Résolution du Grondement à Basse Vitesse dans un Véhicule Électrique par Optimisation du Contrôle
Dans l’ère de la mobilité électrique, où le silence et la fluidité de la conduite sont des promesses fondamentales, une nouvelle catégorie de défis techniques émerge, subtils mais cruciaux pour la perception de la qualité. Contrairement aux véhicules à moteur thermique, dont le bruit de fond masque naturellement de nombreuses vibrations, les véhicules électriques (VE) opèrent dans un environnement acoustique d’une pureté exceptionnelle. Cette vertu, toutefois, devient un vice lorsque de minuscules oscillations mécaniques, imperceptibles dans un véhicule traditionnel, se transforment en nuisances auditives clairement identifiables par les occupants. Un exemple frappant de ce phénomène est le grondement à basse fréquence, ou « booming noise », qui peut survenir lors de la marche lente, ou « creep », d’un SUV électrique.
Une étude récente publiée dans la revue Noise and Vibration Control a mis en lumière ce problème précis et a proposé une solution élégante, purement logicielle, qui ne nécessite aucune modification du matériel. La recherche, menée par une équipe d’ingénieurs de Zhejiang Smart Automobile Intelligence Technology Co., Ltd. et du Geely Automotive Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., se concentre sur un cas concret : un SUV électrique à propulsion arrière qui présentait un grondement distinct à 36 Hz lorsqu’il avançait lentement à environ 7 km/h sur une route plate. Ce bruit, bien que le véhicule ne présente aucune vibration perceptible, était suffisamment marqué pour altérer négativement le confort perçu et la sensation de raffinement. Ce qui rendait le problème particulièrement énigmatique, c’est qu’il disparaissait complètement lorsque le véhicule montait ou descendait une pente.
Sous la direction de Shen Long, ingénieur principal en NVH (Noise, Vibration, Harshness), l’équipe a identifié la cause non pas dans un défaut mécanique, comme un déséquilibre ou un jeu excessif dans la transmission, mais dans une instabilité du système de contrôle lui-même : précisément, la stratégie de « damping actif » ou amortissement actif. Cette découverte est fondamentale car elle déplace le champ de bataille de l’ingénierie automobile. Elle démontre que dans les véhicules modernes, définis par le logiciel, le problème n’est pas toujours dans le fer, mais souvent dans le code.
L’Énigme de la Marche Lente : Quand le Silence Devient un Révélateur
La marche lente est une fonctionnalité commune aux véhicules électriques, conçue pour faciliter la conduite en ville et les manœuvres à faible vitesse. Lorsque le conducteur relâche le frein, le véhicule avance doucement sans qu’il soit nécessaire d’appuyer sur l’accélérateur. C’est un confort, mais c’est aussi dans ces conditions de couple minimal et de vitesse réduite que les faiblesses du groupe motopropulseur électrique peuvent se manifester.
Dans le cas étudié, les tests subjectifs menés par des ingénieurs et des pilotes d’essai ont révélé un bruit de fond grave, décrit comme un « ronronnement » ou un « grondement » à basse fréquence. Les mesures objectives ont confirmé l’existence d’un pic de bruit dominant à 36 Hz dans l’habitacle, atteignant un niveau de 42 dB(A). Bien que ce chiffre puisse sembler modeste, il est parfaitement audible dans le silence relatif d’un VE, où les bruits de roulement et aérodynamiques sont extrêmement faibles. Ce son, même s’il ne provoque pas de secousses, crée une impression de mauvaise qualité et de manque de sophistication.
La clé pour percer à jour ce mystère résidait dans sa nature conditionnelle. Le fait que le grondement s’évanouisse en côte ou en descente a immédiatement écarté l’hypothèse d’une résonance structurelle fixe du châssis ou d’un composant défectueux. Cela suggérait fortement que le problème était dynamique, lié à l’interaction entre le couple moteur, la charge sur le train de roues et les algorithmes de contrôle. Cette piste a orienté toute la stratégie d’investigation.
Une Investigation Rigoureuse : Du Capteur à la Révélation
Pour isoler la source du bruit, l’équipe a entrepris une campagne de tests sur route exhaustive. Elle a instrumenté le groupe motopropulseur électrique avec des accéléromètres triaxiaux placés à des emplacements stratégiques : sur le carter du moteur, sur les supports de suspension gauche et droit, et sur le moyeu de la roue avant. Un microphone de précision a été installé à la place du conducteur pour enregistrer le bruit de l’habitacle. Parallèlement, des données critiques ont été collectées via le bus CAN (Controller Area Network) du véhicule, notamment la vitesse du moteur, le couple demandé aux roues et le couple réellement appliqué.
