Brevet FR2923551A1 — publié le 20090515

Système et procédé de démarrage d'un moteur thermique La présente invention concerne un système et un procédé de démarrage d'un moteur thermique, notamment par grands froids. De façon classique, le démarrage des moteurs thermiques est effectué à l'aide d'un démarreur alimenté en courant électrique par une batterie, habituellement de 12 Volts pour les moteurs des véhicules automobiles. Lorsque la température extérieure est basse, le démarrage des moteurs thermiques est souvent difficile, long ou même impossible. Ceci est dû au fait, d'une part, que la puissance délivrée par la batterie diminue avec la température de la batterie et, d'autre part, à l'augmentation des frottements internes dans le moteur, lesquels sont plus importants lorsque la température du moteur est basse car la viscosité de l'huile de lubrification du moteur est plus faible. Dans les pays où l'hiver est rigoureux, les batteries des véhicules disposent souvent de moyens de chauffage, par exemple des résistances chauffantes qui peuvent être alimentées en courant électrique par le réseau électrique extérieur aux véhicules. La figure 1 représente le schéma électrique du système classique de démarrage d'un moteur thermique. Une batterie 10 est connectée électriquement à un démarreur 11, lequel n'est autre qu'un moteur électrique dont l'arbre de sortie entraîne en rotation le volant du vilebrequin (non représenté) du moteur. La batterie 10 est relié au réseau de bord 12 du véhicule afin d'alimenter des consommateurs électriques (non représentés), tels que les essuie-glaces, les phares, etc. Cependant, de plus en plus de véhicules à moteur thermique possèdent un système additionnel de démarrage du moteur thermique. C'est le cas par exemple des véhicules équipés d'un système de récupération d'énergie (par exemple l'énergie de décélération est récupérée pour recharger un organe de stockage d'énergie électrique) ou un système Stop & Start qui automatiquement arrête le moteur thermique lorsque la vitesse du véhicule est en dessous d'un seuil déterminé (par exemple 5 km/h) et remet le moteur en marche dés que le conducteur manifeste son intention de redémarrer, ou plus généralement un système de chaîne de traction hybride. Ces véhicules sont généralement munis de deux sources d'énergie électrique et de deux systèmes de démarrage du moteur thermique, à savoir une batterie traditionnelle généralement de 12 Volts pouvant actionner un démarreur classique et un organe de stockage d'énergie électrique pouvant alimenter un alterno-démarreur. Ce dernier est un alternateur réversible, c'est-à-dire un appareil fonctionnant en alternateur, donc fournissant du courant électrique à un organe de stockage d'énergie lorsqu'il est entraîné en rotation par le vilebrequin du moteur, et inversement fonctionnant en démarreur, c'est-à-dire en moteur électrique fournissant de l'énergie mécanique au vilebrequin lorsqu'il est alimenté en courant électrique. L'alterno-démarreur est généralement couplé à une batterie ou à un supercondensateur. Par temps froids, l'énergie délivrée par la batterie est limitée et les frottements internes du moteur sont plus élevés, ce qui rend les démarrages du moteur thermique difficiles. De plus, la résistance interne de la batterie augmente quand sa température diminue. Ceci entraîne des chutes de tension de la batterie plus importantes lors des démarrages à froid d'où des risques de déconnexion ou d'extinction du calculateur du véhicule (le calculateur cesse en effet de fonctionner si la tension de la batterie descend en dessous de 5 ou 6 Volts). Ce calculateur gère le fonctionnement du moteur, par exemple l'injection de carburant dans les cylindres et s'il ne fonctionne plus, le démarrage du moteur et même tout le fonctionnement du véhicule devient impossible. La présente invention propose une solution pour permettre un démarrage plus facile des moteurs thermiques, notamment par grands froids. De façon plus précise, l'invention concerne un système de démarrage d'un moteur thermique comprenant un alterno-démarreur et une première source d'énergie électrique pouvant fournir de l'énergie électrique à l'alterna- démarreur. Selon l'invention, le système comporte en outre une deuxième source d'énergie électrique et, pour le démarrage du moteur, des moyens pour connecter