FR3080069A1 - Chaine de traction optimisee de vehicule automobile comprenant deux machines electriques tournantes - Google Patents
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Abstract
L'invention porte principalement sur une chaîne de traction (10) pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte : - une première machine électrique tournante (13.1) en permanence accouplée avec des roues (12) d'un train (11) du véhicule automobile, ladite première machine électrique tournante (13.1) étant destinée à fonctionner dans un mode moteur et dans un mode générateur, notamment lors d'une phase de freinage récupératif, pour recharger au moins une batterie, - une deuxième machine électrique tournante (13.2) destinée à fonctionner uniquement dans un mode moteur pour assurer une traction du véhicule automobile, - un réducteur de vitesse (16) interposé entre les machines électriques tournantes (13.1, 13.2) et un différentiel (17) du véhicule automobile, et - un dispositif d'accouplement à roue libre (24) associé à la deuxième machine électrique tournante (13.2) de telle façon que la deuxième machine électrique tournante (13.2) puisse transmettre son couple aux roues (12).
Description
CHAÎNE DE TRACTION OPTIMISÉE DE VÉHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT DEUX MACHINES ÉLECTRIQUES TOURNANTES
La présente invention porte sur une chaîne de traction optimisée de véhicule automobile comprenant deux machines électriques tournantes.
De façon connue en soi, une machine électrique tournante peut être implantée sur le train avant ou sur le train arrière d'un véhicule automobile dans le cadre d'une application électrique ou hybride.
La machine électrique est reliée au train par l'intermédiaire d'un dispositif d'accouplement. Généralement, le rapport de démultiplication du dispositif d'accouplement est choisi suffisamment grand pour permettre un décollage électrique et un roulage électrique du véhicule automobile. La machine est dimensionnée en mode générateur pour fournir de l'énergie à la batterie du véhicule et également pour fonctionner en mode moteur pour assurer une traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique dans le cas d'une application hybride. Une telle machine présente toutefois un mauvais rendement énergétique, dans la mesure où, en mode propulsion, elle fonctionne à un niveau de charge faible engendrant des pertes importantes.
L'invention vise notamment à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant une chaîne de traction pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte :
- une première machine électrique tournante en permanence accouplée avec des roues d'un train du véhicule automobile, ladite première machine électrique tournante étant destinée à fonctionner dans un mode moteur et dans un mode générateur, notamment lors d'une phase de freinage récupératif, pour recharger au moins une batterie,
- une deuxième machine électrique tournante destinée à fonctionner uniquement dans un mode moteur pour assurer une traction du véhicule automobile,
- un réducteur de vitesse interposé entre les machines électriques tournantes et un différentiel du véhicule automobile, et
- un dispositif d'accouplement à roue libre associé à la deuxième machine électrique tournante de telle façon que la deuxième machine électrique tournante puisse transmettre son couple aux roues.
L'invention permet ainsi de dimensionner une des deux machines électriques utilisées pour la faire fonctionner à son rendement énergétique optimal en mode traction. L'architecture selon l'invention présente également un caractère économique, dans la mesure où elle peut être mise en œuvre avec des applications 48 Volts et nécessite uniquement l'intégration d'un dispositif à roue libre peu onéreux. De plus, la roue libre permet une transmission plus rapide de couple aux roues lors de sa réutilisation par rapport à un système de crabot contrôlé par une électronique. On note également que l'invention permet de remplir les critères de redondance imposés par les véhicules automobiles autonomes grâce à l'utilisation combinée des deux machines électriques.
Selon une réalisation, le dispositif d'accouplement à roue libre est disposé entre l'arbre de la deuxième machine électrique tournante et un arbre d'entrée du réducteur de vitesse.
Selon une réalisation, le dispositif d'accouplement à roue libre est intégré dans la deuxième machine électrique tournante.
Selon une réalisation, le dispositif d'accouplement à roue libre est intégré dans le réducteur de vitesse.
Selon une réalisation, le dispositif d'accouplement à roue libre est un élément indépendant disposé entre la deuxième machine électrique tournante et le réducteur de vitesse.
Selon une réalisation, le réducteur de vitesse comporte un premier rapport de vitesse associé à la première machine électrique tournante et un deuxième rapport de vitesse associé à la deuxième machine électrique tournante.
Selon une réalisation, le dispositif d'accouplement à roue libre est associé à un pignon intermédiaire.
Selon une réalisation, ladite chaîne de traction comporte en outre une fonction de répartition de couple entre la première machine électrique tournante et la deuxième machine électrique tournante.
