Brevet FR2834756A1 — publié le 20030718

Circuit de commande électronique d'un démarreur de véhicule automobile. Domaine technique de l' invention L' invention est relative à un circuit de commande électronique d'un démarreur de véhicule automobile, comprenant un contacteur électromagnétique pour l'alimentation du moteur électrique du démarreur à partir de l'énergie de la batterie, et des moyens de commande comportant: - un commutateur électronique inséré électriquement en série dans l'étage de puissance avec la bobine du contacteur, - une unité de ge s t ion coopérant ave c le commotateur électronique pour le réglage du courant d' excitation de la bobine, - et une diode de roue libre connoctée en parallèle aux bornes de ladite bobine. Etat de la technique Un démarreur de véhicule automobile comporte d'une manière classique un moteur électrique rotatif dont l'artre de sortie est équipé d'un pignon mobile destiné à coopérer avec une couronne dentée pour assurer le démarrage du moteur à combustion du véhicule. Le pignon est généralement monté à coulissement sur l'arUre du moteur entre une position de repos dans laquelle il est désengagé de la couronne dentée, et une position active de travail dans laquelle il engrène avec ladite couronne, laquelle est lice en rotation au vilebrequin du moteur de véhicule. Le moteur électrique du démarreur est associé à un contacteur à électro- aimant disposé au-dessus du moteur, et ayant une double fonction d'alimentation du moteur électrique en courant, et de déplacement du pignon mobile entre les deux positions de repos et de travail. Le noyau mobile du contacteur est relié mécaniquement par un levier à un lanceur à roue libre auquel appartient le pignon. Le levier en forme de fourchette est monté à pivotement, et la roue libre est intercalée axialement entre le pignon et un moyeu, lequel est pourvu intérieurement de cannelures hélicoidales en prise avec des dentures complémentaires portées par l'arbre de sortie du moteur électrique. L' ensemble lanceur et pignon est ainsi animé d'un mouvement hélicoidal lors du déplacement du levier pour venir en prise avec la couronne dentée. L' excitation du contacteur est pilotée par l'actionnement de la clé de contact, qui ferme le circuit électrique vers la batterie. Sur la figure 1, un dispositif de commande électronique d'un contacteur CT électromagnétique de démarreur, comporte d'une manière bien connue une unité de gestion G formoe par un microcontrôleur coopérant avec un commutateur électronique, par exemple un transistor T1 du type MOSFET, connocté électriquement en série avec la bobine L d'actionnement du contacteur CT. Une diode de roue libre D2 est branchée en parallèle aux bornes de la bobine L, la cathode étant reliée au pôle positif de la batterie B. et l' anode au transistor T1. Le contact C de puissance du contacteur CT relie le moteur électrique M du démarreur au pôle positif de la batterie B. L'unité de gestion G pilote la grille du transistor T1 en mode impuleions, par exemple par modulation de largeur d'impuleions PWM, permettant d'obtenir une variation du rapport cyclique des impulsions de commande pour régler le courant efficace dans la bobine L du contacteur CT en fonction de différents paramètres. L'unité de gestion G sert également à gérer d'autres fonctions, notamment l'arrêt automatique du démarreur après démarrage, la protection contre les surintensités, et le suréchanffement en cas de tentatives de démarrage répétées, et la protection anti-démarrage lors de fausses manoeuvres. Elle est soit intégrce dans le démarreur, soit logée hors du démarreur dans un boîtier spécifique. Un tel dispositif est décrit dans le document FR-A-2770349. En cas d' intervention sur la batterie du véhicule lors d'une révision ou d'un dépannage, par exemple lors de la mise en place de la batterie ou de son remplacement, ou lors d'un démarrage par une batterie auxiliaire de secours, une connexion erronce des bornes de la batterie peut engendrer une inversion de polarité sur le démarreur. Sur le schéma électrique de la figure l, une telle inversion de polarité provoque une cTrculation d'un premier courant inverse Ic dans l'étage de puissance du transistor Tl à travers la bobine L, et d'un deuxième courant inverse Im dans le moteur M. Les inconvénients d'une mauvaise connexion électrique sont doubles: d'une part des problèmes de qualité et de fiabilté, car le courant inverse Ic de plusieurs centaines d'ampères, circule dans la diode roue libre D2, et provoque sa destruction. La bobine L du contacteur CT est alors excitée sous un courant de 50A, ce qui entraîne la fermeture du contact de puissance C et l'alimentation du moteur M électrique. Le sens de rotation est inversé pour un moteur M ayant un inducteur à aimant permanent. Le sens de rotation est normal pour un inducteur bobiné. - d'autre part des problèmes de sécurité, car pour un démarreur à inducteur