Brevet FR2812036A1 — publié le 20020125

La présente invention concerne un dispositif de commande du démarreur d'un moteur thermique comprenant: - un enroulement d'engrènement et de maintien du pignon de démarreur et du pont de commutation principal du démarreur, des bornes de branchement pour l'alimentation de l'enroulement du moteur du démarreur, - une borne de masse, - une borne de tension de fonctionnement, - une installation de commutation principale pour l'actionnement du démarreur, et - une installation de commande de démarrage électronique. Pour l'arrière-plan technologique de l'invention, il faut sa- voir que l'amorce d'engrènement ou de pré-engrènement et l'engrènement proprement dit des démarreurs actuels pour lancer des moteurs thermi- ques (moteurs à combustion interne) sont assurés par le relais de démar- reur qui assure l'amorce de l'engrènement du pignon dans la couronne dentée (c'est-à-dire l'établissement de la prise du pignon denté du démar- reur dans une roue dentée correspondante, couplée au vilebrequin du moteur thermique) ainsi que la fermeture consécutive du pont principal, (c'est-à-dire de la partie de commutation principale de la branche d'alimentation de l'enroulement du moteur du démarreur). Après la fermeture du pont principal, le démarreur lance le moteur thermique en lui appliquant le couple maximum. La commande du relais de démarreur peut se faire par l'intermédiaire du contact de démarreur du véhicule équipé du moteur thermique ou encore dans le cas d'un relais intermédiaire, particulier, si le courant demandé par le relais est élevé. En variante, il est également connu d'utiliser des commu- tateurs dits de " côté haut ", qui sont des transistors de type npn ou des transistors MOSFET à enrichissement de canal n, avec en plus une pompe de charge interne. De tels transistors à effet de champ sont commutés par un signal logique d'un niveau compris par exemple entre 0 et 5 volts; ils sont reliés d'un côté par leur collecteur à la tension de fonctionnement, c'est-à-dire au réseau embarqué. Ce type de câblage est pratiquement identique au câblage d'un relais intermédiaire et dans ces conditions il est compatible avec les contacts de branchement de démarreur des faisceaux de câble usuels des véhicules. Ce type de commande assure de plus en plus le démarrage en liaison avec une commande intelligente de moteur. Pour cela, une in- terface de signal envoie un signal de démarrage à l'électronique du démar- reur pour le lancer. Cette interface de signal peut être par exemple être constituée par une liaison unidirectionnelle à modulation par impulsions codées, c'est-à-dire une interface à bits synchrones ou encore le bus CAN. La commande du démarreur par l'appareil de commande du moteur permet finalement différentes fonctions supplémentaires comme l'arrêt automatique de l'opération de démarrage lorsque l'appareil de commande du moteur constate que le moteur tourne. De plus, l'appareil de commande du moteur peut effectuer un diagnostic du démarreur en utilisant la vitesse de rotation de démarrage, la durée nécessaire au dé- marrage et la température ambiante; cela peut servir en prévision d'un entretien. Enfin, l'appareil de commande du moteur peut également limi- ter la durée maximale du démarrage pour éviter toute mauvaise utilisation du démarreur, et de vider la batterie ou surchauffer le démarreur. Une autre difficulté en liaison avec l'opération de démarrage réside dans l'amorce d'engrènement et l'engrènement proprement dit du pignon. Dans une commande de relais classique, le pignon de démarreur engrène rapidement dans la couronne dentée de la roue dentée couplée au vilebrequin. Pour des positions dent sur dent qui statistiquement se pro- duisent fréquemment entre les deux couronnes dentées, cela se traduit par une usure gênante et importante des flancs des dents. On évite cet inconvénient par une amorce en douceur de l'engrènement préalable. Le courant du relais est alors commandé sur des fractions de secondes, de sorte qu'après le lancement du pignon avec une force importante, pour le décrocher, celui-ci ne sera plus accéléré et ne s'appliquera plus violem- ment sur la couronne dentée. Ensuite, on peut fixer le courant du relais à une valeur maximale, car le pignon est déjà appliqué