L'automobile moderne est devenue un système dans lequel la mécanique, l'électronique et l'informatique fonctionnent ensemble. Le moteur, les freins, la direction, l'éclairage, les équipements de confort et les systèmes de sécurité sont désormais surveillés ou commandés par des circuits électroniques.

Cette évolution a progressivement remplacé certaines commandes purement mécaniques par des systèmes capables de mesurer, calculer et agir. Une voiture peut ainsi connaître sa vitesse, détecter une perte d'adhérence, modifier le fonctionnement du moteur ou intervenir sur le freinage en quelques millisecondes.

Les calculateurs électroniques

Les fonctions électroniques du véhicule sont prises en charge par des calculateurs, également appelés ECU (Electronic Control Unit). Chaque calculateur contient notamment un processeur, de la mémoire, des interfaces d'entrée et de sortie et différents circuits adaptés à la fonction qu'il doit assurer.

Un véhicule peut posséder de nombreux calculateurs spécialisés. Certains contrôlent le moteur, la transmission ou le freinage, tandis que d'autres gèrent les airbags, la climatisation, l'éclairage, les portes, les sièges ou les systèmes multimédias.

Ces calculateurs ne fonctionnent pas de manière totalement indépendante. Ils doivent échanger des informations pour coordonner leurs actions. La vitesse du véhicule calculée par un système peut par exemple être utilisée par le tableau de bord, le système de freinage et plusieurs aides à la conduite.

Les capteurs

Les calculateurs ont besoin d'informations provenant du véhicule et de son environnement. Des capteurs transforment donc des grandeurs physiques en signaux électriques exploitables par les circuits électroniques.

Des capteurs mesurent notamment la vitesse de rotation des roues, la température du moteur, la pression des pneus, la position de la pédale d'accélérateur, l'angle du volant ou la pression dans différents circuits.

Le moteur possède également des capteurs capables de mesurer la quantité d'air admise, la température, la pression ou la composition des gaz d'échappement. Ces informations permettent au calculateur de déterminer les conditions de fonctionnement du moteur et d'adapter ses commandes.

Les systèmes d'aide à la conduite utilisent d'autres types de capteurs. Des caméras fournissent des images, des radars mesurent des distances et des vitesses relatives et des capteurs à ultrasons détectent les obstacles proches.

Le traitement des informations

Les signaux provenant des capteurs sont transmis aux calculateurs. Ils peuvent être analogiques ou numériques et doivent être adaptés aux circuits de traitement avant d'être exploités.

Le calculateur compare ensuite les mesures avec les valeurs attendues ou avec les consignes définies par son programme. Il peut ainsi déterminer qu'une roue ralentit beaucoup plus rapidement que les autres, qu'une température devient excessive ou qu'un obstacle se rapproche dangereusement.

Les décisions sont prises très rapidement. Dans certains systèmes de sécurité, le traitement complet des informations et la commande correspondante doivent être réalisés en quelques millisecondes.

Les actionneurs

Une fois la décision prise, le calculateur commande des actionneurs. Ils transforment les commandes électriques en actions physiques.

Un actionneur peut commander un injecteur, une vanne, un moteur électrique, un relais ou un système de freinage. Il peut également modifier l'orientation d'un projecteur, déplacer un volet de climatisation ou commander un mécanisme de verrouillage.

Le système forme ainsi une boucle complète : le capteur mesure une situation, le calculateur traite l'information et l'actionneur modifie le fonctionnement du véhicule. Les capteurs effectuent ensuite de nouvelles mesures afin de vérifier l'évolution de la situation.

Le réseau électronique du véhicule

Les différents calculateurs doivent échanger des données. Ils sont donc reliés par des réseaux de communication internes.

Le bus CAN (Controller Area Network) est l'une des technologies largement utilisées dans les automobiles. Il permet à plusieurs calculateurs de partager des informations sur une même liaison sans nécessiter une connexion individuelle entre chaque paire de calculateurs.

D'autres réseaux peuvent être utilisés selon les besoins, notamment lorsque des volumes importants de données doivent circuler. Les systèmes multimédias et certaines fonctions avancées d'aide à la conduite nécessitent des communications beaucoup plus rapides que les commandes électroniques classiques.

