Indépendamment de la source d’énergie motrice utilisée, la part – déjà considérable – de composants électroniques dans les véhicules d’aujourd’hui ne cesse de croître chaque année. Cela comprend notamment les groupes motopropulseurs, les systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS), ainsi que les équipements de confort, de divertissement, de commodité, de navigation, de sécurité, etc.

Les voitures renferment en outre une catégorie de composants électromécaniques plus discrets, mais indispensables, à savoir les moteurs électriques. Contrairement aux véhicules équipés d’un moteur à combustion interne (MCI), les véhicules 100 % électriques et hybrides utilisent des moteurs de traction électriques. Mais quel que soit le type de motorisation, tous les véhicules actuels intègrent de nombreux moteurs électriques servant à diverses fonctions.

Combien exactement ? Cela dépend : une voiture de milieu de gamme compte une quarantaine de moteurs électriques (les moteurs de traction mis à part), mais on peut en retrouver le double dans un véhicule haut de gamme.

Les moteurs électriques sont utilisés pour les pompes à eau et à carburant, les commandes de suspension adaptative, les ventilateurs, les compresseurs, la direction assistée, les essuie-glaces, les lève-vitres, etc. (voir figure 1). Les spécificités varient non seulement en fonction de la gamme de véhicules, mais aussi du type de groupe motopropulseur. Par exemple, un véhicule électrique n’a pas besoin de pompe à carburant.

Il est évident que le type, la taille, la vitesse/le couple et le fonctionnement de chacun de ces moteurs sont optimisés en fonction de leur emplacement et de leur fonction. On distingue trois grandes catégories de moteurs selon leur application (voir figure 2) :

1. les moteurs liés à la performance ;
2. les moteurs liés au confort ;
3. les moteurs liés au volume.

Aucun moteur ne peut répondre aux besoins des trois catégories à la fois, même si sa taille est adaptée aux exigences de puissance de sortie mécanique. C’est pourquoi, outre les divers moteurs de traction des véhicules électriques et hybrides, les voitures utilisent plusieurs autres types de moteurs, dont les moteurs à courant continu à balais, les moteurs à courant continu sans balais (BLDC) et les moteurs à induction. Le choix du type de moteur dépend entre autres du type de charge, du cycle de fonctionnement, de l’espace disponible, etc.

L’évolution technologique n’est pas toujours un processus linéaire

Au tournant du XXe siècle, les premières voitures à essence n’avaient ni moteurs électriques ni batteries. Le démarrage du moteur à explosion s’effectuait à l’aide d’une manivelle. Un magnéto d’allumage (une génératrice simple et peu efficace composée d’aimants fixes et d’une bobine mobile) générait des impulsions périodiques de courant alternatif pour produire les étincelles.

Le premier – et longtemps le seul – moteur électrique utilisé dans une voiture a été le démarreur électrique. Introduit par Cadillac en 1912, il a rapidement été adopté par la quasi-totalité des constructeurs. Le démarreur électrique fonctionnait avec une simple batterie de 6 V. Plus tard, avec l’apparition de l’autoradio (un simple récepteur d’ondes moyennes) dans les années 1930 et d’autres options comme les vitres électriques à partir des années 1950 et 1960, il a fallu augmenter la tension de la batterie à 12 V, mais le nombre de moteurs restait tout de même limité. De nombreux éléments comme le compresseur du climatiseur et la direction assistée étaient entraînés par une courroie de transmission fixée à l’arbre du moteur, tandis que d’autres utilisaient la pression d’air ou le vide provenant du moteur de la voiture.

Ces moteurs étaient connectés au sous-système de la batterie par un câblage point à point, chacun contrôlé par un interrupteur marche-arrêt. Le nombre de moteurs et leurs charges ne cessant de croître, la quantité de câblage, l’espace nécessaire et le poids que tout cela représentait avaient fait de la conception un véritable casse-tête.

On remarquera que plus aucun moteur actuel n’est encore connecté de cette manière, qui – quoique simple et directe – s’avérait bien trop contraignante. Chaque moteur est désormais équipé d’un circuit intégré de contrôle du mouvement et du moteur et d’un commutateur de puissance à semi-conducteurs. Ce commutateur est généralement un MOSFET au silicium intégré dans le circuit intégré de commande dans le cas de petits moteurs ou un dispositif discret à part pour les plus grands moteurs. Selon la fonction du moteur, un capteur de retour de position peut également être utilisé pour assurer la gestion du mouvement. Il peut s’agir d’un dispositif de commande et de pilotage de base comme d’une fonction sophistiquée contrôlée par le processeur.

Les vitres électriques : un exemple significatif

Que de progrès n’avons-nous pas réalisés en quelques décennies seulement, depuis l’époque où les vitres, les rétroviseurs extérieurs et les serrures de portières étaient actionnés manuellement ! Toutes ces fonctions sont aujourd’hui électriques et ne nécessitent aucune intervention manuelle. La conception et la fourniture d’une alimentation contrôlée pour les différents moteurs et mécanismes des systèmes de portières modernes et complexes, ainsi que leurs accessoires, constituent un défi technique de taille.

