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La micro-hybridation, un courant porteur

Publié le 19 septembre 2013
Par Jean-Marc Felten
5 min de lecture
Il y a de plus en plus de voitures, aussi appelées “micro-hybrides”, équipées d’un système Stop & Start. Au-delà d’un démarreur et d’un alternateur renforcés, on y trouve des capteurs et de la gestion électronique. Des perfectionnements qu’il est temps de maîtriser.
Le Stop and Start coupe le moteur lors d’un arrêt prolongé. Il redémarre automatiquement lors de la manipulation de l’embrayage ou l’engagement d’une vitesse.

Pour limiter les émissions de pollution atmosphérique, la première solution consiste à stopper le moteur lors des arrêts du véhicule. Le système est connu sous plusieurs appellations : Stop & Start (et inversement) ou micro-hybride. Le système coupe le moteur et le remet automatiquement en marche dès que nécessaire. Ce type d’équipement ne requiert pas de grosses modifications sur la chaîne de traction, aussi est-il largement adopté sur les nouvelles générations de véhicules qui sortent des usines. En 2017, 90 % des voitures neuves devraient même en être équipées. Qu’il relance le moteur avec le démarreur traditionnel ou par le fonctionnement inversé de l’alternateur, le Stop & Start entraîne des modifications de conception de certains éléments et doit être contrôlé par des procédures spécifiques.

La réglementation

Tous les trois ans, la réglementation sur la dépollution évolue en fixant des niveaux plus bas, y compris pour la moyenne des émissions de CO2 de la gamme de chaque constructeur. Celle-ci est actuellement fixée à 135 g au km, l’objectif de 95 g étant déjà déterminé pour 2020. Le plus simple, pour limiter la consommation de carburant, est d’arrêter le moteur. C’est le principe du Stop & Start. Ce dispositif géré par l’électronique coupe et redémarre le moteur seul. Démarreur, batterie et alternateurs sont, dès lors, plus sollicités. Il faut connaître les multiples éléments entrant dans son fonctionnement pour en déjouer les pièges en cas de panne.

Détail du fonctionnement

La micro-hybridation peut se présenter sous trois formes : un démarreur renforcé, un alterno-démarreur concentrique au volant moteur ou un alternateur-démarreur. Les trois solutions ont des différences et des similitudes. Pour fonctionner, le système requiert des développements importants, le principe de gestion de la coupure moteur et du redémarrage, les capteurs et les informations intégrés dans le fonctionnement étant communs. En effet, pour que fonctionne le Stop & Start, il faut que le véhicule soit à l’arrêt (ou à une vitesse maximum déterminée par le réglage) et que différentes conditions soient remplies, telles que le fonctionnement de la climatisation, une charge de la batterie suffisante ou une température adéquate du moteur. Pour accéder à ces informations, le calculateur de gestion du Stop & Start doit intégrer les informations de vitesse du véhicule, de l’état de freinage (volume de dépression d’assistance), de température moteur, de la position de la pédale de débrayage et de celle du levier de boîte de vitesses, du besoin d’énergie pour la climatisation, de l’état de charge de la batterie, voire l’ouverture du capot moteur par sécurité, etc.

Les solutions des équipementiers

Le démarreur renforcé (Bosch)
Bosch a choisi de renforcer le circuit de démarrage traditionnel pour assurer la fonction Stop & Start. Pour répondre aux plus nombreuses sollicitations, le démarreur est spécifique. Sa puissance augmente d’environ 50 %, les composants d’usure sont renforcés, les bagues peuvent laisser la place à des roulements, le lanceur est plus puissant, le contacteur de puissance plus fiable. Ces caractéristiques lui permettent d’assurer jusqu’à trois fois plus de démarrages. Pour améliorer la qualité du démarrage, la vitesse de rotation est augmentée. De 300 tr/min pour un démarreur classique, la vitesse du démarreur “Stop & Start” peut atteindre 600 tr/min. La souplesse du redémarrage est ainsi améliorée.