Selon une réalisation, la fonction de répartition de couple exploite une cartographie de rendement pour répartir un couple de consigne entre les deux machines électriques tournante de manière à obtenir le meilleur rendement de fonctionnement possible pour les machines électriques tournantes.
Selon une réalisation, la fonction de répartition de couple est intégrée dans un calculateur moteur.
Selon une réalisation, la fonction de répartition de couple est intégrée dans un onduleur maître d'une des machines électriques tournantes.
Selon une réalisation, le dispositif d'accouplement à roue libre est apte à être bloqué dans les deux sens, notamment à basse vitesse.
Selon une réalisation, le blocage du dispositif d'accouplement à roue libre est contrôlé par un système électronique via une liaison mécanique ou hydraulique.
Selon une réalisation, la première machine électrique tournante et la deuxième machine électrique tournante sont notamment du type synchrone à aimants permanents ou à excitation rotorique ou du type asynchrone.
L'invention a également pour objet un véhicule automobile comportant une chaîne de traction telle que précédemment définie.
Selon une réalisation, la chaîne de traction est montée sur un train avant dudit véhicule automobile.
Selon une réalisation, la chaîne de traction est montée sur un train arrière dudit véhicule automobile.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1a est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation d'une architecture de traction pour véhicule automobile selon la présente invention;
La figure 1b est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation d'une architecture de traction pour véhicule automobile selon la présente invention;
La figure 2 est une représentation schématique des réseaux électriques interfacés mis en œuvre dans l'architecture de traction selon la présente invention.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d’une figure à l’autre.
La figure 1a montre une chaîne de traction 10 pour véhicule automobile. Cette chaîne de traction 10 est montée sur un train 11 du véhicule automobile portant des roues 12. Le train 11 pourra être le train avant ou le train arrière. Le véhicule pourra être de type électrique ou hybride. Dans ce cas, il comporte en outre un moteur thermique de traction (non représenté).
Plus précisément, cette chaîne de traction 10 comporte une première machine électrique tournante 13.1 et une deuxième machine électrique tournante 13.2. Chaque machine électrique 13.1, 13.2 est munie d'un onduleur 14.1, 14.2 correspondant qui pourra être fixé à l'arrière de la machine ou être séparé de la machine.
Un réducteur de vitesse 16 est interposé entre les machines électriques 13.1, 13.2 et un différentiel 17 du véhicule automobile relié aux roues 12 du véhicule. Ce réducteur de vitesse 16 comporte un rapport unique formé par un pignon 19 monté sur un arbre d'entrée du réducteur 16 et engrenant avec un pignon intermédiaire 20 monté sur un arbre intermédiaire 21, lequel porte également un deuxième pignon intermédiaire 22 en prise avec le différentiel 17.
Avantageusement, la première machine électrique 13.1 est en permanence accouplée avec les roues 12 du véhicule automobile. La première machine électrique 13.1 est destinée à fonctionner dans un mode moteur pour assurer une traction du véhicule et dans un mode générateur, notamment lors d'une phase de freinage récupératif, pour recharger au moins une batterie du véhicule.
La deuxième machine électrique 13.2 est destinée à fonctionner uniquement dans un mode moteur pour assurer une traction du véhicule automobile. Un dispositif d'accouplement à roue libre 24 est associé à la deuxième machine électrique 13.2. Ce dispositif 24 permet de lier la deuxième machine électrique 13.2 aux roues 12 afin que la deuxième machine électrique 13.2 puisse transmettre son couple aux roues 12 et de désaccoupler la deuxième machine électrique 13.2 par rapport aux roues 12 lorsque la vitesse de rotation des roues 12 devient supérieure à celle de la deuxième machine électrique 13.2 au rapport de démultiplication près.
Ce dispositif d'accouplement à roue libre 24 pourra prendre par exemple la forme d'une roue libre à galets ou à disques de friction, notamment de forme conique, pour optimiser la transmission de couple de la machine électrique 13.2 vers les roues 12.
Le dispositif d'accouplement à roue libre 24 est disposé entre l'arbre de sortie de la deuxième machine électrique 13.2 et un arbre d'entrée du réducteur de vitesse 16.
Le dispositif d'accouplement à roue libre 24 pourra être intégré dans la machine électrique 13.2 ou dans le réducteur de vitesse 16. En variante, le dispositif d'accouplement à roue libre 24 est un élément indépendant disposé entre la deuxième machine électrique tournante 13.2 et le réducteur de vitesse 16.
