Qu'est-ce qu'un groupe motopropulseur de VE ?

Un véhicule électrique (VE) désigne un véhicule dont le mouvement repose sur l'énergie électrique. Cette énergie est généralement fournie soit par une batterie (BEV), soit par une pile à combustible (FCEV). Le groupe motopropulseur de VE est le système d'un véhicule électrique qui convertit l'électricité en mouvement mécanique.

Un groupe motopropulseur de véhicule électrique comprend :

• Un système de stockage d'énergie — une batterie ou une pile à combustible
• L'électronique de puissance — un onduleur/convertisseur avec commandes associées
• Une machine électrique — un système de conversion d'énergie (moteur électrique)
• Un système mécanique — un système de transmission

Il est à noter qu'une transmission de VE comprend également l'arbre de transmission et ses pièces mécaniques. De plus, les groupes motopropulseurs des véhicules électriques ne produisent pas d'émissions pendant le fonctionnement, ce qui contribue à rendre ce mode de transport plus écologique.  

Un groupe motopropulseur est un ensemble de composants situé à l'intérieur d'un véhicule, qui génère et contrôle la puissance pour mettre ce véhicule en mouvement.

Les véhicules électriques à batterie (BEV) deviennent la norme pour les véhicules électriques. Ils représentaient 70 % du stock mondial de voitures électriques en 2023 et 98 % des ventes de véhicules utilitaires légers électriques en 2022 en raison de leur conception plus simple et de leurs coûts d'entretien plus faibles.

Un groupe motopropulseur de BEV intègre un bloc-batterie pour stocker l'énergie électrique ; des onduleurs pour la conversion de puissance entraînant les moteurs électriques ; un moteur électrique qui convertit l'énergie électrique en mouvement mécanique, également appelé moteur principal ; et une boîte de vitesses qui contrôle la sortie du moteur vers les roues.

Comparé à un moteur à combustion interne (ICE) qui nécessite un moteur, des systèmes d'injection de carburant et des systèmes d'échappement, un groupe motopropulseur de VE est une architecture différente qui ne produit aucune émission de gaz d'échappement et aucun des bruits des véhicules à combustion interne. Avec moins de pièces mobiles, il y a moins d'usure et généralement moins de coûts d'entretien, car les éléments nécessitant une maintenance importante tels que les bougies d'allumage et les vidanges d'huile ne sont plus nécessaires. 

Dans un monde en quête d'un avenir plus durable, les avantages des voitures électriques ne cessent de gagner en popularité. Si les batteries sont des pièces maîtresses de ces véhicules, en coulisses le flux d'électricité est orchestré par toute une série de composants électroniques de puissance et de commandes.

De fait, l'électronique de puissance est un élément essentiel des systèmes de groupe motopropulseur. Elle contribue à assurer une conversion optimale de l'énergie, ainsi que le fonctionnement, la sécurité et les performances optimales des véhicules électriques.

Systèmes de production d'énergie dans les groupes motopropulseurs des VE

Les systèmes de production d'énergie fournissent l'énergie électrique nécessaire au déplacement du véhicule.

Le bloc-batterie : Le bloc-batterie comprend de nombreuses cellules (généralement des cellules lithium-ion) qui servent de mécanisme de stockage d'énergie primaire. Les cellules lithium-ion ont une densité d'énergie élevée et sont capables de stocker une grande quantité d'énergie par unité de volume. Les piles à combustible sont un autre type de module de stockage d'énergie.

Le bloc-batterie intègre également un système de gestion de batterie (BMS), fournissant des stratégies qui empêchent la surcharge ou la décharge pour assurer le fonctionnement sûr de la batterie.

Le chargeur embarqué :Le chargeur embarqué convertit le courant alternatif (AC) fourni par une source de charge externe (le réseau) en courant continu (DC) pour le stockage dans la batterie. Le chargeur embarqué communique avec l'unité de commande du véhicule et la station de charge externe pour réguler l'alimentation. Il peut également inclure des fonctionnalités de cybersécurité.

Systèmes de distribution de puissance dans les groupes motopropulseurs des VE

Les systèmes de distribution de puissance contrôlent l'énergie provenant de la source électrique. Ils intègrent des composants électroniques de puissance, dont des onduleurs qui convertissent l'alimentation DC de la batterie en alimentation AC en vue de son utilisation par le moteur. Différentes topologies de commandes électroniques de puissance peuvent également aider à augmenter les performances en offrant différentes stratégies de commutation d'onduleur pour, par exemple, augmenter l'efficacité ou atteindre un couple maximal. 