L’évolution des vitres illustre parfaitement celle des moteurs électriques dans les véhicules. Il y a cinquante ans, toutes les vitres des voitures étaient actionnées manuellement à l’aide d’une tringlerie mécanique et d’une simple manivelle. C’est ce qu’on appelait un lève-vitre. En guise de moteur, il revenait au passager le plus proche d’utiliser son bras comme source d’énergie (voir figure 3). Très loin encore de la gestion centralisée des fenêtres, le conducteur ne gérait pas plus d’une vitre – celle de sa portière.

Quand un lève-vitre cassait, il était facile d’en commander un d’origine dans n’importe quel magasin de pièces automobiles. On trouvait aussi pas mal de manivelles décoratives sur le marché secondaire automobile.

Les lève-vitres électriques font leur apparition dans les années 1940. Il s’agissait au départ d’un système hydraulique à commande électrique qui actionnait le mécanisme d’ouverture et de fermeture de la vitre. L’utilisation de tels systèmes hydrauliques s’explique du fait que les petits moteurs électriques n’étaient alors technologiquement pas encore assez avancés pour être installés à l’intérieur d’une portière.

Puis, dans les années 1960, les modèles Cadillac Fleetwood ont été équipés de série d’un système de lève-vitre intégralement électrique. À partir de là, il ne faudra qu’une dizaine d’années pour que cette technologie se généralise à l’ensemble du marché automobile. Au début du XXIe siècle, les portières de voitures sont devenues des systèmes électromécaniques complexes dont toutes les fonctions sont contrôlées électroniquement. Dès lors, tout système manuel est devenu superflu. Il y eut toutefois une période de transition où le système de commande manuelle perdurait aux côtés du nouveau système électrique afin de rassurer les clients que cette nouvelle technologie inquiétait peut-être encore.

Deux types de mécanismes de base étaient alors utilisés pour le lève-vitre : le câble et l’engrenage.^[1] Quelle que soit la conception mécanique utilisée, les deux systèmes avaient un aspect électrique commun. Le courant continu non régulé de 12 V circulait directement de la batterie de la voiture au moteur par l’intermédiaire de commutateurs de commande individuels pour chaque vitre. Par conséquent, l’ajout de cette « fonction de confort » à la voiture a imposé d’utiliser des faisceaux de câbles plus épais, rendant leur acheminement dans tout le véhicule plus difficile.

Heureusement, la migration vers des réseaux à faible vitesse tels que le réseau de contrôleurs (bus CAN), le réseau local d’interconnexion (bus LIN) ou d’autres réseaux à l’intérieur de la voiture a permis de réduire le problème des faisceaux de câbles. Aujourd’hui, l’alimentation 12 V non commutée est acheminée vers un régulateur-moteur situé dans la portière. En même temps, un commutateur en réseau avec un câblage plus fin peut communiquer avec le contrôleur de moteur pour surveiller le mouvement de la fenêtre et ses performances.

Cependant, ce qui n’était au début qu’un simple contrôleur de moteur de fenêtre adapté au réseau a rapidement évolué pour devenir un contrôleur intelligent, basé sur un processeur, avec des performances avancées. L’interface réseau améliorée de la fenêtre et le circuit intégré du contrôleur de moteur nécessitent une gestion et une régulation de l’alimentation plus sophistiquées. C’est là qu’interviennent les circuits intégrés de gestion de l’alimentation (PMIC).

Ce circuit sophistiqué lié au moteur doit être surveillé et géré. Le circuit intégré de gestion de l’alimentation doit comporter un autotest pour détecter rapidement toute variation excessive de l’alimentation ou tout autre problème et prendre immédiatement les mesures nécessaires afin d’éviter des dommages au moteur ou aux composants associés. Les circuits intégrés pour les moteurs de fenêtres et les PMIC spécifiques à l’application intègrent ces fonctions nécessaires dans un seul circuit intelligent.

Conclusion

L’adoption généralisée de moteurs électriques abordables et performants dans les voitures, adaptés et contrôlés pour une fonction très localisée, représente un progrès significatif au niveau des matériaux, de la conception des moteurs, de l’électronique et de la production. Aujourd’hui, des fonctions comme le lève-vitre électrique semblent aller de soi et font désormais partie de l’équipement standard des automobiles modernes. Alors que les moteurs électriques étaient autrefois massifs, lourds, inefficaces et difficiles à contrôler, ils sont désormais des modèles d’efficacité compacts. Cette avancée permet aux concepteurs de les utiliser sans se soucier des contraintes pratiques pour résoudre facilement des problèmes de conception ou ajouter de nouvelles fonctions à la voiture.

Sources

[1] https://www.samarins.com/glossary/window-regulator.html