrait se présenter sous des formes très variées. Il pourrait ainsi s’agir d’un moteur alternatif à pistons à deux ou quatre temps, à un ou plusieurs cylindres, en ligne ou à plat ou en V ou en W, à cycle de Beau de Rochas ou à cycles variés (Atkinson, Miller…..). Il pourrait également s’agir d’un moteur rotatif, d’un moteur à chambre sphérique et pistons louvoyants…The internal combustion engine 120 could come in very varied forms. It could thus be a reciprocating piston engine with two or four strokes, with one or more cylinders, in line or flat or in V or W, with Beau de Rochas cycle or with varied cycles (Atkinson, Miller…..). It could also be a rotary engine, an engine with a spherical chamber and rotating pistons…
La batterie d’accumulateurs 170 pourrait être du type Lithium-ion. Elle présentera de préférence une capacité comprise entre 300 et 500 Wh.The accumulator battery 170 could be of the Lithium-ion type. It will preferably have a capacity of between 300 and 500 Wh.
La pile à combustible 110 pourra être de tout type, pour autant qu’elle permette d’oxyder le dihydrogène afin de produire de l’énergie électrique. Il pourra typiquement s’agir d’une pile à membrane échangeuse de protons, connue aussi sous le nom de pile à combustible à membrane électrolyte polymère ou PEMFC. Elle pourrait aussi être du type AEMFC en basse ou haute Température. Elle pourrait également être à membrane échangeuse de protons ou à membrane échangeuse d'anions.The fuel cell 110 can be of any type, as long as it makes it possible to oxidize dihydrogen in order to produce electrical energy. This could typically be a proton exchange membrane cell, also known as a polymer electrolyte membrane fuel cell or PEMFC. It could also be of the AEMFC type at low or high temperature. It could also be a proton exchange membrane or an anion exchange membrane.
La pile à combustible est de préférence associée à un circuit d'électronique de puissance appelé « convertisseur DC-DC », permettant d’élever ou d’abaisser la tension continue délivrée par la pile. Toutefois, dans certains cas, l’architecture électrique peut ne pas comporter de convertisseur DC-DC si les tensions de la machine électrique principale et de la pile à combustible (voir aussi de la batterie d’accumulateurs) opèrent sur les mêmes plages et sont donc compatibles sur l’ensemble des configurations souhaitées.The fuel cell is preferably associated with a power electronics circuit called a “DC-DC converter”, making it possible to raise or lower the direct voltage delivered by the cell. However, in certain cases, the electrical architecture may not include a DC-DC converter if the voltages of the main electrical machine and the fuel cell (see also the storage battery) operate on the same ranges and are therefore compatible with all desired configurations.
Le moteur à combustion interne et la pile à combustible seront dimensionnés de manière à développer des puissances mécanique et électrique pouvant dépendre de nombreux facteurs.The internal combustion engine and the fuel cell will be sized to develop mechanical and electrical powers which may depend on numerous factors.
En pratique, le moteur à combustion interne suralimenté sera utilisé la majeure partie du temps pour épauler la pile à combustible. Il pourra donc présenter une cylindrée réduite, typiquement comprise entre 500 et 2000 cm3 (en fonction de l’application de l’invention à des véhicules automobiles légers ou non, utilitaires ou non). Pour des camions, la cylindrée pourra même être supérieure.In practice, the supercharged internal combustion engine will be used most of the time to support the fuel cell. It may therefore have a reduced cylinder capacity, typically between 500 and 2000 cm3 (depending on the application of the invention to light or non-light motor vehicles, utility or not). For trucks, the cylinder capacity may even be higher.
La pile à combustible sera alors dimensionnée de manière à pouvoir assurer les roulages urbains et périurbains sans l’aide du moteur à combustion interne.The fuel cell will then be sized so as to be able to ensure urban and peri-urban driving without the help of the internal combustion engine.
Elle sera ainsi choisie de manière à pouvoir développer une puissance électrique en continue notée x (en kW) et une puissance électrique pic notée y (en kW).It will thus be chosen so as to be able to develop a continuous electrical power denoted x (in kW) and a peak electrical power denoted y (in kW).
Le choix des valeurs de x et y pourra alors dépendre de différents facteurs tels que le poids du véhicule, le segment du véhicule (c’est-à-dire sa catégorie, choisie par exemple parmi les dénominations suivantes : urbaine, citadine, monospace, compacte, berline, routière, sportif, utilitaire…). Ici, les valeurs de x et y sont définies en fonction du segment de véhicule. Elles sont ici également définies en fonction du cadrage attendu sur plusieurs critères de performances et d’agrément de conduite ainsi que de configurations de roulage.The choice of the values of x and y may then depend on different factors such as the weight of the vehicle, the segment of the vehicle (i.e. its category, chosen for example from the following denominations: urban, city car, minivan, compact, sedan, road, sports, utility, etc.). Here, the values of x and y are defined based on the vehicle segment. They are also defined here according to the expected framework on several performance and driving pleasure criteria as well as driving configurations.
