D'ENERGIE CINETIQUE

La présente invention concerne les systèmes électromécaniques de récupération d'énergie cinétique pour véhicules, notamment automobiles.

FR 2 967 619 divulgue un véhicule hybride comportant un système de récupération d'énergie cinétique à deux trains épicycloïdaux de raisons différentes, entraînés en parallèle respectivement par le moteur thermique et le moteur électrique du véhicule. Un système permet de coupler sélectivement l'un de ces trains à une génératrice électrique.

WO 2010/059041 Al décrit un système de récupération d'énergie cinétique comportant un volant d'inertie, un train épicycloïdal et une machine électrique réversible moteur / générateur.

US 4 423 794 décrit un système similaire.

Il existe un besoin pour perfectionner les systèmes électromécaniques de récupération d'énergie cinétique du type comportant un volant d'inertie, une machine électrique réversible moteur / générateur, en particulier dans le but d'optimiser les flux de puissance, réduire le dimensionnement des composants électriques, augmenter le rendement et/ou réduire le coût global.

L'invention vise à répondre à tout ou partie de ces besoins et elle y parvient grâce à un système électromécanique de récupération d'énergie cinétique pour véhicule, comportant :

une première liaison mécanique vers les roues du véhicule, une deuxième liaison mécanique vers un volant d'inertie, une troisième liaison mécanique vers une machine électrique réversible moteur/ générateur,

au moins un train épicycloïdal dont les planétaire, couronne et porte satellites sont connectés auxdites liaisons via, pour l'un d'entre eux au moins, un système de couplage ayant au moins deux rapports sélectionnés en fonction des flux de puissance entre les roues du véhicule, le volant d'inertie et la machine électrique.

L'invention peut permettre de réduire la taille de la machine électrique et/ou, si on le souhaite, de récupérer l'énergie cinétique du volant pour entraîner le véhicule en marche arrière.

Le volant d'inertie peut être connecté directement au train épicycloïdal.

Le moyen de couplage est disposé entre le volant et le train épicycloïdal. Un embrayage peut être disposé entre les roues, selon une variante entre les roues et la machine électrique.

La machine électrique réversible peut être à deux ou quatre quadrants.

De préférence, les valeurs des rapports suivent une progression arithmétique, en variante une progression géométrique, ou en variante encore une progression arithmético -géométrique .

Le suivi d'une progression arithmétique permet de minimiser la puissance électrique requise, et le suivi d'une progression géométrique permet de minimiser la variation d'énergie électrique utile et par voie de conséquence celle de l'élément de stockage d'énergie électrique alimentant la machine électrique lorsque celle-ci fonctionne en moteur.

De préférence, les rapports sont discrets, étant par exemple au nombre de 2, 3 ou 4. En variante, les rapports varient de façon continue. Le système de couplage peut être connecté entre le train épicycloïdal et la sortie vers les roues. En variante, le système de couplage est connecté entre le volant et le train épicycloïdal.

Le système peut être réalisé de manière à ce que les rapports inversent la vitesse de rotation entre l'entrée et la sortie du système de couplage.

L'invention a encore pour objet un véhicule équipé d'un système de couplage selon l'invention.

L'invention a encore pour objet un véhicule équipé d'un système selon l'invention, tel que défini plus haut.

L'invention a encore pour objet un procédé de fourniture d'énergie aux roues d'un véhicule à l'aide d'un système selon l'invention, dans lequel, successivement :

a) l'énergie cinétique du volant est déchargée vers les roues et la machine électrique qui fonctionne en générateur,

b) l'énergie cinétique du volant est déchargée vers les roues, et la machine électrique fonctionne en moteur pour fournir un appoint d'énergie,

c) un rapport de transmission est modifié en agissant sur le système de couplage,

d) l'énergie cinétique du volant est déchargée vers les roues et la machine électrique qui fonctionne en générateur, et

e) l'énergie cinétique du volant est déchargée vers les roues, et la machine électrique fonctionne en moteur pour fournir un appoint d'énergie.

