WO2011092390A1 - Procede de derivation de puissance electrique pour vehicule hybride - Google Patents

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WO2011092390A1
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Ridouane Habbani
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Peugeot Citroën Automobiles SA
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Abstract

L'invention concerne essentiellement un procédé de dérivation de puissance pour véhicule hybride (1) dans lequel la puissance (Pmel_max_ar) disponible pour la deuxième machine (15) est calculée en fonction de la puissance (Pdech_max) disponible dans la batterie (19) haute tension, de la puissance (PprelDC/DC) prélevée par le réseau (24) de bord du véhicule et de la puissance (Pinst_mel_av) instantanée produite par la première machine (11) électrique.

Description

PROCEDE DE DERIVATION DE PUISSANCE ELECTRIQUE POUR
VEHICULE HYBRIDE
[01 ] L'invention concerne un procédé de dérivation de puissance pour véhicule hybride. [02] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des véhicules automobiles hybrides comportant deux machines électriques associées chacune à un des trains du véhicule.
[03] On connaît des véhicules hybrides comportant un moteur thermique assurant la traction du train avant, ce moteur étant associé mécaniquement à une machine électrique avant. Cette machine électrique de type alterno/démarreur permet notamment de recharger les batteries du véhicule et démarrer le moteur thermique. Dans certaines situations de vie, elle peut même participer à la traction du véhicule.
[04] Ces véhicules comportent également une machine électrique assurant la traction du train arrière via un réducteur et un dispositif d'accouplement par exemple de type crabot. Par opposition aux véhicules 4x4 traditionnels, la traction du train avant et la traction du train arrière sont indépendantes mécaniquement l'une de l'autre.
[05] La machine électrique avant et la machine électrique arrière sont reliées à une batterie haute tension par l'intermédiaire d'un réseau électrique. Cette batterie haute tension est en relation avec un réseau de bord basse tension par l'intermédiaire d'un convertisseur continu/continu.
[06] La batterie haute tension est l'élément qui peut fournir ou emmagasiner de l'énergie électrique. Cet élément possède des limitations de puissance devant être respectées en termes de puissance de décharge (quand la batterie fournit du courant) et de puissance de charge (quand la batterie absorbe du courant).
[07] Ces puissances dépendent directement de l'état de charge de la batterie et de la température de la batterie. Plus le niveau de charge est élevé, plus la puissance de charge diminue et la puissance de décharge augmente. Inversement, plus le niveau de charge est faible plus la puissance de décharge diminue et la puissance de charge augmente.
[08] Aujourd'hui, lorsque la batterie présente une puissance de décharge nulle, on considère que la puissance maximale disponible sur la machine électrique arrière est nulle, et il faut attendre que la machine avant recharge la batterie pour que cette dernière présente un niveau de décharge suffisant permettant de fournir du couple sur le train arrière.
[09] Toutefois, même dans le cas où la puissance de décharge de la batterie est nulle, il peut être nécessaire de faire fonctionner le véhicule dans un mode à quatre roues motrices dit également "4x4", dans lequel on applique du couple sur les deux trains du véhicule. Ce mode peut être souhaité dans le cas où les conditions d'adhérence de la route deviennent précaires (sol enneigé, montée de col...) et dans une situation de vie dans laquelle il est nécessaire de fournir le plus de couple possible aux roues du véhicule.
[010] L'invention propose de répondre à ce besoin en allouant à la machine arrière la puissance disponible de la batterie et la puissance instantanée générée par la machine électrique avant. Selon l'invention, la puissance produite par la machine avant peut être transférée directement vers la machine arrière pour produire du couple même dans le cas où la puissance de décharge de la batterie haute tension est nulle ou quasi-nulle.
[01 1 ] Ainsi, l'invention permet d'assurer une dérivation de puissance dans laquelle la puissance de la machine avant s'additionne à la puissance disponible dans la batterie haute tension. [012] L'invention réserve néanmoins de préférence de la puissance au réseau de bord dont l'alimentation reste prioritaire sur toutes les autres fonctions du véhicule.
