Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02713264 2010-08-27
DOMAINE DE L'INVENTION
L'efficacité des moteurs à combustion interne est d'environ 15%. Cela signifie
que seulement
15% de l'énergie contenu dans le carburant sert à faire avancer le véhicule.
L'énergie est
majoritairement perdue sous forme de chaleur par le système d'échappement, le
système de
refroidissement et le système de freinage.
Les moteurs électriques ont une efficacité élevée. Les pertes sont de l'ordre
de 10%. Les pertes
sont de 5% pour les moteurs électriques à haute efficacité. Aussi, les moteurs
électriques peuvent
être contrôlés par des composants électroniques. Il existe différents types de
contrôle comme par
exemple le contrôle de la vitesse de rotation.
Les véhicules électriques fonctionnant uniquement avec une batterie comme
source d'énergie ont
la réputation d'avoir un rayon d'action limité, un temps de recharge lent.
Aussi le coût des
batteries est élevé. Le nombre de recharge est limitée. Les matières premières
pour la fabrication
des batteries sont des ressources non renouvelables.
L'expression moteur hybride désigne un moteur utilisant plus d'une source
d'énergie et/ou
plus d'un type de moteur. Par exemple, la Toyota Prius utilise une
motorisation essence et
électricité. Le but d'un moteur hybride est de gérer le fonctionnement pour
obtenir une efficacité
améliorer. Cela permet au véhicule hybride d'avoir une consommation en
carburant qui est
inférieure en conduite urbaine par rapport à la conduite sur route.
Généralement, la principale source d'énergie permettant le mouvement d'un
véhicule hybride est
un moteur à combustion interne alimenté par un réservoir qui contient un
carburant liquide et un
moteur électrique alimenté par des batteries. Le moteur électrique permet de
récupérer une partie
de l'énergie de freinage et de la dirigée vers un dispositif de stockage comme
les batteries
électriques.
Il est possible de produire des bio carburant solide aussi appelé granules de
bois en utilisant des
plantes à croissance rapide. Le saule arbustif (Salix), le panic érigé
(Panicum), le peuplier hybride
(Populus) sont quelques plantes qui peuvent servir à la production de bio
carburant solide.
En conservant le carburant sous forme solide, on évite les pertes entraînées
par la transformation
d'un produit solide en un produit liquide. Pour transformer des plantes en bio
carburant liquide
(éthanol), il faut des procédés complexes, qui consomment des grandes
quantités d'énergie. La
production de bio carburant solide demande des équipements modestes qui
consomme peu
d'énergie. Cela permet d'être neutre sur le plan du carbone. Les plantes fixes
le carbone pendant
leur croissance et le carbone est libéré pendant la combustion.
L'énergie provenant des granules de bio masse solide et l'énergie provenant de
l'accumulateur se
complètent. Les accumulateurs ont un temps de réponse rapide et le moteur à
combustion externe
permet une autonomie élevée.
2
CA 02713264 2010-08-27
Donc, il existe un besoin pour une méthode nouvelle et améliorée qui produit
des résultats
supérieurs pour contrôler un moteur hybride alimenté avec un bio carburant
solide dans le but de
propulser un véhicule.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
Cette invention consiste en une méthode nouvelle et améliorer de contrôle pour
un moteur
hybride alimenté avec un bio carburant solide dans le but de maximiser
l'efficacité énergétique et
de rendre la conduite d'un véhicule fiable.
Selon les principes de la présente invention, lorsqu'il y a une demande en
énergie à la sortie du
moteur hybride, l'énergie électrique dirigée vers la sortie peut provenir de
différentes sources.
L'énergie peut provenir de l'accumulateur(s) et/ou du moteur à combustion
externe. Le choix de
la source dépend de différents facteurs. Cela dépend de l'énergie disponible,
de l'estimation de
l'énergie qui sera nécessaire pour une durée déterminée et du temps de réponse
des sources
d'énergie. Dans le cas d'un véhicule, l'estimation de l'énergie est basée sur
la distance à
parcourir, la vitesse, la charge à remorquer, la position du véhicule (Système
de Positionnent).