bobiné, la rotation du démarreur provoque l'entraînement de la couronne dentée par le pignon. Si une vitesse est restée enclenchée dans la boîte de vitesse, il sera alors possible de déplacer le véhicule avec des risques d' accident ou de collision, et des risques d'incendie du démarreur si l' inversion de polarité est maintenue. Objet de l' invention Le but de l' invention consiste à réaliser un cTrcuit de commande électronique d'un contacteur de démarreur de véhicule automobile qui soit protégé contre les risques d' inversion de polarité, susceptibles d'être occasionnés par des connexions erronées de la batterie. Le dispositif selon l' invention est caractérisé en ce que l'étage de puissance comporte de plus un élément semi-conducteur unidirectionnel destiné à interdire le passage du courant en cas d'inversion de polarité de la batterie. Dans le cas d'une mauvaise connexion de la batterie o le pôle positif serait branché par erreur à la masse, la présence de l'élément semiconducteur unidirectionnel bloque le passage du courant dans l'étage de puissance lorsque l'interrupteur de démarrage est fermé. Toute inversion du courant est ainsi rendue impossible, et la bobine n'est pas excitée. Le contacteur reste ouvert en interdisant la rotation du moteur électrique du démarreur. Selon un mode de réalisation préférentiel, le commutateur électronique comporte un premier transistor commandé en mode d'impulsions par l'unité de gestion, et un deuxTème transistor disposé en série avec le premier transistor, et commandé en tout ou rien par une porte logique sensible à l'état ouvert ou fermé de l'interropteur de démarrage. L'élément semi-conducteur unidirectionnel de protection en inversion de polarité est formé avantageusement par une diode. Le premier transistor et le deuxième transistor du commutateur électronique sont formés par des transistors MOSFET. Le dispositif est complété ou est modifié par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison: - la diode de protection peut être connectée entre la batterie et la diode de roue libre, les cathodes des deux diodes étant communes; - la diode de protection peut être connectée entre la bobine et le premier transistor, les anodes des deux diodes étant communes i - la diode de protection peut être connectée entre le deuxième transistor et la masse; - la diode de protection peut être connectée entre la batterie et la bobine, l' anode de la diode de protection étant en liaison électrique avec la cathode de la diode de roue libre i - l'élément semi-conducteur unidirectionnel peut être formé par un transistor auxiliaire MOSFET; - le premier transistor peut être constitué par un transistor IGBT connocté entre l'anade de la diode de roue libre, et le deuxième transistor; - le commutateur électronique peut être constitué par un transistor TOPFET connecté entre la batterie et la cathade de la diode de roue libre. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l' invention donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté aux dessins annexés dans lesquels: - la figure l représente schématiquement le circuit de commande électronique d'un démarreur conforme à l'état de la technique; - la figure 2 montre le circuit de commande électronique d'un démarreur conforme à l' invention; - les figures 3 à 9 illustrent différentes variantes de réalisation du circuit de commande selon l' invention. Description d'un mode de réalisation préLérentiel. Sur la figure 2, l'étage de puissance l0 du cTrcuit de commande électronique de la bobine L du contacteur CT électromagnétique, comporte un premier transistor Tl commandé en modulation PWM par l'unité de gestion G comme dans le cas de la figure 1. La sortie Sl de l'unité de gestion G est connoctée à la grille du transistor Tl par un diviseur réaistif Rl-R2. En option, un deuxième transistor T2 de sécurité peut être inséré entre le premier transistor Tl et la masse, et est commandé en tout ou rien par une porte logique ET recevant un premier signal de commande issu de la sortie S2 de l'unité de gestion G. et un deuxième signal représentatif de l'état ouvert ou fermé de l'interrupteur K de la clé de contact. Le potentiel de la grille du transistor T2 est fixé par une résistance R3 connectée entre la sortie de la porte ET et la masse. Les deux transistors T1 et T2 sont connectés en série, et sont constitués à titre d'exemples par des transistors MOSFET canal N logique. Un tel montage permet une commande séaurisce de démarrage à faible courant. Les transistors MOSFET ont la particularité de posséder une diode en parallèle entre le drain et la source, ladite diode étant polarisée en inverse, c'est à dire la cathode en liaison électrique avec la borne positive de la batterie B. Selon l' invention, un élément semi-conducteur unidirectionnel déaigné par le repère général 12, est connocté dans le circuit électrique de l'étage de puissance 10 pour interdire