L’analyse fréquentielle des données a fourni une image claire. Tous les points de mesure ont montré un pic de vibration prononcé à 36 Hz, avec les amplitudes les plus élevées au niveau du carter du moteur et du support de suspension gauche. Ce schéma indiquait sans ambiguïté que la source de la vibration était le groupe motopropulseur lui-même, et que cette vibration était transmise au châssis via les supports de suspension, puis à l’habitacle.
L’analyse temporelle a apporté la preuve décisive. Alors que la vitesse du véhicule et le couple demandé aux roues étaient stables, le couple réel aux roues présentait des oscillations massives, atteignant des pics de près de 70 N·m. Cette divergence extrême entre le couple « souhaité » et le couple « réel » était le signe d’un dysfonctionnement de contrôle. La périodicité de ces oscillations correspondait exactement à une fréquence de 36 Hz, coïncidant parfaitement avec le bruit mesuré.
Une investigation plus poussée a révélé un lien crucial avec la conception du moteur. Le véhicule était équipé d’un moteur synchrone à aimants permanents de 8 pôles et 48 encoches, ce qui signifie qu’il possède 4 paires de pôles. Dans un tel moteur, l’excitation électromagnétique se produit à des ordres multiples de la vitesse du rotor. L’ordre 4 est particulièrement significatif. À la vitesse de marche lente de 550 tr/min, la fréquence de l’ordre 4 se calcule comme suit : (4 x 550) / 60 = 36,67 Hz, une valeur pratiquement identique aux 36 Hz mesurés. Cela a confirmé que la source d’excitation était intrinsèque au moteur lui-même, une fluctuation de couple connue sous le nom de « torque ripple », qui est normalement atténuée par des composants comme les convertisseurs de couple. Dans les VE, la connexion rigide du groupe motopropulseur, dépourvue de ce type d’amortissement passif, permet à cette vibration de se propager.
Le Paradoxe du Damping Actif : Une Solution qui Devient le Problème
Pour contrer précisément ce type de fluctuations de couple, de nombreux constructeurs mettent en œuvre des stratégies de damping actif. Le principe est élégant : le système de contrôle du moteur, capable de modifier le couple en quelques millisecondes, est utilisé comme un actionneur pour générer un couple de compensation qui annule les oscillations indésirables. C’est comme si le moteur s’auto-correctait en temps réel.
L’équipe de Geely a soupçonné que ce système sophistiqué, conçu pour améliorer le NVH, pouvait être le coupable. Pour tester cette hypothèse, ils ont effectué une expérience simple mais audacieuse : ils ont désactivé complètement la fonction de damping actif et ont refait le test de marche lente.
Les résultats ont été concluants. Avec le damping actif désactivé :
- Le pic de vibration à 36 Hz sur le carter du moteur est passé de plus de 1,0 m/s² à seulement 0,1 m/s².
- Le niveau de bruit dans l’habitacle à 36 Hz est passé de 42 dB(A) à 35 dB(A).
- L’oscillation du couple réel aux roues est passée de 70 N·m à 20 N·m.
Ces données ont démontré de manière irréfutable que le système de damping actif n’était pas en train de stabiliser le groupe motopropulseur, mais de le déséquilibrer. Au lieu de supprimer les fluctuations de couple, il les amplifiait. Le système de rétroaction, probablement en raison d’un déphasage, de paramètres de gain inadéquats ou de non-linéarités mécaniques (comme le jeu ou l’effet de hystérésis dans la transmission), était entré dans un état d’instabilité. Il appliquait un couple de correction qui, au lieu de contrer l’oscillation, la renforçait, créant ainsi un cycle de rétroaction positive.
Une Solution Intelligente : Optimisation du Contrôle, pas Redesign du Matériel
Avec la cause identifiée, l’approche a changé : il ne s’agissait plus d’éliminer le système, mais de l’optimiser. L’objectif n’était pas d’abandonner le damping actif, un outil puissant dans de nombreuses autres conditions de conduite (comme une accélération brusque), mais de le rendre plus robuste et plus sûr pour le mode de marche lente.
La solution proposée par Shen Long et son équipe a été une modification stratégique de la logique de contrôle. Ils ont introduit des limites supérieures strictes à la quantité de couple de damping que le système pouvait appliquer, en particulier dans les conditions de faible charge de la marche lente.
Cette stratégie repose sur une philosophie d’ingénierie de la sécurité : dans un système qui montre déjà des signes d’instabilité, il est plus important de limiter les dégâts potentiels que de tenter une suppression maximale. Il vaut mieux avoir une petite oscillation contrôlée qu’un grondement important causé par un contrôleur qui « perd le contrôle ».
