Brevet FR2989123A1 — publié le 20131011

- 1 - PROCEDE DE COMMANDE D'UN DEMARREUR D'UN MOTEUR THERMIQUE DE VEHICULE AUTOMOBILE, DISPOSITIF DE COMMANDE ET DEMARREUR CORRESPONDANTS DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. De manière générale, l'invention concerne le domaine des démarreurs électriques de moteurs thermiques dans les véhicules automobiles. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de commande d'un démarreur, ainsi que le dispositif de commande correspondant. Elle concerne aussi un démarreur comprenant un tel dispositif de commande. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION. Lors de la mise sous tension d'un démarreur pour assurer le démarrage du moteur thermique du véhicule, il se produit un courant d'appel important qui est 15 proche du niveau de courant de court-circuit du démarreur, à savoir, un courant de l'ordre de 1000 Ampères. Ce courant décroît ensuite en intensité à mesure que l'induit du démarreur, correspondant au rotor de la machine, monte en vitesse. Une telle intensité initiale impose des contraintes de conception importantes sur le circuit électrique de puissance alimentant le démarreur, notamment sur le 20 contacteur électromagnétique et le moteur électrique du démarreur. Afin de contrôler et limiter le pic de courant en régime transitoire, il est connu d'insérer divers éléments passifs dans le circuit de puissance tels qu'une résistance de démarrage ou un élément inductif. Ces solutions donnent en général satisfaction dans des circonstances 25 normales d'utilisation d'un démarreur conventionnel alimentés par une batterie de 12 V, c'est-à-dire quand le démarreur est lancé pour une durée brève au moment où le conducteur du véhicule actionne la clé de contact. Il en est différemment en cas de démarrage difficile, notamment quand le moteur thermique est très froid, que l'alimentation en carburant est déficiente ou 30 qu'il existe une avarie quelconque sur le véhicule. Dans ces circonstances, il arrive que l'utilisateur fasse de multiples tentatives de démarrage successives dans l'espoir de faire démarrer le moteur thermique. Des paramètres "pire cas", qui ont été déterminés à partir des contraintes de démarrage à froid, peuvent être dépassés, et un effet cumulatif d'échauffement peut 35 conduire à la destruction du démarreur. - 2 - Des solutions visant à protéger un démarreur conventionnel en cas de démarrages difficiles sont connues de l'état de la technique. Par exemple, le dispositif pour la commande d'un démarreur de véhicule automobile divulgué dans la demande de brevet FR2770349 temporise les ordres de démarrage, et bloque la commande de l'alimentation du moteur électrique en fonction d'un ou de plusieurs paramètres de fonctionnement du démarreur et/ ou du moteur thermique. Le développement des véhicules hybrides fait apparaître de nouvelles contraintes sur les démarreurs. En effet, ces véhicules, bien qu'utilisant deux sources de propulsion, l'une thermique et l'autre électrique, nécessitent un équipement supplémentaire pour assurer le démarrage ou le redémarrage du moteur thermique dans certains cas tels que le premier démarrage à froid et le redémarrage du moteur thermique lorsque le véhicule est en mode tout électrique (mode dit "ZEV" en terminologie anglaise) pour éviter les à-coups de couple et une chute de la vitesse que provoquerait alors le démarrage du moteur thermique par le moteur électrique. Aujourd'hui cette fonction est généralement assurée par un démarreur 12 V ou un alterno-démarreur 12 V. Les problèmes présentés par ces types d'architectures et de solutions sont de deux ordres : - la batterie 12 V doit être dimensionnée pour permettre les démarrages par temps froid, ce qui amène à la surdimensionner. Il y a donc deux batteries aux cahiers des charges très contraignants, l'une pour les équipements haute tension comme le moteur électrique de traction et le compresseur de climatisation, et l'autre pour le réseau basse tension et l'alimentation du démarreur. On notera que les termes « haute tension » se réfèrent ici à des tensions supérieures à 14 V. - sur un véhicule hybride permettant des roulages en tout électrique, il peut être nécessaire de faire redémarrer le moteur thermique pour répondre à une demande de forte accélération. Les performances de démarrage alors demandées se trouvent très largement supérieures, en termes de couple et de puissance, à ce que permettent les démarreurs 12 V de types restant compatibles avec l'espace disponible sous le capot moteur. De plus, le moteur électrique de traction étant en utilisation, il ne peut être utilisé pour démarrer le moteur thermique sans générer des à-coups de couple et d'accélération au moment de l'accouplement au moteur thermique qui est alors à l'arrêt. