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FR3017849A1 - Procede et dispositif de controle de la recuperation de l'energie acquise par une machine d'un vehicule hybride, apres un decouplage de la chaine de transmission - Google Patents

Procede et dispositif de controle de la recuperation de l'energie acquise par une machine d'un vehicule hybride, apres un decouplage de la chaine de transmission Download PDF

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FR3017849A1
FR3017849A1 FR1451540A FR1451540A FR3017849A1 FR 3017849 A1 FR3017849 A1 FR 3017849A1 FR 1451540 A FR1451540 A FR 1451540A FR 1451540 A FR1451540 A FR 1451540A FR 3017849 A1 FR3017849 A1 FR 3017849A1
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decoupling
vehicle
transmission chain
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Yohan Milhau
Ludmila Leborgne
Arnaud Bardet
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Stellantis Auto Sas Fr
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Peugeot Citroen Automobiles SA
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Abstract

Un dispositif (D) est destiné à contrôler le fonctionnement d'au moins une machine (ME1) propre à récupérer de l'énergie et appartenant à une chaîne de transmission d'un véhicule hybride (V). Ce dispositif (D) est agencé, juste après un découplage de la machine (ME1) de la chaîne de transmission, pour faire fonctionner cette machine (ME1) avec une consigne de couple de freinage afin qu'elle transforme l'énergie qu'elle a acquise avant ce découplage en énergie électrique destinée à être stockée dans des moyens de stockage (MS1) du véhicule (V).

Description

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE CONTRÔLE DE LA RÉCUPÉRATION DE L'ÉNERGIE ACQUISE PAR UNE MACHINE D'UN VÉHICULE HYBRIDE, APRÈS UN DÉCOUPLAGE DE LA CHAÎNE DE TRANSMISSION L'invention concerne les véhicules hybrides dont la chaîne de transmission comprend au moins une machine propre à récupérer de l'énergie, et plus précisément le contrôle du fonctionnement de cette machine. On entend ici par « véhicule hybride » un véhicule comportant une chaîne de transmission comprenant au moins un moteur thermique et au moins une machine (ou moteur), électrique ou hydraulique ou encore à air comprimé, associé(e) à des moyens de stockage d'énergie. Dans certains véhicules hybrides, la machine précitée peut être couplée/découplée d'un arbre de transmission de la chaîne de transmission, grâce à un moyen de couplage/découplage (par exemple à crabot ou à embrayage), sur décision d'un calculateur de supervision. Ces décisions sont notamment prises en fonction des contraintes, éventuellement temporaires, du calculateur de supervision et de propositions de couplage/découplage dépendant généralement d'informations relatives au véhicule considéré, comme par exemple l'enfoncement de la pédale d'accélérateur, l'enfoncement de la pédale de frein, la vitesse en cours du véhicule, l'inclinaison en cours du véhicule, ou une contrainte d'utilisation de la machine et/ou du moteur thermique. Une proposition de couplage de la machine est généralement destinée à minimiser la consommation de carburant par le moteur thermique, par exemple grâce à une récupération d'énergie électrique dans des phases de freinage, et/ou à augmenter les performances du véhicule hybride, par exemple par adjonction au couple qui est produit par son moteur thermique du couple qui est offert par sa machine (ou moteur) lors d'un déplacement.
Procéder à un couplage peut donc présenter un réel intérêt dans certaines situations. Cependant, dans certaines autres situations il est préférable, voire important, que le couplage ne dure pas. C'est par exemple le cas lorsque la vitesse du véhicule est stabilisée, car ce couplage induit alors des pertes d'énergie par dissipation (typiquement plusieurs kilowatts à vitesse élevée) du fait du couple de perte de la machine. Un découplage à haute vitesse peut être nécessaire car la machine peut présenter un régime maximal. A titre d'exemple, lorsque le véhicule roule à 100 km/h, le fait de laisser couplée sa machine électrique ayant un couple de perte de 2 Nm sur son train arrière comprenant des pneus d'une circonférence de 2,07 m, peut engendrer une consommation électrique de 1,3 kW qui se traduit au final par une consommation de carburant.
