Electronique automobile : principe de fonctionnement t
A l'heure actuelle (2011), un véhicule à moteur est complète de l'électronique: plus de 120 capteurs temps-réel embarqués informent plusieurs ordinateurs conseil d'administration.
Ces ordinateurs réelles de gérer la quasi-totalité des fonctionnement du véhicule, le contrôle combustion de manutention du combustible.
Caractéristiques d'un système embarqué:
Le système électronique à bord d'une voiture
se comporte comme un être humain:
Stratégie de l’humain : Observation + Réflexion + Action
Stratégie du système embarqué : Capteurs + Traitement + Action
Afin d'optimiser le câblage entre tous les composants du système il fera circuler l'information sur
un bus à deux fils: le bus. Compte tenu du nombre de signaux qui doivent transmettre ce bus, il est nécessairement multiplexés.
Domaines d’action des différents capteurs embarqués.
Exemple 1 : La gestion du bloc moteur.
Historiquement, l’électronique est d’abord apparue dans l’automobile au niveau de la gestion de l’injection (Bosch,
1965)
Schéma de situation des différents capteurs contrôlant le fonctionnement d’un moteur actuel.
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Légende
1 Calculateur 2 Capteur régime rotation et PMH
3 Capteur de pression d’admission 4 Potentiomètre de position papillon
5 Capteur température eau moteur 6 Capteur température admission d’air
7 Capteur vitesse véhicule 8 Sonde à oxygène (sonde lambda)
9 Batterie 10 Relais
11 Bobine d’allumage 12 Réservoir essence
13 Pompe à carburant 14 Filtre à essence
15 Rampe d’alimentation 16 Régulateur de pression
17 Injecteurs 18 Réservoir canister
19 Électrovanne de purge canister 20 Papillon
21 Résistance réchauffage papillon 22 Moteur pas à pas de régulation ralenti
23 Voyant de test injection allumage 24 Connecteur pour diagnostic
35 Capteur de cliquetis 26 Boîtier d’interface vitesse
A tout instant, le calculateur ajuste la quantité de carburant à injecter, en fonction du régime moteur, de la charge
demandée par le pilote (position du papillon liée à l’appui sur l’accélérateur, vitesse du véhicule et rapport de boite
engagé), et de la composition des gaz d’échappement.
La date d’injection dans un cylindre est liée à la position du piston correspondant (rôle du capteur de PMH).
Capteurs de température d’huile, de liquide de refroidissement, d’air.
Les sondes de températures exploitent la variation de résistivité selon une loi affine : � = �0´(1 + �´�) (� en °C)
On peut utiliser des jauges :
Sonde de température d'eau
Sonde de température d'admission d’air
Sonde de température d’huile
Capteur de position de vilebrequin (capteur de PMH) et de vitesse de rotation
C’est un capteur inductif placé en regard d’une roue dentée solidaire du vilebrequin. Il manque 2 dents à cette roue,
ce qui permet de repérer le point mort haut (voir ci-dessous)
Débitmètre :
Le débitmètre est chargé de déterminer le débit massique de l’air d’admission, dans le but d’ajuster au mieux la
quantité de carburant à vaporiser par les injecteurs.
Le débitmètre est alimenté sous 5V; le déplacement du volet de mesure est solidaire du curseur d’un potentiomètre.
Ce débitmètre est équipé d’une CTN (résistance à Coefficient de Température Négatif) qui mesure la température de l’air d’admission.
Capteur de cliquetis :
Le capteur de cliquetis mesure les vibrations du bloc moteur par effet piézoélectrique. Le signal est ensuite traité au niveau du calculateur : La présence de cliquetis est liée à un défaut d’avance à l’allumage.
1 : Evolution de la pression dans le cylindre
2 : Cliquetis excessif
Contrôle de combustion (sonde lambda) :
Pour un moteur essence, il s’agit d’obtenir la combustion complète d’isooctane, selon la réaction :
2C8H18 + 25O2 -----) 16CO2 + 18H2O
(Rem : isooctane ou tri méthyle 2_2_4 pentane :
On nomme lambda (� λ) le rapport entre la masse d'air effectivement admise et la masse nécessaire pour avoir une
combustion stoechiométrique (14,7 g d'air pour 1 g de carburant, soit près de 10000 litres d'air par litre de
carburant !)
