Inverseur triphasé de véhicule électrique: incognito éternel
Dans le monde passionnant des véhicules électriques, où l'on parle souvent de batteries et de moteurs, l'onduleur de puissance reste souvent sur un plan ultérieur, même si c'est un acteur clé. Cet élément est généralement mis à l'écart lorsqu'on parle d'autonomie et de performance des véhicules électriques. Mais l'onduleur est un dispositif essentiel pour la propulsion électrique, car il convertit le courant provenant des batteries en courant alternatif pour stimuler le véhicule.
Le système de propulsion d'un véhicule électrique se compose principalement de trois composants: batterie, onduleur de puissance et moteur électrique. Certains véhicules peuvent remplacer les batteries par des piles à hydrogène ou, dans des véhicules hybrides non rechargeables, le chargeur électrique peut rester de côté. Il est toutefois essentiel de noter que tous les véhicules à traction électrique disposent d’un entraînement (drive en anglais) composé d’un moteur électrique et d’un inverseur de puissance.
La batterie stocke l'énergie nécessaire au fonctionnement du véhicule, les batteries lithium-ion (Li-Ion) et le ferrophosphate de lithium (LFP) prédominent actuellement. En outre, le moteur électrique fonctionne comme élément de traction pour transformer l'énergie électrique en énergie mécanique. Les principales technologies moteur sont les machines synchrones à aimants permanents (PMSM) et les machines à induction (IM) [1, 2].
Quant à l'onduleur, il joue un rôle fondamental dans la transformation du courant continu provenant de la batterie (DC) en courant alternatif (AC), la forme d'énergie utilisée par le moteur électrique. Bien que chaque composant du système de propulsion joue un rôle essentiel, il existe une tendance à négliger l’importance de l’investisseur, mais sa contribution est également décisive. Sans elle, il ne serait pas possible de transformer l'énergie stockée dans les batteries à une forme pouvant être utilisée par le moteur électrique.
Inverseur de puissance
L’onduleur peut être considéré comme un élément central du système de propulsion, puisqu’il assure le contrôle du flux d’énergie bidirectionnel entre la batterie et le moteur électrique et agit comme un moyen. L’investisseur se compose de plusieurs parties:
- Module de puissance. Il est appelé "coeur électrique" du véhicule. Dans ce module se trouvent les semi-conducteurs de puissance tels que MOSFET et IGBTs. Ils remplissent le rôle de commutateurs électroniques qui contrôlent le flux de courant électrique. La commutation rapide (en IE 10-20 kHz) permet d'optimiser les performances du système. Robles et al. Au travail 2022 [3], nous effectuons une analyse approfondie des alternatives et technologies des modules de puissance et des dispositifs semi-conducteurs.
- Condensateur de bus DC. L'onduleur de puissance a une connexion en tension continue, connue sous le nom de "DC bus", qui peut contenir un ou plusieurs condensateurs. En quelque sorte, les condensateurs parviennent à découpler l'onduleur de la batterie, en lissant les formes d'onde (courant et tension) dues à la commutation de semi-conducteurs de puissance. Parmi les technologies, on préfère les condensateurs à film métallisé en polypropylène dans les véhicules électriques pour la sécurité et la robustesse. Nous analysons en détail la technologie de ces éléments réactifs, Matallana et al. Travailler en 2019 [4].
- Refroidissement. La gestion thermique est essentielle pour assurer la performance et la durée de vie des semi-conducteurs de puissance des véhicules électriques. Pour les investisseurs, la présence simultanée de courants et de tensions produit de la chaleur en cas de perte de puissance, ce qui a une incidence sur la durée de vie des semi-conducteurs. Les systèmes de refroidissement par air sont facilement réalisables, mais parfois ils ne répondent pas aux exigences du secteur automobile. La plupart des fabricants préfèrent les solutions de refroidissement liquide, car elles offrent une meilleure dissipation thermique. Nous avons procédé à un examen approfondi de ces méthodes d'extraction de chaleur, Robles et al. Travailler en 2022 [3].
- Carte Driver. Cet élément est principalement composé de circuits numériques et agit comme si c'était le "cerveau" du système, contrôlant les commutations de semi-conducteurs de puissance. Il est important parce qu'il synchronise l'allumage et l'arrêt des semi-conducteurs. En outre, il surveille en permanence la température et le courant des modules de puissance, assurant ainsi la sécurité du système.
Fonctionnement de l’onduleur de puissance
Pour comprendre le fonctionnement de l'onduleur, il est utile de le décrire comme traducteur. Imaginez que la batterie et le moteur sont deux personnes qui parlent différentes langues. L'onduleur agit comme traducteur entre les deux pour que la batterie et les moteurs soient compris comme s'ils étaient dans la même langue. Mais techniquement, comment fonctionne un investisseur?
Pour contrôler la vitesse d'un moteur électrique, on utilise la technique de modulation de la largeur d'impulsion (PWM) [5] pour les onduleurs. Cette technique fonctionne en modifiant la durée des impulsions de tension envoyées au moteur. La vitesse de commutation élevée permet au moteur de filtrer ce signal, obtenant des courants sinusoïdaux et faisant tourner le moteur sans produire de "bruit électrique". Lorsque vous voulez une vitesse plus faible, les impulsions de tension sont plus courtes, tandis que pour une vitesse plus élevée, elles sont plus longues. Cela génère des courants sinusoïdaux de moindre amplitude.