L'invention a donc notamment pour but de tirer partie de l'énergie acquise par la machine lorsqu'elle vient tout juste d'être découplée de sa chaîne de transmission. Plus précisément, l'invention propose notamment un procédé, destiné à contrôler le fonctionnement d'au moins une machine propre à récupérer de l'énergie et appartenant à une chaîne de transmission d'un véhicule hybride, et consistant, juste après un découplage de la machine de la chaîne de transmission, à faire fonctionner cette machine avec une consigne de couple de freinage pour transformer une énergie (cinétique) qu'elle a acquise avant ce découplage en énergie électrique, et à stocker cette énergie électrique dans des moyens de stockage du véhicule. En récupérant ainsi l'énergie acquise par la machine, consécutivement à son découplage, on peut minimiser la consommation d'énergie électrique et donc maximiser le rendement global du véhicule hybride, et par conséquent diminuer la consommation de carburant de ce dernier. Le procédé selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : - la consigne de couple de freinage peut être fonction d'un régime en cours de la machine, ou bien résulter d'une consigne de régime définie pour la machine par des moyens de régulation de régime ; - on peut faire varier la consigne de couple de freinage en fonction d'un régime en cours de la machine et/ou de caractéristique(s) de fonctionnement de la machine.
L'invention propose également un dispositif, destiné à contrôler le fonctionnement d'au moins une machine propre à récupérer de l'énergie et appartenant à une chaîne de transmission d'un véhicule hybride, et agencé, juste après un découplage de la machine de la chaîne de transmission, pour faire fonctionner cette machine avec une consigne de couple de freinage afin qu'elle transforme une énergie (cinétique) qu'elle a acquise avant ce découplage en énergie électrique destinée à être stockée dans des moyens de stockage du véhicule. L'invention propose également un calculateur, destiné à équiper un véhicule hybride à chaîne de transmission comportant au moins une machine propre à récupérer de l'énergie, et comprenant un dispositif de contrôle du type de celui présenté ci-avant. L'invention propose également un véhicule hybride, éventuellement de type automobile, et comprenant une chaîne de transmission, comportant au moins une machine propre à récupérer de l'énergie, et un calculateur du type de celui présenté ci-avant. Par exemple, cette machine peut être de type électrique et propre à récupérer de l'énergie cinétique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement et fonctionnellement un véhicule hybride comprenant une chaîne de transmission et un calculateur de supervision de chaîne de transmission équipé d'un dispositif de contrôle selon l'invention, et - la figure 2 illustre schématiquement un exemple de diagramme d'évolution de l'énergie cinétique récupérée (C1), de l'énergie électrique (C2) à produire à partir d'un régime nul pour synchroniser le régime de la machine, et de l'énergie cinétique perdue (C3), en fonction de la vitesse d'un véhicule hybride (en km/h). L'invention a pour but de proposer un procédé de contrôle, et le dispositif de contrôle D associé, destinés à contrôler le fonctionnement d'au moins une machine ME1 propre à récupérer de l'énergie et appartenant à une chaîne de transmission d'un véhicule hybride V. Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que le véhicule hybride V est de type automobile. Il s'agit par exemple d'une voiture. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de véhicule hybride. Elle concerne en effet tout type de véhicule hybride terrestre ou maritime (ou fluvial) ou encore aéronautique, disposant d'une chaîne de transmission comprenant au moins un moteur thermique MT et au moins une machine ME1 propre à récupérer de l'énergie et couplée à des premiers moyens de stockage d'énergie MS1.
Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, que la machine ME1 est de type électrique. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de machine. Ainsi, elle concerne également les moteurs (ou machines) hydrauliques ou à air comprimé, dès lors qu'ils permettent de récupérer de l'énergie.