On appelle « richesse du mélange » à l’admission la quantité inverse de � λ
La stratégie de contrôle de combustion consiste à analyser la teneur en oxygène des gaz d’échappement :
Si le mélange à l’admission est trop pauvre (richesse < 1 ou � λ> 1), on n’a pas assez injecté de carburant, et il y a un
excès d’air à l’échappement ; inversement, les gaz d’échappement sont déficitaires en oxygène si le mélange
d’admission est trop riche (richesse > 1 ou � λ< 1) .
La sonde lambda mesure la concentration en oxygène des gaz d’échappement. Elle est placée au début de la ligne
d’échappement. Elle existe selon 2 versions : Sonde à zircone (dioxyde de zirconium) ou sonde au dioxyde de
titane.
Sonde à zircone :
La face externe de l’élément est au contact direct
avec les gaz d’échappement. La face interne est
sont revêtues d’une fine couche de platine.
La différence de concentration en oxygène entre
l’air et les gaz d’échappement provoque l’apparition
d’une ddp entre les 2 électrodes de platine.
Sonde au dioxyde de titane :
L’élément au dioxyde de titane ne génère pas de tension électrique comme le fait l’élément au dioxyde de
zirconium. En revanche, la résistance électrique de cette sonde varie avec la concentration d’oxygène dans les gaz
d’échappement.
La sonde λ nécessite une température minimale de 300°C des gaz d’échappement ; pour obtenir un fonctionnement
satisfaisant au démarrage, elle comporte une résistance chauffante interne.
Fonctionnement de la sonde à zircone :
La tension délivrée par la sonde évolue rapidement
au voisinage de � λ= 1. (cf. ci-contre)
Elle envoie au calculateur une information de type
« trop pauvre » (U » 0 à 0,1V soit � λ> 1,1).
Par contre, un ajustage précis au voisinage de � = 1
est quasiment impossible avec ce type de sonde, dite
à bande étroite ; les véhicules les plus modernes sont
équipés d’une sonde � à large bande, c’est à dire dont
le saut de tension au voisinage de λ� = 1est bien plus progressif.
Exemple 2 : Aide au freinage
Position du problème.
Lors d'un freinage d'urgence, la force importante appliquée à la pédale de frein entraîne souvent un blocage des
roues ; il en résulte une perte de gouvernabilité du véhicule, ainsi qu’un allongement des distances de freinage.
L’adhérence d’une roue est liée à la nature du revêtement routier, ainsi qu’à l’état du pneumatique.
On l’évalue par le coefficient de glissement :
100
vitesse du véhicule
vitesse du véhicule vitesse de la roue
coefficient de glissement ´ = -
Le coefficient de glissement évolue de 0% (adhérence parfaite) à 100% (roue bloquée).
Il est possible de mettre en relation le coefficient de glissement et la force de freinage d’une part, le coefficient de
glissement et la stabilité et la maniabilité directionnelle du véhicule d’autre part ; on obtient les courbes qualitatives
ci-dessous :
On définit ainsi une plage de régulation possible pour des glissements compris entre 10 et 30% environ. Un bon
compromis entre la force de freinage, la stabilité et la maniabilité directionnelle consiste à viser un coefficient de
glissement de 20%.
Ces constatations ont abouti à la mise au point du système d’anti-blocage des roues ABS (anti blockierung system)
obligatoire dans la CEE depuis juillet 2004.
Organisation de l’ABS
Le système comprend essentiellement des capteurs de vitesse placés sur chaque roue, reliés à un bloc hydraulique
de régulation de l’effort de freinage.
Capteurs inductifs de mesure de vitesse de rotation des roues
Les capteurs sont du type inductif et constitués d'un aimant permanent et d'un bobinage.