le passage du courant lorsque la polarité de la batterie B a été inversée. L'élément semi-conducteur unidirectionnel 12 est constitué avantageusement par une diode D1 dont l' anode est en liaison avec la borne positive de la batterie B. et dont la cathode est connoctée à la cathode de la diode de roue libre D2. Les deux diodes D1 et D2 peuvent être logées dans un même boîtier double diode SchoLtky à cathodes communes, grâce auquel la diode D1 assure la protection en inversion de polarité, et la diode D2 assure la fonction roue libre du courant dans la bobine L du contacteur CT. L'utilisation d'un composant unique incorporant les deux diodes D1 et D2 permet d'obtenir une réduction de l'encombrement et du coût de la carte électronique. Le fonctionnement de l'étage de puissance 10 du cTrcuit de commande électronique du démarreur découle de la description précédente: - Dans le cas d'une polarité correcte de la batterie B comme représentée à la figure 2, une commande de démarrage normale intervient suite à la fermeture de l'interrupteur K de la clé de contact. Les deux transistors T1 et T2 sont commutés dans l'état conducteur autorisant la circulation du courant depuis le pôle positif de la batterie B vers la masse à travers respectivement la diode D1, la bobine L, le premier transistor T1, et le deuxième transistor T2. L' excitation de la bobine L provoque la fermeture du contact de puissance C du contacteur CT, et l'alimentation du moteur électrique M du démarreur. - Dans le cas d'une mauvaise connexion de la batterie B o le pôle positif serait branché par erreur à la masse, la présence de la diode D1 bloque le passage du courant dans l'étage de puissance lorsque l'interrupteur K est fermé. Toute inversion du courant est ainsi rendue impossible, et la bobine L n'est pas excitée. Le contacteur CT reste ouvert en interdisant la rotation du moteur M. Sur la variante de la figure 3, la diode D1 qui assure la protection en inversion de polarité, est insérce entre la bobine L et le premier transistor T1. L' anode de la diode D1 est branchée à cet effet à l' anode de la diode D2 de roue libre, et la cathode de D1 est connectée au drain du transistor T1. Par rapport au circuit de la figure 2, on simplifie la connectique interne du contacteur, car le pôle positif de la bobine L et de la batterie B sont communes, ce qui nécessite une seule connexion à cet endroit sur la carte électronique. Les diodes D1 et D2 sont constituées dans ce cas par des composants individuels, car un boîtier double diode intégrée n'existe pas en version anode commune. Dans le schéma de la figure 4, l'étage de puissance 10 est conforme à celui de la figure 2, mais la diode D1 qui assure la protection en inversion de polarité, est positionnée entre le transistor T2 et la masse. L' anode de la diode D1 est reliée électriquement à la source du transistor T2, et la cathode à la masse. Le fonctionnement est identique à celui du schéma de la figure 2, mais la référence de masse sur la source du transistor T2 est floUtante à cause de la tension de seuil (de l'ordre de 1V) de la diode D1. Sur l'autre variante de la figure 5, la diode D1 qui assure la protection en inversion de polarité, est connectée entre la batterie B et la bobine L, l' anode de D1 étant reliée électriquement à la cathode de la diode D2 de roue libre, et à la borne positive de la batterie B. La protection en inversion de polarité procurée par la diode D1 interdit uniquement la circulation du courant dans la bobine L. En référence à la figure 6, le circuit de commande est conforme à celui du montage de la figure 4, mais la diode D1 de protection contre l' inversion de polarité est remplacée par un transistor T3 auxiliaire du type MOSFET canal N. Le potentiel de grille du transistor T3 est ajusté par un pont comprenant une diode Zener D5 dont l' anode est branchée à la masse, et une résistance R4 relise électriquement à la borne positive de la batterie B. La chute de tension dans le transistor T3 sera plus faible que dans le cas de la diode D1, mais la référence de masse restera néanmoins décalée d'une valeur de l'ordre de 0,1V à 0,3V. Sur la figure 7, le transistor T3 auxiliaire du type MOSFET canal P est connecté entre la borne positive de la batterie B et la cathode de la diode de roue libre D2. Dans ce cas, le transistor T2 est branché directement à la masse, ainsi que la grille du transistor T3 auxiliaire. La chute de tension dans le transistor T3 sera également plus faible que dans le cas de la diode D1 de la figure 2. Sur la figure 8, le transistor T1 est formé par un transistor IGBT agencé entre la bobine L et le transistor T2. Le transistor T1 IGBT ne possède pas de diode en parallèle entre le drain et la source, et permettra de ce fait le blocage du courant en cas d'inversion de polarité. La diode D1 de la figure 2 n'est plus nécessaire, mais la chute de tension dans le transistor IGBT sera