On a schématiquement représenté sur la figure 1 un véhicule hybride V comprenant une chaîne de transmission, un calculateur (ou superviseur) CS propre à superviser (ou contrôler) le fonctionnement de la chaîne de transmission, et un dispositif de contrôle D selon l'invention. La chaîne de transmission comprend au moins un moteur thermique MT, un arbre moteur AM, un embrayage principal EM, une boite de vitesses BV, un premier arbre de transmission AT1, au moins une première machine (ou moteur) ME1, un moyen de couplage/découplage MC pour la première machine (ou moteur) ME1, un second arbre de transmission AT2, et des premiers moyens de stockage d'énergie électrique MS1 de type « haute tension ». Par exemple, le premier arbre de transmission AT1 est chargé d'entraîner en rotation les roues du train avant TV du véhicule V, éventuellement via un différentiel DV, tandis que le second arbre de transmission AT2 est chargé d'entraîner en rotation les roues du train arrière TR du véhicule V, éventuellement via un différentiel DR. Mais l'inverse est également possible. Le moteur thermique MT comprend un vilebrequin (non représenté) qui est solidarisé fixement à l'arbre moteur AM afin d'entraîner ce dernier (AM) en rotation. La boîte de vitesses BV comprend au moins un arbre d'entrée (ou primaire) destiné à recevoir le couple moteur (thermique) via l'embrayage principal EM, et un arbre de sortie (ou secondaire) destiné à recevoir le couple moteur via l'arbre d'entrée afin de le communiquer au premier arbre de transmission AT1 auquel il est couplé et qui est ici couplé indirectement aux roues avant du véhicule V via le différentiel avant DV. Par exemple, l'embrayage principal EM comprend un volant moteur solidarisé fixement à l'arbre moteur AM et un disque d'embrayage solidarisé fixement à l'arbre io d'entrée de la boîte de vitesses BV. On notera que la boîte de vitesses BV peut être automatisée ou non. Par conséquent, il pourra s'agir d'une boîte automatique, d'une boîte de vitesses manuelle pilotée ou non, ou d'une boîte de vitesses à double embrayage (ou DCT). 15 Le moyen de couplage/découplage MC est chargé de coupler/ découpler la première machine ME1 au/du second arbre de transmission AT2, sur ordre du calculateur de supervision CS, afin de communiquer le couple qu'il produit au second arbre de transmission AT2 qui est ici couplé indirectement aux roues arrière du véhicule V via le différentiel arrière DR. 20 Ce moyen de couplage/découplage MC est par exemple un mécanisme à crabots ou bien un embrayage. La première machine ME1 est couplée aux premiers moyens de stockage d'énergie électrique MS1 via un onduleur ON de type DC/DC. Elle est agencée de manière à transformer en une rotation (selon un régime choisi 25 par le contrôleur de supervision CS et destinée à faire tourner le second arbre de transmission AT2) de l'énergie électrique stockée dans les premiers moyens de stockage d'énergie électrique MS1 lorsqu'on lui applique un couple positif (de déplacement), et à transformer en énergie électrique (destinée à être stockée dans les premiers moyens de stockage d'énergie 30 électrique MS1) une énergie cinétique, qu'elle a acquise par rotation lors de son couplage au second arbre de transmission AT2, lorsqu'on lui applique un couple négatif (ou de freinage). On notera que dans l'exemple non limitatif illustré sur la figure 1, la chaîne de transmission comprend également une seconde machine ME2 pouvant éventuellement récupérer de l'énergie (et donc pouvant être contrôlée par le dispositif de contrôle D selon l'invention). Par exemple, cette seconde machine ME2 constitue un alterno-démarreur chargé notamment de lancer le moteur thermique MT afin de lui permettre de démarrer, y compris en présence d'un système de contrôle d'arrêt et de redémarrage automatique (ou « stop and start »). Cette seconde machine ME2 (ici de type électrique) est également couplée aux premiers moyens de stockage d'énergie électrique MS1 via l'onduleur ON.
On notera également que dans l'exemple non limitatif illustré sur la figure 1, la chaîne de transmission comprend un démarreur de secours DS chargé de lancer le moteur thermique MT afin de lui permettre de démarrer lorsque l'alterno-démarreur ME2 est dans l'incapacité de le faire, par exemple du fait que les premiers moyens de stockage d'énergie électrique MS1 ne disposent pas de suffisamment d'énergie électrique. Ce démarreur de secours DS, qui n'est pas obligatoire, est ici couplé à des seconds moyens de stockage d'énergie électrique MS2 agencés, par exemple, sous la forme d'une batterie de type « basse tension » (par exemple 12 V ou 24 V), via un convertisseur CV de type DC/DC. Ce dernier (CV) peut être également couplé, comme illustré, à l'onduleur ON et aux premiers moyens de stockage d'énergie électrique MS1. Les fonctionnements du moteur thermique MT, de la première machine ME1, de la seconde machine (ou alterno-démarreur) ME2 et des moyens de couplage/découplage MC peuvent être contrôlés par le calculateur de supervision CS. Comme indiqué précédemment, l'invention propose de mettre en oeuvre dans le véhicule V un procédé destiné à contrôler le fonctionnement d'au moins la première machine ME1 (ainsi qu'éventuellement la seconde machine ME2).
