Brevet FR2942359A1 — publié le 20100820

Dispositif et procédé d'aide au démarrage d'un moteur thermique [000li La présente invention concerne un dispositif et un procédé d'aide au démarrage du moteur thermique d'un véhicule, notamment en évitant une chute de tension trop importante dans le réseau de bord par lequel sont alimentés différents organes du véhicule. [0002] Différents organes électriques des véhicules automobiles, tels que les essuie-glaces, l'autoradio ou le climatiseur par exemples, sont alimentés en énergie électrique par le réseau de bord lequel est relié à un générateur de courant (alternateur ou alterno-démarreur) et à une source d'énergie électrique (souvent une batterie). Le moteur thermique du véhicule est classiquement mis en marche à l'aide d'un démarreur qui est connecté à la batterie. Au moment de la mise en marche du moteur, la batterie doit fournir la puissance électrique nécessaire au démarrage du moteur ainsi que l'énergie nécessaire au bon fonctionnement des organes électriques connectés au réseau de bord. Cependant, au moment du démarrage, il se produit un appel de courant important qui, si la batterie est de capacité trop faible ou insuffisamment chargée, peut provoquer une chute de tension telle que des calculateurs peuvent s'arrêter de fonctionner, la tension fournie par le réseau de bord étant insuffisante pour assurer leur fonctionnement. Cela peut engendrer une impossibilité de démarrer le moteur. De plus, certains organes alimentés par le réseau de bord peuvent cesser de fonctionner (par exemple, coupure de l'autoradio). [0003] Afin de résoudre ce problème, différentes solutions ont déjà été proposées. Ainsi, certains véhicules comportent une source d'énergie électrique supplémentaire (une deuxième batterie ou un ensemble de condensateurs), qui peut être connectée en parallèle avec la batterie principale. Selon l'état de charge des batteries, le démarrage du moteur thermique est alors assuré par la batterie principale avec ou sans l'aide de la batterie supplémentaire pendant toute la phase de démarrage du moteur. La batterie principale participe dans tous les cas au démarrage du moteur : le réseau de bord, alimenté par cette batterie, peut alors subir une chute de tension importante, avec les inconvénients mentionnés précédemment. De plus, afin de s'assurer du bon fonctionnement des organes connectés au réseau de bord, la 2 capacité de la batterie supplémentaire est généralement surdimensionnée. Il en résulte un coût supplémentaire et un volume important utilisé dans le véhicule. [0004] Les brevets FR 2 895 953 et FR 2 869 469 concernent un dispositif de protection du réseau de bord d'un véhicule permettant d'éliminer les chutes de tension. Un organe du réseau de bord susceptible de provoquer une chute de tension peut être déconnecté du réseau de bord et alimenté par une source d'énergie additionnelle. Ces brevets ne concernent pas spécifiquement la phase de démarrage du moteur thermique. [0005] La présente invention concerne un dispositif et un procédé d'aide au démarrage du moteur thermique d'un véhicule ne présentant pas les inconvénients des solutions proposées par l'art antérieur et permettant notamment d'utiliser une source d'énergie électrique additionnelle dimensionnée de façon plus réduite que les dispositifs actuels. [0006] De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif d'aide au démarrage d'un moteur thermique d'un véhicule comprenant une source d'énergie électrique principale, une source d'énergie électrique additionnelle, un réseau de bord et un démarreur pouvant être connecté auxdites sources d'énergie. Selon l'invention, le dispositif comporte des moyens d'isolation permettant, pendant la phase de démarrage du moteur, d'isoler du démarreur le réseau de bord et l'une des sources d'énergie. [0007] Lesdits moyens d'isolation peuvent comporter un premier interrupteur placé entre la source d'énergie principale et le démarreur et un deuxième interrupteur placé entre la source d'énergie additionnelle et le démarreur, et des moyens de commande desdits interrupteurs. Ces derniers peuvent par exemple comporter des transistors de puissance. [0008] Le dispositif peut comporter des moyens de mesure d'une grandeur caractéristique de l'alimentation électrique du démarreur. [0009] Selon un mode de réalisation, ladite grandeur est le courant électrique alimentant le démarreur. 