L'onduleur DC-AC (onduleur de traction) : L'onduleur DC-ACtransforme l'alimentation DC de la batterie en alimentation AC, produisant les tensions alternatives nécessaires pour contrôler la vitesse et l'accélération du moteur. Les onduleurs DC-AC incorporent des dispositifs de puissance à transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) ou à transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semi-conducteur au carbure de silicium (MOSFET SiC) connectés par un réseau de circuits imprimés (PCB) et/ou de barres omnibus. Ces dispositifs à semi-conducteurs de puissance se comportent comme des commutateurs à grande vitesse, transmettant et coupant des niveaux élevés de courant et de tension vers le moteur électrique, simulant une forme d'onde de courant sinusoïdale.

Le convertisseur DC-DC : Le convertisseur DC-DC ajuste la sortie DC haute tension de la batterie afin de fournir le DC basse tension nécessaire pour alimenter les systèmes auxiliaires tels que l'éclairage, le système de divertissement ou la climatisation. Il intègre de l'électronique de puissance, notamment des semi-conducteurs de puissance, des diodes, des condensateurs et des éléments magnétiques. Un convertisseurDC-DC peut également être intégré dans un module d'alimentation (PDM) qui comprend un chargeur et une boîte de jonction.

L'unité de commande du véhicule : L'unité de commande du véhicule est le centre de communication central d'un véhicule électrique, collectant et traitant les données provenant de divers systèmes, capteurs et contrôleurs. Elle synchronise les activités entre le chargeur embarqué, la batterie, le moteur et d'autres systèmes.

L'unité de distribution de puissance : L'unité de distribution de puissance assure que chaque système du véhicule reçoit la bonne quantité d'énergie. Elle intègre des composants électroniques de puissance tels que des commutateurs, des fusibles, des relais et parfois des dispositifs à semi-conducteurs, empêchant ainsi les surcharges du système et permettant un fonctionnement efficace.

Le micrologiciel et les ECU : Le fonctionnement efficace et sûr des composants du groupe motopropulseur des VE est orchestré par une série d'unités de commande électroniques (ECU) alimentées par un micrologiciel, assurant l'échange et le traitement efficaces des données.

Le système de gestion thermique : Le système de gestion thermique protège la batterie et le moteur des températures extrêmes, garantissant ainsi des processus efficaces et sûrs dans tous les systèmes d'entraînement et écosystèmes des véhicules électriques.

Conversion d'énergie électromécanique dans les groupes motopropulseurs de VE

Le moteur de traction : Le moteur de traction est le principal composant responsable de la traction sur la route et de la propulsion du véhicule vers l'avant. Il se compose généralement des pièces suivantes :

• Un stator : La partie fixe du moteur, qui est constituée de tôles d'acier magnétiquement perméables avec des bobines de cuivre enroulées dans des encoches régulièrement espacées sur la circonférence du stator. 
• Un rotor : La partie rotative du moteur, qui consiste généralement en des tôles d'acier magnétiquement perméables avec des aimants permanents placés stratégiquement pour interagir au mieux avec la conception du stator afin de générer un couple. Il existe d'autres topologies de moteur qui ne nécessitent pas d'aimants, par exemple, une machine à induction qui utilise une configuration en « cage d'écureuil » au lieu d'aimants permanents pour générer un couple. 

Lorsque le courant traverse les bobines du stator, il induit un champ magnétique rotatif. Ce champ interagit avec les aimants du rotor (ou la cage d'écureuil du moteur à induction), ce qui fait tourner le rotor et génère un mouvement. La pédale d'accélérateur du véhicule électrique contrôle la quantité et la fréquence de puissance électrique circulant de la batterie au moteur via les systèmes de commande et l'électronique de puissance, contrôlant ainsi le couple produit par le moteur.

La plupart des VE sont équipés d'un moteur à courant alternatif (synchrone, comme dans les machines à aimant permanent sans balais, ou asynchrone, comme dans les machines à induction).

La boîte de vitesses et la transmission : Comme dans un véhicule thermique, une transmission mécanique est souvent nécessaire pour que la puissance du moteur corresponde à celle nécessaire au niveau des roues. Une boîte de vitesses de VE est généralement beaucoup plus simple que celle d'un véhicule thermique, car un moteur électrique peut produire un couple sur une plage de vitesses beaucoup plus large qu'un moteur à combustion, et il peut également produire un couple à vitesse nulle. Cela signifie que l'embrayage et la large gamme de rapports généralement présents dans une transmission thermique ne sont pas nécessaires. Cependant, les moteurs électriques sont généralement conçus pour tourner à une vitesse supérieure à la vitesse requise au niveau des roues, de sorte que la boîte de vitesses est utilisée pour diminuer la vitesse et augmenter le couple disponible.

