L’industrie automobile est en pleine mutation, impulsée par la transition vers la mobilité électrique. Dans ce contexte, le moteur d’entraînement occupe une place centrale, sa performance déterminant directement l’efficacité du système de propulsion des véhicules électriques (VE). Avec les défis environnementaux, la crise énergétique et l’effet de serre devenant de plus en plus pressants, les constructeurs et les chercheurs se consacrent à développer des moteurs plus efficaces, compacts et durables. Cette analyse explore les dernières avancées dans le domaine des moteurs à entraînement centralisé pour VE, en mettant l’accent sur leurs types, structures topologiques, systèmes de refroidissement et les tendances futures, basée sur des recherches récentes publiées dans le domaine.
Contexte industriel et enjeux
La croissance du marché des véhicules électriques est soutenue par des politiques gouvernementales et des objectifs de durabilité. En Chine, le plan de développement de l’industrie des véhicules à énergie nouvelle (2021-2035) prévoit que d’ici 2035, plus de 50 % des ventes de nouveaux véhicules seront électriques, dont 95 % seront des véhicules entièrement électriques. Aux États-Unis, le Département de l’Énergie prévoit que la densité de puissance des moteurs d’entraînement atteindra 5,7 kW/kg d’ici 2025. Ces cibles poussent les acteurs du secteur à investir dans la R&D pour créer des moteurs plus performants.
En 2023, les ventes de véhicules électriques particuliers ont atteint 7,2495 millions d’unités, en hausse de 38,5 % par rapport à l’année précédente, tandis que le nombre de moteurs d’entraînement installés a dépassé 8,33 millions, avec une augmentation de 44 %. Ces chiffres témoignent non seulement de la popularité croissante des VE, mais aussi de la compétition féroce entre les constructeurs automobiles et les fabricants de moteurs, comme Tesla, BYD, Volkswagen, BMW, etc.
Types de moteurs d’entraînement et leurs applications
Les moteurs d’entraînement pour véhicules électriques se classent en plusieurs types, chacun avec des caractéristiques spécifiques adaptées à différentes demandes de performance et de coût.
- Moteur à courant continu (MCC): Il présente un design simple et un contrôle de vitesse aisé, mais ses inconvénients tels que le bruit élevé et la fiabilité limitée ont conduit à une baisse de sa présence sur le marché, réservé principalement aux anciens modèles de VE.
- Moteur à induction (MAC): Reconnu pour sa haute fiabilité et son faible coût, il ne dépend pas de matériaux rares comme les lanthanides. Il est largement utilisé par des constructeurs américains et européens, notamment Tesla, Ford et Chevrolet. Son choix est lié à la présence d’infrastructures routières à grande vitesse, où son efficacité est supérieure, et à l’absence de risque de démagnétisation, un problème courant dans les moteurs à aimants permanents.
- Moteur à réluctance commutée (SRM): Doté d’une structure robuste, avec un rotor sans bobines ni aimants, il réduit les coûts et améliore la durabilité. Cependant, son utilisation dans les VE est limitée en raison des pulsations de couple et du bruit élevés, qui nuisent au confort des passagers. Des exemples incluent le Jaguar C-X75 et les bus hybrides de Dongfeng.
- Moteur synchrone à aimants permanents (PMSM): Il domine actuellement le marché des VE grâce à son haute efficacité, sa densité de puissance et sa large plage de vitesse. Sa structure peut être de type surface (surface-mounted) ou intégrée (interior-mounted), la dernière étant plus courante dans les véhicules modernes car elle permet un plus grand couple de réluctance et réduit l’utilisation d’aimants. Des constructeurs comme Toyota, Honda, Volkswagen et BMW utilisent des PMSM dans des modèles populaires tels que le Prius, l’i3 et l’ID.4.
- Moteur synchrone à excitation électrique (EESM): Il gagne du terrain en tant qu’alternative aux PMSM, car il élimine la dépendance aux lanthanides. Des entreprises comme BMW (dans le modèle iX3) et ZF développent des versions avec des systèmes d’excitation sans balais, améliorant la fiabilité. Cependant, des défis persistent, notamment la nécessité d’une alimentation supplémentaire pour le rotor et les pertes par excitation.
En outre, la recherche sur des moteurs à faible ou sans terres rares se développe, visant à réduire les coûts et la dépendance aux ressources stratégiques. Des stratégies incluent l’augmentation du couple de réluctance grâce à des designs de rotor avec multiples barrières magnétiques, le remplacement des terres rares lourdes par des légères et l’utilisation de ferrites comme matériau alternatif pour les aimants.
Structures topologiques et défis à haute vitesse
L’évolution des moteurs d’entraînement est intimement liée au développement de structures topologiques répondant aux demandes de haute vitesse et d’efficacité. La China Society of Automotive Engineering prévoit que la vitesse maximale des moteurs pour véhicules particuliers dépassera 18 000 tr/min, stimulant des innovations dans le design du rotor et du stator.
Pour le rotor, différentes configurations sont adoptées pour équilibrer la force, l’efficacité et réduire les pertes. Le Toyota Prius, par exemple, a évolué depuis la première génération (avec un rotor de type « I » et une vitesse maximale de 6 000 tr/min) jusqu’à la quatrième génération, avec un rotor de type « V » et 17 000 tr/min, offrant une plus grande densité de puissance et une réduction de l’utilisation d’aimants. Un autre exemple est le Tesla Model 3, qui utilise un rotor avec structure en « V » et un refroidissement à l’huile, atteignant 17 900 tr/min et une densité de puissance de 2,4 kW/kg.
