Unités de propulsion électrique intégrées

Une unité de propulsion électrique intégrée réunit plusieurs fonctions de propulsion dans un même ensemble. Au minimum, elle associe un moteur de traction et un réducteur ; un essieu électrique fortement intégré peut également comprendre l’onduleur, le différentiel, le verrou de stationnement, la lubrification, les pompes, les canaux de refroidissement, les capteurs et l’électronique de commande.

Ce que signifie l’intégration

Les termes essieu électrique, unité de propulsion électrique, module de propulsion électrique et unité de propulsion intégrée ne correspondent pas à des périmètres de produit normalisés. Un fournisseur peut appeler essieu électrique un ensemble moteur-réducteur, tandis qu’un autre n’emploie ce terme que lorsque l’onduleur et le différentiel sont inclus.

La chaîne fonctionnelle reste la même :

le courant continu haute tension atteint l’onduleur ;
un courant de phase commandé crée le couple moteur ;
les engrenages réducteurs échangent la vitesse du moteur contre du couple en sortie ;
un différentiel ou des voies d’engrenages séparées distribuent le couple aux roues ;
les roulements, la lubrification, le refroidissement, les capteurs et le logiciel maintiennent l’ensemble dans ses limites de fonctionnement.

L’intégration modifie l’emplacement physique de ces frontières. Elle ne supprime pas les fonctions sous-jacentes.

Avantages électriques et d’intégration

Placer l’onduleur près du moteur raccourcit les liaisons CA à fort courant. Des jeux de barres courts ou des conducteurs internes peuvent réduire la masse de câbles, la résistance, l’inductance, les émissions électromagnétiques, le nombre de connecteurs et les étapes d’assemblage. Des carters et des parois structurelles partagés peuvent réduire le volume occupé et supprimer les supports en double.

La propulsion de cinquième génération de BMW réunit le moteur, l’électronique de puissance et la transmission dans un même carter. Bosch décrit un eAxle qui combine les mêmes trois fonctions principales, tandis que la plateforme modulaire de ZF considère aussi le logiciel et, lorsque nécessaire, un convertisseur comme des éléments constitutifs du système.

Une architecture compacte peut libérer de l’espace pour les cellules de batterie, la géométrie des suspensions, la structure d’absorption des chocs, l’habitacle ou les bagages. Les architectures coaxiales alignent l’arbre moteur, les engrenages, le différentiel et les demi-arbres, tandis que les architectures à axes parallèles décalent le moteur pour l’adapter à la hauteur de l’essieu et à l’espace disponible. Aucune n’est intrinsèquement plus efficace ; les engrènements, les charges sur les roulements, le rapport de réduction, le refroidissement et les contraintes d’encombrement déterminent le résultat.

Refroidissement et lubrification partagés

L’intégration permet de concevoir les chemins thermiques autour du système complet. Un circuit eau-glycol peut refroidir l’onduleur et le carter du stator, tandis que l’huile lubrifie les engrenages et les roulements et refroidit directement les bobinages ou le rotor. La chaleur peut être échangée entre l’huile, le liquide de refroidissement, le fluide frigorigène et le système thermique plus large du véhicule.

Un fluide partagé peut supprimer des composants, mais il impose des exigences de compatibilité. Le lubrifiant doit assurer le contact des engrenages, la durée de vie des roulements, le fonctionnement de la pompe, l’isolation électrique, la compatibilité avec le cuivre et les polymères, le contrôle de l’aération et une viscosité prévisible sur toute la plage de température. Les particules métalliques d’usure ne doivent pas atteindre les distances d’isolement électrique sensibles.

Les architectures à carter sec utilisent une pompe pour récupérer l’huile et l’acheminer là où elle est nécessaire, au lieu de laisser les engrenages en rotation profondément immergés. Cela peut réduire les pertes par brassage et améliorer la maîtrise du refroidissement, mais la puissance de pompage, la filtration, les soupapes et la gestion des défaillances font alors partie de l’efficacité et de la durabilité de l’unité de propulsion.

Roulements, arbres et courants électriques

Les roulements du moteur supportent une vitesse élevée du rotor et maintiennent un entrefer étroit, tandis que les roulements du réducteur et du différentiel encaissent les efforts de séparation des engrenages et les charges provenant des roues. L’architecture détermine quelles charges partagent un arbre ou un carter. La dilatation thermique, la rigidité du carter, la précharge, la lubrification et l’alignement de fabrication influencent le frottement, le bruit et la durée de vie.