La plupart des transmissions de véhicules électriques ont un seul rapport de vitesse fixe, aucun composant n'étant nécessaire pour changer de rapport de vitesse. Les boîtes de vitesses multivitesses peuvent être utiles dans les véhicules électriques commerciaux haute performance ou de plus grande taille pour étendre la plage de couple et de vitesse disponible.

Dans un groupe motopropulseur de HEV, la boîte de vitesses joue un rôle crucial dans la combinaison du ou des moteurs électriques et du moteur thermique, à l'aide de trains d'engrenages classiques ou planétaires. Selon les conditions de conduite, cette boîte de vitesses fonctionnera avec les différents moteurs pour fournir la puissance de la manière la plus efficace, par exemple en faisant fonctionner le véhicule sans que le moteur à combustion interne tourne, ainsi que la recharge de la batterie en utilisant le moteur thermique et les moteurs électriques en mode génération lorsque les conditions de conduite sont appropriées.

Le différentiel est normalement intégré dans la boîte de vitesses des véhicules électriques ou, selon l'agencement du groupe motopropulseur, il peut également être un composant séparé.

Il existe trois principaux types de groupes motopropulseurs électrifiés, offrant des configurations et des fonctionnalités distinctes et répondant à différents besoins et préférences.

Véhicules électriques à batterie (BEV) : Aussi appelés véhicules purement électriques, les BEV tirent toute leur énergie de la puissance stockée dans leurs batteries rechargeables. Ils n'utilisent pas de source secondaire de stockage d'énergie telle qu'un réservoir de carburant.

Les BEV doivent être chargés à partir d'une source externe, et leur autonomie varie actuellement entre 160 et 640 km environ (100 à 400 miles). Dans certains cas, cette autonomie est plus élevée dans les VE haut de gamme. On citera à titre d'exemple la Tesla Model 3, la Nissan LEAF et la BMW i3, aux côtés de nombreux nouveaux modèles récemment apparus sur le marché.

Véhicules électriques hybrides (HEV) : Les HEV combinent un moteur à combustion interne et une transmission électrique, ce qui permet d'obtenir une économie de carburant et des performances améliorées par rapport à un véhicule thermique conventionnel.

Les HEV sont alimentés par l'électricité à des degrés divers. Les voitures électriques hybrides présentent diverses fonctionnalités intéressantes, telles que :

• Le freinage à récupération qui reconvertit l'énergie cinétique en énergie électrique pour la stocker dans la batterie (point commun avec les BEV)
• Les systèmes start-stop qui coupent le moteur au ralenti, ce qui réduit les émissions
• Un générateur électrique (alimenté par le moteur à combustion interne) qui recharge la batterie ou fournit une puissance supplémentaire au moteur électrique

Les HEV actuels ont une autonomie comprise entre 640 et 960 km environ (entre 400 et 600 miles). À l'exception des PHEV, les HEV ne sont généralement pas chargés à partir d'une source externe. Parmi les exemples de HEV, mentionnons la Ford Fusion hybride, la Toyota Camry hybride et la Honda Civic hybride.

Véhicules électriques hybrides rechargeables (PHEV) :les PHEV (une sous-catégorie des HEV) peuvent être chargés à partir d'une source externe. Ils ont aujourd'hui une autonomie de 30 à 80 km (30 à 80 miles) en pur électrique, ce qui les rend idéaux pour les courts trajets en ville. Pour les longs trajets, les PHEV peuvent compter sur l'essence ou le diesel. Les Toyota Prius Prime, Chevrolet Volt et Honda Clarity en sont quelques exemples.

Les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) constituent un quatrième type de véhicule électrique. Ils fonctionnent en produisant du courant électrique à partir de piles à hydrogène au lieu de batteries.

Les moteurs à combustion interne sont la principale source d'énergie des véhicules depuis plus d'un siècle.

Malgré leur utilisation de longue date, les véhicules thermiques présentent plusieurs inconvénients, en particulier la pollution environnementale résultant de leur combustion de combustibles fossiles. C'est pourquoi les gouvernements et les particuliers ont déployé des efforts concertés en vue de l'adoption de voitures électriques.