contre la couronne dentée et engrènera certainement. Enfin, on ferme ainsi le pont principal, en toute sécurité et avec un effet de rebondissement aussi réduit que pos- sible. Dans la phase de retenue, consécutive, le démarreur lance le mo- teur. Le relais est alors fermé et ne demande plus qu'un courant de maintien qui correspond à environ 0,2 jusqu'à 0,4 fois le courant néces- saire à l'engrènement. Les développements les plus récents des dispositifs de commande notamment pour des démarreurs à couple élevé de véhicule utilitaire concernent la recherche d'une amélioration du comportement lors de l'engrènement; cela peut s'obtenir en deux étapes. La commande du déroulement des opérations se fait à l'aide d'une installation de com- mande de démarrage électronique qui commande deux transistors de côté haut, en série sur le chemin collecteur-émetteur. Par l'un de ces transis- tors, on alimente une résistance intermédiaire dans le relais du démarreur et lorsque passe le courant dans le moteur du démarreur, celui- ci tourne avec un couple réduit. L'enroulement du relais est tout d'abord commandé de manière cadencée pour que le pignon se rapproche lentement de la couronne dentée. Le mouvement de rotation du moteur du démarreur fa- i0 cilite la recherche d'un intervalle entre des dents et le mouvement d'avance lente du pignon réduit l'usure lors de la rencontre entre le pignon et la couronne dentée. On arrive ainsi globalement à un préengrènement particulièrement doux. Au cours d'une seconde étape, le relais est complètement alimenté, de sorte que le pignon s'engage complètement dans la couronne dentée. Ensuite, le pont principal se ferme et le démarreur tourne au cou- ple maximum. Les transistors du côté à potentiel haut, évoqués ci-dessus sont des transistors MOSFET, travaillant en douceur; il s'agit de transis- tors MOSFET de type n avec une pompe de charge intégrée et une électro- nique de surveillance intégrée pour surveiller le court-circuit et le dépassement de température. Mais l'inconvénient de tels transistors MOSFET de puissance réside dans leur prix relativement élevé. Partant des problèmes développés ci-dessus, la présente in- vention a pour but de développer un dispositif de commande d'un démar- reur de moteur thermique, permettant d'assurer les fonctionnalités décrites telles que l'engrènement en douceur à l'aide de l'installation de commande de démarrage électronique, tout en évitant d'utiliser des tran- sistors MOSFET, travaillant en douceur, mais coûteux, pour le circuit du côté à potentiel (point chaud) haut. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de commande de démarreur du type défini ci-dessus, caractérisé par un transistor de commutation classique commandé par l'installation de commande élec- tronique de démarrage, notamment un transistor MOS à effet de champ comme élément de commutation dont le chemin collecteur-émetteur est branché entre l'enroulement d'engrènement et de maintien et la borne de masse. Un transistor de commutation, classique, commandé par l'installation de commande de démarrage électronique, utilise en particu- lier un transistor MOSFET comme élément de commutation; ce transistor est branché par son chemin collecteur-émetteur entre l'enroulement d'engagement et la borne de masse du dispositif de commande. Ainsi, on n'a pas de circuit du côté du potentiel haut pour les éléments de commu- tation à transistor, mais un montage des transistors comme des commu- tateurs du côté du potentiel bas. Cela permet d'utiliser des transistors de type npn classiques ou encore des transistors MOSFET à enrichissement à canal de type n, sans pompe de charges. Ces derniers transistors ont une chute de tension réduite au minimum et ainsi des pertes de puis- sance très réduites; ils sont prédestinés pour la présente application. En principe toutefois, on peut également utiliser des transistors npn ou des transistors IGBT. Les avantages principaux de l'invention résident dans le dispositif de commande de construction simple et peu coûteuse, dans son faible encombrement et dans la suppression de la protection contre des erreurs de polarité. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: l'installation de commutation principale est constituée par l'interrupteur d'allumage, ou est formée par un transistor de commu- tation de démarrage entre la borne de tension de fonctionnement et l'enroulement d'engagement et de maintien, qui se commande par l'installation de commande électronique de démarrage et par une pompe de charges, - une diode de protection contre les défauts de polarité est branchée en- tre l'enroulement d'engrènement et de maintien et le transistor de commutation standard; un enroulement auxiliaire à brancher, est formé d'un fil résistant, en parallèle à l'enroulement d'engrènement et de maintien pour alimenter l'enroulement du moteur du démarreur, pour le lancer et pour fermer le pont de commutation principal; l'enroulement auxiliaire est commuté par un transistor de commuta- tion branché entre cet enroulement et l'enroulement du moteur, ce transistor de commutation étant commandé par l'installation de com- mande de démarrage électronique. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés, dans lesquels: - les figures 1 à 5 montrent des schémas du dispositif de commande pour différents exemples de réalisation. La figure 1 montre la variante de base d'un dispositif de commande d'un démarreur. Le démarreur proprement dit est figuré par l'enroulement M de son moteur relié par deux bornes 1, 2 au dispositif de commande de son alimentation. Ce dernier comporte une borne de tension de fonctionnement 3 reliée par le pont de commutation principal 4 du re- lais de démarreur à la borne 1 de l'enroulement de moteur M. La borne de masse 2 de l'enroulement du moteur est reliée à la borne de masse 5 du circuit. En parallèle à la borne de branchement de tension de fonc- tionnement 3, pour le pont principal 4 et l'enroulement du moteur M, une seconde branche (demi branche 8) comporte en série à partir de la borne de tension de fonctionnement 3, l'installation de commutation principale de l'actionnement du démarreur, constituée par le contact de démarrage 6 dans son premier étage (" allumage "). On a ensuite un enroulement d'engrènement et de maintien, combiné, W qui assure l'actionnement du pignon de démarreur non représenté en détail et du pont de commutation principal 4 du démarreur. Entre l'enroulement d'engagement et de main- tien W et la borne de masse 5, on a finalement le chemin collecteur- émetteur d'un transistor classique T1; il s'agit comme dans les autres exemples de réalisation décrits ensuite, d'un transistor MOSFET à enri- chissement à canal n. Le transistor TI est commandé par une installation de commande de démarrage électronique ESC usuelle; cette installation est reliée à l'appareil de commande du moteur non représenté en détail par une interface 7. Une diode de roue libre DI est branchée en parallèle à l'enroulement d'engagement et de maintien W. Pour le fonctionnement du dispositif de commande selon la figure 1, il faut retenir que lorsque le contact de démarrage 6 est fermé, l'installation de commande de démarrage ESC débloque le transistor Ti; on commande ainsi le passage du courant par l'enroulement W, si bien qu'en fonction du temps, on aura un préengrènement et un engrènement ainsi que la fermeture du pont de contact principal 4. Dès que le moteur tourne, l'appareil de commande du moteur envoie à l'installation de com- mande du démarreur ESC, un signal correspondant qui bloque le tran- sistor TI. Le pignon de démarreur est ainsi dégagé et le pont de commu- tation principal 4 est de nouveau ouvert. Comme le pont de commutation principal 4 reste fermé comme commutateur de fonctionnement principal du véhicule, le branchement du transistor Tl du côté de l'enroulement reste en fonctionnement, en permanence au potentiel. Le branchement correspondant doit ainsi être protégé contre un court-circuit vers la masse, car sinon le démarreur risque d'engrener de manière accidentelle. Une intégration de ces éléments dans le démarreur est prévue pour cette raison. Pour le reste, le dispositif de commande de démarrage selon la fi- gure 1 se distingue par une construction simple, peu coûteuse et un faible encombrement. Ce dispositif peut être monté directement dans le démar- reur ou dans le relais de démarreur. Il n'est pas nécessaire de prévoir une protection contre les erreurs de polarité, car un branchement erroné aboutit certes à un court-circuit du réseau