3 [ooio] Selon un autre mode réalisation, ladite grandeur électrique est la tension électrique aux bornes, d'une part, de la source d'énergie principale et, d'autre part, de la source d'énergie additionnelle. [0011] Lesdits moyens de commande peuvent avantageusement comporter un dispositif de gestion et de recharge (un calculateur par exemple) relié auxdits moyens de commande, ledit dispositif pilotant les interrupteurs et la recharge de la source d'énergie additionnelle et comprenant des moyens de mémorisation d'une stratégie prédéfinie de commande des interrupteurs en fonction de la valeur de ladite grandeur. [0012] Selon un mode de réalisation, lesdites sources d'énergie peuvent être connectées en parallèle au démarreur, ledit premier interrupteur étant placé entre la source d'énergie principale et le démarreur et le deuxième interrupteur étant placé entre la source d'énergie additionnelle et le démarreur. Un organe de génération de courant (un alternateur par exemple) peut être connecté en parallèle avec le démarreur. [0013] L'invention concerne également un procédé d'alimentation du démarreur d'un moteur thermique pendant le démarrage du moteur, selon lequel le démarreur peut être alimenté par une source d'énergie principale et une source d'énergie additionnelle. Le procédé consiste à mesurer une grandeur caractéristique de l'alimentation électrique du démarreur et à alimenter, pendant le démarrage, le démarreur par la source d'énergie principale et/ou par la source d'énergie additionnelle en fonction de la valeur de ladite grandeur. [0014] La grandeur mesurée peut représenter le courant électrique alimentant le démarreur ou la tension électrique aux bornes des sources d'énergie et éventuellement le temps qui s'est écoulé depuis le début de l actionnement du démarreur jusqu'à ce que ladite grandeur atteigne une valeur prédéterminée. [0015] De façon avantageuse, une valeur seuil de courant est prédéfinie et l'on passe d'une phase d'alimentation du démarreur par la source d'énergie principale à une phase d'alimentation par la source d'énergie additionnelle, ou inversement, en fonction de la comparaison de la valeur du courant alimentant le démarreur avec ladite valeur seuil. 4 [0016] Alternativement, une valeur seuil de tension peut être prédéfinie et l'on passe d'une phase d'alimentation du démarreur par la source d'énergie principale à une phase d'alimentation par la source d'énergie additionnelle, ou inversement, en fonction de la comparaison de la valeur des tensions électriques mesurées aux bornes des sources d'énergie avec ladite valeur seuil. [0017] Ladite valeur de seuil est de préférence choisie en fonction d'une valeur de courant ou de tension électrique en dessous de laquelle au moins un consommateur électrique alimenté par le réseau de bord du véhicule ne fonctionne pas correctement. [oois] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : • la figure 1 montre schématiquement un mode de réalisation de l'invention sous forme de blocs, • la figure 2 montre l'évolution de l'intensité du courant I alimentant un démarreur en fonction du temps t écoulé depuis le début de l'action de démarrer le moteur, et • la figure 3 illustre un exemple de stratégie de pilotage d'un dispositif conforme à l'invention. [0019] Sur la figure 1 qui représente schématiquement un mode de réalisation de l'invention, un organe de démarrage 10 du moteur thermique (non représenté) d'un véhicule peut être connecté à une source d'énergie électrique principale 12, par exemple une batterie au plomb de 12 Volts. L'organe de démarrage 10 peut être par exemple un démarreur ou un alterno-démarreur (par soucis de clarté, l'organe de démarrage 10 sera désigné par la suite par le terme � démarreur �). Le réseau de bord 14 du véhicule, qui comprend de nombreux dispositifs consommateurs d'énergie électrique (tels que par exemple les phares, l'autoradio, le climatiseur, les essuie-glaces, etc.), est connecté à la batterie 12 et alimenté par cette dernière. [0020] Les différents éléments du dispositif d'aide au démarrage du moteur thermique sont