en parallèle la première et la deuxième source d'énergie électrique. Lesdits moyens peuvent être constitués principalement par un interrupteur lorsque les tensions électriques de la première et de la deuxième source d'énergie électrique sont sensiblement identiques ou par un convertisseur DC/DC lorsque les tensions électriques de la première et de la deuxième source d'énergie électrique sont sensiblement différentes. La première source d'énergie électrique peut être un supercondensateur ou une batterie et la deuxième source d'énergie électrique peut être une batterie. L'invention concerne également un procédé de démarrage d'un moteur thermique à l'aide d'un alterno-démarreur, selon lequel de l'énergie électrique provenant d'une première source d'énergie électrique est fournie à l'alterno-démarreur. Selon l'invention, la deuxième source d'énergie électrique est connectée en parallèle avec la première source d'énergie électrique pendant la phase de démarrage du moteur thermique. La connexion en parallèle peut n'être ordonnée que si au moins l'une des conditions suivantes se produit : - la température ambiante est inférieure à un seuil prédéterminé ; 20 - il s'agit du premier démarrage de la journée. Par température ambiante, on entend la température régnant autour du véhicule, par exemple la température extérieure ou la température du garage dans lequel le véhicule est stationné. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au 25 cours de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : - la figure 1 (art antérieur) montre le schéma électrique classique de connexion d'un démarreur à une batterie ; 30 - la figure 2 illustre une forme de réalisation générale du système selon l'invention ; - la figure 3 illustre un mode particulier de réalisation de l'invention ; - la figure 4 montre l'évolution du régime moteur thermique et de la tension aux bornes de la batterie en fonction du temps pour un démarrage à l'aide d'un démarreur alimenté par une batterie ; - la figure 5 montre l'évolution du régime moteur thermique et de la tension aux bornes d'un supercondensateur en fonction du temps pour une tentative de démarrage à l'aide d'un alterno-démarreur alimenté par le supercondensateur ; et - la figure 6 montre l'évolution, en fonction du temps, du régime moteur thermique et des tensions aux bornes d'une batterie et d'un supercondensateur, le démarrage du moteur se faisant à l'aide de l'alternodémarreur alimenté par le supercondensateur et par la batterie. La présente invention s'applique dans le cas de véhicules équipés de deux sources d'énergie électrique : la première source d'énergie peut être une batterie ou un supercondensateur relié à un alterno-démarreur ; la deuxième source pouvant être une batterie, généralement de 12 Volts, qui alimente le réseau de bord des véhicules. Le démarrage du moteur thermique est assuré par l'alterno-démarreur alimenté par la première source d'énergie électrique et alimenté également par la deuxième source d'énergie. Cette deuxième source apporte un surcroît de puissance lors de la phase de démarrage, et plus particulièrement lorsque la température du moteur thermique est basse, par exemple par grands froids. La figure 2 représente schématiquement un mode réalisation général du système de l'invention. Un alterno-démarreur 20 est alimenté en courant par une première source d'énergie électrique 21. Une deuxième source d'énergie électrique 22 peut être reliée en parallèle à la première source 21, pendant la phase de démarrage du moteur thermique (non représenté) à l'aide de moyens de connexion 23. Les sources d'énergie électrique 21 sont rechargées par l'alterno-démarreur lorsque ce dernier fonctionne en alternateur. Les moyens de connexion 23 sont pilotés par un circuit logique 24 qui peut être par exemple le calculateur de gestion du fonctionnement du moteur ou un circuit dédié. Ces moyens de connexion sont rendus passants lorsqu'ils reçoivent du circuit logique 24 un signal 25 indiquant la volonté du conducteur du véhicule de mettre le moteur en marche. Ce signal peut être consécutif à l'introduction de la clé de contact au tableau de bord ou au déverrouillage des portes du véhicule depuis l'extérieur du véhicule. Lorsque les moyens de connexion 23 sont passants, c'est-à-dire pendant la phase de démarrage du moteur, de l'énergie