embarqué, mais ne peut se traduire par un démarrage accidentel. Le dispositif de commande représenté à la figure 2 se dis- tingue uniquement de celui de la figure 1 par deux détails. Pour éviter des répétitions, la description se limitera aux différences; pour le reste, les éléments analogues par leur nature et leur fonction porteront les mêmes références et leur description ne sera pas reprise. La différence principale par rapport à l'exemple de la figure i se situe dans la zone comprise entre la borne de tension de fonctionne- ment 3 et le circuit principal de l'enroulement d'engagement et de main- tien, combiné W; ce circuit n'est pas constitué ici par le contact d'allumage mais par un autre transistor, à savoir le transistor de démar- rage T2. Celui-ci est commandé par l'installation de commande de démar- rage électronique ESC par l'intermédiaire d'une pompe de charge CP. Cette dernière est notamment nécessaire dans le cas d'un transistor de commutation de démarrage T2 constitué par un transistor MOSFET à ca- nal n. Ce circuit peut être supprimé si l'on utilise un transistor pnp de puissance appropriée ou un transistor MOSFET à canal p. Comme autre élément en plus de celui de la figure 1, entre l'enroulement W et le transistor Tl, on a une diode de protection D2 con- tre les erreurs de polarisation, pour éviter un démarrage accidentel lors- que le démarreur est excité électriquement. Le fonctionnement du dispositif de commande de la figure 2 n'est pas significativement différent de celui de la figure 1. Après l'opération de démarrage, le blocage (coupure) du transistor T2 coupera l'enroulement W et le transistor Tl de la tension. Le dispositif de commande de la figure 2 a l'avantage de permettre un montage avec un câblage extérieur, car un court-circuit d'un câble de l'enroulement W ne peut pas aboutir à un démarrage accidentel. De plus en réalisant le dispositif de commande avec des moyens de con- nexion usuels sur le faisceau de câble d'un certain véhicule, il n'est pas nécessaire de modifier le faisceau de câble. Au montage, on peut utiliser les étapes de câblage habituelles ainsi que les bornes du faisceau de câble. Le dispositif de commande de la figure 3 ne comporte pas d'enroulement d'engagement et de maintien combiné, mais deux enroule- ments distincts W1, W2. L'enroulement W2 usuellement en fil de cuivre, est branché de façon analogue à l'exemple de réalisation de la figure 1, dans le chemin de maintien 8 entre l'interrupteur d'allumage 6 et le tran- sistor de commutation T1. De plus entre l'interrupteur d'allumage 6 et l'enroulement W2, on a un branchement en dérivation 9 dans lequel se trouve l'enroulement W1 constitué par un fil résistant bobiné, par exemple en constantan ou en un alliage CuNi23Mn ainsi qu'un autre transistor de commutation T3 en série. Le transistor T3 est branché par son chemin collecteur-émetteur entre l'enroulement W2 et la borne 1 de l'enroulement M du moteur, du côté de la tension de fonctionnement. Le transistor T3 est relié par sa borne de base à l'installation de commande de démarrage ESC qui le commande. L'utilisation d'un fil résistant pour l'enroulement W2 lui donne une résistance indépendante de la température, si bien que le courant dans l'enroulement et son flux sont indépendants de la tempé- rature. Le dispositif de commande de la figure 3 fonctionne de la manière suivante: L'interrupteur d'allumage 6 étant fermé, l'installation de commande de démarrage ESC débloque le transistor T3, si bien qu'un courant traverse l'enroulement W1 et l'enroulement M du moteur. Ce cou- rant est limité par la résistance de l'enroulement W1, si bien que le dé- marreur commence à tourner lentement. L'alimentation de l'enroulement W2 ne suffit toutefois pas pour amorcer l'engrènement du pignon du dé- marreur, ce qui constitue une caractéristique de sécurité car le transistor T3, court-circuité ne peut pas produire un démarrage accidentel. Cela ré- sulte de la conception de l'enroulement ainsi que de la résistance de l'enroulement W1 indépendante de la température. Après le lancement du moteur de démarrage par l'alimentation par l'intermédiaire de l'enroulement Wl, on aura après envi- ron 20-50 ms, le pignon amorce son engrènement car le transistor TI ali- mente également l'enroulement