La gestion du moteur

Dans une voiture thermique, l'électronique contrôle une grande partie du fonctionnement du moteur. Le calculateur reçoit les informations provenant des capteurs puis commande notamment l'injection de carburant et l'allumage sur les moteurs à essence.

Il adapte ces commandes en fonction de la vitesse du moteur, de la charge, de la température et de la quantité d'air admise. Le dosage du carburant peut ainsi être ajusté en permanence afin d'obtenir le fonctionnement recherché.

Les gaz d'échappement sont également surveillés. Des capteurs mesurent leur composition et fournissent des informations permettant au système de réduire certaines émissions polluantes tout en maintenant les performances du moteur.

Le freinage électronique

Le système de freinage reste principalement mécanique ou hydraulique, mais l'électronique permet d'en surveiller et d'en contrôler le fonctionnement.

L'ABS (Anti-lock Braking System) surveille la vitesse de rotation de chaque roue. Lorsqu'une roue risque de se bloquer pendant un freinage important, le système modifie rapidement la pression de freinage appliquée à cette roue.

La roue peut ainsi continuer à tourner tout en produisant une force de freinage importante. Le conducteur conserve également une meilleure capacité à diriger le véhicule pendant le freinage.

Le contrôle de la trajectoire

Le système de contrôle électronique de stabilité, appelé ESP (Electronic Stability Program), compare notamment la trajectoire demandée par le conducteur avec le comportement réel du véhicule.

Des capteurs mesurent l'angle du volant, la vitesse des roues, les mouvements de rotation du véhicule et ses accélérations. Si le système détecte un écart important entre la trajectoire souhaitée et celle réellement suivie, il peut intervenir sur le freinage de certaines roues et, selon le véhicule, sur la puissance du moteur.

Cette intervention permet de contribuer au maintien de la stabilité du véhicule lorsque l'adhérence devient insuffisante ou lors d'une manœuvre brusque.

Les airbags

Les airbags utilisent également une électronique conçue pour réagir extrêmement rapidement. Des capteurs détectent les accélérations et les décélérations importantes produites lors d'un choc.

Le calculateur de sécurité analyse ces informations afin de déterminer si les conditions correspondent à un accident nécessitant le déclenchement d'un ou plusieurs dispositifs de retenue.

Lorsque le déclenchement est décidé, le système commande un générateur de gaz qui gonfle l'airbag en quelques dizaines de millisecondes. Plusieurs airbags peuvent être contrôlés indépendamment selon la nature et la direction du choc.

La direction assistée

La direction assistée électrique utilise un moteur électrique pour fournir une partie de l'effort nécessaire à la rotation des roues directrices.

Des capteurs mesurent notamment le couple exercé sur le volant et la vitesse du véhicule. Le calculateur détermine alors l'assistance nécessaire.

L'assistance peut être importante à faible vitesse afin de faciliter les manœuvres et réduite à vitesse élevée afin de conserver une sensation de direction plus précise.

L'éclairage et les équipements de confort

L'électronique contrôle également de nombreuses fonctions qui ne sont pas directement liées à la propulsion. Les calculateurs peuvent commander les phares, les feux arrière, les clignotants, les essuie-glaces et différents éléments de signalisation.

Des capteurs de luminosité peuvent par exemple détecter la baisse de la lumière extérieure et permettre l'allumage automatique des phares. Un capteur de pluie peut détecter les gouttes présentes sur le pare-brise et adapter automatiquement la vitesse des essuie-glaces.

La climatisation, les sièges électriques, les vitres, le verrouillage des portes et certains réglages de l'habitacle utilisent eux aussi des moteurs, des capteurs et des circuits de commande.

Les systèmes d'aide à la conduite

Les automobiles récentes disposent de systèmes capables d'assister le conducteur en analysant continuellement leur environnement.

Une caméra peut identifier les marquages au sol, les panneaux de signalisation, les véhicules ou certains obstacles. Un radar peut mesurer la distance et la vitesse relative d'un véhicule situé devant la voiture.

Les informations provenant de plusieurs capteurs peuvent être combinées afin d'obtenir une représentation plus fiable de l'environnement. Cette technique est appelée fusion de données.