électrique est puisée dans la deuxième source 22 pour s'ajouter à l'énergie fournie à l'alterno-démarreur 20 par la première source 21, un courant électrique i2 issu de la deuxième source 22 s'ajoutant au courant il fourni par la première source 21 afin d'alimenter l'alterno-démarreur 20. Lorsque les tensions des deux sources d'énergie 21 et 22 sont sensiblement identiques, les moyens de connexion 23 peuvent être constitués principalement par un interrupteur, tel qu'un relais par exemple ; c'est le cas si on utilise deux batteries 12 Volts par exemple. On remarque que le démarreur classique (non représenté) n'est pas utilisé pour le démarrage du moteur thermique. La figure 3 représente un mode de réalisation particulier. La première source d'énergie électrique (21 sur la figure 2) est un supercondensateur 30, ce qui est intéressant puisque, comparé à une batterie au plomb, un supercondensateur présente de meilleures performances électriques à froid. La deuxième source d'énergie (22 sur la figure 2) est une batterie 31, par exemple la batterie traditionnelle de 12 Volts qui alimente des consommateurs électriques (non représentés) du réseau de bord des véhicules. Un alterno-démarreur 32 peut être alimenté par le supercondensateur 30, ainsi que par la batterie 31. Les moyens de connexion 23 de la figure 2 sont constitués principalement par un convertisseur DC/DC 33 piloté comme précédemment par un circuit logique 34 de façon à connecter en parallèle la batterie 31 avec le supercondensateur 30. Lorsque le convertisseur 33 est passant, dans le sens 31 vers 30, pendant la phase de démarrage du moteur thermique, l'énergie de la batterie 31 est apportée à l'alterno-démarreur 32, en complément de l'énergie fournie par le supercondensateur 30. Un courant i3 issu de la batterie 31 s'ajoute alors, à l'endroit du circuit référencé 35, au courant i4 fourni par le supercondensateur 30. La tension électrique de charge d'un supercondensateur est généralement supérieure aux 12 Volts d'une batterie classique. En conséquence, pour pouvoir connecter en parallèle la batterie 31 avec le supercondensateur 30, il est nécessaire d'élever la tension électrique de la batterie 31 à un niveau proche de la tension du supercondensateur: c'est le rôle du convertisseur DC/DC 33. Ce dernier a généralement une puissance de l'ordre de 1 à 3 kW. Cette puissance peut donc être mise directement à contribution pour assister le supercondensateur 30 pendant la phase de démarrage à froid. Le pilotage du convertisseur DC/DC 33, et plus généralement des moyens de connexion 23, peut tenir compte de la température ambiante. Le circuit logique peut rendre les moyens de connexion 23 passants, uniquement lorsque la température ambiante est inférieure à un seuil prédéterminé (par exemple 0 °C). Si la température ambiante est supérieure au seuil de température prédéterminé, l'énergie fournie à l'alterno-démarreur 20 ou 32 pour le démarrage du moteur ne provient alors plus que de la première source 21 ou que du supercondensateur 30. La connexion en parallèle des deux sources d'énergie peut n'être ordonnée que si au moins l'une des conditions suivantes se produit : - la température ambiante est inférieure à un seuil prédéterminé ; - il s'agit du premier démarrage de la journée. Par température ambiante, on entend la température régnant autour du véhicule, par exemple la température extérieure ou la température du garage dans lequel le véhicule est stationné. La figure 4 montre l'évolution du régime moteur, en tours/minute, (courbe 40) et de la tension aux bornes de la batterie (courbe 41) en fonction du temps (en secondes) lors d'un démarrage d'un moteur thermique à l'aide d'un démarreur classique et de la batterie alimentant le réseau de bord. On remarque que le temps de démarrage est relativement long (environ 7 secondes) et que le régime du moteur jusqu'au démarrage proprement dit est assez bas (environ 150 tours/minute). De plus, la courbe 41 montre des chutes de tension relativement importantes aux bornes de la batterie. La figure 5 représente différentes caractéristiques pour un démarrage d'un moteur thermique à l'aide d'un alterno-démarreur et d'un supercondensateur : le régime du moteur thermique (courbe 50), la tension aux bornes de la batterie (courbe 51) et aux bornes du supercondensateur (courbe 52) en fonction