Des données comme le type de parcours (urbain, autoroute), la topographie
(relief), la densité de
la circulation, les conditions climatiques, qualité de la route, route en
réparation, ainsi que
d'autres conditions qui pourraient influencer la gestion de la consommation
sont placées dans un
serveur internet. Ces données ne sont pas influencées par le type de véhicule
mais elles influences
la gestion de l'énergie.
La principale source d'énergie provient du moteur à combustion externe, il est
important de bien
planifier l'utilisation de la chambre de combustion. Au départ, la chambre de
combustion est
froide il faut envoyer du carburant à l'intérieur et procéder à allumage. Cela
peut ce faire avec
des électrodes ou des résistances ou d'autres dispositifs (non montré sur le
dessin). Une fois la
chambre de combustion réchauffée, la chambre de combustion doit être conservée
chaude pour
toute la durée du parcours.
Un litre d'essence contient 9,7 kWh d'énergie.(évalué en pouvoir calorifique
supérieur)
Un kilogramme de granule de bio masse solide contient 5 kWh d'énergie.
Donc l'énergie contenue dans un réservoir d'essence de 51 litres correspond à
environ 100 kg de
bio carburant solide.
Le fait de connaître la position en temps réel et la demande en énergie pour
les prochaines étapes
permet de préparer la production et le stockage de l'énergie en fonction des
temps de réponses et
des niveaux de stockage actuels.
Si le système planifie avoir une faible consommation d'énergie pour une
distance déterminée, le
système envoi la quantité de carburant minimum dans la chambre de combustion
pour que le
moteur à combustion externe et l'accumulateur(s) puissent répondre à la
demande planifiée.
Si le système planifie avoir une consommation d'énergie élevée pour une
distance déterminée, le
système envoi une quantité de carburant plus élevée dans la chambre de
combustion pour que le
moteur à combustion externe et l'accumulateur(s) puissent répondre à la
demande planifiée.
j
CA 02713264 2010-08-27
Si nécessaire, le moteur à combustion externe doit produire des surplus qui
sont dirigés vers
l'accumulateur(s).
Le niveau de charge des accumulateurs doit être maintenu au-dessus d'une
limite minimum pour
ne pas endommager les batteries. Les accumulateurs sont utilisés au maximum
pour améliorer
l'efficacité et permettre la recharge pendant les périodes d'arrêts. Par
exemple, a l'approche du
point d'arrivée, le système peut diminuer la température de la chambre de
combustion et utiliser
au maximum les accumulateurs.
La gestion de l'énergie se fait en deux niveaux. Le premier niveau consiste en
une gestion sur
l'ensemble du trajet. Le second niveau consiste en une gestion des événements
ponctuels comme
par exemple des freinages et des accélérations non planifiés.
Dans le cas d'un nouveau parcours. L'usager indique le point d'arriver. Le
système de
positionnement détermine la position initiale. L'ordinateur reçoit les données
du serveur sur la
forme de la route et les autre facteurs variables. L'ordinateur trace un
itinéraire dans le but de
faire une évaluation optimale de la gestion de l'énergie.
Dans le cas d'un parcours exécuté à répétition, par exemple pour des véhicules
de transport en
commun, des véhicules de livraisons. Le parcours est enregistré et le système
fait une évaluation
de la performance dans le but d'améliorer l'efficacité. L'ordinateur reçoit
les données extérieurs
qui influences la consommation.
Dans le cas d'imprévus, le système doit être capable d'une autonomie
suffisante pour qu'il n'y ait
pas d'interruption et avoir le temps de réajuster les niveaux d'énergie en
fonction de sa nouvelle
position.
Pendant le freinage, l'énergie peut être récupérée. Cette énergie peut être
dirigée vers
l'accumulateur(s) ou vers un échangeur(s) de chaleur. C'est le système de
gestion qui détermine
ce qui est le plus efficace selon le niveau d'énergie des accumulateurs, de
l'utilisation du moteur
à combustion externe et de la demande en énergie pour le reste du parcours.
