Brevet FR3059856A1 — publié le 20180608

DEMARREUR ADAPTATIF POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE [0001] L'invention porte sur un démarreur adaptatif pour moteur à combustion interne de véhicule automobile. Le véhicule automobile est avantageusement un véhicule hybride et/ou un véhicule équipé d'un système d'arrêt et de redémarrage automatiques du moteur à combustion interne ou tout véhicule pour lequel les démarrages et redémarrages du moteur à combustion interne sont nombreux. [0002] Les systèmes de démarrage et redémarrage utilisés dans les applications automobiles sont de deux types: des machines de type alternatif réversibles ou des démarreurs de type à courant continu. La présente invention concerne essentiellement les systèmes de démarrage du deuxième type. Ces systèmes de démarrage présentent fréquemment un moteur électrique à courant continu. [0003] Un tel moteur présente un stator et un rotor avec respectivement un inducteur et un induit, l'induit étant bobiné et l'inducteur pouvant être à aimants permanents ou bobiné. Pour un moteur à induit et inducteur bobinés, suivant l'application, les bobinages de l'inducteur et de l'induit peuvent être connectés de manière différente, par exemple à excitation indépendante, à excitation parallèle ou à excitation série. [0004] La figure 1 montre un démarreur avec un moteur électrique 1 a qui intègre une électronique de puissance 4, 5 permettant de contrôler un courant d'induit 3a. L'inducteur 2a est alors à aimants permanents dans ce démarreur. [0005] Une telle configuration est favorable pour la qualité du réseau de bord du véhicule mais présente le désavantage de nécessiter un courant d'induit relativement élevé, par exemple de l'ordre de 800A et ne permet pas une montée en vitesse du système de démarrage tout en garantissant une puissance contenue ou limitée. [0006] Or, les systèmes de démarrage-redémarrage doivent concilier plusieurs types de contraintes contradictoires. La première contrainte concerne un démarrage dit à froid qui nécessite un couple important. Ceci concerne aussi les redémarrages à froid. Il est d'autre part souhaitable pour des raisons d'amélioration des prestations en acoustique vibratoire, connue aussi sous le diminutif d'ACV qui sera aussi utilisé par la suite dans la présente demande, d'atteindre des régimes de rotation plus élevés tout en conservant une puissance contenue. 3059856 2 [0007] La figure 2 montre des courbes de puissance de démarrage en fonction du régime d'un démarreur utilisé en combinaison avec un système d'arrêt et de redémarrage automatiques. La courbe avec des cercles DAFm30 illustre un démarrage à froid en dessous de - 30°C, la courbe avec des carrés Re dem indique une courbe de 5 redémarrage et la courbe avec des triangles indique une courbe englobant les deux besoins. [0008] Dans le cas d'un démarrage à froid DAFm30, un démarreur doit satisfaire au juste nécessaire le besoin de puissance en démarrage à -30°C. Dans le cas d'un redémarrage Redem le démarreur doit délivrer la même puissance mais avec un régime de rotation 10 différent, par exemple multipliée par 3. Un entraînement à haut régime doit être ainsi atteint pour satisfaire l'amélioration des prestations en acoustique vibratoire. Les courbes Re dem et DAF m30 sont donc obtenues par des démarreurs différents. [0009] La courbe avec des triangles illustre la puissance qu'il faudrait pour satisfaire les deux besoins, sensiblement contradictoires, avec une seule démultiplication et un même 15 démarreur, la solution étant une solution de compromis. La solution couvrant les deux besoins de démarrage à froid ou de redémarrage respectant les conditions ACV est un majorant couvrant les deux besoins, d'où la nécessité d'utiliser un démarreur surdimensionné. Cette solution de compromis implique donc un surcoût indexé à la puissance augmentée du démarreur et un surcroît volumique qui n'est pas facilement 20 implantable dans la place réservée à un démarreur dans un véhicule automobile. [0010] Le document EP-A-2 484 005 décrit un procédé de fonctionnement d'une machine à courant continu, notamment d'un démarreur d'un moteur à combustion interne, l'induit de la machine à courant continu étant alimenté par des balais et un collecteur à partir d'une source de tension continue. Il est montré des aimants inducteurs associés à 25 un inducteur bobiné monté en série avec un induit. L'inducteur bobiné n'est pas piloté. Une telle machine électrique ne permet pas d'obtenir une montée en vitesse à puissance contenue. [0011] Par conséquent, le problème à la base de l'invention est de concevoir un démarreur adaptatif de moteur à combustion interne, de démarreur comprenant un moteur 30 électrique qui puisse présenter une montée en vitesse à puissance contenue. [0012] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un démarreur adaptatif pour moteur à combustion interne de véhicule automobile, le démarreur comportant un moteur électrique comprenant un inducteur