du temps (en secondes). La tension aux bornes de la batterie du réseau de bord (courbe 51) ne varie pas, puisque la batterie n'est pas mise à contribution pour le démarrage. On remarque que le régime moteur (courbe 50), en tours/minute, est bas et ne permet pas de démarrer le moteur thermique, le couple à bas régime n'étant pas suffisant pour assurer un démarrage. La figure 6 représente les mêmes caractéristiques que dans le cas de la figure 5 mais pour un démarrage effectué à l'aide d'un alternodémarreur alimenté par un supercondensateur et une batterie (batterie de 12 Volts du réseau de bord), le supercondensateur et la batterie étant connectés en parallèle. La tension aux bornes de la batterie (courbe 60) reste pratiquement stable, ce qui évite une éventuelle coupure du calculateur de gestion du fonctionnement moteur. La tension aux bornes du supercondensateur (courbe 61) ne chute que légèrement (pendant la période s'étendant de 0,5 à 1,5 secondes). La courbe 62 montre l'évolution du régime moteur, en tours/minute, en fonction du temps (en secondes). Comparé à la figure 4, on remarque que dans le cas de la figure 6 le démarrage est rapide et sans à-coups, le régime moteur passant de 0 à plus de 1.400 tours/minute en moins de 2 secondes. II est évident, au vue de la figure 6, que le soutient apporté par la batterie du réseau de bord au supercondensateur est très avantageux. Cette solution permet des démarrages à froid, même par très grands froids (par exemple -30°C), et une réduction des temps de démarrage. Elle permet également de supprimer le démarreur classique ce qui procure un gain économique. Des essais réalisés avec une architecture identique à celle représentée sur la figure 3 et avec un convertisseur DC/DC de 1,5 kW ont montrés des temps de démarrage divisés par 2, voire par 3, à -25°C pour un moteur Diesel de 2,0 litres de cylindrée. D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la 10 présente invention. REVENDICATIONS 1. Système de démarrage d'un moteur thermique comprenant un alterno-démarreur (20) et une première source d'énergie électrique (21) pouvant fournir de l'énergie électrique à l'alterno-démarreur, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième source d'énergie électrique (22) et, pour le démarrage du moteur, des moyens (23) pour connecter en parallèle la première (21) et la deuxième (22) source d'énergie électrique. 2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens (23) sont constitués principalement par un interrupteur lorsque les tensions électriques de la première et de la deuxième source d'énergie électrique sont sensiblement identiques. 3. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens (23) sont constitués principalement par un convertisseur DC/DC (33) lorsque les tensions électriques de la première et de la deuxième source d'énergie électrique sont sensiblement différentes. 4. Système selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la première source d'énergie électrique est un supercondensateur (30). 5. Système selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la première source d'énergie électrique (21) est une batterie. 6. Système selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la deuxième source d'énergie électrique est une batterie (31). 7. Procédé de démarrage d'un moteur thermique à l'aide d'un alterno-démarreur (20), selon lequel de l'énergie électrique provenant d'une première source d'énergie électrique (21) est fournie à l'alternodémarreur, le procédé étant caractérisé en ce qu'une deuxième source d'énergie électrique (22) est connectée en parallèle avec la première source d'énergie électrique pendant la phase de démarrage du moteur thermique. 9 8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la première source d'énergie électrique est un supercondensateur (30). 9. Procédé selon l'une des revendications7 et 8 caractérisé en ce que la deuxième source d'énergie électrique est une batterie (31). 10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9 caractérisé en ce que les deux sources d'énergie électrique sont connectée en parallèle pour le démarrage du moteur thermique uniquement si au moins l'une des conditions suivantes se produit : - la température ambiante est inférieure à un seuil prédéterminé ; 10 - il s'agit du premier démarrage de la journée. 15 20 25