Une roue dentée , solidaire de la roue, défile devant le capteur ; le flux magnétique varie et induit dans le bobinage,
une tension alternative dont la fréquence et l'amplitude sont proportionnelles à la vitesse de rotation de la roue
dentée.
Le seuil minimum de vitesse détectée est de 2,75 km/h.
Résistance : 1 100 à 2 100 W.
L'entrefer de ces capteurs n'est pas réglable (valeur typique 1mm).
Principe de l’électronique associée : Conversion fréquence ® tension (tension continue image de la vitesse de
rotation)
Principe du fonctionnement.
Lors d’une phase de freinage, l’action de l’ABS consiste à limiter la force de freinage appliquée à une roue dont le
coefficient de glissement tend à dépasser 20%.
On utilise pour ce faire une électrovanne 3 voies par roue (bloc hydraulique), fonctionnant selon un cycle de 3
situations: Repos – Maintien de pression – Réduction de pression.
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Position « repos »
Le maître-cylindre communique avec
le cylindre récepteur d'étrier.L'A.B.S. ne fonctionne pas
I = 0
Position « maintien »
La communication est coupée entre le
maître cylindre et le cylindre récepteur.
du maître cylindre.
La pédale de frein reste dure et la pression
de freinage est maintenue constante.
Position « réduction de pression »
I » 5A ; le piston de l’électrovanne met en
communication le cylindre récepteur et une
pompe de refoulement : La pression de
L’ensemble de ces opération se répète plusieurs fois par seconde, ce qui se traduit par une vibration au niveau de la pédale de frein.
Exemple de signaux
Exemple 3 :Contrôle électronique de trajectoire.
Ce dispositif est souvent désigné par le terme ESP (Electronic Stability Program)
Le rôle de l’ESP est d’aider le véhicule à prendre la trajectoire voulue par le conducteur, malgré les aléas de la
route – changements d’adhérence ou virages trop prononcés – et le comportement de la voiture (influencé par sa vitesse, sa répartition de charge ou l’état de ses pneumatiques).
Il intervient dans la dynamique de la voiture en utilisant individuellement le système de freinage de chaque roue.
Ce freinage n’est donc plus produit par le conducteur, mais par le boîtier ESP lui-même.
L’équilibre dynamique d’un véhicule.
A l’arrêt, un véhicule n’est soumis qu’à son poids et à la réaction opposée du sol sur les 4 roues.
Dès que le véhicule est en mouvement, une multitude de forces sont appliquées : Une courbe ou un vent de travers
induiront des forces latérales que les pneumatiques s’efforceront de contrer.
Les accélérations, les freinages ou l’aérodynamisme, pour ne citer que ces actions, créeront des forces
longitudinales. Les forces verticales que nous avions à l’arrêt subsistent, mais peuvent être altérées par le profil et
l’état de la route.
Ces diverses forces vont engendrer des couples de rotation, par rapport aux 3 axes de référence du véhicule, à
savoir, tangage, roulis et lacet. (voir figure ci-dessous)
Ces couples vont induire des transferts d’appui entre les roues du véhicule :
· Une force latérale induit un roulis modifiant les forces verticales (dans un virage, tout comme les passagers sont
entraînés vers le côté, les roues extérieures sont plus chargées que celles à l’intérieur).
· Une force longitudinale génère un tangage modifiant aussi les forces verticales (lors d’un freinage, les roues
arrière sont délestées au profit de celle de l’avant).
· Enfin, le pivotement du véhicule en entrée et sortie de virage crée un couple de lacet autour de l’axe vertical
passant par son centre de gravité.
La perte d’adhérence : Sous virage et survirage.
Base d’action de l’ESP.
Le freinage sélectif d’une des roues d’un essieu peut induire un couple
de lacet, pouvant faire pivoter le véhicule.
Par exemple, si la roue arrière droite est freinée, celle-ci « tire » l’arrière de la voiture.
L’essieu arrière aura tendance à pivoter vers la gauche et le véhicule à se diriger vers
la droite.
Un changement de direction peut alors être créé, soit de faible amplitude avecuniquement la déformation des pneus, soit de plus grande amplitude si ces derniers
devaient perdre une partie de leur adhérence.