L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : la figure 1 représente, de façon schématique, un exemple de système selon l'invention,

la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation, les figures 3A à 3D représentent les flux de puissance pour différentes conditions de fonctionnement du système de la figure 1 ,

les figures 4A à 4D représentent les taux d'électrification dans les configurations des figures 3A à 3D respectivement,

la figure 5 est une vue analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation, les figures 6A et 6B illustrent les flux de puissance pour le système de la figure 5 respectivement pour la marche avant et la marche arrière, et

les figures 7 à 9 sont des vues analogues à la figure 1, d'autres variantes de réalisation.

Sur les figures, la représentation cinématique n'est que schématique et les liaisons peuvent être réalisées avec plus de pignons ou autrement, par exemple avec des chaînes ou courroies. Par conséquent, tous les exemples illustrés valent pour des liaisons réalisées de toutes les manières usuelles, avec trains d'engrenages, poulies et courroies, chaînes ...

On a représenté à la figure 1 un système électromécanique 10 de récupération d'énergie cinétique selon l'invention, comportant un volant d'inertie 11, une machine électrique réversible moteur/générateur 12, et au moins un train épicycloïdal 20 ayant trois entrées/sorties 21, 22 et 23.

La liaison est considérée comme une entrée quand la vitesse est imposée au train et comme une sortie quand la vitesse est imposée par les autres entrées.. Dans la suite, on définit par k _cvt le rapport d'ouverture donnée par le ratio Wfly/w ₀ ut, où Wfiy est la vitesse de rotation du volant d'inertie et w _ou t la vitesse de rotation de la sortie du train, vers les roues.

Le taux de puissance électrique <5? _e \ _ec est donné par σρ _ε ι _εε = -Pem Pout = 1 - (1/(1"λ) * k _cvt ) et CEelec = A _E elec A _E fly tôt = ½ * (w _{fly max} - W*fl _{y m} i„) ^A 2 / (w ² fl _ymax - W ² fl _{y m} i„), OÙ

Wfiy _max est la vitesse de rotation maximale du volant d'inertie, Wfl _{y m} i _n sa vitesse de rotation minimale, en fin de décharge de l'énergie cinétique, w* _{fly m} i _n la vitesse de synchronisation entre chaque rapport, P _em la puissance de la machine électrique, P _ou t la puissance de sortie vers les roues, E _e i _ec l'énergie accumulée électrique, et E _fly l'énergie cinétique de rotation du volant.

L'une 23 des entrées / sorties est reliée aux roues 30 du véhicule, plus au moins directement, par exemple par l'intermédiaire d'un train d'entraînement constitué d'un pont équipé d'un différentiel, non représenté.

L'entrée/sortie 22 est reliée à la machine réversible 12.

L'entrée/sortie 21 est reliée au volant d'inertie 1 1 par l'intermédiaire d'un système de couplage 40 offrant au moins deux rapports, donnés dans l'exemple considéré par deux ensembles de pignons, à savoir ceux référencés 41a, 42a d'une part et ceux référencés 41b, 42b d'autre part.

Les pignons 41a et 41b tournent ensemble et sont entraînés par l'entrée / sortie 21 du train épicycloïdal 20.

Le volant 1 1 est entraîné sélectivement par le pignon 42a ou le pignon 42b selon la position d'un élément 43 qui peut s'accoupler, selon sa position, soit avec le pignon 42a, soit avec le pignon 42b. Le choix des rapports de démultiplication offerts par le système de couplage est effectué de façon à adapter la chaîne cinématique aux caractéristiques du train épicycloïdal. L'ouverture de ce dernier est dimensionnée selon divers critères tels que l'acoustique, la tenue mécanique statique, dynamique ou endurance ou le rendement. Le système de couplage vise à offrir un équilibre entre la minimisation de la puissance électrique requise via la taille de la machine électrique et la minimisation de la variation d'énergie électrique utile en réduisant la taille de l'élément de stockage électrique tel qu'une batterie, et les valeurs des rapports discrets sont choisies en conséquence.

Pour minimiser la puissance électrique requise, les valeurs des rapports suivent une loi géométrique, alors que pour minimiser la variation d'énergie électrique utile, les valeurs suivront une loi arithmétique.

Dans l'exemple de la figure 1, le système de couplage est placé du côté du volant d'inertie et sur la figure 2 du côté de la chaîne de transmission.