Un régulateur de vitesse adaptatif peut ainsi maintenir une vitesse définie tout en ajustant automatiquement la distance avec le véhicule qui précède. Un système de maintien dans la voie peut détecter les marquages routiers et agir sur la direction lorsque le véhicule s'en écarte.

Le freinage d'urgence automatique

Le freinage d'urgence automatique utilise les informations provenant de caméras, de radars ou de plusieurs capteurs associés.

Le système estime la distance qui sépare le véhicule d'un obstacle et son évolution dans le temps. Lorsqu'une collision devient probable et que le conducteur ne réagit pas suffisamment, le système peut déclencher un freinage automatique afin de réduire la vitesse ou d'éviter la collision lorsque les conditions le permettent.

L'électronique des véhicules électriques

Les véhicules électriques utilisent une quantité importante d'électronique de puissance. La batterie fournit une tension continue, tandis que le moteur de traction nécessite généralement des courants contrôlés avec précision.

Un onduleur commande donc l'énergie envoyée au moteur. Il transforme et module l'énergie électrique de manière à contrôler le couple et la vitesse du moteur.

Lors des accélérations, l'électronique adapte la puissance fournie au moteur. Lors des décélérations, le moteur peut fonctionner comme un générateur et convertir une partie de l'énergie mécanique en énergie électrique.

Le freinage régénératif

Lors du freinage régénératif, le moteur électrique est utilisé pour récupérer une partie de l'énergie cinétique du véhicule.

L'énergie mécanique produite par les roues est convertie en énergie électrique puis dirigée vers la batterie. Cette récupération ne remplace pas toujours le freinage mécanique, notamment lorsque le freinage demandé est important ou lorsque la batterie ne peut pas recevoir davantage d'énergie.

La batterie et son système de gestion

La batterie d'un véhicule électrique contient un grand nombre de cellules électrochimiques reliées entre elles. Leur fonctionnement doit être surveillé afin de maintenir des conditions de tension, de température et de charge compatibles avec leur utilisation.

Un système électronique appelé BMS (Battery Management System) mesure notamment les tensions des cellules et la température de la batterie. Il contrôle également les conditions de charge et de décharge et peut isoler la batterie lorsqu'une situation dangereuse est détectée.

Le BMS contribue également à équilibrer les cellules afin que leurs niveaux de charge restent suffisamment proches les uns des autres.

Les communications et les services connectés

Les véhicules modernes peuvent communiquer avec des réseaux extérieurs. Une connexion mobile ou Wi-Fi permet par exemple de transmettre des informations vers un serveur et d'en recevoir.

Cette connectivité permet de proposer des services comme la navigation avec des informations de circulation actualisées, les mises à jour logicielles à distance ou le suivi de certains paramètres du véhicule.

Le véhicule devient ainsi capable d'échanger des informations non seulement avec ses propres calculateurs, mais également avec des infrastructures, des serveurs et parfois d'autres véhicules.

Vers le véhicule autonome

L'association de nombreux capteurs, de calculateurs puissants et d'algorithmes avancés permet aux véhicules d'automatiser progressivement certaines tâches de conduite.

Les systèmes les plus évolués doivent identifier les éléments présents autour du véhicule, déterminer leur évolution, prévoir une trajectoire possible et commander l'accélération, le freinage ou la direction.

Des techniques d'intelligence artificielle peuvent intervenir dans l'analyse des images et la reconnaissance des objets. Elles complètent les méthodes classiques de commande et de traitement des signaux.

L'automatisation complète de la conduite nécessite cependant que l'ensemble des fonctions de perception, de décision, de commande et de sécurité puisse fonctionner de manière fiable dans une très grande variété de situations.

Une architecture électronique complexe

L'automobile rassemble finalement de nombreux domaines de l'électronique : capteurs, circuits numériques, microcontrôleurs, électronique de puissance, réseaux de communication et systèmes de traitement du signal.

Les informations circulent en permanence entre les différents systèmes. Les capteurs observent le véhicule et son environnement, les calculateurs analysent ces données et les actionneurs exécutent les commandes. Les réseaux internes assurent la coordination entre les différents calculateurs.

Cette architecture permet à une automobile moderne de surveiller son fonctionnement, d'adapter son comportement et d'assister le conducteur tout en coordonnant des centaines de fonctions électroniques dans un même véhicule.