bobiné, caractérisé en ce qu'il comprend une 3059856 3 électronique de puissance ou des éléments de commutation électromécaniques du type relais pour un pilotage de l'inducteur. [0013] L'effet technique est d'obtenir une montée en vitesse à puissance contenue du 5 moteur électrique du démarreur adaptatif, ceci de manière sûre et économique. Le pilotage de l'inducteur, avantageusement par excitation séparée, permet d'assurer une telle montée en vitesse à puissance contenue. [0014] Le courant d'excitation, servant au pilotage de l'inducteur représente souvent 10 moins d'un vingtième d'un courant de pilotage d'induit, comme il est connu de l'état de la technique. Il en résulte que la proposition de la présente invention est moins coûteuse, en utilisant un courant de 40A alors que les courants d'induit sont aux alentours de 800A. De plus, la solution proposée par la présente invention permet d'assurer une diminution du flux d'induction nécessaire à la montée en vitesse tout en garantissant la puissance 15 requise. Ceci sera visible à la figure 5 de la présente demande. [0015] En ce qui concerne l'état de la technique le plus proche décrit précédemment, le document EP-A-2 484 005 ne décrit pas un pilotage de l'inducteur et donc le démarreur comprenant un tel moteur électrique ne peut pas présenter une montée en vitesse à 20 puissance contenue. [0016] Avantageusement, l'induit est bobiné, l'induit et l'inducteur étant à excitation séparée. Le moteur électrique selon la présente invention est donc sans aimants permanents. Parfois le cuivre du bobinage et le processus associé coûtent parfois plus 25 cher pour les inducteurs bobinés que pour les aimants, avec donc un écart de prix moindre en faveur des aimants. [0017] Avantageusement, le moteur électrique du démarreur adaptatif est à courant continu. Il pourrait aussi être de type de moteurs sans collecteur, appelés parfois moteurs 30 à courant alternatifs mais le moteur à courant continu est préféré. [0018] Avantageusement, le moteur électrique du démarreur adaptatif présente un rotor et un stator, l'inducteur étant disposé sur le stator et l'induit sur le rotor. 3059856 4 [0019] Avantageusement, le pilotage de l'inducteur s'effectue en modulation de largeur d'impulsion, en mode linéaire ou en faisant varier des résistances commutées en série avec l'inducteur. 5 [0020] Avantageusement, quand le pilotage de l'inducteur s'effectue en modulation de largeur d'impulsion, l'électronique de puissance est configurée pour imposer à l'inducteur un rapport cyclique modulable. [0021] Avantageusement, un circuit d'alimentation de l'inducteur présente un interrupteur 10 périodiquement commandé, l'interrupteur déconnectant à intervalles réguliers l'inducteur d'une source d'alimentation électrique pendant une durée prédéfinie périodique. [0022] Avantageusement, une diode de roue libre est montée en parallèle de l'inducteur. La diode, placée en parallèle sur l'inducteur, protège l'interrupteur du circuit électronique de puissance des surtensions. 15 [0023] L'invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant au moins un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend un tel démarreur adaptatif pour le démarrage du moteur à combustion interne. [0024] Avantageusement, le véhicule automobile est un véhicule hybride, un véhicule 20 équipé d'un système d'arrêt et de redémarrage automatiques du moteur à combustion interne et/ou un véhicule à roue libre automatisée. [0025] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : 25 - la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur électrique servant dans un démarreur de moteur à combustion interne selon l'état de la technique, le moteur électrique étant à courant continu, - la figure 2 est une représentation schématique de trois courbes de puissance en fonction du régime d'un démarreur pour un démarrage à froid et d'un démarreur 30 respectant les conditions ACV lors d'un démarrage, la troisième courbe étant obtenu par un démarreur surdimensionné pouvant convenir pour les deux types de démarrage, ces trois démarreurs étant selon l'état de la technique, 3059856 5 - la figure 3 est une représentation schématique d'un moteur électrique servant dans un démarreur de moteur à combustion interne selon la présente invention, le moteur électrique étant à inducteur piloté, - la figure 4 montre des courbes de puissance et de couple en fonction d'un 5 régime de démarreur, le démarreur étant alimenté en tension continue selon l'état de la technique, - la figure 5 montre des courbes de puissance et de couple en fonction d'un régime de démarreur, l'inducteur du démarreur étant piloté selon la présente invention. [0026] Il est à garder à l'esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont 10 pas limitatives de l'invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions des différents éléments illustrés ne sont pas représentatives de la réalité. [0027] Dans ce qui va suivre, il est fait référence à toutes les figures prises