Pour un véhicule
conventionnel, l'accélération et le freinage représentent environ 6% de
l'énergie consommée en
conduite urbaine et 2% en conduite sur route. Lorsque que le conducteur fait
une demande de
freinage, c'est le frein conventionnel qui débute le freinage. Un pourcentage
ou la totalité du
freinage est transféré au système de récupération de façon sécuritaire.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
FIG. 1 est un diagramme schématique d'un véhicule hybride alimenter au bio
carburant solide.
FIG. 2 est un diagramme logique pour le contrôle du système d'opération d'un
véhicule propulsé
par moteur hybride.
FIG. 3 est une représentation graphique de la répartition de la demande en
énergie planifiée.
FIG. 4 est un diagramme logique de la gestion du fonctionnement de la chambre
de combustion
et du moteur à combustion externe en fonction de la demande planifiée à la
FIG. 3.
FIG. 5 est un diagramme logique de la gestion de l'accélération pour un
véhicule hybride
alimenter avec un bio carburant solide.
4
CA 02713264 2010-08-27
FIG. 6 est un diagramme logique de la gestion du freinage d'un véhicule
hybride alimenter avec
un bio carburant solide.
FIG.7 est un diagramme schématique d'un exemple d'accumulateur hydraulique.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Dans la description qui suit, le terme bio carburant solide désigne des
granules formés avec des
plantes aussi appelé granules de bois.
Le terme moteur à combustion externe désigne un moteur qui utilise un fluide
moteur et un cycle
thermodynamique. Le fluide moteur évolue selon un cycle puis revient à son
état initial. Un
exemple de ce type de cycle est le cycle de puissance à vapeur appelé cycle de
Rankine. Pour
rendre le dessin plus clair, le cycle de régénération n'est pas représenté.
Le terme accumulateur désigne des dispositifs de stockage tel que les
batteries électriques,
les super-condensateurs, les volants d'inertie, les accumulateurs
hydrauliques, les batteries
oléopneumatiques, batteries hydropneumatiques ainsi que des systèmes
semblables.
Le terme système de positionnement mondiale désigne un système capable de
déterminer
l'endroit où se situe le véhicule. Il permet de connaître la position en temps
réel.
Le terme moteur électrique désigne un moteur qui entraîne la roue et permet la
récupération de
l'énergie cinétique pendant le freinage.
Le terme charge à remorquer représente la charge fixe et les charges
variables.
Le terme facteurs variables représente l'ensemble des facteurs extérieurs tel
que les facteurs
climatiques (température, vents), la forme de la route (intensité des pentes),
qualité de la route,
fluidité de la circulation.
Le terme énergie disponible représente l'énergie emmagasinée dans les
accumulateurs
électriques, mécaniques et thermiques.
Le terme temps de réponse désigne le temps qui s'écoule entre le moment de la
demande en
énergie et le moment où cette énergie est délivrée.
Application
Selon les principes de la présente invention, si une personne veut faire un
parcours avec un
véhicule propulsé par le moteur hybride 1O(FIG.1), un ensemble d'informations
sont entrées dans
l'unité de contrôle centrale 12, pour permettre la gestion de l'énergie.
L'usager doit fournir le
point d'arrivée et la charge remorquée (la charge remorquée peu être mesurée
par des capteurs).
Le système de positionnement mondiale 14 indique la position en temps réel. Le
serveur 16
transmet un ensemble d'informations (facteurs variables) provenant de
l'extérieur. Des exemples
de facteurs variables sont la distance, la vitesse autorisée, les conditions
climatiques (température,
direction et intensité du vent, pluie, neige, glace), le type de trajet(ville,
route), la topographie
(localisation des pentes positives et négatives, intensité des pentes,
courbes), qualité de la route,
densité de la circulation (position des bouchons), ainsi que d'autres
conditions qui pourraient
CA 02713264 2010-08-27
influencer la gestion de la consommation comme par exemple les besoins en
chauffage et en
climatisation.