À titre de comparaison, voici les principales différences entre les groupes motopropulseurs des véhicules thermiques et électriques :

Avantages des groupes motopropulseurs des VE

Les avantages des groupes motopropulseurs des VE varient en fonction des habitudes et des préférences de conduite individuelles, ainsi que de la proximité de l'infrastructure de stations de recharge. Les groupes motopropulseurs des VE présentent les avantages suivants :

• Zéro émission : Dans le contexte de la réduction de la pollution et des gaz à effet de serre, l'avantage le plus significatif des groupes motopropulseurs des BEV est sans doute l'absence d'émissions à l'échappement causées par la combustion de combustibles fossiles, ainsi qu'une réduction de l'empreinte carbone sur toute la durée de vie du véhicule.
• Réduction de la pollution sonore : En plus de l'absence d'émissions de gaz à effet de serre, les groupes motopropulseurs de BEV génèrent également moins de bruit audible, contribuant ainsi à un environnement plus silencieux.
• Efficacité énergétique : Les groupes motopropulseurs des BEV sont beaucoup plus écoénergétiques que ceux des véhicules thermiques, convertissant plus de 80 % de l'énergie stockée en mouvement. De plus, des fonctionnalités telles que le freinage à récupération permettent le recyclage de l'énergie.
• Coûts de maintenance réduits : Avec moins de pièces mobiles, les coûts d'entretien des groupes motopropulseurs des VE sont réduits et la durée de vie de la batterie, dans des conditions idéales et avec des soins appropriés, pourrait atteindre 12 ans. Comme toute autre batterie, elle perd en capacité avec le temps.
• Réduction des coûts de carburant : Le coût de l'électricité pour alimenter un véhicule BEV est généralement inférieur au coût de l'essence ou du diesel pour un véhicule thermique. Selon une étude réalisée par l'Université du Michigan, aux États-Unis, cela coûte plus de deux fois plus cher de faire le plein d'un véhicule à essence que de recharger un véhicule électrique.
• Coût total de possession (TCO) réduit : Bien que les BEV présentent généralement des coûts d'achat initiaux plus élevés, les économies de carburant et d'entretien contribuent à un coût total de possession inférieur, ce qui les rend moins chers à utiliser sur toute la durée de vie du véhicule.

Inconvénients des groupes motopropulseurs des VE

Les groupes motopropulseurs des véhicules électriques présentent également plusieurs inconvénients, notamment :

• Le coût : En l'état actuel des choses, les véhicules électriques nécessitent un investissement initial plus élevé que les véhicules thermiques en raison du coût plus élevé des composants du groupe motopropulseur (principalement la batterie).
• Le temps de charge : Le temps de charge de la batterie dure généralement de 30 minutes à plusieurs heures selon la capacité de la station de recharge, par rapport aux quelques minutes nécessaires pour remplir le réservoir d'un véhicule thermique.
• Anxiété des consommateurs concernant l'autonomie : Actuellement, une simple charge permet aux BEV de ne bénéficier que d'une autonomie limitée. Les stations de recharge n'étant pas aussi répandues que les stations-service, et les batteries prenant plus de temps à charger, les consommateurs ne sont pas rassurés à l'idée de faire de longs trajets avec un BEV.

Les conceptions des groupes motopropulseurs des VE visent principalement une gestion thermique efficace et un gain d'autonomie. Elles favorisent une densité de puissance accrue (puissance délivrée par unité de volume), établissant un équilibre délicat entre la production d'énergie et la dissipation de chaleur. L'autonomie, l'efficacité et les performances globales des véhicules électriques peuvent être optimisées au niveau des composants, du système et de l'architecture.

Ainsi, les performances sont considérablement améliorées en incorporant des modes de conduite dans l'architecture du système d'entraînement, ce qui permet de multiples configurations en fonction des conditions de conduite.

Les calculateurs intégrés à l'architecture du matériel fournissent des fonctionnalités accrues, par exemple, convertir les instructions d'accélération du conducteur en instructions pour le moteur et la batterie, répondre à des exigences spécifiques comme l'accélération de 0 à 60 km/h et la consommation d'énergie optimale. Ces calculateurs sont alimentés par des algorithmes tels que des stratégies de programmation dynamique ou de limitation de la consommation.

Dans la ruée vers l'électrification, le groupe motopropulseur des VE est une innovation passionnante qui apporte des avantages accrus en termes d'efficacité, d'écologie et de performance. À mesure que l'adoption de VE progressera, une plus grande diversité de modèles apparaîtra sur le marché, des SUV et voitures de luxe aux camions, et bien plus encore.

Ansys est à l'avant-garde de cette révolution technologique, soutenant l'avancée des solutions technologiques propres qui transforment la façon dont le monde utilise son énergie de la meilleure façon possible.

Le logiciel Ansys ConceptEV® est une plate-forme de conception et de simulation qui améliore les performances de l'ensemble du groupe motopropulseur électrique. Il permet aux équipes de conception pluridisciplinaires de connecter entre eux les modèles de composants et d'évaluer les exigences au niveau du véhicule, permettant ainsi une prise de décision rapide et précise tout au long du processus de développement et intégrant :

• Des modèles de composants multifidélité
• Des algorithmes de contrôle intégrés
• Une intégration avec les outils de conception de composants
• La simulation des capacités du groupe motopropulseur
• Une quantification des échanges entre systèmes

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