La structure et la conception d'un véhicule 100 % électrique diffèrent de celles d'un véhicule traditionnel à moteur thermique. Il s'agit d'un système complexe nécessitant l'intégration des technologies de batteries, de motorisation, automobiles et des théories de contrôle modernes pour un fonctionnement optimal. Dans son plan de développement des technologies des véhicules électriques, le pays maintient son modèle de R&D articulé autour de trois axes : le moteur de traction et le groupe motopropulseur. Il privilégie la recherche sur les technologies clés communes à ces trois axes, conformément à sa stratégie de transformation technologique vers une motorisation 100 % électrique. Ces axes de recherche concernent le moteur de traction et son système de commande, la batterie et son système de gestion, ainsi que le système de commande du groupe motopropulseur. Chaque grand constructeur élabore sa propre stratégie de développement, en accord avec la stratégie nationale.
L'auteur recense les technologies clés du développement d'une chaîne de traction à énergie nouvelle, fournissant ainsi un cadre théorique et des références pour la conception, les essais et la production de cette chaîne. L'ouvrage est structuré en trois chapitres consacrés à l'analyse des technologies essentielles de la propulsion électrique dans les chaînes de traction des véhicules 100 % électriques. Aujourd'hui, nous présenterons tout d'abord le principe et la classification des technologies de propulsion électrique.
Figure 1 Liens clés dans le développement du groupe motopropulseur
À l'heure actuelle, les principales technologies de propulsion des véhicules électriques se répartissent en quatre catégories :
Figure 2 Les principales technologies de base du groupe motopropulseur
Définition du système de moteur d'entraînement
En fonction de l'état de la batterie du véhicule et des besoins en énergie, l'énergie électrique produite par le dispositif de stockage embarqué est convertie en énergie mécanique. Cette énergie est ensuite transmise aux roues motrices par le biais du dispositif de transmission. Lors du freinage, une partie de l'énergie mécanique du véhicule est convertie en énergie électrique et réinjectée dans le dispositif de stockage. Le système de propulsion électrique comprend un moteur, un mécanisme de transmission, un contrôleur de moteur et d'autres composants. Les paramètres techniques de conception de ce système incluent principalement la puissance, le couple, la vitesse, la tension, le rapport de réduction, la capacité d'alimentation, la puissance de sortie, la tension et le courant.
1) Contrôleur de moteur
Également appelé onduleur, il transforme le courant continu fourni par la batterie en courant alternatif. Composants principaux :
◎ IGBT : interrupteur électronique de puissance. Principe : via un contrôleur, les bras du pont IGBT sont commandés pour fermer un interrupteur à une fréquence et une séquence précises afin de générer un courant alternatif triphasé. La fermeture de cet interrupteur électronique de puissance permet de convertir la tension alternative. La tension alternative est ensuite générée par le contrôle du rapport cyclique.
◎ Capacité du film : fonction de filtrage ; capteur de courant : détection du courant de l'enroulement triphasé.
2) Circuit de commande et de pilotage : carte de commande par ordinateur, IGBT de pilotage
Le rôle du contrôleur moteur est de convertir le courant continu (CC) en courant alternatif (CA), de recevoir chaque signal et de fournir la puissance et le couple correspondants. Ses principaux composants sont : un interrupteur de puissance, un condensateur à film, un capteur de courant et un circuit de commande permettant d'ouvrir différents interrupteurs, de générer des courants dans différentes directions et de produire une tension alternative. Ainsi, le courant alternatif sinusoïdal peut être divisé en segments rectangulaires. L'aire de chaque segment est convertie en une tension de même amplitude. L'axe des abscisses permet de contrôler la longueur en ajustant le rapport cyclique, et finalement d'obtenir une conversion d'aire équivalente. De cette manière, la puissance CC peut être commandée pour fermer les bras du pont IGBT à une fréquence et une séquence données, grâce au contrôleur, afin de générer une puissance CA triphasée.
À l'heure actuelle, les principaux composants du circuit de commande dépendent des importations : condensateurs, tubes de commutation IGBT/MOSFET, DSP, puces électroniques et circuits intégrés, qui peuvent être produits indépendamment mais ont une faible capacité : circuits spéciaux, capteurs, connecteurs, qui peuvent être produits indépendamment : alimentations, diodes, inductances, cartes de circuits imprimés multicouches, fils isolés, radiateurs.
3) Moteur : convertit le courant alternatif triphasé en courant mécanique
◎ Structure : couvercles avant et arrière, carters, arbres et roulements
◎ Circuit magnétique : noyau du stator, noyau du rotor
◎ Circuit : enroulement du stator, conducteur du rotor
4) Dispositif de transmission
La boîte de vitesses ou le réducteur transforme le couple et la vitesse de sortie du moteur en vitesse et couple requis par l'ensemble du véhicule.