[013] L'invention concerne donc un procédé de dérivation de puissance pour véhicule hybride comprenant :
- un moteur thermique destiné à assurer la traction d'un des trains du véhicule associé à une première machine électrique, - une deuxième machine électrique destinée à assurer la traction de l'autre train du véhicule, les tractions étant indépendantes mécaniquement l'une de l'autre,
- les deux machines électriques étant en relation avec une batterie haute tension par l'intermédiaire d'un réseau électrique,
caractérisé en ce que :
- la puissance disponible pour la deuxième machine est calculée en fonction de la puissance disponible dans la batterie, de la puissance prélevée par le réseau de bord du véhicule et de la puissance instantanée produite par la première machine électrique.
[014] Selon une mise en œuvre on alloue en priorité au réseau de bord du véhicule une partie de la puissance issue de la batterie et de la puissance instantanée produite par la première machine, de sorte que dans le mode hybride la puissance disponible pour la deuxième machine est égale à la somme de la puissance instantanée produite par la première machine et la puissance électrique disponible dans la batterie moins la puissance consommée par le réseau de bord.
[015] Selon une mise en œuvre, pour déterminer la puissance disponible pour la deuxième machine dans le mode électrique pure dans lequel le moteur thermique est éteint, il comporte l'étape de :
- soustraire à la puissance disponible de la batterie :
- la puissance électrique consommée par le réseau électrique de bord et
- une puissance estimée nécessaire pour le démarrage du moteur thermique.
[016] Selon une mise en œuvre, pour déterminer la puissance maximale disponible sur la deuxième machine au moment du démarrage du moteur thermique, la première machine prélevant de la puissance à la batterie pour assurer le démarrage dudit moteur, il comporte l'étape de :
- soustraire à la puissance disponible dans la batterie :
- la puissance consommée par le réseau électrique de bord du véhicule, et - la plus importante des puissances entre la puissance estimée nécessaire pour le démarrage du moteur thermique et la puissance réellement consommée par la première machine pour effectuer le démarrage du moteur thermique. [017] 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. Elles montrent : [018] Figure 1 : une représentation schématique d'un véhicule automobile mettant en œuvre le procédé selon l'invention ;
[019] Figure 2 : un diagramme fonctionnel du véhicule automobile mettant en œuvre le procédé selon l'invention ;
[020] Figure 3 : un diagramme temporel de l'évolution dans le temps des puissances consommées par les organes électriques du véhicule lors de la mise en œuvre du procédé selon l'invention.
[021 ] Les éléments identiques conservent la même référence d'une figure à l'autre.
[022] La Figure 1 montre un véhicule 1 automobile hybride mettant en œuvre le procédé selon l'invention comportant un train 2 avant et un train 3 arrière indépendants mécaniquement l'un de l'autre.
[023] Un groupe moto-propulseur 5 classique assure la traction du train 2 avant du véhicule. Plus précisément, ce groupe 5 comporte un moteur 7 thermique en relation avec une boîte 8 de vitesses manuelle pilotée (BVMP) par l'intermédiaire d'un embrayage 10 classique par exemple un embrayage à garniture sec ou humide. Cette boîte 8 de vitesses est reliée au train 2 avant par l'intermédiaire d'une descente de pont (non représentée). En variante, le groupe 5 moto-propulseur pourrait comporter une boîte 8 de vitesses automatique. [024] Par ailleurs, une machine 1 1 électrique haute tension est associée mécaniquement au moteur 7 thermique. Cette machine 1 1 assure la recharge des batteries du véhicule, le démarrage du moteur 7 et s'il y a lieu un apport pour la traction du train 2 avant en fournissant du couple supplémentaire (mode boost). [025] Un starter 13 est utilisé pour démarrer le moteur 7 en cas de températures très basses dans le cas où la machine avant 1 1 n'est pas capable d'assurer cette fonction. Si besoin, un système 14 de climatisation est relié mécaniquement au moteur 7 et à la machine avant 1 1 . [026] En outre, une machine 15 électrique assure la traction du train 3 arrière du véhicule. A cet effet, la machine 15 est reliée au train 3 arrière par l'intermédiaire d'un embrayage 16 et d'un ensemble 17 de démultiplication. Cet embrayage 16 prend par exemple la forme d'un crabot, tandis que l'ensemble 17 de démultiplication est à rapport unique, même s'il pourrait en variante présenter plusieurs rapports.