Défis d'ingénierie et de progrès
Au fil du temps, l’ingénierie des investisseurs a considérablement progressé pour relever les défis posés. Au départ, les transistors bipolaires de liaison (BJT) ont permis la commutation du courant, mais les performances n'étaient pas les meilleures en vitesse et en efficacité. Plus tard, la création des transistors MOSFET (1959) et IGBT (1979) a surmonté ces défis, obtenant une plus grande efficacité, vitesse et capacité de transformation de l'énergie. La mise en œuvre de la modulation de la largeur d'impulsion (PWM) a amélioré le contrôle de sortie de l'investisseur et a permis de réduire les pertes énergétiques. En outre, le contrôle numérique, en améliorant les premiers processeurs inventés dans les années 70, a amélioré la réponse dynamique en passant aux puces DPS et FPGA de dernière génération. Ces avancées ont transformé la gestion de l'énergie électrique et toutes sortes d'applications (éolienne, machine-outil, traction ferroviaire) ont permis l'utilisation massive de l'onduleur dans des applications modernes, y compris dans les véhicules électriques.
Tendances futures et innovations dans les onduleurs de puissance
Une des principales tendances des véhicules électriques est l'optimisation de la densité de puissance. Les ingénieurs travaillent dur pour rendre les onduleurs plus robustes et plus légers pour obtenir des véhicules électriques plus efficaces et dynamiques. Cela influe directement sur l'autonomie, obtenant un niveau d'autonomie plus élevé, offrant une plus grande liberté de conduite aux utilisateurs et réduisant les préoccupations liées à la recharge de la batterie.
L’incorporation de nouveaux semi-conducteurs à base de carbure de silicium (SiC) dans les onduleurs, plus efficaces que ceux de silicium (Si), est essentielle pour obtenir ces performances. L'introduction de semi-conducteurs SiC favorise la durabilité et la fiabilité des onduleurs car ils sont plus forts.
En outre, l'évolution vers des systèmes de chargement plus rapides et plus efficaces modifie la perception de la recharge des véhicules électriques. La capacité de charge rapide et les nouveaux développements des onduleurs permettront aux conducteurs de charger leurs véhicules plus rapidement, éliminant les obstacles liés au temps de chargement et améliorant la pratique quotidienne des véhicules électriques.
En ce sens, l'arrivée de batteries 800 V révolutionne la charge rapide et améliore l'efficacité des onduleurs. Ces niveaux de tension permettent une charge plus rapide et permettent l'obtention de moteurs plus efficaces et robustes, offrant aux conducteurs une plus grande autonomie et une expérience de conduite accrue.
En outre, la technologie Vehicle-to-Everything (V2X), qui permet la transmission d'énergie stockée dans la batterie de véhicules électriques à tous les appareils, se distingue comme une innovation transformatrice dans les onduleurs. Cette technologie permet aux conducteurs d'utiliser l'énergie de leurs véhicules de manière flexible, car ils peuvent charger ou alimenter des appareils électroniques hors de chez eux.
En conclusion, on peut affirmer que les tendances futures des véhicules électriques et des onduleurs de puissance sont interdépendantes et qu'à l'avenir la mobilité électrique, en plus d'être durable, sera plus accessible à tous. De l'autonomie accrue aux temps de chargement plus rapides, l'intégration de technologies innovantes crée une situation prometteuse qui transformera la mobilité électrique.
Contribution du secteur industriel basque
L'industrie basque est devenue une référence dans l'innovation et la technologie, en particulier dans le développement de systèmes de propulsion pour véhicules électriques. Les clusters des entreprises CIE Automotive, JEMA Energy, Irizar/Creatio, GKN Driveline, CAF et ACICAE, entre autres, ont été d'une importance capitale par leur étroite collaboration avec les fabricants (OEM) et les fournisseurs mondiaux pour faire progresser les systèmes de propulsion électrique.
La spécialisation d'Ingeteam ou JEMA dans les technologies de semi-conducteurs avancées et les stratégies de contrôle intelligent a consolidé l'industrie basque en tant que leader dans ce secteur. En outre, les centres technologiques Tecnalia, Tekniker et Ikerlan ont largement contribué à l'avancement de la recherche sur les systèmes de gestion des batteries. Ceux-ci sont indispensables pour optimiser la performance et la durabilité des systèmes de propulsion.
Pour notre part, les membres du groupe de recherche APERT de l’UPV/EHU restent engagés dans l’excellence, en travaillant activement sur les convertisseurs d’énergie et les circuits de contrôle. Avec les plus grandes entreprises de l'industrie basque, nous travaillons sur des éléments aussi importants que l'onduleur de puissance du véhicule électrique et nous apportons à la durabilité future au niveau mondial.
Bibliographie
[1] LÓPEZ, I. ET AL (2019). Next generation electric drives for HEV/EV propulsion systems: Technologie, tendances et défis. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 114, p. 114. 1-23.
[2] ARETXABALETA. I. ET AL (2021). High-voltage stations for electric vehicle fast-charging: trends, standards, charging modes and comparison of unity power-factor rectifiers. IEEE Access, vol. 9 pp. 102177-102194
[3] ROBLES, E., ET AL (2022). The role of power device technology in the electric vehicle powertrain. International Journal of Energy Research, vol. 46, ez. 15, pp. 22222–22265.
[4] MATALLANA, A., ET AL (2019). Power module electronics in HEV/EV applications: Technologies et design aspects. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 113, p. 113. 1-33.
[5] FERNÁNDEZ, M., ET AL (2023). Proposal of discontinuous technique for five-phase inverters under open-phase fault operation, Machines, vol. 11, ez. 3, pp. 1-13.
[6] ROBLES, E. (2022). Other potential, electric vehicles device tracking the other operation remains. Thèse de doctorat UPV/EHU.
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