Type de moteur d'entraînement
Les moteurs d'entraînement se répartissent en quatre catégories. Actuellement, les moteurs à induction et les moteurs synchrones à aimants permanents sont les plus courants dans les véhicules électriques à énergies nouvelles. Nous nous concentrons donc sur la technologie des moteurs à induction et des moteurs synchrones à aimants permanents.
| Moteur à courant continu | Moteur à induction AC | Moteur synchrone à aimant permanent | Moteur à réluctance commutée | |
| Avantage | Coût réduit, exigences réduites du système de contrôle | Faible coût, large couverture électrique, technologie de contrôle avancée, haute fiabilité | Densité de puissance élevée, rendement élevé, dimensions réduites | Structure simple, exigences minimales en matière de système de contrôle |
| Inconvénient | Exigences d'entretien élevées, faible vitesse, faible couple, durée de vie courte | Surface efficace réduite, faible densité de puissance | Coût élevé. Faible adaptabilité environnementale. | Forte fluctuation du couple. Bruit de fonctionnement élevé. |
| Application | Petit ou mini véhicule électrique à basse vitesse | Voitures électriques utilitaires et de tourisme | Voitures électriques utilitaires et de tourisme | Véhicule à motorisation mixte |
1) Moteur asynchrone à induction AC
Le principe de fonctionnement d'un moteur asynchrone à induction à courant alternatif repose sur un enroulement composé de fines tôles d'acier à haute conductivité magnétique, traversant les encoches du stator et le rotor. Le courant triphasé circule dans cet enroulement. Conformément à la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique, un champ magnétique tournant est généré, ce qui entraîne la rotation du rotor. Les trois spires du stator sont connectées à un angle de 120 degrés, et le conducteur parcouru par le courant génère des champs magnétiques autour d'elles. Lorsqu'une alimentation triphasée est appliquée à ce système, les champs magnétiques varient dans différentes directions au rythme du courant alternatif, générant ainsi un champ magnétique d'intensité tournante uniforme. La vitesse de rotation de ce champ magnétique est appelée vitesse de synchronisme. Si un conducteur fermé est placé à l'intérieur de ce circuit, la loi de Faraday explique que, du fait de la variation du champ magnétique, la boucle induit une force électromotrice, générant un courant électrique. Cette situation est comparable à une boucle conductrice de courant dans un champ magnétique, générant une force électromagnétique sur la boucle et entraînant la rotation du rotor. À l'aide d'un dispositif similaire à une cage d'écureuil, un courant alternatif triphasé produit un champ magnétique tournant à travers le stator. Le courant est induit dans les barres de la cage d'écureuil, court-circuitées par l'anneau d'extrémité, ce qui provoque la rotation du rotor. C'est pourquoi ce type de moteur est appelé moteur à induction. L'induction électromagnétique n'étant pas directe, l'électricité est induite par un noyau de fer isolant rempli de flocons de fer. La petite taille de ce noyau minimise les pertes par courants de Foucault.
2) Moteur synchrone à courant alternatif
Le rotor d'un moteur synchrone diffère de celui d'un moteur asynchrone. Un aimant permanent, de type apparent ou intégré, est installé sur le rotor. Ce dernier est constitué d'une tôle d'acier au silicium et l'aimant permanent y est intégré. Le stator est alimenté par un courant alternatif déphasé de 120°, ce qui contrôle l'amplitude et la phase du courant alternatif sinusoïdal. Ainsi, le champ magnétique généré par le stator est opposé à celui généré par le rotor, et ce champ magnétique est rotatif. De cette manière, le stator est attiré par un aimant et tourne avec le rotor. Le cycle de rotation est ainsi généré par l'attraction magnétique du stator et du rotor.
Conclusion : La motorisation des véhicules électriques est devenue la norme, mais elle se caractérise par sa diversité. Chaque système possède ses propres caractéristiques et est utilisé dans les véhicules électriques actuels. La plupart utilisent des moteurs asynchrones ou synchrones à aimants permanents, tandis que certains explorent les moteurs à réluctance variable. Il est important de souligner que la motorisation intègre l’électronique de puissance, la microélectronique, les technologies numériques, l’automatique, la science des matériaux et d’autres disciplines, reflétant ainsi l’étendue des applications et les perspectives de développement de multiples domaines. Elle représente un acteur majeur du marché des moteurs pour véhicules électriques. Pour s’imposer dans les véhicules électriques de demain, tous les types de moteurs doivent non seulement optimiser leur structure, mais aussi développer en permanence des systèmes de commande intelligents et numériques.
Date de publication : 30 janvier 2023