[027] Les deux machines 1 1 et 15 sont reliées électriquement entre elles par l'intermédiaire d'un réseau électrique. Plus précisément, les machines 1 1 et 15 sont reliées à une batterie 19 haute tension par l'intermédiaire d'un onduleur 21 capable de hacher la tension continue de la batterie 19 pour alimenter les machines 1 1 et 15 électriques fonctionnant en mode moteur. Lorsque les machines électriques 1 1 et 15 fonctionnent en mode générateur pour recharger la batterie 19 haute tension, l'onduleur 21 est capable de transformer la tension alternative produite par les machines 1 1 et 15 en tension continue appliquée sur les bornes de la batterie 19 haute tension. [028] La batterie 19 haute tension est connectée à un convertisseur 20 continu/continu qui transforme la tension continue de la batterie 19 haute tension en une tension acceptable par le starter 13 et par une batterie 22 basse tension connectée au réseau 24 de bord du véhicule.
[029] De préférence, le véhicule 1 est équipé d'un système 25 de régulation de freinage classique de type ESP ou ABS permettant de gérer les efforts de freinage en cas de freinage d'urgence, afin d'assurer le contrôle de la trajectoire du véhicule et/ou d'éviter le blocage des roues.
[030] La Figure 2 montre un diagramme fonctionnel du véhicule hybride
1 mettant en œuvre le procédé selon l'invention. Le bloc F1 détermine les consignes de couple Cple_cns_av et Cple_cns_ar à appliquer au train avant
2 et au train arrière 3. A cet effet, le bloc F1 comporte un module 27 d'interprétation de la volonté du conducteur qui permet de déterminer, à l'aide d'une cartographie, le couple de consigne Croue à appliquer aux roues en fonction de l'enfoncement Xped de la pédale d'accélérateur et de la vitesse Vveh du véhicule 1 .
[031 ] A partir de ce couple de consigne Croue, un module 28 d'optimisation calcule la répartition de couple à appliquer sur les roues avant Croue_av et les roues arrière Croues_ar en tenant compte de consignes d'optimisation de la consommation énergétique et/ou de motricité du véhicule. En effet, la répartition Croue_av / Croues_ar sera adaptée suivant que la priorité est donnée à des performances de motricité ou à l'optimisation de la consommation électrique du véhicule. Le module 28 tient également compte des limitations en puissance Pmel_max_ar de la machine arrière 15 fournies par le module F2.
[032] Un module 29 permet d'ajuster les couples de consignes Croue_cns_av et Croue_cns_ar en tenant compte des contraintes liées notamment au système de régulation de freinage, tandis qu'un module 30 permet d'ajuster les couples Croue_cns_av et Croue_cns_ar notamment en fonction des régimes transitoires liés à un changement de rapport. Le module 30 génère alors des couples de consignes Cple_cns_av et Cple_cns_ar transmis respectivement au moteur 7 qui l'applique au train 2 avant et à la machine arrière 15 qui l'applique au train 3 arrière.
[033] Par ailleurs, le bloc F2 détermine les puissances maximum Pmel_max_av et Pmel_max_ar disponibles pour la machine avant 1 1 et la machine arrière 15. A cet effet, un premier module 31 calcule la puissance maximale Pmel_max_av disponible pour la machine avant 1 1 en fonction de la puissance Pdech_max de décharge maximale de la batterie 19, des limitations internes de la machine avant 1 1 liée au régime et à la température interne de la machine, et des pertes électriques.
[034] Tandis qu'un deuxième module 32 calcule la puissance maximale Pmel_max_ar disponible pour la machine 15 arrière en fonction de la puissance de décharge maximale Pdech_max de la batterie 19 haute tension, de la puissance instantanée Pinst_mel_av générée par la machine avant 1 1 , de la puissance Pprel_DC/DC prélevée pour alimenter le réseau de bord, des limitations internes de la machine liée au régime et à la température interne de la machine, et des pertes électriques.
[035] Les limitations en puissance Pmel_max_ar disponibles pour la machine 15 arrière sont transmises vers le bloc F1 comme indiqué précédemment, tandis que les limitations en puissance Pmel_max_av disponible pour la machine avant 1 1 sont transmises à un bloc F3 de commande de la machine avant 1 1 .