La commutation de l’onduleur peut créer une tension de mode commun entre le rotor et le stator. Si la tension de l’arbre se décharge à travers un roulement, des arcs électriques répétés peuvent endommager les pistes et le lubrifiant. Les ingénieurs emploient des balais de mise à la masse, des chemins conducteurs, des roulements isolés ou hybrides, un filtrage de mode commun, la conception des bobinages et la commande de l’onduleur pour maîtriser ce risque.

Les joints doivent retenir le lubrifiant et empêcher l’entrée de contaminants sans créer une traînée excessive. Un joint performant à basse vitesse peut produire de la chaleur à haut régime moteur ; les variations de pression et l’huile aérée compliquent encore la tâche.

Les bruits et vibrations se conçoivent au niveau du système

Les forces électromagnétiques du moteur, la commutation de l’onduleur, l’excitation liée à l’engrènement, les fréquences des roulements, les pompes à huile et les résonances du carter occupent des parties différentes mais interactives du spectre audible. Un moteur plus silencieux peut révéler un sifflement d’engrenages auparavant masqué.

Les engrenages hélicoïdaux peuvent rendre l’engagement des dents moins brusque, mais ils créent une charge axiale. La microgéométrie des dents, l’état de surface, le support des roulements, la segmentation du rotor, la stratégie de commutation, les nervures du carter, les supports et le lubrifiant influencent tous le son qui atteint l’habitacle.

L’intégration peut améliorer les bruits et vibrations en donnant aux ingénieurs la maîtrise de la structure complète. Elle peut aussi coupler plus fortement les sources par l’intermédiaire d’un carter commun. Les simulations et les essais au dynamomètre nécessitent donc des modèles électromagnétiques, structurels, acoustiques et de commande, plutôt que des objectifs isolés par composant.

Efficacité et risque d’optimisation par composant

Le moteur le plus efficace ne fait pas automatiquement partie de l’unité de propulsion la plus efficace. Une géométrie de moteur nécessitant un rapport plus élevé peut accroître les pertes des engrenages ou des roulements. Une fréquence de commutation qui réduit les harmoniques du moteur peut augmenter les pertes de l’onduleur. Une huile plus visqueuse peut protéger les engrenages sous charge tout en augmentant les pertes par brassage à froid.

L’optimisation du système évalue les pertes de la batterie aux roues sur le cycle d’utilisation prévu. Les pertes pertinentes comprennent :

la conduction et la commutation de l’onduleur ;
les pertes électromagnétiques du stator et du rotor ;
les engrenages, les roulements, les joints et le brassage de l’huile ;
les pompes à huile et à liquide de refroidissement ;
l’électronique de commande et les actionneurs ;
les dispositifs de déconnexion d’essieu ou les verrous de stationnement lorsqu’ils sont engagés ou en rotation.

C’est pourquoi les fournisseurs présentent de plus en plus le moteur, l’onduleur, la transmission, le refroidissement et le logiciel comme un seul produit calibré.

Durabilité, sécurité et entretien

Une unité intégrée doit résister aux inversions de couple, aux chocs contre les bordures transmis par les arbres, aux contaminants de la route, à l’exposition au liquide de refroidissement et à l’huile, aux vibrations, aux cycles thermiques, aux survitesses et aux défauts haute tension. Les verrous de stationnement et les embrayages de déconnexion ajoutent leurs propres cas de charge.

La réduction du nombre de connexions externes peut améliorer la fiabilité. Un carter commun peut aussi rendre une défaillance locale plus coûteuse à réparer si la stratégie d’entretien consiste à remplacer l’ensemble complet. La construction interne modulaire, la couverture du diagnostic, les dispositions d’entretien des fluides, l’électronique de puissance remplaçable et les plans de reconditionnement déterminent si l’intégration physique devient aussi une intégration de l’entretien.

La sécurité en cas de collision doit empêcher la rupture du carter, la fuite de fluides, l’exposition de la haute tension et la production d’un couple incontrôlé. L’état sûr de l’onduleur et la tension générée à vitesse élevée par un moteur à aimants permanents restent importants même après la désactivation du couple.

Ce que les spécifications devraient indiquer

Une spécification utile d’unité de propulsion identifie les composants inclus et le périmètre de mesure. Elle devrait préciser le type de moteur, la technologie de l’onduleur, la tension CC, le rapport de réduction, le couple du moteur et le couple en sortie, la puissance de pointe et la puissance continue, le régime maximal du moteur, la méthode de refroidissement, la stratégie de lubrification, la masse totale et si l’efficacité inclut l’onduleur et le réducteur.

Sans ce périmètre, les chiffres de densité de puissance et d’efficacité de différents fournisseurs ne peuvent pas être comparés équitablement.

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