W2. Le démarreur engrène complètement et le pont de commutation principal 4 se ferme. Cette fermeture coupe le courant dans l'enroulement Wl, car il n'y a plus de différence de potentiel appliquée par le chemin transversal 9. Pour cette raison, il faut une diode de roue libre en parallèle à l'enroulement Wl. Dans cette situation, l'enroulement W2 conduit le courant de maintien faible pour le pont de commutation principal 4. Après l'opération de démarrage, les transistors Tl, T3 sont bloqués (coupés), ce qui ouvre le pont de contact principal 4 et débraye le pignon du démarreur. La variante représentée à la figure 3 est avantageuse en ce que les deux enroulements Wl, W2 permettent une très grande liberté de conception du relais de démarrage. Cela réside notamment dans l'indépendance de l'enroulement W2 par rapport à la température. De plus, la double fonction du courant dans l'enroulement Wl pour faire tourner le moteur du démarreur et créer la force du flux et ainsi la force du relais pour le pont de contact principal 9, permet d'avoir un courant relativement faible à travers le second enroulement W2. Cela permet de réaliser le transistor TI et la diode de roue libre D2 comme éléments de circuit intégré ou comme des composants hybrides. De ce fait, ils ne né- cessitent pas de radiateur. Comme les caractéristiques de l'enroulement W2 sont indé- pendantes de la température, le claquage du transistor T3 ne peut aboutir à un démarrage accidentel. Le claquage de l'autre transistor TI peut cer- tes produire un démarrage accidentel aux faibles températures (lorsque la résistance du cuivre de l'enroulement W2 est faible), mais on évite cette situation par l'interrupteur d'allumage 6. Il n'est pas nécessaire de prévoir un dispositif de protection contre les défauts de polarité. La figure 3 montre en traits interrompus une variante de l'installation de commande. Selon cette variante, le chemin transversal 9 pour l'enroulement Wl et le transistor T3 n'est pas branché entre l'interrupteur d'allumage 6 et l'enroulement W2 mais directement à la borne de tension de fonctionnement 3. L'interrupteur d'allumage 6 ne re- çoit ainsi que la faible tension de bobine pour l'enroulement W2, ce qui est intéressant pour certaines applications. Toutefois dans cette variante, l'enroulement W2 n'est plus protégé contre les défauts de polarité, de sorte qu'il faut prévoir une conception protégée en polarité pour le faisceau de câble et le branchement. Selon un développement de la variante évoquée ci-dessus avec un enroulement W1 relié directement à la borne de tension de fonc- s tionnement (selon la figure 4), l'interrupteur d'allumage 6 est remplacé de façon analogue à la figure 2 par un transistor T2 avec une pompe de charge CP commandée par l'installation de commande de démarrage ESC. Dans cette réalisation du dispositif de commande, on a les avantages déjà indiqués à propos des figures 2 et 3, c'est-à-dire une très grande liberté de i0 conception du relais grâce à l'utilisation de deux enroulements W1, W2 et un courant faible traversant l'enroulement W2. Il en résulte que les com- posants électroniques du chemin de maintien 8 à savoir les transistors Tl, T2 et les diodes Dl, D2 peuvent être conçus comme éléments de circuit intégré ou des éléments hybrides. La variante de la figure 5 se distingue de celle de la figure 4 en ce que le chemin transversal 9 comprend simplement l'enroulement W1 mais pas de transistor de commutation. Sa fonction est assurée par le branchement du chemin transversal 9 entre le transistor de commutation de démarrage T2 et l'enroulement W2, ce transistor T2 assurant ainsi cette fonction. Le fonctionnement est le suivant: on applique le courant à l'enroulement W1 en branchant le transistor T2. Puis, le transistor Tl se débloque, ce qui assure le pré-engrènement du démarreur. La fermeture du pont de contact principal 4 coupe le transistor T2. La phase de main- tien est commandée par un cadencement approprié par le transistor Tl. L'alimentation électrique se fait " en retour " par l'intermédiaire du pont de commutation principal 4 et de l'enroulement W1. L'avantage de cette variante est un circuit d'une technique plus simple que la variante représentée par exemple à la figure 4. Les avantages de l'invention