La FIG.1 montre les éléments qui forment l'ensemble du moteur hybride 10.
Lorsque le
conducteur fait une demande en énergie, l'énergie provient de
l'accumulateur(s) 42 et/ou du
moteur à combustion externe 26. Le fluide moteur est transformé en vapeur par
la chambre de
combustion 20. La chambre de combustion est alimentée par un réservoir de bio
masse solide 18.
La vapeur peut être stocké dans un réservoir 22. La valve 24 permet
d'actionner le moteur 26.
Après sa sortie du moteur 26, le fluide passe par le condenseur 28. Le fluide
peut alors être
pompé par la pompe 30 et le cycle recommence. L'air qui entre dans la chambre
de combustion
est réchauffé par les gaz d'échappement dans l'échangeur de chaleur 34. Les
gaz d'échappement
passent par un système antipollution 36. Les cendres sont récupérées par un
réservoir 38. Le
moteur 26 entraîne l'alternateur/générateur 40 en actionnant l'embrayage 54.
Le moteur à
combustion externe peut aussi entraîner la roue 60 en actionnant l'embrayage
56.
Pour déterminer combien d'énergie provient de l'accumulateur(s) 42 et combien
d'énergie
provient du moteur 26, l'unité de contrôle centrale 12 fait une gestion basée
sur la connaissance
de l'ensemble du trajet à parcourir. Le système de positionnement 14 indique
la position en temps
réel. Le serveur 16 indique des changements qui pourraient influencer la
consommation. Le
commutateur 48 permet de diriger l'énergie vers le contrôle de vitesse 44 ou
vers
l'accumulateur(s) 42. Le commutateur 50 permet de diriger l'énergie de
l'accumulateur(s) 42
vers le contrôle de vitesse 44. Le moteur électrique 58 convertit l'énergie
électrique provenant du
contrôle de vitesse 44 en mouvement de rotation de la roue 60.
Dans le cas du freinage, l'énergie cinétique est convertie en énergie
électrique par le moteur/frein
58. L'énergie est transformée par le contrôle de frein 46 pour être dirigée
vers l'accumulateur(s)
42 ou vers l'échangeur de chaleur 32 en passant par le commutateur 52.
La FIG.2 montre une caractéristique de ce système de gestion. En connaissant
le point d'arrivée
(étape 201), l'unité de contrôle 12(FIG.1), fait une évaluation (étape 203)
pour déterminer si le
trajet est nouveau. Si le trajet n'est pas nouveau alors l'estimation de
l'énergie est basée sur les
données antérieures comparables (étape 204). Cette estimation prend en compte
les facteurs
variables à l'étape 202. Si le trajet est nouveau (étape 203), l'unité de
contrôle 12(FIG.1) fait une
recherche pour déterminer si le point d'arrivée est connu (étape 206). Si le
point est inconnu,
alors l'unité de contrôle 12 fait une interpolation basée le point connu le
plus rapproché (étape
207). Si le point d'arrivée est nouveau et connu, alors l'unité de contrôle
12(FIG.1) fait une
estimation de l'énergie nécessaire (étape 208).
La FIG.3 représente un exemple d'une estimation de l'énergie consommée pour
l'ensemble d'un
trajet. L'équation de la courbe 301 indique l'estimation de l'énergie
consommée en fonction de la
position. L'unité de contrôle centrale 12(FIG.1) doit préparer la production
et la distribution de
l'énergie en fonction des temps de réponses. Par exemple si le véhicule est
situé au point A, alors
l'unité de contrôle centrale 12 FIG.1 doit planifier la gestion de l'énergie
pour répondre à la
demande planifier pour l'intervalle AB. Il s'agit d'un processus continu sur
toute la durée du
parcours parce que la consommation n'est pas linéaire.