La haute vitesse entraîne des défis tels que l’augmentation des pertes (jaugeage, effet de peau) et la réduction de la résistance mécanique du rotor. Pour atténuer ces problèmes, des matériaux comme la fibre de carbone sont utilisés pour les enveloppes des rotors, garantissant une résistance à la centrifugation avec une faible masse. Le Tesla Model S Plaid et le Zeekr 001FR sont des exemples, avec des vitesses supérieures à 20 000 tr/min et une accélération de 0 à 100 km/h en moins de 3 secondes.
Pour le stator, l’évolution se concentre sur l’optimisation des enroulements et des matériaux du noyau. Les enroulements en fil plat remplacent les traditionnels en fil rond, augmentant la densité de remplissage des encoches (slot fill factor) et réduisant les pertes résistives. Des types comme Hair-pin, I-pin et X-pin sont largement adoptés par des constructeurs comme BMW (i7), Tesla (Model Y) et GAC Aion, grâce à leur plus grande efficacité et compacité.
Des matériaux comme l’acier au silicium non orienté à haute résistance (utilisé dans le Xiaomi V8s, avec 960 MPa de limite d’élasticité) et les alliages amorphes sont également étudiés. Les alliages amorphes présentent de faibles pertes par hystérésis, mais leur fragilité et leur difficulté de traitement limitent leur application à grande échelle.
Analyse thermique et systèmes de refroidissement
L’augmentation de la densité de puissance dans les moteurs d’entraînement accentue la nécessité de systèmes de refroidissement efficaces, car des températures élevées peuvent causer une démagnétisation irréversible, une dégradation de l’isolation et une réduction de la durée de vie. Les principales méthodes d’analyse thermique incluent :
- Méthode des formules simplifiées: Utilisée dans les phases initiales de conception, mais avec une précision limitée en raison d’hypothèses simplificatrices.
- Réseau de paramètres concentrés (LPTN): Modélise le moteur comme des nœuds thermiques connectés par des résistances, permettant des calculs rapides et des ajustements expérimentaux. Il est largement utilisé pour l’optimisation des systèmes de refroidissement.
- Méthodes numériques: Incluent la méthode des éléments finis (FEM) pour l’analyse de la conduction thermique dans les solides et la dynamique des fluides computationnelle (CFD) pour la simulation des flux de refrigerant. La combinaison de CFD et LPTN s’est avérée efficace pour équilibrer précision et coût computationnel.
Dans les systèmes de refroidissement, le choix entre air et liquides dépend de la puissance du moteur. Le refroidissement par air est simple et économique, mais limité aux moteurs de faible puissance. Le refroidissement par liquide (eau ou huile) est plus efficace et dominant dans les VE modernes.
- Refroidissement par eau: Utilise des canaux intégrés dans la carter du moteur, avec flux axial ou spiralé. Des exemples incluent le Volkswagen ID.4, avec des canaux en forme de « Z » axial, et des solutions hybrides comme la combinaison de la carter avec des dissipateurs thermiques (heat pipes), qui réduisent la consommation énergétique du système de jusqu’à 50 %.
- Refroidissement par huile: Permet un contact direct avec des composants comme les enroulements et le rotor, augmentant le transfert de chaleur. Des techniques comme la pulvérisation (spray) sur les extrémités des enroulements (utilisée dans le Tesla Model 3 et le Toyota Prius) et l’immersion partielle (adoptée dans le Huawei DriveONE) sont courantes. Des défis incluent la viscosité de l’huile, qui cause des pertes hydrauliques, et la contamination par des débris de soudure dans les moteurs à fil plat.
Des innovations récentes incluent l’intégration de canaux de refroidissement dans les dents du stator (comme dans le Lucid Air) et l’utilisation de matériaux conducteurs comme la céramique et le graphite, qui améliorent le transfert de chaleur sans compromettre l’isolation électrique.
Perspectives futures
L’industrie des moteurs d’entraînement pour VE évolue dans des directions claires : réduction de la dépendance aux matériaux rares, augmentation de la vitesse et de l’efficacité, et intégration avec des systèmes de véhicules intelligents. Les développements clés incluront :
- Matériaux alternatifs: Recherche sur des aimants à faible concentration de lanthanides et des substituts comme les ferrites à haute performance.
- Topologies avancées: Moteurs à haute vitesse avec des rotors en fibre de carbone, des enroulements hybrides (combinaison de fil plat et de fil litz) et intégration avec réduction directe (direct drive).
- Systèmes de refroidissement hybrides: Combinaison de refroidissement par eau et huile, associée à des matériaux de transfert de chaleur avancés, pour gérer les pics de puissance.
- Intelligence artificielle et surveillance en temps réel: Utilisation de capteurs et d’algorithmes d’apprentissage automatique pour prédire la température et ajuster dynamiquement le système de refroidissement, maximisant l’efficacité et la durabilité.
En résumé, l’évolution des moteurs d’entraînement reflète la recherche de durabilité, de performance et d’économie, stimulée par des partenariats entre universités, industrie et gouvernements. Avec des investissements continus dans la R&D, les prochaines années devraient apporter des innovations qui transformeront la mobilité électrique mondiale.
Auteurs : Jialong Jia, Xiaowei Ju, Ze Zhao, Fengge Zhang
Institution : Centre National de Recherche en Ingénierie des Moteurs à Aimants Permanents de Terres Rares et École d’Ingénierie Électrique, Université de Technologie de Shenyang, Shenyang, Liaoning, Chine
Revue : Journal of Shenyang University of Technology
DOI : 10.7688/j.issn.1000-1646.2024.05.04