Des moteurs à la propulsion : optimisation de la densité de puissance dans les systèmes d’entraînement par l’intégration

Des composants discrets à la propulsion : l'impératif d'intégration

L'industrie automobile a revu sa conception de l'architecture des véhicules. L'époque du simple moteur isolé est révolue. Aujourd'hui, on attend un système de propulsion électrique intégré où moteur, onduleur et transmission fonctionnent comme une seule unité performante. Il ne s'agit pas d'un simple changement marketing, mais d'une nécessité technique. Pour atteindre les objectifs ambitieux de densité énergétique des véhicules électriques de nouvelle génération, nous devons considérer ces composants comme un système de propulsion unifié, et non comme des pièces séparées.

Repenser l'agencement mécanique

La fabrication traditionnelle considérait le moteur et la boîte de vitesses comme des entités indépendantes, reliées par des carters massifs et des accouplements complexes. Pour obtenir une chaîne cinématique à haut rendement, il est nécessaire d'abandonner ce modèle au profit d'une intégration radicale.

En intégrant ces composants dans un boîtier unifié (communément appelé « e-Axle »), nous obtenons plusieurs avantages clés :

Empreinte au sol réduite : Nous éliminons les matériaux et les boîtiers redondants.

Trajet de couple plus court : cela minimise les pertes mécaniques et améliore la réactivité.

Production spécialisée : Cette évolution nécessite de passer de lignes de production à usage général à des cellules spécialisées de haute précision capables de gérer ces assemblages complexes et multifonctionnels.

Optimisation de la densité de puissance

La densité de puissance est le critère ultime. Elle détermine la quantité d'énergie que l'on peut générer par kilogramme de matériau et par centimètre cube d'espace. Pour l'optimiser, nous explorons des matériaux autres que les matériaux standards.

Des techniques avancées, comme le bobinage en épingle à cheveux, permettent un taux de remplissage en cuivre supérieur à celui des fils ronds traditionnels. L'intégration directe de ces moteurs haute densité à des réducteurs à grande vitesse permet d'obtenir un module d'entraînement compact offrant un rapport puissance/poids inimaginable il y a encore quelques années. Pour les constructeurs automobiles, cela se traduit directement par un gain d'espace dans l'habitacle et une meilleure répartition du poids du véhicule.

Dompter la chaleur

La chaleur est le principal obstacle à la réduction de la densité de puissance. Plus on miniaturise les systèmes d'entraînement, plus le flux thermique se concentre. La solution réside dans une gestion thermique intégrée.

Nous évoluons vers des méthodes de refroidissement direct à l'huile, où le lubrifiant des engrenages sert également de liquide de refroidissement pour les enroulements du moteur. Ce système à double fonction élimine le besoin de chemises d'eau séparées et de radiateurs encombrants. En optimisant le refroidissement, nous permettons au moteur de supporter des puissances plus élevées sans risque de démagnétisation ni de défaillance de l'isolation, garantissant ainsi sa fiabilité même en cas d'utilisation intensive en milieu professionnel.

Électronique

L'intégration n'est pas seulement mécanique ; elle est tout aussi essentielle dans le domaine électronique. Le montage de l'onduleur directement sur le carter du moteur — créant ainsi un système « 3 en 1 » — élimine le besoin de longs câbles haute tension blindés.

Ces câbles sont lourds, coûteux et constituent une source importante d'interférences électromagnétiques (IEM). L'intégration de l'électronique de puissance réduit l'inductance parasite du système. Il en résulte des vitesses de commutation plus rapides et un rendement supérieur, aboutissant à un système d'entraînement silencieux, plus facile à certifier et à intégrer à l'architecture haute tension du véhicule.

Matériaux et allègement

Pour rester compétitifs, nous devons maîtriser la science des matériaux. Si l'acier électrique de haute qualité est la norme, nous utilisons désormais des alliages de magnésium et de l'aluminium haute résistance pour les boîtiers afin de gagner le moindre gramme.

Nos procédés de fabrication, tels que le moulage sous pression et l'usinage CNC de précision, sont optimisés pour la mise en œuvre de ces matériaux de pointe, tout en respectant les tolérances strictes requises pour une rotation à grande vitesse. Chaque milligramme économisé sur le système d'entraînement contribue à réduire le poids des composants de suspension et de freinage.

