Transition de la gestion thermique réactive à proactive

Onduleur Helix au carbure de silicium. (Image : Helix)

Physique de la chaleur dans les circuits électriques

Dans un circuit électrique, les électrons en mouvement heurtent les atomes du matériau conducteur et provoquent leur vibration. L'énergie thermique est l'énergie cinétique et potentielle totale des particules dans une région de l'espace, donc ce transfert d'énergie des électrons vers les particules sous forme d'énergie cinétique se manifeste sous forme de chaleur.

Plus la résistance est grande, plus les chocs sont fréquents, ce qui signifie une plus grande génération de chaleur. Non seulement une plus grande résistance génère plus de chaleur, mais pour les métaux, cette augmentation de chaleur génère plus de résistance.

C'est le travail de la gestion thermique de trouver des moyens d'évacuer cette chaleur et d'empêcher cette boucle de rétroaction de réduire significativement l'efficacité électrique et les performances d'un système. C'est aussi la clé de la longévité pour les aimants permanents, car les particules composant le matériau magnétique perdront leur alignement magnétique s'elles acquièrent trop d'énergie cinétique — c'est-à-dire qu'elles se déaimanteront.

Tout cela rend la gestion thermique critique pour le moteur d'un VE. Mais en plus du problème de base de la résistance et du chauffage, les moteurs de VE doivent également faire face à d'autres sources de chaleur telles que les courants de Foucault dans le fer du stator du moteur, les pertes visqueuses dans les roulements et les pertes à haute fréquence résultant d'onduleurs à commutation rapide.

Intelligence en temps réel

Avec la boucle de rétroaction de la température et de la résistance (la résistance du cuivre augmente de 40 % pour chaque 100 degrés de température), il y a aussi le fait que l'isolation électrique autour des enroulements du stator se dégrade rapidement si elle devient trop chaude. Une règle empirique est que pour chaque élévation de 10 degrés de température, la résistance d'isolation diminue de moitié, et à une certaine température, l'isolation se dégrade entièrement.

Cela fait de la gestion thermique des moteurs dans les VE une tâche très complexe, qui doit être contrée tôt. Un seul point chaud non détecté peut provoquer une détérioration incroyablement rapide du moteur d'un VE, avec des résultats permanents.

Cela signifie que la gestion thermique des VE est une intervention qui nécessite une intelligence en temps réel sur les conditions du moteur, même lorsque le refroidissement liquide actif est déployé, comme c'est courant. En plus d'améliorer les performances réelles du moteur, et plus significativement les performances de la batterie, ce type d'intelligence en temps réel peut permettre des innovations dans la gestion thermique de tout le véhicule, le chauffage et le refroidissement — symbolisé par des technologies comme la Tesla Octovalve, qui intègre plusieurs systèmes de liquide de refroidissement et de chauffage pour centraliser et rationaliser la gestion de la chaleur de l'ensemble du véhicule.

Contour de pression du fluide dans le canal de refroidissement. (Image : Helix)

Méthodes directes et indirectes

Il y a deux façons d'acquérir cette information de température. La première est la méthode directe, en plaçant des capteurs directement in-situ pour fournir une mesure de température en temps réel, c'est-à-dire en utilisant un capteur thermistance ou thermocouple en contact direct, ou des mesures du rotor via des capteurs infrarouges. C'est la façon la plus intuitive d'aborder la tâche, mais elle s'accompagne de complications majeures : une augmentation de la complexité, des points de défaillance, et le coût de la qualité pour les capteurs eux-mêmes.

Moteurs à technologie de cœur évolutive Helix. (Image : Helix)

L'installation et le câblage de nombreux capteurs dans un moteur présentent un défi de câblage, d'emballage et de maintenance qui nécessite une ingénierie supplémentaire significative et peut nécessiter des compromis en efficacité et en performance pour les accommoder. Et la défaillance d'un seul capteur peut entraîner de fausses lectures qui jettent les stratégies de gestion thermique dans le désarroi, entraînant des pertes de performance, d'efficacité et d'insatisfaction client.

Cela amène la méthode indirecte : l'utilisation de modélisation électromagnétique et thermique couplée. En développant un modèle sophistiqué de la façon dont un moteur se comporte dans une variété de conditions électriques et thermiques, nous pouvons l'associer à des capteurs déjà déployés dans et autour d'un moteur. Par exemple, nous pouvons utiliser les informations des capteurs de courant et de position qui sont autrement requis et doivent également répondre à des normes strictes de sécurité fonctionnelle, couplées avec une seule mesure de température du liquide de refroidissement. À partir de celles-ci, nous pouvons alors inférer à partir de modèles en temps réel à quoi ressemble la distribution de chaleur à travers le système à tout moment.

Modélisation électrothermique

Le défi de s'appuyer sur la modélisation électrothermique au lieu de capteurs est que c'est une méthode indirecte. Cela signifie que vous dépendez maintenant de l'applicabilité et de la précision de votre modèle, ce qui à son tour nécessite suffisamment de tests pour le développer et l'affiner, ainsi que suffisamment de puissance de calcul pour exécuter le modèle et faire les inférences de température nécessaires.

Contour de température du stator. (Image : Helix)

En conséquence, c'est une approche qui repose particulièrement lourdement sur la sophistication des équipes d'ingénierie derrière un moteur et un véhicule. De plus, comme pour tout moyen de mesure, cela nécessite une compréhension de sa précision et une définition appropriée des limites.

Mais les avantages de cette approche, si elle est bien faite, sont considérables. Il n'y a pas de compromis requis pour accommoder les capteurs et leur câblage dans et autour d'un moteur, ce qui signifie que les données de gestion thermique n'ont pas besoin de compromettre l'efficacité ou la performance.

Cette approche réduit également les points de défaillance dans un moteur et un VE. Critiquement, si un modèle est suffisamment sophistiqué, il peut également bénéficier d'une capacité prédictive significative et être bien placé pour instruire le système de gestion thermique à préempter complètement la formation de points chauds et maintenir un moteur dans un état stable continu de performance optimale.

Ce passage de la gestion thermique réactive à préventive est particulièrement important pour améliorer les performances, l'efficacité et la durée de vie. En maintenant une température uniforme et stable et en minimisant même les petites perturbations momentanées d'un tel état stable, les systèmes de gestion thermique soutenus par la modélisation électrothermique couplée seront la clé pour repousser les limites de la qualité des moteurs de VE. En fait, plutôt que d'être un substitut indirect pour un capteur de température, il peut être préférable de considérer les capteurs de température comme un substitut sous-optimal pour une bonne modélisation électrothermique.

Cet article a été écrit par Andrew Cross, Directeur de l'innovation, Helix (Milton Keynes, Royaume-Uni). Pour plus d'informations, veuillez visiter ce lien.