Ce cas se rencontre involontairement quand un freinage est effectué lorsque les roues
d’un côté sont sur un sol plus adhérent que celles de l’autre côté.
(ex : gravier sur le bas côté, plaques humides sur la chaussée ou problème technique
sur un frein ou un pneumatique).
Il est ainsi possible d’éviter sous-virage et survirage, pour que la voiture suive la trajectoire souhaitée par
le conducteur.
Par contre, l’ESP ne peut corriger la défaillance d’adhérence d’une roue ou d’un essieu qu’en puisant dans celle des
autres. Autrement dit, l’ESP améliore le comportement, mais la valeur totale d’adhérence de la voiture n’est pas augmentée !
Les éléments constitutifs.
Les capteurs de roue. Il en existe de 2 sortes :
- Le capteur passif : Aussi appelé inductif, il est composé d'un aimant permanent et
magnétique.
Ce dernier est transformé en courant alternatif dont la fréquence varie avec la vitesse
de rotation. En raison de ses caractéristiques, il ne peut mesurer des faibles vitesses de
rotation (< 3km/h environ).
- Le capteur actif : Il est placé face à un disque multipolaire, remplaçant la
couronne dentée. Ce type de capteur peut mesurer des régimes très faibles,
(Cette caractéristique est très utile pour d'autres fonctions comme le système de
navigation ou l'aide au démarrage en côte.)
Le capteur d’angle du volant :Il donne l’information du braquage des roues directrices, et donc de la trajectoire
voulue par le conducteur.
Plusieurs technologies sont utilisées : potentiomètre, capteur optique ou magnétique à effet hall.
Le capteur de lacet : Il mesure la vitesse de rotation du véhicule autour de l’axe vertical passant en son centre
d’inertie. Il est donc généralement situé idéalement dans cet axe, souvent entre la console centrale et le passage
entre les deux sièges avant.
Les capteurs des premiers systèmes ESP étaient mécaniques à vibrations. Ils sont aujourd’hui supplantés par la
micromécanique. (Éléments piézorésistifs, détectant un couple de torsion) Ils ont ainsi gagné en précision de
mesure et en encombrement.
Le capteur d’accélération latérale : Il est complémentaire du capteur de lacet.
Il est composé d'une masse placée en bout de ressort. (Aimant se comportant comme une masse sismique) Cette
masse se déplace sous l'action de la force centrifuge (accélération latérale) créée par la vitesse dans un virage. Le
déplacement de cette masse, est mesuré par un capteur à effet Hall ; on en déduit ainsi l'accélération latérale.
(Sur certains véhicules, capteur d’accélération transversale et capteur de lacet sont intégrés dans le même
composant, constituant un véritable gyromètre)
Sans ESP :
Le véhicule rencontre un sol humide inattendu au milieu du virage.
de la trajectoire.
2) : En retrouvant le sol sec, le train avant reprend l’adhérence et
fait survirer le véhicule.
Avec ESP :
1) : L’ESP détecte un début de sous-virage (début de perte
d’adhérence du train avant).
L’ESP freine immédiatement la roue arrière droite, créant ainsi
un couple de rotation au châssis dans le sens des aiguilles d’une
montre. Cette action aide le véhicule à tourner vers la droite et à
rester sur la trajectoire souhaitée.
2) : Le véhicule est sur la trajectoire souhaitée.
Exemple 4 : Autres systèmes. (pêle-mêle)
Le capteur de pluie
des essuie-glace.
Il est placé en haut du pare brise, plaqué côté intérieur.
Il est généralement associé à des détecteurs de
luminosité, chargés de piloter l’allumage
automatique des feux de croisement.
Le fonctionnement de ce capteur est basé sur la réflexion totale de la lumière dans l'épaisseur du pare brise. Une
diode émettrice envoie un signal lumineux vers le pare-brise en traversant d'abord un guide de lumière (prisme de
plexiglas) puis une fenêtre silicone. le signal subit une ou plusieurs réflexions dans le pare-brise avant d'être mesuré
par la diode réceptrice (photodiode).
