Onduleurs de traction des véhicules électriques
L'onduleur de traction est la vanne électrique et le contrôleur temps réel entre la batterie haute tension et le moteur d'un véhicule électrique. Il transforme le courant continu en courant moteur précisément synchronisé, inverse le flux en régénération et impose les limites électriques et thermiques de l'unité de propulsion.
Du courant continu de la batterie au courant moteur commandé
La plupart des moteurs de voitures électriques ont trois phases statoriques. Un onduleur classique à deux niveaux comporte trois demi-ponts, chacun avec un interrupteur semi-conducteur haut et bas. En commutant ces six dispositifs selon un calendrier précis, il applique une tension effective positive, négative ou nulle à chaque phase.
La forme d'onde est pulsée, non parfaitement sinusoïdale. L'inductance du moteur lisse une grande partie du courant, tandis que la modulation de largeur d'impulsion contrôle tension et courant fondamentaux. Un condensateur de bus CC proche du module fournit les impulsions rapides et limite l'ondulation vue par les câbles de batterie.
L'onduleur complet comprend aussi pilotes de grille, capteurs de courant et tension, processeur, jeux de barres, condensateurs, filtres CEM, interfaces de refroidissement et protections. Un agencement à faible inductance est essentiel, car les commutations rapides peuvent sinon créer des surtensions destructrices.
Le couple se commande par le courant
Le contrôleur du véhicule demande un couple positif ou négatif. Le contrôleur moteur le traduit en cibles de courant de phase tout en respectant puissance de batterie, adhérence, vitesse rotorique, tension, courant, température et limites des composants.
La commande vectorielle représente les courants mesurés sur des axes tournant avec le champ magnétique. Une composante commande surtout le couple, l'autre le flux. La répartition dépend du moteur : l'induction exige un courant magnétisant, un PMSM intérieur exploite le couple de réluctance et un moteur excité ajoute le courant rotorique.
Le calcul se répète des milliers de fois par seconde. La position vient d'un résolveur, codeur ou estimateur. De petites erreurs de position, mesure, synchronisation ou paramètres augmentent ondulation et pertes ou réduisent la stabilité.
Vitesse de base, affaiblissement du champ et régénération
À basse et moyenne vitesse, limites de courant et thermiques bornent généralement le couple. Quand la vitesse augmente, la force contre-électromotrice approche la tension disponible. Le contrôleur affaiblit alors le champ, échangeant capacité de courant et rendement contre une plage plus large.
En freinage régénératif, l'onduleur commande un couple négatif et transforme la sortie polyphasée en courant continu pour la batterie. Le matériel est bidirectionnel, mais adhérence, températures, état de charge et système de gestion peuvent limiter la puissance récupérée.
IGBT au silicium et MOSFET au carbure de silicium
Les onduleurs haute tension ont largement utilisé les transistors bipolaires à grille isolée au silicium, IGBT. De nombreux entraînements récents emploient des MOSFET au carbure de silicium. Les composants SiC commutent plus vite et peuvent réduire pertes de commutation et conduction, permettant meilleur rendement, fréquence accrue ou refroidissement et passifs plus petits.
Ils ne sont pas sans pertes. Surface, résistance à l'état passant, commande de grille, vitesse, diode, température, classe de tension, courant, CEM, contrainte d'isolation, coût et rendement de production comptent. Une commutation plus rapide réduit certains composants, mais accroît tension de mode commun et courants de roulement ailleurs.
La Porsche Taycan Turbo GT est un exemple de série : Porsche spécifie le carbure de silicium dans ses onduleurs à impulsions et lui attribue un meilleur rendement.
Tension, courant et fréquence de commutation
À puissance donnée, augmenter la tension peut réduire le courant. Cela réduit pertes résistives et section des conducteurs, mais « 800 volt » ne prouve pas à lui seul un meilleur rendement. Semi-conducteurs, modulation, bobinage, tension du bus selon la charge, refroidissement et point de fonctionnement restent décisifs.
La fréquence crée un autre compromis. Une fréquence supérieure réduit ondulation et composantes audibles et permet parfois de plus petits passifs. Chaque transition dissipe aussi de l'énergie ; commuter trop souvent augmente donc les pertes. L'optimum varie avec vitesse, couple, température et exigences sonores.
Origine des pertes de l'onduleur
Les pertes principales sont la conduction quand un composant porte le courant et la commutation à chaque transition. Pilotes, condensateurs, barres, filtres, électronique et pompes ajoutent des pertes moindres. Les courants harmoniques augmentent aussi les pertes cuivre, fer et aimants du moteur.
Un rendement de pointe annoncé, parfois proche de 98%, décrit une seule région dans des conditions définies. La mesure utile est la cartographie combinée moteur-onduleur selon les demandes réelles. Un point de perte à 200 kW représente 2 kW de chaleur ; de petites différences imposent donc beaucoup de refroidissement à forte puissance.
Refroidissement, fiabilité et protection
Les modules sont généralement refroidis par liquide via une plaque de base ou un substrat direct. La température de jonction évolue bien plus vite que celle du fluide ; le logiciel associe capteurs et modèles thermiques pour estimer la contrainte.
L'onduleur doit détecter surintensité, court-circuit, surtension, sous-tension, perte de position, défauts de fluide ou d'isolation et signaux invraisemblables. Il peut s'arrêter en quelques microsecondes lors d'un défaut grave. Le condensateur CC doit aussi être déchargé en sécurité à l'ouverture du système.
L'intégration sur ou dans l'unité raccourcit câbles de phase et circuits, réduit masse et interférences, mais expose l'électronique à la chaleur et aux vibrations et peut compliquer l'entretien.
Lire les caractéristiques d'un onduleur
Les données utiles sont plage de tension CC, courant de phase de pointe et continu, technologie, stratégie de commutation, refroidissement, durée de pointe, frontière de densité de puissance et carte de rendement. Le seul « courant maximal » ne donne pas la puissance, car tension moteur, angle du courant, vitesse et limites thermiques varient.
La vidéo technique de Lucid Motors explique la conception au niveau des composants :
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