Dans le mode de réalisation de la figure 1b, le réducteur de vitesse 16 comporte un premier rapport de vitesse R1 associé à la première machine électrique 13.1 et un deuxième rapport de vitesse R2 associé à la deuxième machine électrique 13.2. Le rapport R1 est formé par un pignon 27 solidaire de l'arbre de sortie de la première machine électrique 13.1 engrenant avec un pignon intermédiaire 28 monté sur un arbre intermédiaire 29.
Le rapport R2 est formé par un pignon 30 solidaire de l'arbre de sortie de la deuxième machine électrique 13.2 engrenant avec un pignon intermédiaire 31 monté sur l'arbre intermédiaire 29. L'arbre intermédiaire 29 porte également un pignon 33 en prise avec le différentiel 17.
Le dispositif d'accouplement à roue libre 24 est associé au pignon intermédiaire 31 du deuxième rapport de vitesse R2. Le dispositif 24 est par exemple disposé entre le pignon intermédiaire 31 et le pignon 33 de l'arbre intermédiaire 29 en prise avec le différentiel 17.
Avantageusement, on prévoit une fonction F de répartition de couple entre la première machine électrique tournante 13.1 et la deuxième machine électrique tournante 13.2. Cette fonction F de répartition reçoit en entrée un couple de consigne Tcons correspondant à une volonté d'accélération de la part du conducteur. Cette fonction F exploite une cartographie de rendement Cart_rend pour répartir le couple de consigne Tcons entre les deux machines électriques 13.1, 13.2 de manière à obtenir le meilleur rendement de fonctionnement possible pour les machines électriques 13.1, 13.2. La première machine électrique 13.1 applique ainsi un couple T1 et la deuxième machine électrique 13.2 applique un couple T2, la somme des couples T1 et T2 étant égal à Tcons. Dans certains cas, il est possible que l'un des deux couples T1 ou T2 soit nul afin d'optimiser le rendement de la machine électrique de traction 13.2. La fonction F de répartition de couple est intégrée dans un onduleur maître 14.1 ou 14.2 d'une des machines électriques tournantes 13.1, 13.2. En variante, la fonction F de répartition de couple est intégrée dans le calculateur moteur.
Suivant une réalisation particulière, le dispositif d'accouplement à roue libre 24 est apte à être bloqué dans les deux sens, notamment à basse vitesse, c’est-à-dire à une vitesse inférieure à 20km/h. On pourra ainsi faire reculer le véhicule automobile avec plus de couple, par exemple pour effectuer une montée de pente ou de trottoir. Le blocage du dispositif d'accouplement à roue libre pourra être contrôlé par un système électronique via une liaison mécanique ou hydraulique.
Comme on peut le voir sur la figure 2, les deux machines électriques tournantes 13.1, 13.2 sont connectées à un premier réseau électrique 35 sur lequel sont également branchées deux batteries 36, 37 intégrées ou non dans un même boîtier pour une redondance de fonction. Ce réseau électrique 35 présente une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts. Avantageusement, la tension de fonctionnement du réseau électrique 35 est de 48 Volts. D'autres charges électriques 38 pourront également être connectées sur le réseau électrique 35.
Chaque machine électrique 13.1, 13.2 pourra présenter une puissance comprise entre 10kW et 35 kW et fournir un couple compris entre 20Nm et 300Nm notamment en fonction de sa longueur. Le réseau électrique 35 est interfacé avec un deuxième réseau électrique 40 basse tension par l'intermédiaire d'un convertisseur continu/continu 41. Un démarreur 42 optionnel assurant les démarrages à froid d'un éventuel moteur thermique (dans le cas d'une configuration hybride), ainsi que des consommateurs électriques 43 du véhicule de type éclairage, actionneurs de vitres ou de sièges, et contrôle moteur, sont connectés au réseau électrique 40. Ce réseau électrique 40 associé à une batterie 44 présente une tension de fonctionnement inférieure à celle du premier réseau électrique 35. La tension de fonctionnement du réseau électrique 40 est de préférence de l'ordre de 12 Volts.
Dans un mode de réalisation particulier, il sera également possible d'intégrer les onduleurs 14.1, 14.2 des machines électriques 13.1, 13.2 ainsi que le convertisseur 41 à l'intérieur d'un même boîtier.
Les machines électriques 13.1, 13.2 pourront prendre la forme de machines à excitation rotorique ou de machines de type synchrone à aimants permanents ou asynchrone. Les machines électriques 13.1, 13.2 pourront être d'un même type ou de type différent. Un circuit de refroidissement des machines électriques 13.1, 13.2 pourra être à base d'eau ou d'huile. Ce circuit de refroidissement pourra être commun ou non aux machines électriques 13.1, 13.2.