L’alternateur-démarreur StARS de Valeo
Le principe d’alternateur-démarreur est installé depuis près de dix ans sur des voitures de PSA. Il consiste en un alternateur réversible renforcé qui entraîne le moteur avec une courroie multipiste (ou Poly V) renforcée. La gestion de l’alternateur permet de l’utiliser en mode recharge comme aide au frein moteur en décélération. Le moteur reçoit des modifications particulières pour répondre aux contraintes mécaniques lors du redémarrage, particulièrement les coussinets du palier avant le vilebrequin qui est sollicité dans des directions différentes de celles appliquées par la force motrice des bielles. L’entraînement par courroie est très particulier puisqu’il doit assurer la transmission de puissance dans les deux sens, c’est-à-dire que chaque brin de la courroie est alternativement tendu ou “mou”. L’implantation des tendeurs de courroie est donc très importante et nécessite des technologies adaptées. Schaeffler (INA, LuK) propose depuis peu un montage capable de supporter les deux modes de tension grâce à deux galets et un report d’effort de l’un sur l’autre, selon le sens de la force.

L’alterno-démarreur (non utilisé en série)
La solution la plus élégante en matière de Stop & Start est le montage d’un alterno-démarreur concentrique sur le volant moteur. Ce montage remplace complètement le démarreur et peut se substituer à l’alternateur. Le surpoids est ainsi limité. La puissance et la vitesse de démarrage sont beaucoup plus importantes qu’avec les deux autres types d’équipements. Néanmoins, l’alterno-démarreur nécessite une adaptation importante du moteur dans sa partie volant moteur et embrayage ainsi que de la cloche d’embrayage et des carters de boîte de vitesses. Pour cette raison, cette solution Stop & Start est souvent utilisée conjointement à une électrification renforcée, qui permet de passer directement au stade d’hybridation supérieur. C’est le principe de fonctionnement de “l’IMA” de Honda.

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ZOOM

Il y a non-fonctionnement du Stop & Start si :

- La batterie n’est pas suffisamment chargée : cette source énergétique n’est jamais chargée au maximum. Un capteur détecte la tension et gère la recharge. Il faut que la batterie puisse procéder à plusieurs redémarrages avec la charge disponible. Si la batterie est insuffisamment chargée, le moteur est immédiatement redémarré.
- Le moteur n’est pas en état de fonctionnement normal car sa température est trop basse, et la charge importante (sollicitation de la climatisation, température trop élevée qui réclame une circulation du liquide de refroidissement ou présence d’une pompe à eau électrique…).
- La dépression présente dans l’assistance de freinage est insuffisante et nécessite le fonctionnement de la pompe à vide.
- Une vitesse est engagée sur la boîte de vitesses, que le moteur est redémarré et que le véhicule avance inopinément.
- Le capot moteur est ouvert.
Si le moteur redémarre alors qu’un intervenant a une opération ou une inspection en cours dans le compartiment moteur.
- La ceinture de sécurité du conducteur n’est pas attachée.
Le système peut obéir à des lois particulières déterminées par chaque constructeur (et suivant les modèles), évaluées selon le risque estimé pour la sécurité. Volvo intègre notamment la position et la vitesse de rotation du volant comme indicateur de blocage de l’arrêt du moteur, ainsi que le risque de buée dans l’habitacle, mesuré par le capteur d’humidité sur la planche de bord.

Il y a redémarrage automatique du moteur si :

- La dépression dans le circuit d’assistance de freinage est trop basse.
- La tension de la batterie est trop basse.
- La température du liquide de refroidissement descend sous une valeur prédéterminée.
- La climatisation ou la ventilation de l’habitacle sont sollicitées.

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FOCUS - Les batteries

Parmi les éléments sensibles du dispositif Stop & Start, la batterie a un rôle très important. Pour subvenir aux sollicitations supérieures de charge et décharge, les batteries utilisées sont de type AGM sans entretien. Leur constitution leur confère des caractéristiques avantageuses en cyclage, vitesse de charge et de décharge. La finesse entre les plaques des intercalaires, composés de fibre de verre imbibée d’électrolyte, permet une circulation plus rapide du courant. Le volume d’électrolyte est réduit, de ce fait la formation de gaz est plus importante, le compartiment de condensation plus important et l’étanchéité supérieure à celle d’une batterie plomb-acide classique.

L’état de charge et décharge de la batterie est contrôlé et régulé par un boîtier électronique spécifique, le BMS (Battery Monitoring System).

La recharge d’une batterie AGM est particulière. La sensibilité à la puissance de charge est supérieure, puisqu’un volume inférieur d’électrolyte est présent dans la batterie. Les soupapes de surpression seront plus rapidement sollicitées si c’est le cas. Il faut donc utiliser un chargeur intelligent capable de réguler le courant de charge.

En alternative à la batterie AGM, Bosch dispose d’un modèle de batterie classique renforcée EFB (Enhanced Flooded Batterie), qui reçoit des membranes de séparation en polyester apportant une meilleure endurance au cyclage.

 

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