délimités sur la figure 1 par le cadre 15. [0021] Une borne de la batterie 12 est reliée à la masse, l'autre borne étant connectée au réseau de bord 14 et au démarreur 10 par l'intermédiaire d'un premier interrupteur 16. La mise en marche du démarreur 10 provoque une chute de tension sur le réseau de bord 14 qui peut provoquer l'arrêt de certains organes alimentés par 5 le réseau de bord, comme par exemple des calculateurs. La présente invention apporte une solution à ce problème. [0022] Une source d'énergie électrique additionnelle 18, par exemple une batterie ou un ensemble de condensateurs connectés en parallèle (souvent désigné par le terme � super capacités �), est connectée au démarreur 10 par l'intermédiaire d'un deuxième interrupteur 20 et à la batterie 12 par l'intermédiaire des deux interrupteurs 16 et 20. Par � interrupteur �, on désigne ici, aussi bien pour le premier que pour le deuxième interrupteur, un dispositif de commutation permettant d'alimenter le démarreur 10 par la batterie 12 ou par la source d'énergie additionnelle 18. Ces interrupteurs peuvent être avantageusement réalisés à l'aide de transistors de puissance, par exemple du type MOSFET, par exemple plusieurs transistors connectés en parallèle pour pouvoir supporter les fortes intensités des courants de démarrage (le terme � démarrage � comprend aussi bien le démarrage proprement dit que le redémarrage du moteur thermique, par exemple dans le cas d'un véhicule équipé d'un système d'arrêt et de redémarrage automatique du moteur thermique, tel que le système Stop & Start). [0023] Un organe de génération de courant 22 (par exemple un alternateur ou un alterno-démarreur) peut être connecté à la batterie 12, au réseau de bord 14 et à la source additionnelle 18 ; il permet la recharge de la batterie et de la source d'énergie additionnelle et l'alimentation des différentes fonctions électriques du réseau de bord lorsque le moteur thermique est en marche. [0024] Un dispositif 24 d'écrêtage des surtensions et des tensions négatives est connecté entre le premier interrupteur 16 et la masse. Ce dispositif vise à protéger l'organe de génération de courant 22 et les interrupteurs 16 et 20 contre les surtensions et les tensions négatives lors de l'ouverture de l'interrupteur 16 ou 20. Ce dispositif 24 permet une recirculation du courant pendant le hachage à chaque ouverture d'un interrupteur ce qui évite ou limite les surtensions (lorsque l'interrupteur 20 est fermé il est en effet intéressant d'adopter une stratégie de hachage pour limiter 6 le courant de recharge de la source additionnelle 18 afin de ne pas provoquer une chute de tension trop importante sur le réseau de bord). [0025] Des dispositifs de mesure 26, 28 et 30 permettent la mesure d'une grandeur caractéristique de l'alimentation électrique du démarreur. La représentation de ces dispositifs sur la figure 1 est symbolique car, comme indiqué ci-après, ils peuvent concerner, soit des mesures de courant, soit des mesures de tension. Les valeurs de courant et/ou de tension sont utilisées pour définir des lois d'ouverture ou fermeture des interrupteurs 16 et 20. [0026] Selon un mode de réalisation, les dispositifs de mesure 26, 28 et 30 concernent le courant électrique traversant le démarreur. Le dispositif de mesure 30 permet de mesurer éventuellement la somme des courants traversant les interrupteurs 16 et 20 (bien que la somme des courants ne soit pas utilisée pour la mise en oeuvre de l'invention telle que décrite). [0027] Le courant traversant l'interrupteur 20 pourrait être déduit des caractéristiques de la source additionnelle 18 et de la mesure de la tension à l'entrée de l'interrupteur 20. Les mesures de courant peuvent être faites par exemple à l'aide de capteurs à effet Hall. [0028] Selon une autre variante de réalisation de l'invention, on s'intéresse à la tension d'alimentation du démarreur. Dans ce cas, ce ne sont pas les courants qui sont mesurés, mais les tensions aux bornes de la batterie 12 et aux bornes de la source d'énergie additionnelle 18. On remarquera que la tension aux bornes de la batterie 12 est également la tension d'alimentation du réseau de bord et la tension à l'entrée de l'interrupteur 16, et donc à l'entrée du démarreur 