Suivant une configuration hybride particulière, les deux machines électriques 13.1, 13.2 et le dispositif d'accouplement 24 à roue libre sont implantés sur le train 11 arrière d'un véhicule automobile comportant en outre un moteur thermique assurant la traction du train 11 avant.
En variante, les machines électriques 13.1, 13.2 pourront présenter une puissance supérieure à 25kW pouvant aller jusqu'à 150kW dans le cas où elles sont connectées à un réseau de tension supérieure à 48Volts.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple 5 uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas ίο incompatibles ou exclusives les unes des autres.
Claims (17)
- REVENDICATIONS1. Chaîne de traction (10) pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte :- une première machine électrique tournante (13.1) en permanence accouplée avec des roues (12) d'un train (11) du véhicule automobile, ladite première machine électrique tournante (13.1) étant destinée à fonctionner dans un mode moteur et dans un mode générateur, notamment lors d'une phase de freinage récupératif, pour recharger au moins une batterie,- une deuxième machine électrique tournante (13.2) destinée à fonctionner uniquement dans un mode moteur pour assurer une traction du véhicule automobile,- un réducteur de vitesse (16) interposé entre les machines électriques tournantes (13.1, 13.2) et un différentiel (17) du véhicule automobile, et- un dispositif d'accouplement à roue libre (24) associé à la deuxième machine électrique tournante (13.2), de telle façon que la deuxième machine électrique tournante (13.2) puisse transmettre son couple aux roues (12).
- 2. Chaîne de traction (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif d'accouplement à roue libre (24) est disposé entre l'arbre de la deuxième machine électrique tournante (13.2) et un arbre d'entrée du réducteur de vitesse (16).
- 3. Chaîne de traction (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif d'accouplement à roue libre (24) est intégré dans la deuxième machine électrique tournante (13.2).
- 4. Chaîne de traction (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif d'accouplement à roue libre (24) est intégré dans le réducteur de vitesse (16).
- 5. Chaîne de traction (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif d'accouplement à roue libre (24) est un élément indépendant disposé entre la deuxième machine électrique tournante (13.2) et le réducteur de vitesse (16).
- 6. Chaîne de traction (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réducteur de vitesse (16) comporte un premier rapport de vitesse (R1) associé à la première machine électrique tournante (13.1) et un deuxième rapport de vitesse (R2) associé à la deuxième machine électrique tournante (13.2).
- 7. Chaîne de traction (10) selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif d'accouplement à roue libre (24) est associé à un pignon intermédiaire.
- 8. Chaîne de traction (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une fonction (F) de répartition de couple entre la première machine électrique tournante (13.1) et la deuxième machine électrique tournante (13.2).
- 9. Chaîne de traction (10) selon la revendication 8, caractérisée en ce que la fonction (F) de répartition de couple exploite une cartographie de rendement (Cart_rend) pour répartir un couple de consigne (Tcons) entre les deux machines électriques tournante (13.1, 13.2) de manière à obtenir le meilleur rendement de fonctionnement possible pour les machines électriques tournantes (13.1, 13.2).
- 10. Chaîne de traction (10) selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que la fonction (F) de répartition de couple est intégrée dans un calculateur moteur.
- 11. Chaîne de traction (10) selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que la fonction (F) de répartition de couple est intégrée dans un onduleur maître (14.1, 14.2) d'une des machines électriques tournantes (13.1, 13.2).
- 12. Chaîne de traction selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que le dispositif d'accouplement à roue libre (24) est apte à être bloqué dans les deux sens, notamment à basse vitesse.
- 13. Chaîne de traction selon la revendication 12, caractérisé en ce que le blocage du dispositif d'accouplement à roue libre (24) est contrôlé par un système électronique via une liaison mécanique ou hydraulique.
- 14. Chaîne de traction (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que la première machine électrique tournante (13.1) et la deuxième machine électrique tournante (13.2) sont notamment5 du type synchrone à aimants permanents ou à excitation rotorique ou asynchrone.
- 15. Véhicule automobile comportant une chaîne de traction (10) telle que définie selon l'une quelconque des revendications précédentes.
- 16. Véhicule automobile selon la revendication 15, caractérisé en ce ίο que la chaîne de traction (10) est montée sur un train (11) avant dudit véhicule automobile.
- 17. Véhicule automobile selon la revendication 15, caractérisé en ce la chaîne de traction (10) est montée sur un train (11) arrière dudit véhicule automobile.
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