[036] Ce bloc F3 comporte un module 33 permettant de commander le démarrage du moteur thermique 7 en fonction de la demande de puissance Ddedem_mth nécessaire renvoyée par le bloc F1 . Le bloc F3 renvoie au bloc F2 la puissance Pres_dem correspondant à la puissance estimée pour démarrer le moteur thermique 7.
[037] Le bloc F3 comporte en outre un module 35 de gestion du mode « boost » dans lequel la machine avant 1 1 participe à la traction du véhicule, un module 36 de gestion de la charge de la batterie 19 permettant de réguler le couple de consigne C_mel_av_cns appliqué à la machine avant 1 1 lors de la recharge de la batterie haute tension 19 en fonction du niveau de charge SOC renvoyé par la batterie haute tension 19, ainsi qu'un module 38 de gestion du couple qui permet d'adapter le couple de la machine avant 1 1 en fonction des limitations de puissance Pmel_max_av de la machine avant renvoyées par le bloc F2.
[038] Le principe de répartition de puissance selon l'invention peut être assimilé à une répartition de type des vases communicants. En effet, la machine électrique 1 1 avant « voit » comme puissance disponible Pmel_max_av toute la puissance Pdech_max de la batterie haute tension 19 moins la puissance Pprel_DC/DC destinée au réseau électrique basse tension. Tandis que la machine arrière 15 « voit » comme puissance disponible Pmel_max_ar toute la puissance Pdech_max de la batterie 19 haute tension ainsi que la puissance Pinst_mel_av instantanée produite par la machine avant 1 1 auxquelles on soustrait la puissance Pprel_DC/DC destinée au réseau électrique basse tension (réseau de bord). Connaissant les pertes électriques, les blocs F1 et F3 permettent de transformer les puissances électriques disponibles Pmel_max_av et Pmel_max_ar en puissance mécanique applicable aux machines électriques 1 1 et 15.
[039] Ainsi, même dans le cas où la batterie 19 présente une puissance Pdech_max de décharge nulle ou quasi-nulle, la machine arrière 15 peut prélever au moins une partie de la puissance instantanée Pinst_mel_av produite par la machine avant 1 1 pour appliquer du couple sur le train 3 arrière et assurer ainsi un fonctionnement du véhicule en mode 4x4.
[040] La Figure 3 montre une évolution dans le temps des puissances consommées par les différents organes du véhicule 1 lors du passage du mode de fonctionnement électrique M1 dans lequel la traction du véhicule est assurée par la seule machine arrière 15 (le moteur thermique 7 est à l'arrêt), au mode M2 hybride du véhicule dans lequel la machine arrière assiste le moteur pour la traction du véhicule.
[041 ] Plus précisément, la Figure 3 montre que la puissance Pdech_max crête de décharge de la batterie haute tension 19 reste sensiblement constante. La courbe B établie par le bloc F2 correspond à la puissance crête disponible dans la batterie haute tension 19 moins la puissance Pprel_DC/DC nécessaire pour le réseau 24 électrique de bord. La courbe C établie par le bloc F2 correspond à la puissance Pdech_max maximale disponible dans la batterie haute tension 19 à laquelle est soustrait la puissance Pprel_DC/DC et une puissance de réserve Pres_dem estimée consommée par la machine avant 1 1 pour démarrer le moteur thermique 7.
[042] La Figure 3 montre aussi l'évolution en fonction du temps de la puissance Pinst_mel_av effectivement consommée ou fournie par la machine 1 1 avant prise en référence par rapport à la courbe B, et de la puissance maximale Pmel_max_ar disponible pour la machine arrière 15 calculée par le bloc F2.
[043] On remarque que dans le mode électrique pur M1 la puissance maximale Pmel_max_ar disponible pour la machine arrière 15 renvoyée par le bloc F2 vers le bloc F1 se superpose avec la courbe C. [044] Lors du démarrage du moteur 7 entre to_dem et tf_dem, le bloc F2 fait évoluer la puissance Pmel_max_ar maximum disponible pour la machine arrière 15 différemment suivant que la puissance instantanée Pinst_mel_av prélevée par la machine avant 1 1 est inférieure ou supérieure à la puissance estimée Pres_dem pour démarrer le moteur 7 renvoyée par le bloc F3.