Résolution des problèmes liés au NVH

Le montage direct d'un moteur à grande vitesse sur un réducteur et un variateur de fréquence peut amplifier les fréquences de vibration à travers le carter commun. Pour pallier ce problème, nous utilisons des outils de simulation avancés afin de prédire les résonances harmoniques avant la production.

En optimisant la microgéométrie des engrenages et en utilisant des rotors inclinés pour annuler les bruits magnétiques, nous visons à produire un groupe motopropulseur aussi silencieux que performant. Dans le segment des véhicules haut de gamme, la signature acoustique est un facteur de différenciation majeur.

Évolutivité et conception modulaire

L'intégration permet certes de créer des unités performantes, mais sans compromettre la flexibilité. Nous utilisons des plateformes modulaires qui nous permettent d'adapter la puissance de sortie sans avoir à repenser l'ensemble de l'assemblage.

En modifiant la longueur du moteur ou en ajustant le rapport de réduction au sein d'une même architecture de boîtier, nous pouvons prendre en charge tous types de véhicules, des citadines aux SUV. Cette modularité nous permet de répondre aux besoins de nombreux clients aux spécifications variées, tout en conservant les avantages économiques d'une production en grande série.

La révolution 800V

L'industrie évolue rapidement vers des architectures 800 V pour la charge ultra-rapide. Cela exerce une pression considérable sur les technologies d'isolation. Il est impératif d'utiliser des matériaux diélectriques avancés et des câbles résistants à l'effet corona afin de prévenir les décharges partielles.

L'intégration directe d'onduleurs en carbure de silicium (SiC) de 800 V dans l'assemblage permet de réduire considérablement les pertes de commutation par rapport aux IGBT traditionnels. Nos lignes de production sont modernisées avec des salles blanches et des tests spécialisés pour la manipulation de ces composants haute tension sensibles.

Qualité : La norme non négociable

La fabrication d'un système de propulsion automobile repose sur une validation rigoureuse. Chaque unité subit une batterie de tests, comprenant des contrôles fonctionnels en fin de chaîne, des tests d'isolation haute tension et une analyse acoustique.

Nous respectons scrupuleusement les normes IATF 16949 afin de garantir la durabilité de l'unité, et plus précisément sa résistance à 15 ans et 300 000 kilomètres d'utilisation réelle. Pour nos partenaires B2B, cette garantie est non négociable, quelles que soient les conditions climatiques, hivers rigoureux ou étés caniculaires.

L’argumentaire commercial en faveur de l’intégration

Du point de vue des achats, les groupes motopropulseurs intégrés représentent une solution financièrement idéale pour les constructeurs automobiles. Au lieu de gérer des dizaines de fournisseurs pour des composants distincts, ils s'approvisionnent en un système de propulsion unique et pré-testé.

Cela réduit les délais d'assemblage interne et la complexité de la chaîne d'approvisionnement. En maîtrisant l'intégralité de la chaîne de valeur, du bobinage à l'assemblage final, nous diminuons le coût de la nomenclature et répercutons ces économies sur nos clients.

Se prémunir contre les risques grâce aux logiciels

Le système de transmission moderne repose autant sur le code que sur les composants électroniques. Un système de transmission intelligent doit prendre en charge les mises à jour à distance (OTA) afin d'optimiser la distribution du couple au fil du temps.

En collaborant étroitement avec les ingénieurs logiciels, nous garantissons une parfaite intégration de notre matériel au micrologiciel de contrôle. Cette intégration mécatronique permet des fonctionnalités telles que l'optimisation du freinage régénératif et la maintenance prédictive, transformant ainsi une simple transaction ponctuelle en un partenariat de service à long terme.

Durabilité et logistique

Nous devons tenir compte de l'impact environnemental. L'intégration réduit la quantité totale de matières premières nécessaires par kilowatt. Nous concevons également des systèmes pour des applications de seconde vie et un recyclage aisé, en utilisant de l'aluminium recyclé et en veillant à la récupération des aimants en terres rares.

Sur le plan opérationnel, la production locale atténue les risques géopolitiques. L'expédition d'un système de propulsion complet est bien plus efficace que l'envoi de composants séparés depuis différentes régions du monde, garantissant ainsi une livraison fiable même sur un marché volatil.