Les modifications clés mises en œuvre ont été :
- Réduction de 60 % du gain de damping actif dans la plage de vitesse du moteur typique de la marche lente.
- Réduction de 80 % du couple de damping maximal autorisé lorsque le système détectait que le véhicule était en mode de marche lente.
Ces nouveaux paramètres ont été calibrés méticuleusement sur le véhicule réel, en cherchant le point optimal où le système de damping pouvait fonctionner sans basculer dans l’instabilité, permettant aux petites fluctuations de couple inhérentes au moteur de s’atténuer naturellement sans intervention agressive.
Validation et Succès : Du Laboratoire à la Route
Après avoir implémenté la nouvelle stratégie de contrôle, une nouvelle série de tests a été réalisée. Les résultats ont dépassé toutes les attentes.
- L’oscillation du couple réel aux roues est passée de 70 N·m à seulement 2 N·m, soit une réduction de 97 %.
- Le pic de bruit à 36 Hz dans l’habitacle a disparu, avec une réduction de bruit de 20 dB(A), ce qui signifie que le grondement est devenu inaudible.
- Les mesures de vibration sur le carter du moteur, les supports et le moyeu de la roue ont montré une absence totale de pics à 36 Hz.
L’évaluation subjective par des ingénieurs NVH et des conducteurs d’essai a été unanime : le grondement avait disparu. Le véhicule avançait désormais en mode de marche lente avec une douceur et un silence comparables aux meilleurs véhicules électriques du marché. Le plus significatif est que cette solution a été obtenue entièrement par une mise à jour logicielle, sans aucun changement du moteur, de la transmission ou des supports.
Des Implications Profondes pour l’Industrie Automobile
Ce cas n’est pas qu’une anecdote d’ingénierie ; c’est un exemple paradigmatique des défis et des opportunités de l’ère des véhicules électriques. Il illustre plusieurs points cruciaux :
- Le Logiciel est le Nouveau Matériel : La frontière entre la performance mécanique et le comportement du logiciel s’estompe. Un problème qui semble être une vibration structurelle peut en réalité être une erreur d’algorithme. Cette compréhension est fondamentale pour les équipes de développement modernes.
- L’Importance de la Calibration Adaptative : Les stratégies de contrôle qui fonctionnent bien dans une plage de fonctionnement (par exemple, une forte accélération) peuvent échouer de manière catastrophique dans une autre (par exemple, une faible charge). Les systèmes de contrôle doivent être plus intelligents et adaptatifs, capables d’ajuster leurs paramètres en fonction de la situation de conduite.
- Le Pouvoir des Mises à Jour OTA (Over-the-Air) : La capacité de résoudre un problème de qualité de conduite aussi significatif par une simple mise à jour logicielle est un avantage concurrentiel énorme. Elle permet aux constructeurs de corriger des problèmes après le lancement, améliorant continuellement l’expérience client.
- La Nécessité d’une Approche Systémique : Résoudre les problèmes de NVH dans les VE nécessite une compréhension holistique du système, depuis la physique du moteur jusqu’à la dynamique du groupe motopropulseur et les algorithmes de contrôle. On ne peut pas isoler un composant ; il faut analyser toute la chaîne de cause à effet.
Vers un Avenir Plus Silencieux
L’étude de Shen Long et de ses collègues est un témoignage de l’avancée continue de l’ingénierie des véhicules électriques. Elle démontre que même les problèmes les plus subtils, nés de l’interaction complexe entre matériel et logiciel, peuvent être résolus par une analyse rigoureuse et une solution d’ingénierie élégante.
Au-delà de ce cas spécifique, l’approche de « limiter la limite supérieure » de l’action de contrôle offre un principe général précieux pour la conception de systèmes de contrôle robustes. Plutôt que de poursuivre une performance maximale à tout prix, elle privilégie la stabilité et la sécurité du système.
Alors que l’industrie poursuit sa transition vers l’électrification, des cas comme celui-ci serviront de leçons fondamentales. Ils rappellent que l’excellence dans la mobilité électrique ne se limite pas aux batteries et à l’autonomie, mais concerne aussi le perfectionnement de chaque aspect de l’expérience de conduite, même des plus silencieux. La véritable innovation réside souvent non pas dans ce que l’on peut voir, mais dans ce que l’on ne peut pas entendre.
Shen Long, Zhang Jun, Zhao Mingbin, Qin Bin, Fang Zhen, Zhejiang Smart Automobile Intelligence Technology Co., Ltd. and Geely Automotive Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., Noise and Vibration Control, DOI: 10.3969/j.issn.1006-1355.2024.06.033