10. [0029] Ainsi, lorsque les interrupteurs 16 et 20 sont respectivement fermé et ouvert, le dispositif 26 pourrait mesurer la tension à l'entrée du démarreur 10 et le dispositif 30 pourrait mesurer le courant d'alimentation du démarreur 10. Lorsque les interrupteurs 16 et 20 sont respectivement ouvert et fermé, le dispositif 28 pourrait mesurer la tension d'alimentation du démarreur 10 et le dispositif 30 pourrait mesurer le courant d'alimentation du démarreur 10. Lorsque les interrupteurs 16 et 20 sont tous les deux fermés, les dispositifs 26 et 28 pourraient mesurer la tension 7 d'alimentation du démarreur 10 et le dispositif 30 pourrait mesurer le courant d'alimentation du démarreur 10. [0030] Des moyens de commande, sous la forme d'un dispositif de commande externe 32, par exemple un calculateur, envoie des informations au dispositif d'aide au démarrage 15, par une ou plusieurs liaisons filaires et/ou via un ou plusieurs réseaux multiplexés. L'information envoyée peut être par exemple sous forme d'un simple niveau de tension et ne concerner qu'une phase de vie du véhicule (par exemple pour indiquer que le démarrage est en cours). [0031] Un dispositif de gestion et de recharge 34 est relié aux moyens de commande 32 ; il pilote les interrupteurs 16 et 20 ainsi que la recharge de la source d'énergie additionnelle 18 et comprend avantageusement un calculateur. La recharge de la source additionnelle 18 à l'aide de l'interrupteur 20 peut se faire en limitant ou non le courant. Les interrupteurs 16 et 20 peuvent être pilotés en fonction des mesures de courant et/ou de tension effectuées à l'aide des dispositifs de mesure 26, 28 et 30. Le dispositif de gestion et de recharge 34 comprend des moyens de mémorisation d'une stratégie prédéfinie de commande des interrupteurs en fonction des mesures de courant et/ou de tension. Comme indiqué par la suite, en regard des figures 2 et 3, une partie du pilotage pourra être faite à l'aide de la mesure d'un temps Ti. [0032] La figure 2 représente l'évolution typique, au cours du temps t, de l'intensité du courant électrique I alimentant un démarreur pendant la phase de démarrage d'un moteur thermique d'un véhicule automobile. Au moment du lancement du démarreur, il y a un fort appel de courant qui se traduit par un pic d'intensité 40 qui culmine à une valeur maximale I crête. Ce fort appel de courant dure pendant un temps indiqué par Ti sur la figure 2. Pendant le temps suivant, indiqué par T2, l'intensité du courant diminue ensuite pour osciller, sous forme d'une sinusoïde 42, entre une intensité maximale I max et une intensité minimale I min, avec une valeur moyenne I moy. La forme sinusoïdale du courant est due à l'énergie nécessaire à fournir au démarreur en fonction des cycles de fonctionnement du moteur (compression et décompression dans les cylindres). 8 [0033] La figure 3 illustre un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention, à l'aide du profil de l'intensité I du courant traversant le démarreur en fonction du temps t. Ce profil permet de distinguer différentes phases d'alimentation du démarreur. [0034] On désigne par I Switch l'intensité du courant au-dessus de laquelle il se produit une chute de tension trop importante sur le réseau de bord lorsque la batterie 12 alimente normalement le démarrage. En d'autres termes, pour cette intensité de courant, au moins l'un des organes électriques connectés au réseau de bord 14 ne fonctionne plus correctement du fait de la chute de tension. Par exemple, un calculateur peut ne plus fonctionner car la tension d'alimentation est trop faible. Un autre exemple est celui d'un autoradio quine fonctionne plus (la coupure de l'autoradio se produit généralement lorsque la tension d'alimentation est inférieure à environ 10,5 Volts). [0035] Lorsque le dispositif de commande externe 32 envoie un signal de demande de démarrage du moteur, le dispositif de gestion 34 gère alors la séquence suivante : [0036] Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, pendant la première phase (p1, qui s'écoule pendant le temps Ti où il existe un appel de courant important, le dispositif de gestion 34 choisit, en fonction de l'état de charge de la batterie 12, d'alimenter le démarreur 10 par