Dès qu'une goutte d'eau tombe devant le capteur, une partie des rayons lumineux est diffractée et peut sortir vers
l’extérieur du pare brise. La quantité de lumière reçue par la photodiode décroît. L'électronique, derrière la diode de
réception, commande alors le cadencement de l'essuie-vitre.
Le capteur de pluie est capable de réguler un temps d'intermittence variable entre 2 balayages successifs.
En deçà d’une certaine durée, il commandera la première vitesse, puis la deuxième vitesse d’essuie glace, en
fonction de la quantité de pluie détectée.
Petit détail qui a son importance, un chauffage intégré supprime tout risque de buée devant la fenêtre, pouvant
perturber le système.
Les capteurs de pression des pneumatiques.
la pression des pneumatiques équipent
actuellement les seuls véhicules de moyenne
et haute gamme. Ils seront obligatoires
sur tous les véhicules à compter de 2011.
(Considérés comme élément de sécurité)
Comment cela fonctionne-t-il ?
A l’intérieur de chaque pneumatique, un
capteur fournit les informations pression
et température à un microcalculateur,
associé à un émetteur RF et une antenne
imprimée (Cf. ci-contre)
Ce système est autoalimenté par une pile
lithium-ion de durée de vie estimée à 10 ans.
L’information numérique est transmise à la fréquence de 315 ou 432 MHz (code Manchester ou NRZ, modulation
OOK), soit à un récepteur placé au voisinage de chaque roue (donc 4 au total, reliés à un calculateur central par bus
CAN), soit à un récepteur unique qui doit identifier chaque roue (système moins coûteux, mais qui posera problème
en cas de permutation de roues par un propriétaire qui souhaite homogénéiser l’usure de ses pneumatiques !!)
L’antidémarrage codé
Le démarrage du véhicule ne peut être réalisé qu’après identification d’un code contenu dans une mémoire interne
(chez BMW, l’identification nécessite la reconnaissance de 2 codes, un fixe et un changeant à chaque démarrage…)
Le principe de base est celui du transpondeur
(ou émetteur sans fil autoalimenté) :
Il repose sur un couplage de bobines ;
l’une est liée au véhicule et permet d’alimenter le
transpondeur proprement dit ; l’autre est liée au
transpondeur et permet de renvoyer le code à la
base fixe. (Cf. à droite)
L’insertion de la clé dans le dispositif de contact
déclenche l’alimentation du transpondeur, puis la
lecture du code.
Sur quelques véhicules innovants, le conducteur porte la carte comportant le transpondeur sur lui : Le fait de
s’approcher suffisamment près du véhicule va déclencher l’ouverture des portières et activer la possibilité de
démarrer.
Remarque : Ouverture-fermeture des portières par « plip » sur la clé de contact : Il s’agit de l’émission infrarouge
d’un code d’ouverture ou de fermeture ; l’émetteur est alimenté par une pile bouton qui confère une autonomie
moyenne de 2 à 3 ans et une portée d’une dizaine de mètres.
Le radar anticollisions.
règles sur les distances de sécurité entre les véhicules.
On l’appelle RADAR ACC (Automatic Cruise Control).
Ce dispositif fonctionne sur la bande 77 GHz. (Il est prévu d’autoriser le
fonctionnement dans la bande 24GHz après 2013)
L’antenne d’un ACC se présente extérieurement sous forme
d’une lentille (Cf. ci-contre), intégrée le plus souvent au pare
chocs du véhicule.
Le faisceau d’émission est assez peu ouvert : 10à 20° tout au plus.
Exemple de possibilité :
Sur la figure de droite, le véhicule vert roule à
se déplace dans le même sens, mais à 120km/h.
Lorsque la voiture rapide rattrape la voiture lente,
son radar l’informe de cet obstacle et peut
automatiquement réduire la vitesse de la voiture
suiveuse.
Quand l’obstacle (la voiture lente) sort du faisceau de détection radar, le système autorise la reprise de vitesse du véhicule vert.
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