Un tel procédé peut être mis en oeuvre par le dispositif de contrôle D. Dans l'exemple non limitatif illustré sur la figure 1, le dispositif de contrôle D fait partie du calculateur de supervision CS. Mais cela n'est pas obligatoire. Ce dispositif de contrôle D pourrait en effet être un équipement qui est couplé au calculateur de supervision CS, directement ou indirectement. Il pourrait également s'agir d'un calculateur dédié à l'une au moins des machines ME1 et ME2. Par conséquent, le dispositif de contrôle D peut être réalisé sous la forme de modules logiciels (ou informatiques ou encore « software »), ou bien d'une combinaison de circuits électroniques (ou « hardware ») et de modules logiciels. Le procédé de contrôle, selon l'invention, est mis en oeuvre juste après un découplage de la première machine ME1 de la chaîne de transmission. Il est rappelé que ce découplage, qui résulte d'une action effectuée par le moyen de couplage/découplage MC sur ordre du calculateur de supervision CS, est destiné à découpler la première machine ME1 du second arbre de transmission AT2 afin qu'elle ne fournisse plus de couple aux roues (ici) arrière. Un tel découplage peut, par exemple, être destiné à éviter d'utiliser inutilement le moteur électrique ME1 lorsque la vitesse en cours du véhicule V est stabilisée depuis quelques instants (par exemple plusieurs secondes), ou bien lorsque l'on ne veut pas nécessairement être dans un mode de fonctionnement tout électrique (ou ZEV) quand la vitesse du véhicule V est supérieure à un seuil (par exemple égal à 50 km/h). On comprendra en effet que dans ces deux cas, la première machine ME1 n'est plus traînée par le véhicule V, et donc ne consomme plus inutilement d'énergie fossile (carburant) par pure dissipation. Lorsqu'un découplage de la première machine ME1 survient, le procédé consiste à faire fonctionner la première machine ME1 avec une consigne de couple de freinage (ou négatif) pour qu'elle transforme une énergie (cinétique) qu'elle a acquise avant ce découplage en énergie électrique, et à stocker cette énergie électrique dans les premiers moyens de stockage MS1. Cette consigne de couple peut, par exemple, être fonction du régime en cours de la première machine ME1 (connu par ailleurs), ou résulter d'une consigne de régime définie pour la première machine ME1 par des moyens de régulation de régime (on pilote alors la première machine ME1 en régime après son découplage en imposant un régime nul, ce qui impose, via les moyens de régulation de régime situés en aval, un couple freineur permettant de récupérer de l'énergie électrique à partir de son énergie acquise). Lorsque la première machine ME1 est électrique et qu'elle est découplée, elle tourne selon un régime correspondant à une énergie cinétique qui peut alors être transformée en énergie électrique en présence d'un couple négatif (ou de freinage). Si l'invention n'était pas mise en oeuvre, le régime (et donc l'énergie cinétique acquise) de (par) la première machine ME1 décroitrait jusqu'au régime nul dans un intervalle de temps tl fonction de ses pertes mécaniques. Cet intervalle de temps tl est lié au premier ordre aux caractéristiques de la première machine ME1 et au régime de cette dernière (ME1). Cet intervalle de temps tl peut durer plusieurs secondes. L'invention permet donc de récupérer cette énergie (ici cinétique) acquise par la première machine ME1 afin de la transformer en énergie électrique réutilisable ultérieurement, plutôt qu'elle soit perdue, suite à un découplage.
L'intervalle de temps t2, pendant lequel on fait fonctionner la première machine ME1 pour récupérer son énergie (ici cinétique) acquise, varie selon l'énergie acquise et/ou les caractéristiques de fonctionnement de la première machine ME1. Mais il est inférieur à t1. On notera qu'il est possible et avantageux que le dispositif de contrôle D fasse varier la consigne de couple de freinage en fonction du régime en cours de la première machine ME1 et/ou de caractéristique(s) de fonctionnement de la première machine ME1, de manière à optimiser la récupération d'énergie électrique. Il est possible que la consigne de récupération d'énergie électrique devienne nulle alors que le régime de la première machine ME1 n'est pas nul. Mais cela permet de maitriser le profil de régime de la première machine ME1 à l'approche du régime nul. On a schématiquement illustré sur le diagramme de la figure 2 un premier exemple de courbe Cl d'évolution de l'énergie cinétique récupérée (en Joules (J) en fonction de la vitesse d'un véhicule hybride (en km/h), un deuxième exemple de courbe C2 d'évolution de l'énergie électrique à produire à partir d'un régime nul pour synchroniser le régime de la première machine ME1 en fonction de la vitesse du véhicule hybride, et un troisième exemple de courbe C3 d'évolution de l'énergie cinétique perdue en présence des première Cl et deuxième C2 courbes et en fonction de la vitesse du véhicule hybride. Si l'on