[045] Ainsi, entre to_dem et t1 , lorsque la puissance électrique Pinst_mel_av prélevée par la machine avant 1 1 est inférieure à la puissance de réserve estimée Pres_dem, la puissance maximum Pmel_max_ar renvoyée par le bloc F2 au bloc F1 se superpose avec la courbe C. [046] En revanche, entre les instants t1 et Tf_dem, lorsque la puissance Pinst_mel_av prélevée par la machine avant 1 1 devient supérieure à la puissance estimée Pres_dem, la puissance maximum Pmel_max_ar renvoyée par le bloc F2 au bloc F1 se superpose avec la courbe Pdech_max-Pprel_DC/DC-Pinst_mel_av pour éviter les trous de couple. [047] Après que le moteur 7 a été démarré (après Tf_dem), la machine 1 1 se transforme en générateur, de sorte que la puissance maximum Pmel_max_ar disponible sur la machine arrière 15 renvoyée par le bloc F2 au bloc F1 est égale à la somme de la puissance Pdech_max de décharge crête de la batterie 19 et de la puissance instantanée Pinst_mel_av de la machine avant 1 1 moins la puissance consommée Pprel_DC/DC par le réseau de bord 24.
[048] Ainsi, lors du démarrage du moteur 7 thermique, la machine avant 1 1 consomme de la puissance électrique ce qui réduit la puissance disponible pour la machine arrière 15. Une fois le démarrage terminé, la machine avant 1 1 devient génératrice et produit du courant, ce qui augmente la puissance Pmel_max_ar disponible pour la machine arrière 15.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de dérivation de puissance pour véhicule hybride (1 ) comprenant :
- un moteur (7) thermique destiné à assurer la traction d'un des trains
(2) du véhicule associé à une première machine (1 1 ) électrique,
- une deuxième machine (15) électrique destinée à assurer la traction de l'autre train (3) du véhicule, les tractions étant indépendantes mécaniquement l'une de l'autre,
- les deux machines (1 1 , 15) électriques étant en relation avec une batterie (19) haute tension par l'intermédiaire d'un réseau électrique,
ledit procédé consistant à calculer la puissance (Pmel_max_ar) disponible pour la deuxième machine (15) en fonction de la puissance (Pdech_max) disponible dans la batterie (19), de la puissance (PprelDC/DC) prélevée par le réseau (24) de bord du véhicule et de la puissance (Pinst_mel_av) instantanée produite par la première machine (1 1 ) électrique, caractérisé en ce que pour déterminer la puissance (Pmel_max_ar) disponible pour la deuxième machine (15) dans le mode électrique pure (M1 ) dans lequel le moteur (7) thermique est éteint, il comporte l'étape de soustraire à la puissance (Pdech_max) disponible de la batterie (19) :
- la puissance (PprelDC/DC) électrique consommée par le réseau (24) électrique de bord; et
- une puissance (Pres_dem) estimée nécessaire pour le démarrage du moteur (7) thermique.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que :
- on alloue en priorité au réseau (24) de bord du véhicule une partie de la puissance issue de la batterie (19) et de la puissance (Pinst_mel_av) instantanée produite par la première machine (1 1 ), de sorte que dans le mode hybride la puissance (Pmel_max_ar) disponible pour la deuxième machine (15) est égale à la somme de la puissance (Pinst_mel_av) instantanée produite par la première machine (1 1 ) et la puissance électrique (Pdech_max) disponible dans la batterie (19) moins la puissance (PprelDC/DC) consommée par le réseau (24) de bord.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que pour déterminer la puissance (Pmel_max_ar) maximale disponible sur la deuxième machine (15) au moment du démarrage du moteur (7) thermique, la première machine (1 1 ) prélevant de la puissance à la batterie (19) pour assurer le démarrage dudit moteur (7), il comporte l'étape de :
- soustraire à la puissance (Pdech_max) disponible dans la batterie :
- la puissance (PprelDC/DC) consommée par le réseau (24) électrique de bord du véhicule, et
- la plus importante des puissances entre la puissance (Pres_dem) estimée nécessaire pour le démarrage du moteur (7) thermique et la puissance réellement consommée par la première machine (1 1 ) pour effectuer le démarrage du moteur (7) thermique.
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