plus importante que dans un MOSFET. De plus, la commande du transistor T1 IGBT nécessite l' insertion d'un étage amplificateur 14 pour fournir un courant de commande suffisant. L'étage amplificateur 14 est d'un type connu en soi, par exemple avec deux étages d'amplificateurs à transistors Q1 et Q2, et une diode Zener Z1 dont l' anode est branchée à la masse, et la cathade est reliée au collecteur du transistor Q2 et à la grille du transistor Tl IGBT. Sur la figure 9, le transistor Tl est constitué par un transistor TOPFET relié entre la borne positive de la batterie B et la diode de roue libre D2 en parallèle sur la bobine L. Le transistor TOPFET ne présente pas de diode en parallèle entre le drain et la source, et comme dans le montage de la figure 8, il n'y a pas de problème potentiel lors de l' inversion de polarité. Le nombre de composants est réduit, et le transistor TOPFET en plus de sa fonction de contrôle de polarité, permet une protection combince thermique, de surintensité et de surtension. Il est clair que tout autre moyen de protection contre l' inversion de polarité peut être utilisé dans le dispositif de commande électronique du contacteur CT de démarreur. REVENDICATIONS 1. Circuit de commande électronique d'un démarreur de véhicule automobile, comprenant un contacteur (CT) électromagnétique pour l'alimentation du moteur électrique (M) du démarreur à partir de l'énergie de la batterie (3), et des moyens de commande comportant: un commutateur électronique inséré électriquement en série dans l'étage de puissance (10) avec la bobine (L) du contacteur (CT), - une unité de gestion (G) coopérant avec le commutateur électronique pour le réglage du courant d' excitation de la bobine (L), - et une diode de roue libre (D2) connectée en parallèle aux bornes de ladite bobine (L), caractérisé en ce que l'étage de puissance (10) comporte de plus un élément semi-conducteur unidirectionnel destiné à interdire le passage du courant en cas d' inversion de polarité de la batterie (B). 2. Circuit de commande électronique d'un démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le commutateur électronique comporte un premier transistor (T1) commandé en mode d'impulsions par l'unité de gestion (G), et un deuxième transistor (T2) disposé en série avec le premier transistor (T1) et commandé en tout ou rien par une porte logique (ET) sensible à l'état ouvert ou fermé de l'interrupteur de démarrage K. 3. Circuit de commande électronique d'un démarreur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément semi-conducteur unidirectionnel de protection en inversion de polarité est formé par une diode (D1). 4. Circuit de commande électronique d'un démarreur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la diode (D1) de protection est connoctée entre la batterie (B) et la diode (D2) de roue libre, les cathodes des deux diodes (D1, D2) étant communes. 5. Circuit de commande électronique d'un démarreur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la diode (D1) de protection est connectée entre la bobine (L) et le premier transistor (T1), les anodes des deux diodes (D1, D2) étant communes. 6. Circuit de commande électronique d'un démarreur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la diode ( D1) de protection est connectée entre le deuxième transistor (T2) et la masse. 7. Circuit de commande électronique d'un démarreur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la diode (D1) de protection est connectée entre la batterie (B) et la bobine (L), l'anade de la diode (D1) de protection étant en liaison électrique avec la cathode de la diode ( D2) de roue libre. 8. Circuit de commande électronique d'un démarreur selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le premier transistor (T1) et le deuxième transistor (T2) du commutateur électronique sont formés par des transistors MOSFET. 9. Circuit de commande électronique d'un démarreur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément semi-conducteur unidirectionnel est formé par un transistor auxiliaire (T3) du type MOSFET. 10. Circuit de commande électronique d'un démarreur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le transistor auxiliaire (T3) est branché entre le deuxième transistor (T2) et la masse. 11. Circuit de commande électronique d'un démarreur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le transistor auxiliaire (T3) est branché entre la batterie (B), et la cathode de la diode (D2) de roue libre. 12. Circuit de commande électronique d'un démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier transistor (T1) est constitué par un transistor IGBT connocté entre l'anade de la diode (D2) de roue libre, et le deuxième transistor (T2). 13. Circuit de commande électronique d'un démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le commutateur électronique est constitué par un transistor TOPFET connecté entre la batterie