en 15 combinaison. Quand il est fait référence à une ou des figures spécifiques, ces figures sont à prendre en combinaison avec les autres figures pour la reconnaissance des références numériques désignées. [0028] En se référant notamment à la figure 3, cette figure 3 montre un moteur électrique 1 d'un démarreur adaptatif selon la présente invention, ce démarreur adaptatif étant 20 destiné au démarrage d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile. Le moteur électrique 1 comprend un inducteur 2 bobiné. [0029] Selon la présente invention, le moteur électrique 1 comprend une électronique de puissance 4, 5 ou des éléments de commutation électromécaniques du type relais pour un pilotage de l'inducteur 2. C'est donc l'inducteur 2 qui est piloté dans le cadre de l'invention 25 et non l'induit 3 comme il avait été enseigné dans l'état de la technique. Un pilotage de l'inducteur 2 peut être connu dans d'autres domaines d'utilisation de moteurs électriques mais n'avait jamais été envisagé pour un moteur électrique 1 de démarreur de moteur à combustion interne. [0030] L'induit 3 est de préférence aussi bobiné. L'induit 3 et l'inducteur 2 peuvent être à 30 excitation séparée. [0031] Le moteur électrique 1 du démarreur adaptatif peut être à courant continu. Le démarreur adaptatif présente alors un rotor et un stator, l'inducteur 2 étant disposé sur le 3059856 6 stator et l'induit 3 sur le rotor, ce qui est une mesure classique pour un tel moteur à courant continu. [0032] Les figures 4 et 5 permettent d'établir une comparaison respectivement entre un 5 démarreur alimenté par une tension continue à aimants ou à induit 3 piloté selon l'état de la technique et un démarreur à induit 3 et inducteur 2 bobinés, avec un inducteur 2 piloté conformément à la présente invention. [0033] Pour la figure 4, la courbe avec des carrés illustre la puissance P en Watts et la 10 courbe avec des losanges illustre la courbe de couple en Newton.mètre, ceci en fonction du régime R du démarreur donné en tours par minute. Pour la figure 5, la courbe avec des carrés illustre une courbe de couple en Newton.mètre pour la moitié d'un flux maximal d'induction et la courbe avec des losanges illustre une courbe de couple pour un flux maximal d'induction, ceci en fonction du régime R du démarreur donné en tours par 15 minute. [0034] A la figure 4, Le point de croisement des deux courbes correspond à une force électromotrice du moteur égale à la tension appliquée. Le démarreur de l'état de la technique en mode moteur ne peut dépasser ce régime de rotation, ici environ de 1.600 20 tours par minute. [0035] Dans le cas d'un induit 3 piloté, tous les points de fonctionnement situés sous les courbes sont atteignables. La tension moyenne appliquée à l'induit 3 du démarreur est contrôlée. Cela permet indirectement de contrôler le courant absorbé par le démarreur. 25 Cette solution présente l'intérêt de pouvoir contrôler les fluctuations de tension sur le réseau de bord lors des démarrages et redémarrages. Néanmoins, un moteur à induit 3 piloté présente la même limitation en régime de rotation que le démarreur conventionnel à aimants, comme précédemment indiqué, d'environ 1.600 tours par minute comme montré à la figure 4. 30 [0036] Une équation relie la force électromotrice E en volts à la vitesse de rotation w en radian par seconde, Kv étant une constante de vitesse : E = Kv. w la vitesse de rotation w pouvant être convertie en un régime en tours par minutes. 3059856 7 [0037] Une autre équation relie le couple à l'intensité I du courant en Ampère, Kc étant une constante de couple en Newton.mètre/Ampère : C = Kc. I 5 [0038] D'autres équations relient le flux magnétique 4) au couple C ou à la force électromotrice, I étant le courant, w la vitesse de rotation et K1 une constante : C= K1. 4). I E= K1. 4). w Enfin le flux cl) est fonction du courant d'excitation If ou courant inducteur et d'une 10 constante K2 : (1) = K2. If [0039] A la figure 5, il peut être vu que la courbe de couple avec une moitié de flux maximal dépasse ce point de régime maximal jusqu'à atteindre plus de 3.000 tours par 15 minute. Les limitations évoquées précédemment pour un démarreur conventionnel ou à induit 3 piloté peuvent être dépassées. [0040] En effet, une limitation est due au flux généré, par exemple par des aimants permanents, qui n'est pas pilotable. En proposant un moteur électrique dont le flux inducteur est variable et pilotable, il est possible de dépasser la limitation de régime 20 montré à la figure 4, le flux inducteur étant obtenu par l'équation précédente en fonction du courant d'excitation If ou courant inducteur. La constante K2 est proportionnelle au carré du nombre de spires du bobinage inducteur. [0041] En se référant aux équations précédentes, selon l'état de la technique, il existait une vitesse de rotation maximale wmax définie par wmax = E/K1. cmax. Comme, dans le 25 cadre de l'invention, le flux inducteur 4) peut varier en étant pilotable et être