considère que la première machine ME1 suit les courbes Cl à C3 et que son découplage survient lorsque le véhicule V roule à 120km/h, alors son régime est sensiblement égal à 7500 tr/min (soit 786 rad/s), et donc si l'on tient compte d'une inertie égale à 0,02 kg.m2, il est en théorie possible de récupérer une énergie cinétique ec = 6,1 kJ. Il est rappelé que l'énergie cinétique de la rotation est donnée par l'équation ec = 1/2 * ImE1*W2, où ec est en joules, IME1 est l'inertie en kg.m2 de la première machine ME1 et du second arbre de transmission AT2, et W est le régime de la première machine ME1 en rad/s. Dans la pratique, la quantité d'énergie électrique ee qui résulte de la transformation de l'énergie cinétique ec est strictement inférieure à cette dernière (ec) du fait (notamment) du rendement rl de la première machine ME1 (qui est compris entre 0 et 1, et généralement proche de 0,95). Par conséquent en prenant une valeur rl égale à 0,95, l'énergie électrique ee stockée dans les premiers moyens de stockage MSlest au plus égale à 5,8 kJ (ee = r1 *ec). Par exemple, « cette » énergie électrique ee stockée pourra ensuite être utilisée pour synchroniser le régime de la première machine ME1 avec le régime des roues arrière lors du prochain couplage de la première machine ME1 au second arbre de transmission AT2 (via le moyen de couplage/ découplage MC). Par exemple, si le véhicule V roule encore à 120 km/h, il faudra dépenser une énergie cinétique ec' sensiblement égale à 6,1 kJ pour faire passer le régime de la première machine ME1 de 0 à 7500 tr/min afin de le synchroniser sur le régime des roues arrière, avant de procéder au couplage au second arbre de transmission AT2. Pour obtenir cette énergie cinétique ec, il faudra utiliser une énergie électrique ee' d'au moins 6,42 kJ compte tenu du rendement de conversion r2 dans le sens opposé (on suppose ici que r2 = rl = 0,95, ce qui n'est pas obligatoire), du fait que l'on a la relation ee' = ec'/r2.
On comprendra donc que sans le contrôle selon l'invention le découplage suivi du couplage coûte 6,42 kJ, alors que grâce au contrôle selon l'invention le découplage suivi du couplage ne coûte que 0,62 kJ (5,8 kJ - 6,42 kJ).
L'invention permet donc de minimiser la consommation d'énergie électrique et donc de maximiser le rendement global du véhicule hybride grâce à une sollicitation réduite du moteur thermique, et par conséquent de diminuer la consommation de carburant.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle du fonctionnement d'au moins une machine (ME1) propre à récupérer de l'énergie et appartenant à une chaîne de transmission d'un véhicule hybride (V), caractérisé en ce qu'il consiste, juste après un découplage de ladite machine (ME1) de la chaîne de transmission, à faire fonctionner ladite machine (ME1) avec une consigne de couple de freinage pour transformer une énergie qu'elle a acquise avant ledit découplage en énergie électrique, et à stocker cette énergie électrique dans des moyens de stockage (MS1) dudit véhicule (V).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite consigne de couple de freinage est fonction d'un régime en cours de ladite machine (ME1).
  3. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite consigne de couple de freinage résulte d'une consigne de régime définie pour ladite machine (ME1) par des moyens de régulation de régime.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on fait varier ladite consigne de couple de freinage en fonction d'un régime 20 en cours de ladite machine (ME1) et/ou de caractéristique(s) de fonctionnement de ladite machine (ME1).
  5. 5. Dispositif (D) de contrôle du fonctionnement d'au moins une machine (ME1) propre à récupérer de l'énergie et appartenant à une chaîne de transmission d'un véhicule hybride (V), caractérisé en ce qu'il est agencé, 25 juste après un découplage de ladite machine (ME1) de la chaîne de transmission, pour faire fonctionner ladite machine (ME1) avec une consigne de couple de freinage afin qu'elle transforme une énergie qu'elle a acquise avant ledit découplage en énergie électrique destinée à être stockée dans des moyens de stockage (MS1) dudit véhicule (V). 30
  6. 6. Calculateur (CS) pour un véhicule hybride (V) à chaîne de transmission comportant au moins une machine (ME1) propre à récupérer de l'énergie, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de contrôle (D) selonla revendication 5.
  7. 7. Véhicule hybride (V) comprenant une chaîne de transmission comportant au moins une machine (ME1) propre à récupérer de l'énergie, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un calculateur (CS) selon la revendication 6.
  8. 8. Véhicule selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite machine (ME1) est de type électrique et propre à récupérer de l'énergie cinétique.
  9. 9. Véhicule selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il est de type automobile.
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