Typiquement, si la voiture appartient à la catégorie « citadine polyvalente » et si le cadrage en termes de prestation et de marché répond à une offre client, on pourra choisir les valeurs suivantes : x = 25 kW et y = 40 kW.Typically, if the car belongs to the “multipurpose city car” category and if the framing in terms of service and market responds to a customer offer, the following values can be chosen: x = 25 kW and y = 40 kW.
Sur la
Dans cette architecture, le moteur à combustion interne 120 est couplé à une génératrice électrique 121 qui permet de transformer l’énergie mécanique du moteur en énergie électrique.In this architecture, the internal combustion engine 120 is coupled to an electric generator 121 which makes it possible to transform the mechanical energy of the engine into electrical energy.
La machine électrique principale 130 est ainsi branchée de manière à pouvoir être alimentée en courant électrique tant par la pile à combustible 110 que par la génératrice électrique 121.The main electrical machine 130 is thus connected so as to be able to be supplied with electric current both by the fuel cell 110 and by the electric generator 121.
Le moteur à combustion interne 120 n’est donc pas couplé aux roues motrices 20 du véhicule.The internal combustion engine 120 is therefore not coupled to the drive wheels 20 of the vehicle.
On notera ici que la génératrice électrique 121 assurera la fonction d’alterno-démarreur, de façon à pouvoir démarrer le moteur à combustion interne 120. Elle pourra être alimentée électriquement dans ce cas soit par la pile à combustible 110, soit par la batterie d’accumulateurs 170, soit par les deux à la fois, éventuellement via un ou des convertisseurs DC-DC.It will be noted here that the electric generator 121 will perform the function of alternator-starter, so as to be able to start the internal combustion engine 120. It can be electrically powered in this case either by the fuel cell 110, or by the battery accumulators 170, or by both at the same time, possibly via one or more DC-DC converters.
Dans l’exemple de la
En variante, elle pourrait être couplée directement aux roues motrices, sans réducteur (compte tenu de son couple et de sa vitesse, qui doivent être adaptées à la prestation). Typiquement, dans cette variante, la machine électrique principale pourrait comporter plusieurs moteurs-roues distincts, c’est-à-dire plusieurs moteurs directement intégrés dans des roues motrices.Alternatively, it could be coupled directly to the drive wheels, without a reduction gear (taking into account its torque and speed, which must be adapted to the service). Typically, in this variant, the main electric machine could include several distinct wheel motors, that is to say several motors directly integrated into the driving wheels.
Sur la
Dans cette architecture, le moteur à combustion interne 120 est couplé aux roues motrices 20, de préférence par un système de transmission. Ce système peut être de natures différentes, il peut s’agir par exemple d’une boîte de vitesses 122 manuelle ou automatique.In this architecture, the internal combustion engine 120 is coupled to the drive wheels 20, preferably by a transmission system. This system can be of different natures, it can for example be a manual or automatic gearbox 122.
La pile à combustible 110 alimente alors la machine électrique principale 130 soit seule, soit en étant épaulée par la batterie d’accumulateurs 170. La machine électrique principale 130 est alors couplée soit à un arbre du système de transmission (ici la boîte de vitesses 122), soit directement aux roues motrices 20 du véhicule automobile.The fuel cell 110 then powers the main electrical machine 130 either alone or supported by the accumulator battery 170. The main electrical machine 130 is then coupled either to a shaft of the transmission system (here the gearbox 122 ), or directly to the drive wheels 20 of the motor vehicle.
On peut ici prévoir que le moteur à combustion interne 120 et la machine électrique principale 130 soient couplés aux mêmes roues motrices (en traction ou en propulsion) ou à des roues différentes (en quatre roues motrices). Ainsi, dans ce dernier cas, la machine électrique principale 130 pourrait par exemple être couplée aux roues avant du véhicule tandis que le moteur à combustion interne 120 serait couplé aux roues arrière.Here we can provide for the internal combustion engine 120 and the main electric machine 130 to be coupled to the same drive wheels (in traction or propulsion) or to different wheels (in four-wheel drive). Thus, in the latter case, the main electrical machine 130 could for example be coupled to the front wheels of the vehicle while the internal combustion engine 120 would be coupled to the rear wheels.
Dans cette architecture, il est en outre de préférence prévu au moins une machine électrique auxiliaire 140, de puissance de 30 à 80 % inférieure à la puissance de la machine électrique principale 130, qui est couplée aux roues motrices 20 du véhicule automobile (directement ou via la boîte de vitesses 122). Il pourra s’agir typiquement d’un alterno-démarreur (typiquement de type BSG) ou d’un démarreur à haute tension (de type HSG). D’autres types de génératrices électriques peuvent être envisagées. En variante, cette machine électrique auxiliaire 140 pourrait être couplée au moteur à combustion interne 120, de manière que sa seule fonction soit de démarrer ce moteur.In this architecture, it is also preferably provided at least one auxiliary electric machine 140, with a power of 30 to 80% less than the power of the main electric machine 130, which is coupled to the drive wheels 20 of the motor vehicle (directly or via gearbox 122). This could typically be an alternator-starter (typically BSG type) or a high voltage starter (HSG type). Other types of electrical generators can be considered. Alternatively, this auxiliary electric machine 140 could be coupled to the internal combustion engine 120, so that its only function is to start this engine.