la batterie 12 seule en commandant la fermeture de l'interrupteur 16 et l'ouverture de l'interrupteur 20 tout en limitant le courant d'alimentation à une valeur inférieure à (Switch . A noter que cette limitation n'est pas représentée sur la figure 3, qui représente le courant avant l'application du procédé de l'invention). Alternativement, cette phase peut être traitée comme une simple phase 2. [0037] Ensuite, lorsque le courant d'alimentation du démarreur est supérieur à 25 (Switch , ce qui correspond aux phases (p2 de la figure 3 (phases indiquées en hachurés, le courant I étant compris entre Imax et I Switch ),le dispositif de gestion 34 commande l'ouverture de l'interrupteur 16 et la fermeture de l'interrupteur 20, de sorte que la source d'énergie additionnelle 18 alimente seule le démarreur. La batterie 12 et le réseau de bord 14 sont alors isolés et le réseau de bord ne subit de chute de 30 tension pendant la ou les phases 2 due à la mise en marche du démarreur. 9 [0038] Lorsque le courant d'alimentation du démarreur est inférieur à ISwitch, ce qui correspond aux phases 93 de la figure 3, le dispositif de gestion 34 commande la fermeture de l'interrupteur 16 et l'ouverture de l'interrupteur 20, de sorte que la batterie 12 alimente seule le démarreur. [0039] Lorsque le moteur vient d'être mis en marche (phase de post-démarrage), sous réserve de l'état de charge et/ou de la tension de la batterie 12, l'interrupteur 16 peut être ouvert et l'interrupteur 20 fermé de sorte que la source d'énergie additionnelle 18 soit rechargée rapidement par le dispositif 22 de génération de courant sans que cela ne perturbe le réseau de bord 14 qui est isolé et ne subit donc pas de chute de tension. [0040] En cas d'appel de courant très important pendant le roulage du véhicule, la source d'énergie additionnelle 18 peut apporter l'énergie nécessaire pour assister la batterie 12 et alimenter momentanément le réseau de bord. [0041] Pendant un cycle de démarrage du moteur thermique, le démarreur peut donc être alimenté alternativement, et plusieurs fois, par la batterie 12 (phases 93) et par la source d'énergie additionnelle 18 (phases 92), en alternant les phases 92 et 93 en fonction de la valeur de l'intensité du courant alimentant le démarreur par rapport au courant prédéfini I Switch. [0042] Le dispositif d'aide au démarrage 15 de la figure 1 offre de nombreuses possibilités en jouant sur la fermeture et l'ouverture des interrupteurs 16 et 20. Par exemple, l'ouverture de l'interrupteur 16 permet d'isoler la batterie 12 et le réseau de bord 14 du démarreur 10. De même, l'ouverture de l'interrupteur 20 isole la source d'énergie additionnelle 18 du démarreur 10, de la batterie 12 et du réseau de bord 14. [0043] La possibilité d'alterner, pendant un même cycle de démarrage, l'alimentation du démarreur par la batterie et par la source additionnelle permet de diminuer la capacité de la source additionnelle par rapport aux dispositifs existants pour lesquels la batterie et/ou la source additionnelle alimentent le démarreur pendant tout le cycle de démarrage. La source additionnelle peut ainsi être d'un encombrement réduit et être moins onéreuse. De plus, la possibilité d'isoler le réseau de bord pendant la charge de la source d'énergie additionnelle permet de recharger la source 10 additionnelle plus rapidement et permet donc d'augmenter la disponibilité du système d'arrêt et de redémarrage automatique du moteur thermique (système Stop & Start) lorsque le véhicule en est muni. [0044] D'autres modes de réalisation que ceux décrits et représentés peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, le procédé décrit s'appuie sur des valeurs d'intensité de courant. Il est bien évidemment possible d'utiliser des valeurs de la tension d'alimentation du démarreur. REVENDICATIONS1. Dispositif (15) d'aide au démarrage d'un moteur thermique d'un véhicule comprenant une source d'énergie électrique principale (12), une source d'énergie électrique additionnelle (18), un réseau de bord (14) et un démarreur (10) pouvant être connecté auxdites sources d'énergie, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'isolation (16, 20, 34) permettant, pendant la phase de démarrage du moteur, d'isoler du démarreur (10) le réseau de bord (14) et l'une des sources d'énergie (12, 18). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens d'isolation comportent un premier interrupteur (16) placé entre la source d'énergie principale (12) et le démarreur (10) et un deuxième interrupteur (20) placé entre la source d'énergie additionnelle (18) et le démarreur (10), et des moyens de commande (32) desdits interrupteurs. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte des 15 moyens de mesure (26, 28, 30) d'une grandeur caractéristique de l'alimentation électrique du démarreur. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite grandeur est le courant électrique (I) alimentant le démarreur. 5. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite grandeur est la 20 tension électrique aux bornes, d'une part, de la source d'énergie principale (12) et, d'autre part, de la source d'énergie additionnelle (18). 6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de gestion et de recharge (34) relié auxdits moyens de commande (32), ledit dispositif de gestion et de recharge pilotant lesdits interrupteurs 25 (16, 20) et la recharge de la source d'énergie additionnelle (18) et comprenant des moyens de mémorisation d'une stratégie prédéfinie de commande des interrupteurs en fonction de la valeur de ladite grandeur. 11 12 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit dispositif de gestion et de recharge (34) comporte un calculateur. 8. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que lesdites sources d'énergie (12, 18) sont connectées en parallèle au démarreur (10), ledit premier interrupteur (16) étant placé entre la source d'énergie principale (12) et le démarreur (10) et le deuxième interrupteur (20) étant placé entre la source d'énergie additionnelle (18) et le démarreur (10).) 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un organe de génération de courant (22) connecté en parallèle avec le 10 démarreur (10). 10. Procédé d'alimentation, pendant le démarrage du moteur, du démarreur d'un moteur thermique muni d'un dispositif d'aide au démarrage conforme à l'une quelconque des revendications 3 à 7, selon lequel le démarreur (10) peut être alimenté par une source d'énergie principale (12) et une source d'énergie 15 additionnelle (18), le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer une grandeur caractéristique de l'alimentation électrique du démarreur (10) et à alimenter le démarreur (10), pendant le démarrage, par la source d'énergie principale (12) et/ou par la source d'énergie additionnelle (18) en fonction de la valeur de ladite grandeur. 11. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que la grandeur mesurée 20 représente le courant électrique (I) alimentant le démarreur (10), et en ce qu'au moins une valeur seuil de courant (I Switch ) est prédéfinie et en ce que l'on passe d'une phase d'alimentation 43) du démarreur par la source d'énergie principale (12) à une phase d'alimentation 42) par la source d'énergie additionnelle (18), ou inversement, en fonction de la comparaison de la valeur du courant alimentant le démarreur avec 25 ladite valeur seuil (lSwitch ). 12. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que la grandeur mesurée représente la tension électrique aux bornes des sources d'énergie, et en ce qu'au moins une valeur seuil de tension est prédéfinie et en ce que l'on passe d'une phase d'alimentation du démarreur par la source d'énergie principale à une phased'alimentation par la source d'énergie additionnelle, ou inversement, en fonction de la comparaison de la valeur des tensions électriques mesurées aux bornes des sources d'énergie avec ladite valeur seuil. 13. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que la grandeur mesurée 5 est caractéristique du temps (T1) qui s'est écoulé depuis le début de l'actionnement du démarreur jusqu'à ce que ladite grandeur atteigne une valeur prédéterminée. 14. Procédé selon l'une des revendications 11 et 12 caractérisé en ce que ladite valeur de seuil est choisie en fonction d'une valeur de courant ou de tension électrique en dessous de laquelle au moins un consommateur électrique alimenté par 10 le réseau de bord du véhicule ne fonctionne pas correctement. 15 20