6
CA 02713264 2010-08-27
Il y 2 types de gestion.
La gestion à long terme.
C'est la gestion sur l'ensemble du trajet, ce type de gestion est représenté
par un exemple à la
FIG.3. Il est basé sur le maximum d'information. Les temps de réponses sont
différents.
L'accumulateur électrique possède un temps de réponse rapide. De façon
générale, les batteries
électriques ont la capacité de fournir un fort courant électrique pendant une
courte période de
temps. Le temps de réponse du moteur à combustion externe est relativement
lent car le fluide
moteur doit parcourir l'ensemble du circuit pour actionner le moteur à
combustion externe. C'est
pourquoi il est important d'avoir une bonne planification. Les accumulateurs
mécaniques ont un
temps de réponse intermédiaire.
La FIG.4 représente la gestion du moteur à combustion externe. La température
de la chambre de
combustion est ajustée (étape 401) selon de demande planifiée à la FIG.2 et
FIG.3. La vapeur
peut-être stockée dans un réservoir(s) (étape 402) selon le niveau de pression
optimum et
sécuritaire. Le moteur à combustion externe est actionné pour répondre à la
demande planifiée en
respectant les temps de réponse à l'étape 403. Le moteur à combustion externe
doit produire des
surplus pour ajuster le niveau d'énergie des accumulateurs (404) et minimiser
les charges et les
décharges des accumulateurs.
Dans le cas d'une accélération, la FIG.5 représente une stratégie pour la
gestion de l'énergie. Si
l'on démarre de la position arrêt (vitesse égale à zéro), l'énergie provient
de l'accumulateur
électrique (étape 501) (42 FIG.1). Cela permet de débuter la propulsion du
véhicule. Dès que
l'énergie provenant de l'accumulateur mécanique est disponible (étape 503) (42
FIG.1), c'est
l'accumulateur mécanique qui prend la relève. La transition doit se faire
graduellement pour
éviter les secousses. Une fois que l'accumulateur mécanique a terminé de
fournir l'énergie, le
moteur à combustion externe prend la relève (étape 506) (26 FIG.1). La
transition doit se faire
graduellement. C'est la position des contacts sur les commutateurs 48 et 50
FIG. 1 qui permet de
choisir la circulation de l'énergie électrique. Le passage de l'accumulateur
électrique à
l'accumulateur mécanique puis au moteur à combustion externe est déterminé, en
partie, par
l'estimation de l'énergie qui sera consommée (FIG.2 et 3). C'est en actionnant
l'embrayage (56
FIG. 1) que le moteur à combustion externe vient appuyer et remplacer le
moteur électrique (58
FIG.1). L'embrayage (54 FIG.1) permet au moteur à combustion externe (26
FIG.1) d'actionner
l'alternateur/générateur (40 FIG.1). L'alternateur/générateur peut acheminer
l'énergie électrique
vers l'accumulateur(s) (42 FIG.1) ou vers le moteur (58 FIG.1) en
sélectionnant la position des
commutateur (48 et 50 FIG.1). Les surplus d'énergie produit par le moteur à
combustion externe
(26 FIG. 1) sont dirigés vers l'accumulateur(s) (42 FIG. 1). Cette évaluation
est préparée de façon
continue, de sorte que si le conducteur appui sur l'accélérateur, le système
est prêt à réagir.
Dans le cas d'une accélération à partir d'une vitesse constante différente de
0, alors la FIG.5
s'applique. Cependant, le moteur à combustion externe 26 est déjà en
opération. Le moteur
électrique 58 vient alors en support, le temps que le moteur à combustion
externe s'ajuste en
fonction de la vitesse demandée et des prévisions de consommation pour les
prochaines étapes.
Dans le cas d'une reprise (après un freinage), la vitesse du véhicule est
différente de 0. La FIG.5
s'applique. C'est le moteur électrique 58 qui est le premier à répondre à la
demande. La charge
est graduellement transférée au moteur à combustion externe 26.