De préférence, la récupération d’énergie au freinage sera assurée par la machine électrique principale 130 mais elle pourrait en variante être assurée par la machine électrique auxiliaire 140.Preferably, energy recovery during braking will be provided by the main electrical machine 130 but it could alternatively be provided by the auxiliary electrical machine 140.
Sur les figures 3 et suivantes, on a représenté de façon plus détaillée différents modes de réalisation du groupe motopropulseur 10, pouvant présenter l’une ou l’autre des deux architectures précitées.In Figures 3 and following, different embodiments of the powertrain 10 are shown in more detail, which may have one or the other of the two aforementioned architectures.
Dans le premier mode de réalisation illustré sur la
La pile à combustible 110 est ici associée à un convertisseur DC-DC 111 (comme expliqué supra, on pourrait en variante se passer de convertisseur) qui est placé à l’opposé de la sortie du moteur à combustion interne 120 et qui est prévu pour alimenter la machine électrique principale (non représentée). Elle présente à titre d’exemple un rendement de l’ordre de 50 à 65% et est adaptée à développer une puissance électrique continue de 25kW et en pic de 40 kW.The fuel cell 110 is here associated with a DC-DC converter 111 (as explained above, we could alternatively do without a converter) which is placed opposite the output of the internal combustion engine 120 and which is designed to power the main electrical machine (not shown). For example, it has an efficiency of around 50 to 65% and is suitable for developing a continuous electrical power of 25 kW and a peak of 40 kW.
De son côté, le moteur à combustion interne 120 est couplé à une génératrice électrique 121 placée à l’opposé de la pile à combustible 110, laquelle génératrice électrique peut éventuellement avoir une fonction de démarreur. Ce moteur à combustion interne 120 est par exemple adapté à développer une puissance maximum de 50 kW en cohérence avec le dimensionnement de la pile à combustible, il présente un rendement de l’ordre de 40 à 45 % (voire plus) tandis que le rendement de la génératrice électrique 121 est de 95% environ. Ainsi, cette partie du groupe motopropulseur permet dans cet exemple de développer une puissance électrique de 40kW en continue et de 47 kW en pic.For its part, the internal combustion engine 120 is coupled to an electric generator 121 placed opposite the fuel cell 110, which electric generator can optionally have a starter function. This internal combustion engine 120 is for example adapted to develop a maximum power of 50 kW in consistency with the dimensioning of the fuel cell, it has an efficiency of the order of 40 to 45% (or even more) while the efficiency of the electric generator 121 is approximately 95%. Thus, this part of the powertrain makes it possible in this example to develop an electrical power of 40kW continuously and 47 kW peak.
On notera ici que la génératrice électrique 121 permet de recharger la batterie d’accumulateurs 170, grâce à un autre convertisseur DC-DC.It will be noted here that the electric generator 121 makes it possible to recharge the storage battery 170, thanks to another DC-DC converter.
En variante, cette batterie d’accumulateurs 170 pourrait permettre d’alimenter en courant le compresseur électrique 160 si les tensions sont compatibles. Sinon l’ajout d’une batterie dite basse tension (de 12 à 14V) en sus sera nécessaire, avec un convertisseur DC-DC additionnel.Alternatively, this battery of accumulators 170 could make it possible to supply current to the electric compressor 160 if the voltages are compatible. Otherwise, the addition of a so-called low voltage battery (12 to 14V) will be necessary, with an additional DC-DC converter.
On rappelle à ce sujet que les convertisseur DC-DC ne sont nécessaires que si les composants ne fonctionnent as dans des plages de tension compatibles.We remind you on this subject that DC-DC converters are only necessary if the components do not operate within compatible voltage ranges.
Dans le second mode de réalisation illustré sur la
De son côté, le moteur à combustion interne 120 est couplé aux roues motrices du véhicule par l’intermédiaire d’une boîte de vitesses 122, ici de type « Renault e-Tech ». Une telle boîte de vitesses est décrite par exemple dans le document « 2L/100km Eolab to global PHEV-HEV project solution » de Nicolas Fremau, Ahmed Ketfi et antoine Vignon.For its part, the internal combustion engine 120 is coupled to the drive wheels of the vehicle via a gearbox 122, here of the “Renault e-Tech” type. Such a gearbox is described for example in the document “2L/100km Eolab to global PHEV-HEV project solution” by Nicolas Fremau, Ahmed Ketfi and Antoine Vignon.