La présence de rapports discrets insérés dans la chaîne cinématique permet de changer les vitesses d'entrées/sortie du train épicycloïdal, donc les flux de puissance et les énergies transférées.

Lorsque l'on passe d'un rapport à l'autre, une phase de synchronisation peut être nécessaire.

On va décrire en référence aux figures 3A à 3D les flux de puissance au cours du fonctionnement du système.

Sur la figure 3 A, l'énergie cinétique du volant 11 est déchargée vers la machine électrique et vers la chaîne de traction. La machine électrique 12 fonctionne en générateur. Si l'on se reporte à la figure correspondante 4A, on voit que la puissance de la machine électrique peut évoluer entre -P _e i _ec max et 0. Sur la figure 3B, l'énergie cinétique du volant continue à être déchargée mais un appoint d'énergie est fourni par la machine électrique 12 qui fonctionne en moteur. Sur la figure correspondante 4B, on voit que la puissance de la machine électrique peut évoluer entre 0 et +P _e iec max.

Un changement de rapport intervient entre les configurations des figures 3B et

3C. Ce changement de rapport permet au volant 11, qui continue à se décharger, d'entraîner à nouveau la machine électrique 12 qui peut fonctionner en générateur. Le taux d'électrification peut à nouveau évoluer entre -P _e i _ec max et 0, comme illustré sur la figure 4C. Une fois que le taux d'électrification devient positif, comme illustré sur la figure 4D, le volant peut être déchargé vers les roues tandis qu'un appoint d'énergie est fourni par la machine électrique 12 qui fonctionne en générateur, comme illustré à la figure 3D.

Plus le nombre de valeurs de rapports augmente, plus les taux de puissance électrique et d'énergie électrique diminuent.

Le système de couplage 40 peut être constitué par une boîte de vitesses à variation continue (encore appelée CVT). Dans ce cas, le système de couplage 40 est par exemple disposé entre le train épicycloïdal 20 et le volant d'inertie 11 comme illustré sur la figure 8 ou entre le train épicycloïdal 20 et les roues 30, comme illustré sur la figure 9. Toutefois, on préfère dans l'invention, pour des raisons de coût, utiliser un système de couplage 20 à nombre de rapports discrets, de préférence égal à 2, 3 ou 4.

Lorsque le véhicule roule en marche avant, les vitesses d'entrées/sortie sont de signe constant, car les roues tournent toujours dans le même sens, de même que le volant d'inertie.

Lorsque l'on souhaite rouler en marche arrière, le sens de rotation des roues doit s'inverser. Le rapport k _cvt change de signe, et le train épicycloïdal passe en mode dit de recirculation électrique. La puissance électrique devient supérieure à la puissance de sortie, et la machine électrique 12 peut saturer, ce qui diminue les performances du système 10. De plus, la vitesse d'entrée s'inversant, la vitesse de la machine électrique 12 augmente de manière significative jusqu'à atteindre sa vitesse maximale, au-delà de laquelle elle devient inutilisable.

Augmenter l'ouverture du train épicycloïdal 20 peut permettre d'éviter ces limitations mais a pour effet d'accroître la puissance et l'énergie électrique nécessaires au fonctionnement normal en marche avant.

Ainsi, de préférence, le système de couplage 40 est réalisé de façon à inverser la vitesse de rotation vis-à-vis du train épicycloïdal, comme illustré à la figure 5.

On voit sur cette figure 5 ainsi que sur les figures 6A et 6B que les pignons 41a, 41b, 42a et 42b peuvent être agencés pour inverser le sens de rotation du volant 11 pour le train épicycloïdal 20, selon que l'élément de couplage est accouplé au pignon 42a ou au pignon 42b, lesquels tournent en sens inverse. La figure 6A correspond à la marche avant et la figure 6B à la marche arrière.

La figure 7 illustre la possibilité de disposer le système de couplage 40 de façon à inverser la vitesse de la connexion du planétaire vers les roues 30.

L'invention n'est pas limitée aux exemples illustrés. En particulier, il est possible de multiplier les systèmes de couplage de façon par exemple à pouvoir changer à la fois les rapports vers le volant d'inertie et vers les roues.

L'expression « comportant un » est synonyme de « comportant au moins un ».