peuvent se résumer de la ma- nière suivante: L'utilisation de transistors MOSFET classiques, liés à la conception du circuit aboutit à un circuit plus avantageux que dans les conceptions utilisant des transistors de puissance, du côté du potentiel haut. De plus, notamment dans les variantes à deux enroulements, l'utilisation de la répartition décrite de l'alimentation par un enroulement pour engrener et pour maintenir et ainsi qu'un enroulement indépendant de la température pour entraîner en rotation et pour engrener, offre une grande liberté de conception du relais du démarreur. En intégrant le dispositif de commande dans une gestion complète du moteur, on obtient les fonctionnalités suivantes: s L'appareil de commande du moteur peut déclencher le dé- marreur par l'intermédiaire d'une ligne de transmission de signal ou par une interface de bus. Le dispositif de commande a ainsi également une fonction d'amplification, de sorte que la commande du moteur ne recevra que de faibles courants. De plus, par l'intermédiaire de l'appareil de com- mande du moteur le déclenchement du démarreur permet des fonctions supplémentaires comme par exemple l'identification sans contact du con- ducteur ou encore un démarrage tactile, selon lequel le conducteur n'actionne que brièvement un bouton-poussoir de démarrage et l'opération de démarrage se termine d'elle-même lorsque le moteur tourne. Un fonc- tionnement marche/arrêt réduisant la consommation avec une coupure automatique du moteur lorsque le véhicule est à l'arrêt et un redémarrage automatique lors de l'actionnement de la pédale d'accélérateur sont éga- lement possibles. Enfin, une limitation maximale de la durée de démar- rage, une surveillance de la température, un engrènement en douceur et un démarrage tactile possibles avec une durée de fonctionnement faible, optimale du démarreur permettent d'allonger considérablement la durée de vie du démarreur. l1 R E V E N D I C A T I O N S REVENDICATIONS 1 ) Dispositif de commande du démarreur d'un moteur thermique com- prenant: - un enroulement d'engrènement et de maintien (W, Wl, W2) du pignon de démarreur et du pont de commutation principal (4) du démarreur, - des bornes de branchement (1, 2) pour l'alimentation de l'enroulement (M) du moteur du démarreur, - une borne de masse (5), - une borne de tension de fonctionnement (3), i0 - une installation de commutation principale (6, T2) pour l'actionnement du démarreur, et - une installation de commande de démarrage électronique (ESC), caractérisé par - un transistor de commutation classique (T 1) commandé par l'installation de commande électronique de démarrage (ESC), notam- ment un transistor MOS à effet de champ (TI) comme élément de commutation dont le chemin collecteur-émetteur est branché entre l'enroulement d'engrènement et de maintien (W, W2) et la borne de masse (5). 2 ) Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de commutation principale est constituée par l'interrupteur d'allumage (6). 3 ) Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'installation de commutation principale est formée par un transistor de commutation de démarrage (T2) entre la borne de tension de fonctionne- ment (3) et l'enroulement d'engagement et de maintien (W, Wl, W2), qui se commande par l'installation de commande électronique de démarrage (ESC) et par une pompe de charges (CP). 4 ) Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications i à3, caracterisee par une diode de protection contre les défauts de polarité (D2) branchée entre l'enroulement d'engrènement et de maintien (W, W2) et le transistor de commutation standard (T1). 5 ) Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu' un enroulement auxiliaire (W1), à brancher est formé d'un fil résistant, en parallèle à l'enroulement d'engrènement et de maintien (W2) pour alimen- ter l'enroulement (M) du moteur du démarreur, pour le lancer et pour fer- mer le pont de commutation principal (4). 6 ) Dispositif de commande selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'enroulement auxiliaire (W1) est commuté par un transistor de commuta- tion (T3) branché entre cet enroulement et l'enroulement (M) du moteur, ce transistor de commutation étant commandé par l'installation de com- mande de démarrage électronique (ESC).