Dans cette configuration, le moteur à combustion interne 120 est accompagné de deux moteurs électriques, à savoir la machine électrique principale 130 et la machine électrique auxiliaire 140 prenant ici la forme d’un démarreur haute tension de type HSG (de l’anglais « High-Voltage Starter Generator »), et d’une boîte de vitesses 122 multimodes innovante à crabots sans embrayage. L’association des moteurs électriques et de la boîte à crabots permet d’optimiser et de lisser les passages de rapports.In this configuration, the internal combustion engine 120 is accompanied by two electric motors, namely the main electric machine 130 and the auxiliary electric machine 140 here taking the form of a high voltage starter of the HSG type (from the English "High -Voltage Starter Generator"), and an innovative 122 multi-mode clutchless dog gearbox. The combination of electric motors and the dog gearbox makes it possible to optimize and smooth gear changes.
La machine électrique auxiliaire 140 développe par exemple une puissance allant jusqu’à 30kW en pic. Son rendement est de l’ordre de 93%.The auxiliary electric machine 140, for example, develops a power of up to 30kW peak. Its efficiency is around 93%.
On notera ici que le démarreur haute tension permet d’alimenter la batterie d’accumulateurs, grâce à un autre convertisseur DC-DC (à moins que leurs tensions soient compatibles), et que cette batterie permet d’alimenter le compresseur électrique. Si les tensions ne sont pas compatibles, l’ajout d’une batterie dite basse tension (12-14V) en sus sera appliquée.Note here that the high voltage starter makes it possible to power the storage battery, thanks to another DC-DC converter (unless their voltages are compatible), and that this battery makes it possible to power the electric compressor. If the voltages are not compatible, the addition of a so-called low voltage battery (12-14V) will be applied.
On notera cette fois sur la
On notera cette fois sur la
Avant de décrire les autres modes de réalisation, on pourra observer que dans ces modes, le groupe motopropulseur comportera une partie commune (appelée ci-après partie générique GEN) comprenant :
- la pile à combustible 110 électriquement connectée à la machine électrique principale 130 (dont on rappelle qu’elle peut comporter un ou plusieurs moteurs), à la machine électrique auxiliaire 140, et à la batterie d’accumulateurs 170 (toutes ces connections étant réalisées via un ou plusieurs convertisseurs DCDC quoiqu’une variante, si les plages de tensions sont compatibles, on puisse se passer de ces convertisseurs),
- un moteur à combustion interne 120 couplé à la machine électrique auxiliaire 140,
- la machine électrique principale 130,
- la batterie d’accumulateurs 170 qui peut alimenter électriquement la ou les machines électriques (à l’inverse elle peut être aussi recharger électriquement par la ou les machines électriques ainsi que par le système pile à combustible 110).Before describing the other embodiments, it can be observed that in these modes, the powertrain will comprise a common part (hereinafter called generic part GEN) comprising:
- the fuel cell 110 electrically connected to the main electrical machine 130 (which we recall can include one or more motors), to the auxiliary electrical machine 140, and to the accumulator battery 170 (all these connections being made via one or more DCDC converters although a variant, if the voltage ranges are compatible, we can do without these converters),
- an internal combustion engine 120 coupled to the auxiliary electric machine 140,
- the main electrical machine 130,
- the accumulator battery 170 which can electrically power the electrical machine(s) (conversely it can also be electrically recharged by the electrical machine(s) as well as by the fuel cell system 110).
Sur la
- La machine secondaire additionnelle 140, couplée au moteur à combustion interne 120, joue le rôle ici de Génératrice (transformation de la puissance mécanique du moteur à combustion interne en puissance électrique) connectée et pouvant alimenter électriquement la ou les machines principales de traction et/ou recharger la batterie principale 170.- The additional secondary machine 140, coupled to the internal combustion engine 120, plays the role here of a generator (transformation of the mechanical power of the internal combustion engine into electrical power) connected and capable of electrically supplying the main traction machine(s) and/or or recharge the main battery 170.
- La ou les machines électriques principales de traction est couplée aux roues via une chaine de transmission 122 qui peut être de plusieurs natures possibles, à savoir toutes technologies de boite de vitesses ou réducteur qu’elles soient mécaniques ou automatiques.- The main electric traction machine(s) is coupled to the wheels via a transmission chain 122 which can be of several possible types, namely any gearbox or reduction technology whether mechanical or automatic.
- L’ensemble de ce groupe motopropulseur peut motoriser indépendamment le train avant (traction) comme le train arrière (propulsion) et peut même être doublé dans certaines variantes (1 sur chaque train) afin d’obtenir une version quatre roues motrices.- This entire powertrain can independently motorize the front axle (traction) as well as the rear axle (propulsion) and can even be doubled in certain variants (1 on each axle) in order to obtain a four-wheel drive version.