inférieur à cmax, il n'y a plus de limitation de vitesse aussi drastique que pour l'état de la technique. [0042] Le courant d'excitation de l'inducteur 2 peut être piloté de façon continue selon la vitesse de rotation ou bien de façon discrète avec des états prédéterminés. Le pilotage de l'inducteur 2 peut s'effectuer en modulation de mode d'impulsion, en mode linéaire ou en 30 faisant varier des résistances commutées en série avec l'inducteur 2, les résistances étant montées en parallèle les unes aux autres. [0043] Quand le pilotage de l'inducteur 2 s'effectue en modulation de mode d'impulsion, l'électronique de puissance 4, 5 est configurée pour imposer à l'inducteur 2 un rapport 3059856 8 cyclique modulable. Un circuit d'alimentation de l'inducteur 2 peut présenter un interrupteur 5 périodiquement commandé, l'interrupteur 5 déconnectant à intervalles réguliers l'inducteur 2 d'une source d'alimentation électrique 6 pendant une durée prédéfinie périodique. Cet interrupteur 5 peut être sous la forme d'un transistor. [0044] L'interrupteur 5 peut être placé en série avec la source d'alimentation et le moteur est périodiquement commandé. Cet interrupteur 5, pouvant être sous la forme d'un transistor ou d'un élément électronique analogue, permet de déconnecter à intervalles réguliers le moteur de la source d'alimentation. [0045] Comme montré à la figure 3, une diode 4 de roue libre peut être montée en parallèle de l'inducteur 2. Une résistance peut aussi être montée en série avec l'inducteur 2 et en parallèle avec la diode 4. 15 [0046] L'invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant au moins un moteur à combustion interne. Un tel véhicule automobile comprend un démarreur adaptatif pour le démarrage du moteur à combustion interne tel que précédemment décrit avec inducteur pilotable. 20 [0047] Le véhicule automobile peut être un véhicule hybride et/ou un véhicule équipé d'un système d'arrêt et de redémarrage automatiques du moteur à combustion interne ou tout véhicule équipé d'un moteur à combustion interne soumis à de fréquents arrêts, notamment un véhicule à roue libre automatisée. [0048] Le mode de roulage roue libre automatisé est une fonction qui permet à un 25 véhicule automobile lancé de continuer son roulage tout en découplant une transmission aux roues motrices du véhicule du moteur à combustion interne du véhicule. La transmission comprend classiquement une boîte de vitesses et son embrayage. Le moteur n'effectuant plus d'entraînement peut alors être mis au ralenti ou à l'arrêt. Cette fonction est activée lorsque la vitesse du véhicule est suffisante, par exemple pour un profil extra- 30 urbain et notamment un profil de route descendante. [0049] L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. 5 10 REVENDICATIONS: 1. Démarreur adaptatif pour moteur à combustion interne de véhicule automobile comportant un moteur électrique (1) comprenant un inducteur (2) bobiné, caractérisé en ce qu'il comprend une électronique de puissance (4, 5) ou des éléments de commutation électromécaniques du type relais pour un pilotage de l'inducteur (2). 2. Démarreur adaptatif, dans lequel l'induit (3) est bobiné, l'induit (3) et l'inducteur (2) étant à excitation séparée. 3. Démarreur adaptatif selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le moteur électrique (1) est à courant continu. 4. Démarreur adaptatif selon la revendication 3, dans lequel le moteur électrique (1) présente un rotor et un stator, l'inducteur (2) étant disposé sur le stator et l'induit (3) sur le rotor. 5. Démarreur adaptatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le pilotage de l'inducteur (2) s'effectue en modulation de mode d'impulsion, en mode linéaire ou en faisant varier des résistances commutées en série avec l'inducteur (2). 6. Démarreur adaptatif selon la revendication 5, dans lequel, quand le pilotage de l'inducteur (2) s'effectue en modulation de mode d'impulsion, l'électronique de puissance (4, 5) est configurée pour imposer à l'inducteur (2) un rapport cyclique modulable. 7. Démarreur adaptatif selon la revendication 6, dans lequel un circuit d'alimentation de l'inducteur (2) présente un interrupteur (5) périodiquement commandé, l'interrupteur (5) déconnectant à intervalles réguliers l'inducteur (2) d'une source d'alimentation électrique (6) pendant une durée prédéfinie périodique. 8. Démarreur adaptatif selon la revendication précédente, dans lequel une diode (4) de roue libre est montée en parallèle de l'inducteur (2). 9. Véhicule automobile comprenant au moins un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend un démarreur adaptatif selon l'une quelconque des revendications précédentes pour le démarrage du moteur à combustion interne. 3059856 10 10. Véhicule automobile selon la revendication précédente, lequel est un véhicule hybride, un véhicule équipé d'un système d'arrêt et de redémarrage automatiques du moteur à combustion interne et/ou un véhicule équipé d'un système de roue libre automatisé.