7
CA 02713264 2010-08-27
Dans le cas où le véhicule doit monté une forte pente, les deux moteurs 26 et
58 peuvent
fonctionner ensemble pour une courte période de temps afin de répondre à la
demande. Il faut
garder en tête que le véhicule sait avant de débuter une montée qu'il doit
avoir une certaine
quantité d'énergie dans les accumulateurs 42 et qu'il doit aussi préparer la
production d'énergie
du moteur à combustion externe 26 en fonction de l'énergie qu'il devra
fournir.
Dans le cas du freinage (FIG.6), la stratégie consiste à transférer le
freinage conventionnel (étape
601) vers le freinage capable de récupérer l'énergie cinétique. L'accumulateur
mécanique permet
d'absorber l'énergie de freinage et de la retourner rapidement. Si
l'accumulateur mécanique n'est
pas disponible pour stocker l'énergie alors il faut vérifier si l'accumulateur
électrique est
disponible pour recevoir de l'énergie (étape 603). Généralement, les batteries
ont un temps de
charge qui est relativement lent. Une charge rapide pourrait endommager les
batteries. Si les
accumulateurs sont chargés ou que la vitesse de freinage est trop élevée(trop
d'énergie disponible
pendant un court moment), alors l'énergie cinétique provenant du freinage est
dirigée vers
l'échangeur de chaleur (étape 604). Le courant électrique généré par le
moteur/frein
électromagnétique (58 FIG. 1) est acheminé vers l'échangeur de chaleur (32
FIG. 1). Cet
échangeur consiste en des résistances qui vont transformer l'énergie
électrique en chaleur. Cette
chaleur est récupérée en réchauffant le fluide qui est diriger vers la chambre
de combustion (20
FIG.1) (régénération). Si aucun des dispositifs de récupération d'énergie
n'est disponible, alors
c'est le système de freinage conventionnel qui est actionné à l'étape 605
(système non montré).
Cette évaluation est préparée de façon continue, de sorte que si le conducteur
appui sur le frein, le
système est prêt à réagir. Les systèmes peuvent fonctionner simultanément, par
exemple, la
répartition du freinage pourrait être 20% freinage conventionnel, 80% freinage
régénératif.
Il y a aussi la gestion à court terme.
C'est la gestion des arrêts, des départs, des accélérations, des décélérations
non planifiés. Ces
variations sont amorties par l'accumulateur(s) (42 FIG. 1). Il existe
différent type d'accumulateurs
mécaniques comme par exemple les volants d'inertie, les batteries
oléopneumatiques, les
accumulateurs hydropneumatiques, les accumulateurs hydrauliques.
L'accumulateur privilégié
pour ce type de variation est l'accumulateur mécanique. Cela permet de réduire
l'utilisation des
accumulateurs électriques comme les batteries chimiques et d'augmenter leur
durée de vie. La
FIG.7 représente un exemple schématique d'un accumulateur hydraulique. En
actionnant
l'embrayage 82 et la valve 74, le contrôle 12 permet à la pompe de transférer
le fluide contenu
dans le réservoir 70 vers le cylindre 76. Le pompage terminé, la valve 74 est
fermée pour
conservée l'énergie. Pour récupérer l'énergie emmagasinée, la valve 74 est
ouverte. Le ressort 78
placé dans le cylindre 76 retourne le fluide vers le réservoir 70 en passant
par la pompe 72. La
pompe entraîne la roue 60 en actionnant l'embrayage 82.
Le fait de connaître la distance et le temps de recharge permet de concevoir
un système avec des
dimensions optimum pour les différents composants comme le moteur à combustion
externe, les
accumulateurs, les moteurs électriques. C'est donc dire que la configuration
pourrait être très
différente selon le type de véhicule et son utilisation.
Une personne compétente dans le domaine va remarquer que des étapes peuvent
être retirées,
ajoutées et/ou exécutées dans un ordre différent.
Plusieurs modifications peuvent être effectuées sans dévier de l'esprit de la
présente invention.
8