- Il est important de rappeler que le nombre de convertisseurs DCDC 111 qui apparait sur le schéma de principe est complètement dépendant de la capacité des différents composants (110,170,130,140) qui y sont connectés à fonctionner sur des plages de tensions électriques compatibles. On peut même ne pas avoir besoin de convertisseur DCDC 111 si tous ces composants sont capables de fonctionner sur des plages de tensions électriques compatibles.- It is important to remember that the number of DCDC converters 111 which appears on the principle diagram is completely dependent on the capacity of the different components (110,170,130,140) which are connected to it to operate on compatible electrical voltage ranges. We may not even need a DCDC 111 converter if all of these components are capable of operating over compatible electrical voltage ranges.
- Comme indiqué dans la partie générique GEN, la ou les machines électriques principales de traction 130 peuvent être de plusieurs natures et topologies. La
o une ou des machines électrique principales de traction sur train avant + une ou des machines électrique principales de traction sur train arrièreo one or more main electric traction machines on the front axle + one or more main electric traction machines on the rear axle
o une ou des machines électrique principales de traction sur train avant + deux moteurs roues sur train arrièreo one or more main electric traction machines on the front axle + two wheel motors on the rear axle
o 2 moteurs roue sur le train avant et 2 moteurs roue sur le train arrièreo 2 wheel motors on the front axle and 2 wheel motors on the rear axle
Etc ……Etc ……
Sur la
- Ici le moteur à combustion interne 120 est couplé aux roues motrices 20 du véhicule par l’intermédiaire d’un train épicycloïdal 122 et d’une boite de vitesses 122A pouvant être de plusieurs natures, en effet tous types de boites de vitesses peuvent être envisagés : manuelles comme automatiques. L’ensemble est particulier puisqu’il est de type « power split device ». Un tel système de transmission est décrit dans le document « Toyota's Develops New Hybrid System, High-voltage Control Architecture Increases Efficiency, Driving Pleasure, 17 avril 2003 ».- Here the internal combustion engine 120 is coupled to the drive wheels 20 of the vehicle via an epicyclic gear train 122 and a gearbox 122A which can be of several types, in fact all types of gearboxes can be considered: manual as well as automatic. The whole thing is special since it is of the “power split device” type. Such a transmission system is described in the document “Toyota's Develops New Hybrid System, High-voltage Control Architecture Increases Efficiency, Driving Pleasure, April 17, 2003”.
Contrairement au document joint expliquant le fonctionnement général du Split Power la batterie Hybride de traction du système Toyota alimentant les différentes machines électriques (nommées Motor et Generator dans le document) et autres fonctions est remplacée avantageusement ici par le système pile à combustible 110 identifié comme générateur de puissance électrique (épaulé par la batterie principale 170 en cas de besoin et/ou autres fonctions à couvrir).Contrary to the attached document explaining the general operation of Split Power, the hybrid traction battery of the Toyota system powering the various electrical machines (named Motor and Generator in the document) and other functions is advantageously replaced here by the fuel cell system 110 identified as generator of electrical power (supported by the main battery 170 if necessary and/or other functions to be covered).
- Cette architecture comporte donc un train épicycloïdal 122 composé classiquement de trois parties (planétaire, porte-satellites et couronne) qui forment trois entrées, dont une couplée à l’arbre de sortie du moteur à combustion interne 120 (le vilebrequin), une autre couplée à l’arbre de sortie de la machine électrique principale 130 et une troisième couplée à un arbre de sortie d’un moteur électrique auxiliaire 140.- This architecture therefore comprises an epicyclic gear train 122 classically composed of three parts (planetary, planet carrier and crown) which form three inputs, one of which is coupled to the output shaft of the internal combustion engine 120 (the crankshaft), another coupled to the output shaft of the main electric machine 130 and a third coupled to an output shaft of an auxiliary electric motor 140.
- La machine électrique de traction principale 130 et le moteur à combustion interne 120 entrainent ici le même train moteur.- The main electric traction machine 130 and the internal combustion engine 120 here drive the same engine train.
- On notera également qu’avec cette architecture les roues motrices peuvent être les roues avant (traction) ou les roues arrière du véhicule (propulsion), et qu’il est possible de doubler le système pour réaliser une version 4 roues motrices- Note also that with this architecture the drive wheels can be the front wheels (traction) or the rear wheels of the vehicle (propulsion), and that it is possible to double the system to create a 4-wheel drive version
- Comme indiqué dans la partie générique GEN et en introduction, la ou les machines électriques principales de traction 130 peuvent être de plusieurs natures et topologies, ce qui est également vrai pour la machine électrique secondaire 140.- As indicated in the generic part GEN and in the introduction, the main electrical traction machine(s) 130 can be of several natures and topologies, which is also true for the secondary electrical machine 140.