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION. La présente invention vise donc un procédé et un dispositif de commande d'un démarreur de moteur thermique de véhicule automobile permettant de pallier les inconvénients des solutions connues de l'état qui ont été rappelés ci-dessus, et d'optimiser le fonctionnement d'un démarreur, notamment d'un démarreur de véhicule hybride. Le procédé dont il s'agit est du type de ceux consistant à contrôler une intensité d'un courant d'alimentation d'un moteur électrique à courant continu de ce 10 démarreur en fonction au moins d'un ordre de démarrage. Le procédé selon l'invention est remarquable en ce qu'il comprend un ensemble d'étapes effectué périodiquement: - une première étape de détection de conditions de démarrage difficile; - une seconde étape de détermination d'une loi d'évolution optimale de l'intensité du 15 courant d'alimentation correspondant à ces conditions de démarrage difficile; - une troisième étape de contrôle de cette intensité en fonction de la loi d'évolution optimale déterminée précédemment. La première étape du procédé selon l'invention comprend avantageusement une ou plusieurs mesures de premiers paramètres de fonctionnement choisis parmi 20 un premier groupe: - une première température du démarreur; - une seconde température des composants électroniques de puissance associés à ce démarreur; - une force électromotrice du moteur électrique; 25 - un temps de fonctionnement à partir de l'ordre de démarrage; - une vitesse de rotation du moteur thermique; - une tension d'alimentation du moteur électrique; - l'intensité du courant d'alimentation. De préférence, cette première étape comprend en outre une ou plusieurs 30 évaluations de seconds paramètres de fonctionnement choisis parmi un second groupe: - une première variation de la première température; - une seconde variation de la seconde température; - une dérivée temporelle de l'intensité du courant d'alimentation. - 4 - Cette première étape tire bénéfice de certaines de ces mesures et évaluations en comprenant en outre de préférence une estimation de la force électromotrice en fonction de la tension d'alimentation du moteur électrique, de l'intensité du courant d'alimentation, de la dérivée temporelle de cette intensité, d'une résistance interne et d'une self du moteur électrique. La loi d'évolution optimale est de préférence un asservissement de l'intensité du courant d'alimentation au moins en fonction du temps de fonctionnement et/ou en fonction de la de vitesse de rotation du moteur thermique mesurée ou bien estimée à partir de la force électromotrice du moteur électrique. Fort avantageusement, la première étape du procédé selon l'invention comprend en outre une vérification d'une loi d'évolution antérieure de l'intensité du courant d'alimentation. L'invention concerne aussi un dispositif de commande d'un démarreur d'un moteur thermique de véhicule automobile apte à la mise en oeuvre du procédé 15 décrit ci-dessus. Ce dispositif de commande est du type de ceux comprenant des moyens de contrôle d'une intensité d'un courant d'alimentation d'un moteur électrique à courant continu de ce démarreur et des moyens d'interface destinés à recevoir au moins un ordre de démarrage. 20 Ce dispositif de commande est remarquable en ce qu'il comprend en outre: - des moyens de mesure périodique de variables de fonctionnement du moteur électrique et/ ou du moteur thermique et/ou du dispositif de commande; - des moyens de mémorisation d'au moins une loi d'évolution optimale de l'intensité du courant d'alimentation dans des conditions de démarrage difficile; 25 - des moyens de détermination d'une valeur de consigne de cette intensité en fonction de ces variables de fonctionnement et d'au moins cette loi d'évolution optimale. Les moyens de contrôle de l'intensité du courant d'alimentation sont constitués de préférence par un hacheur série piloté par les moyens de 30 détermination de la valeur de consigne de l'intensité. Dans le dispositif de commande selon l'invention, les moyens de mesure périodique comprennent avantageusement un premier capteur de l'intensité du courant d'alimentation et un second capteur d'une tension d'alimentation du moteur électrique, et les moyens de mémorisation contiennent en outre des données 35 représentatives d'une résistance interne et d'une self du moteur électrique, ainsi que -5 - de préférence d'une constante de force électromotrice de ce moteur électrique. L'invention concerne également un démarreur d'un moteur thermique de véhicule automobile, remarquable en ce qu'il comporte le dispositif de commande décrit précédemment. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidentes pour l'homme de métier les perspectives offertes par l'invention concernant: - une utilisation de la batterie haute tension pour le démarrage sans contrainte supplémentaire nécessitant un surdimensionnement de cette batterie haute tension; - une diminution des contraintes sur la batterie 12 V; - une réduction des contraintes sur le réseau basse tension; - une limitation du courant d'alimentation du démarreur et une diminution des pertes thermiques; - une fourniture par le démarreur d'un couple d'entraînement important au début du démarrage tout en limitant les phénomènes d'arcs au niveau des balais à mesure que la vitesse de rotation augmente: - de manière générale, un accroissement des performances du démarreur; - des avantages concurrentiels liés à l'optimisation de toute la chaîne de démarrage (démarreur, boîtier régulateur de courant, batterie, faisceau). Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec le dessin ci-annexé. Il est à noter que ce dessin n'a d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constitue en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. La Figure 1 est un schéma de principe d'un mode de réalisation préféré d'un dispositif de commande d'un démarreur d'un moteur thermique de véhicule automobile selon l'invention. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION. Le procédé de commande d'un démarreur d'un moteur thermique de véhicule automobile selon l'invention est de préférence mis en oeuvre par le dispositif de commande représenté sur la Figure 1. Ce dispositif 1 se présente sous la forme d'un boîtier électronique 1 intercalé 35 entre la batterie 2 et le moteur électrique à courant continu 3 du démarreur. - 6 - Le boîtier électronique 1 comporte une entrée de validation du démarrage 4 qui transmet l'ordre de démarrage START au reste du dispositif 1 par l'intermédiaire d'un circuit d'isolation et d'interface 5. Un microcontrôleur 6 acquiert périodiquement des valeurs de l'intensité I et 5 de la tension V d'alimentation au moyen, respectivement, de premier 7 et second 8 capteurs. Les mesures sont filtrées par des filtres 9 avant numérisation par le microcontrôleur 6. Les valeurs numérisées de l'intensité I et de la tension V sont traitées par le 10 microprocesseur 6 et permettent d'obtenir une estimation de la force électromotrice du moteur électrique 3 par la relation: f.e.m = V- R*I - L*dlidt 15 où R et L sont respectivement une résistance interne et une self des enroulements du moteur électrique 3. Quand cette estimation correspond à des conditions de démarrage difficile, le microcontrôleur 6 avertit l'unité de contrôle du moteur thermique (émission d'un drapeau d'erreur sur le bus de terrain 10) et contrôle l'intensité d'alimentation I en 20 pilotant les commutateurs à semiconducteur d'un hacheur série 11. La détection des conditions de démarrage difficile est alternativement ou simultanément réalisée par la mesure périodique de la vitesse de rotation du moteur thermique. Selon l'architecture du véhicule, cette information est obtenue à partir d'une 25 mesure de vitesse transmise par le bus de terrain 10, ou bien estimée à partir de la force électromotrice du moteur électrique 3 et de sa constante de force électromotrice. La surveillance de l'échauffement du moteur électrique 3 ou du dissipateur thermique du boîtier électronique 1 par un senseur de température 12 permet 30 également de détecter des conditions de démarrage difficile. Une vérification périodique du profil de courant en cours d'utilisation, c'est-à-dire correspondant à une loi d'évolution de l'intensité I déterminée antérieurement, est pareillement avantageusement mise en oeuvre pour la détection des circonstances de démarrage difficile, 35 Le boîtier électronique 1 comprend aussi des moyens de filtrage 13 d'une tension de batterie 2 constitués par des éléments inductifs 14 et des capacités 15. - 7 - La tension de batterie est échantillonnée par le microcontrôleur 6 par l'intermédiaire d'un pont diviseur 16. Le boîtier électronique 1 dispose d'une alimentation auxiliaire 17 interne fournissant les différents niveaux de tension nécessaires à son fonctionnent à partir 5 de la tension de batterie 2. Dans les conditions de démarrage difficile, le microcontrôleur 6 avec ses moyens de mesure périodique 7, 8, 9, 12, constituant un ensemble de régulation 18, asservit l'intensité I du courant d'alimentation en fonction de lois d'évolution optimales stockées dans sa mémoire et des mesures des paramètres de 10 fonctionnement du moteur électrique 3, du moteur thermique et du boîtier 1. Par exemple, le microcontrôleur 6 génère un pic de courant (pic de couple d'entraînement pour forcer le démarrage) dont le niveau et la durée sont calculés en fonction de la température du boîtier 1 et/ou du moteur électrique 3. Dans un autre cas, le microcontrôleur 6 passe dans un mode de génération 15 de trains d'impulsions de courant pour limiter les échauffements et préserver la batterie 2 selon son état de charge. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution préférentiels décrits ci-dessus. L'invention embrasse toutes les variantes possibles de réalisation dans la 20 limite de l'objet des revendications ci-après. REVENDICATIONS1) Procédé de commande d'un démarreur d'un moteur thermique de véhicule automobile du type de ceux consistant à contrôler une intensité (I) d'un courant d'alimentation d'un moteur électrique (3) à courant continu dudit démarreur en fonction au moins d'un ordre de démarrage (START), caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble d'étapes effectué périodiquement: - une première étape de détection de conditions de démarrage difficile; - une seconde étape de détermination d'une loi d'évolution optimale de ladite 10 intensité (I) correspondant auxdites conditions; - une troisième étape de contrôle de ladite intensité (I) en fonction de ladite loi d'évolution optimale. 2) Procédé de commande d'un démarreur d'un moteur thermique de véhicule 15 automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première étape comprend une ou plusieurs mesures de premiers paramètres de fonctionnement choisis parmi un premier groupe: - une première température dudit démarreur; - une seconde température (0) des composants électroniques de puissance 20 associés audit démarreur; - une force électromotrice dudit moteur électrique (3); - un temps de fonctionnement à partir dudit ordre de démarrage; - une vitesse de rotation dudit moteur thermique; - une tension d'alimentation (V) dudit moteur électrique (3); 25 - ladite intensité (I). 3) Procédé de commande d'un démarreur d'un moteur thermique de véhicule automobile selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première étape comprend en outre une ou plusieurs évaluations de seconds paramètres de 30 fonctionnement choisis parmi un second groupe: - une première variation de ladite première température; - une seconde variation de ladite seconde température (0); - une dérivée temporelle de ladite intensité (I).- 9 - 4) Procédé de commande d'un démarreur d'un moteur thermique de véhicule automobile selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite première étape comprend en outre une estimation de ladite force électromotrice en fonction de ladite tension d'alimentation (V) dudit moteur électrique, de ladite intensité (I), de ladite dérivée temporelle, d'une résistance interne et d'une self dudit moteur électrique (3). 5) Procédé de commande d'un démarreur d'un moteur thermique de véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 précédentes, caractérisé en ce que ladite loi d'évolution optimale est un asservissement de ladite intensité (I) au moins en fonction dudit temps de fonctionnement et/ou en fonction de ladite de vitesse de rotation dudit moteur thermique mesurée ou bien estimée à partir de ladite force électromotrice. 6) Procédé de commande d'un démarreur d'un moteur thermique de véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 précédentes, caractérisé en ce que ladite première étape comprend en outre une vérification d'une loi d'évolution antérieure de ladite intensité (I). 7) Dispositif de commande (1) d'un démarreur d'un moteur thermique de véhicule automobile apte à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 précédentes, du type de ceux comprenant des moyens de contrôle (11) d'une intensité (I) d'un courant d'alimentation d'un moteur électrique (3) à courant continu dudit démarreur et des moyens d'interface (5) destinés à recevoir au moins un ordre de démarrage (START), caractérisé en ce qu'il comprend en outre: - des moyens de mesure périodique (7, 8, 9, 12) de variables de fonctionnement dudit moteur électrique (3) et/ ou dudit moteur thermique et/ou dudit dispositif (1); - des moyens de mémorisation (6) d'au moins une loi d'évolution optimale de ladite 30 intensité (I) dans des conditions de démarrage difficile; - des moyens de détermination (6) d'une valeur de consigne de ladite intensité (I) en fonction desdites variables de fonctionnement et de ladite au moins une loi d'évolution optimale.- 10 - 8) Dispositif de commande (1) d'un démarreur d'un moteur thermique de véhicule automobile selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle (11) sont constitués par un hacheur série (11) piloté par lesdits moyens de détermination (6). 9) Dispositif de commande d'un démarreur d'un moteur thermique de véhicule automobile selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure périodique comprennent un premier capteur (7) de ladite intensité (I) et un second capteur (8) d'une tension d'alimentation (V) dudit moteur électrique (3) et en ce que lesdits moyens de mémorisation (6) contiennent en outre des données représentatives d'une résistance interne et d'une self dudit moteur électrique (3), ainsi que de préférence d'une constante de force électromotrice dudit moteur électrique (3). 10) Démarreur d'un moteur thermique de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commande (1) selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 précédentes.