Sur la
- le moteur à combustion interne 120 est cette fois couplé directement à un système de transmission 122 qui prend ici pour l’exemple la forme d’une boite type Renault e-Tech hybride dont le descriptif se trouve dans le document ci-après « 2L/100km Eolab to global PHEV-HEV project solution ». Contrairement au document joint expliquant le fonctionnement général du système Renault e-tech hybride, la batterie Hybride de traction de ce système assurant toutes les fonctions décrites (y compris lors des passages de vitesses) en alimentant les machines électriques 130 et 140 est remplacée avantageusement ici par le système pile à combustible 110 identifié comme générateur de puissance électrique (épaulé par la batterie principale 170 en cas de besoin et/ou autres fonctions à couvrir).- the internal combustion engine 120 is this time coupled directly to a transmission system 122 which here takes for example the form of a Renault e-Tech hybrid type box, the description of which can be found in the document below "2L /100km Eolab to global PHEV-HEV project solution”. Contrary to the attached document explaining the general operation of the Renault e-tech hybrid system, the hybrid traction battery of this system ensuring all the functions described (including during gear changes) by powering the electric machines 130 and 140 is advantageously replaced here by the fuel cell system 110 identified as an electrical power generator (supported by the main battery 170 if necessary and/or other functions to be covered).
- La machine électrique de traction principale 130 et la machine électrique secondaire 140 sont intégrées à la boite de vitesse et y sont couplées mécaniquement- The main electric traction machine 130 and the secondary electric machine 140 are integrated into the gearbox and are mechanically coupled thereto
- La machine électrique de traction principale 130 et le moteur à combustion interne 120 entrainent ici le même train moteur.- The main electric traction machine 130 and the internal combustion engine 120 here drive the same engine train.
- Cette architecture de boite de vitesses comprend donc plusieurs rapports de boites dédiées au moteur à combustion interne 120 et d’autres aux machines électriques 130 et 140, ces rapports dans leur nombre et ratio de démultiplication peuvent être à combinaisons multiples (non spécifié ici).- This gearbox architecture therefore includes several gear ratios dedicated to the internal combustion engine 120 and others to electric machines 130 and 140, these ratios in their number and gear ratio can be in multiple combinations (not specified here) .
Sur la
- La spécificité de cette architecture est que la ou les machines électriques principales de traction 130 se trouvent couplés aux roues 20 par l’intermédiaire d’un système de transmission 133 (tous types de boites de vitesses ou réducteur possibles manuels ou automatiques) sur un train moteur différent du train sur lequel les roues 20 sont couplées au moteur à combustion interne 120 via un système de transmission 122 (tous types de boites de vitesses possibles manuels ou automatiques). Cela fait donc de cette architecture une architecture 4 roues motrices.- The specificity of this architecture is that the main electric traction machine(s) 130 are coupled to the wheels 20 via a transmission system 133 (all types of gearboxes or possible reduction gears, manual or automatic) on a engine train different from the train on which the wheels 20 are coupled to the internal combustion engine 120 via a transmission system 122 (all types of possible manual or automatic gearboxes). This therefore makes this architecture a 4-wheel drive architecture.
- Indifféremment la ou les machines électriques principales de traction 130 et son système de transmission 133 peuvent se trouver sur le train arrière ou le train avant. Et inversement pour le moteur à combustion interne 120 et son système de transmission 122 ainsi que sa machine électrique secondaire 140.- Either the main electric traction machine(s) 130 and its transmission system 133 can be located on the rear axle or the front axle. And vice versa for the internal combustion engine 120 and its transmission system 122 as well as its secondary electric machine 140.
Sur les figures 9, 10 et 11, l’architecture est globalement similaire à celle représentée sur la
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Quel que soit le mode de réalisation utilisé, ce groupe motopropulseur 10 sera de préférence piloté selon la méthode suivante, par une unité électronique de traitement, ci-après appelée calculateur.Whatever the embodiment used, this powertrain 10 will preferably be controlled according to the following method, by an electronic processing unit, hereinafter called a computer.
Ce calculateur comporte à cet effet un processeur, une mémoire et différentes interfaces d'entrée et de sortie.For this purpose, this calculator comprises a processor, a memory and various input and output interfaces.
Grâce à ses interfaces d'entrée, le calculateur est adapté à recevoir des données telles que le couple d’entraînement des roues motrices 20 souhaité (ce couple peut par exemple dépendre de la position de la pédale d’accélérateur du véhicule, ou être calculé).Thanks to its input interfaces, the computer is adapted to receive data such as the desired driving torque of the drive wheels 20 (this torque can for example depend on the position of the accelerator pedal of the vehicle, or be calculated ).
Grâce à ses interfaces de sortie, le calculateur est adapté à commander notamment la pile à combustible 110 et la machine électrique principale 130 et le moteur à combustion interne 120.Thanks to its output interfaces, the computer is adapted to control in particular the fuel cell 110 and the main electrical machine 130 and the internal combustion engine 120.
Grâce à sa mémoire, le calculateur mémorise une application informatique, constituée de programmes d’ordinateur comprenant des instructions dont l’exécution par le processeur permet la mise en œuvre par le calculateur du procédé décrit ci-après.Thanks to its memory, the computer stores a computer application, made up of computer programs comprising instructions whose execution by the processor allows the computer to implement the process described below.
Le procédé ici employé consiste à privilégier l’utilisation de la pile à combustible 110 par rapport au moteur à combustion interne 120.The process used here consists of favoring the use of the fuel cell 110 compared to the internal combustion engine 120.
Ainsi, dès qu’un couple d’entraînement positif est requis, la pile à combustible 110 sera activée afin d’alimenter en courant la machine électrique principale 130.Thus, as soon as a positive drive torque is required, the fuel cell 110 will be activated in order to supply current to the main electrical machine 130.
De cette façon, les émissions polluantes du groupe motopropulseur seront réduites et le rendement sera accru.In this way, polluting emissions from the powertrain will be reduced and efficiency will be increased.
En pratique, le moteur à combustion interne 120 sera démarré soit dans des conditions de fonctionnement difficiles pour la pile à combustible, par exemple lorsque la température extérieure est inférieure à un seuil (typiquement quand elles sont négatives, mais aussi pour des températures extérieures élevées supérieures à 35°C par exemple, qui amènerait la pile à combustible à demander des dimensionnements de refroidissement très conséquents, ou lorsque la puissance d’entraînement requise augmente rapidement et que la pile à combustible 110 n’est pas en mesure de suivre cette demande).In practice, the internal combustion engine 120 will be started either in difficult operating conditions for the fuel cell, for example when the exterior temperature is below a threshold (typically when they are negative, but also for high exterior temperatures greater than at 35°C for example, which would cause the fuel cell to require very significant cooling dimensions, or when the required drive power increases rapidly and the fuel cell 110 is not able to keep up with this demand) .
On pourra aussi démarrer le moteur à combustion interne 120 lorsque la pile à combustible n’est pas en mesure de satisfaire à elle-seule la demande de puissance.We can also start the internal combustion engine 120 when the fuel cell is not able to satisfy the power demand on its own.
Avantageusement, le moteur à combustion interne 120 pourra aussi être démarré afin de préserver la durée de vie de la pile à combustible 110. Pour cela, différentes stratégies seront utilisées. De même avec le vieillissement naturel du système pile à combustible 110, le moteur à combustion interne 120 complètera progressivement durant la vie du véhicule automobile le manque de fourniture de puissance de la pile à combustion qui aura perdu de ses performances.Advantageously, the internal combustion engine 120 can also be started in order to preserve the life of the fuel cell 110. For this, different strategies will be used. Likewise with the natural aging of the fuel cell system 110, the internal combustion engine 120 will gradually supplement during the life of the motor vehicle the lack of power supply from the combustion cell which will have lost its performance.
L’une de ces stratégies serait que, lorsque le véhicule roule à vitesse sensiblement constante au-dessus d’un seuil (par exemple 100 km/h), on active le moteur à combustion interne 120 de façon à réduire la puissance que la pile à combustible 110 doit délivrer en continu sur de longues distances.One of these strategies would be that, when the vehicle is traveling at a substantially constant speed above a threshold (for example 100 km/h), the internal combustion engine 120 is activated so as to reduce the power that the battery fuel 110 must deliver continuously over long distances.
Bien entendu, la présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention.Of course, the present invention is in no way limited to the embodiments described and represented, but those skilled in the art will be able to make any variation conforming to the invention.
En résumé, on pourra reformuler l’idée à la base du document, de la façon suivante :In summary, we can reformulate the idea underlying the document as follows:
Le groupe motopropulseur comporte :The powertrain includes:
- une ou plusieurs machines électriques principales de traction et son/leur onduleur fonction de la technologie machine choisie et pouvant couvrir toutes les topologies de machine électrique possibles (machine Haute (> 60V à 800V) ou basse tension (< 60V), machine synchrone ou asynchrone, machine à aimants permanents, machine à rotor bobiné, machine à 3 phases et à plus de 3 phases, machine à cages, machine à réluctance, machine à flux axial ou à flux radial…….)- one or more main electric traction machines and its/their inverter depending on the machine technology chosen and able to cover all possible electric machine topologies (high (> 60V to 800V) or low voltage (< 60V) machine, synchronous machine or asynchronous, permanent magnet machine, wound rotor machine, 3-phase and more than 3-phase machine, cage machine, reluctance machine, axial flux or radial flux machine…….)
- Une ou plusieurs systèmes de transmission aux roues (au sens ensemble d’éléments mécaniques permettant la transmission de puissance) qui peuvent être de plusieurs natures : boite de vitesse, réducteur, train épicycloïdal…….., fonction de l’architecture système choisie.- One or more wheel transmission systems (in the sense of a set of mechanical elements allowing power transmission) which can be of several types: gearbox, reduction gear, epicyclic gear train….., depending on the chosen system architecture .
-Une machine électrique additionnelle et son onduleur plus ou moins puissante fonction de l’architecture choisie pouvant assurer plsuierus fonctions décrites plus bas. Cette machine peut couvrir toutes les topologies de machine électrique possibles (machine Haute (> 60V à 800V) ou basse tension (< 60V), machine synchrone ou asynchrone, machine à aimants permanents, machine à rotor bobiné, machine à 3 phases et à plus de 3 phases, machine à cages, machine à réluctance, machine à flux axial ou à flux radial…….)-An additional electric machine and its more or less powerful inverter depending on the chosen architecture which can provide several functions described below. This machine can cover all possible electrical machine topologies (high (> 60V to 800V) or low voltage (< 60V) machine, synchronous or asynchronous machine, permanent magnet machine, wound rotor machine, 3-phase machine and more 3 phases, cage machine, reluctance machine, axial flow or radial flow machine…….)
-Une « petite » Batterie Principale de type Lithium-Ion ou autres (Sodium-Ion, Batterie tout solide….) de tension définie par le choix de l’architecture (de 48 à 800V).-A “small” Main Battery of Lithium-Ion type or others (Sodium-Ion, All-solid-state battery, etc.) with a voltage defined by the choice of architecture (from 48 to 800V).
-Une batterie basse tension si besoin (12-14V à 48V) et fonction du dimensionnement de la batterie ci-dessus.-A low voltage battery if necessary (12-14V to 48V) and depending on the battery sizing above.
- Si besoin un ou plusieurs convertisseurs DCDC fonction de l’architecture choisie et des tensions de composants mis en œuvre mais certaines variantes d’architectures et choix de composants n’en requièrent pas- If necessary, one or more DCDC converters depending on the chosen architecture and the component voltages used, but certain architectural variants and component choices do not require one.
- Un système complet de Pile à combustible Hydrogène basse ou haute température de type Pile à combustible à membrane échangeuse de protons ou Pile à combustible à membrane échangeuse d'anions, directement alimentée en dihydrogène et oxygène dans le véhicule (pas de reformage) et pouvant alimenter en puissance électrique la ou les machines électriques principales de traction et/ou la seconde machine électrique et/ou la Batterie Principale.- A complete system of low or high temperature hydrogen fuel cell such as proton exchange membrane fuel cell or anion exchange membrane fuel cell, directly supplied with dihydrogen and oxygen in the vehicle (no reforming) and capable of supply electrical power to the main electric traction machine(s) and/or the second electric machine and/or the Main Battery.
- Un moteur Thermique à combustion interne « H2 » lui aussi alimentée en air et en dihydrogène avec ou sans boite de vitesses fonction de l’architecture retenue couplé directement aux roues ou à la machine électrique additionnelle. L’alimentation en air pourra être commune ou séparée de celle de la Pile à combustible.- An internal combustion engine “H2” also supplied with air and hydrogen with or without a gearbox depending on the architecture chosen, coupled directly to the wheels or to the additional electric machine. The air supply may be common or separate from that of the fuel cell.
- Un système de stockage de dihydrogène embarqué (gazeux, liquide ou solide) muni de son système de remplissage et alimentant dans le vehicule automobile à la fois le moteur thermique à combustion interne et le système pile à combustible.- An onboard hydrogen storage system (gaseous, liquid or solid) equipped with its filling system and supplying both the internal combustion engine and the fuel cell system in the motor vehicle.
- une pile à combustible alimentée en dihydrogène par ledit système de stockage et adaptée à générer un courant électrique alimentant la machine électrique principale.- a fuel cell supplied with dihydrogen by said storage system and adapted to generate an electric current powering the main electrical machine.
Claims (9)
caractérisé en ce qu’il comporte en outre un moteur à combustion interne (120) alimenté en dihydrogène par ledit système de stockage (150).Powertrain (10) comprising at least one main electrical machine (130), a dihydrogen storage system (150) and a fuel cell (110) supplied with dihydrogen by said storage system (150) and adapted to generate a current electric powering each main electrical machine (130),
characterized in that it further comprises an internal combustion engine (120) supplied with dihydrogen by said storage system (150).
- une étape d’acquisition d’une donnée relative à un couple demandé au groupe motopropulseur (10) et
- une étape d’activation de la pile à combustible (110) seule ou en combinaison avec le moteur à combustion interne (120), ou du moteur à combustion interne (120) seul.Method for controlling a powertrain (10) according to one of the preceding claims, in which it is provided:
- a step of acquiring data relating to a torque requested from the powertrain (10) and
- a step of activating the fuel cell (110) alone or in combination with the internal combustion engine (120), or the internal combustion engine (120) alone.
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|---|---|---|---|
| FR2212648A FR3142707A1 (en) | 2022-12-01 | 2022-12-01 | Hydrogen powertrain and method of controlling this powertrain |
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| FR2212648A Pending FR3142707A1 (en) | 2022-12-01 | 2022-12-01 | Hydrogen powertrain and method of controlling this powertrain |
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| FR (1) | FR3142707A1 (en) |
Citations (4)
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-
2022
- 2022-12-01 FR FR2212648A patent/FR3142707A1/en active Pending
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