Transition d'une gestion thermique réactive à une gestion thermique proactive

Onduleur Helix en carbure de silicium. (Image :Hélix)

Dans un circuit électrique, les électrons qui circulent heurtent les atomes du matériau conducteur et font vibrer ces atomes. 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 aux particules sous forme d'énergie cinétique se manifeste sous forme de chaleur.

Plus la résistance est grande, plus les chocs sont fréquents et cela 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.

Il incombe à la gestion thermique de trouver des moyens d’évacuer cette chaleur et d’empêcher cette boucle de rétroaction de réduire considérablement l’efficacité électrique et les performances d’un système. C'est également la clé de la longévité des aimants permanents, car les particules composant le matériau magnétique perdront leur alignement magnétique si elles captent trop d'énergie cinétique, c'est-à-dire qu'elles se démagnétiseront.

Tout cela rend la gestion thermique essentielle pour le moteur d’un véhicule électrique. Mais outre le problème fondamental de résistance et d'échauffement, les moteurs EV 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 haute fréquence résultant des onduleurs à commutation rapide.

Intelligence en temps réel

Outre la boucle de rétroaction de la température et de la résistance (la résistance du cuivre augmente de 40 % tous les 100 degrés de température), il existe également le fait que l'isolation électrique autour des enroulements du stator se dégrade rapidement s'il fait trop chaud. Une règle générale est que pour chaque augmentation de température de 10 degrés, la résistance de l'isolation diminue de moitié et, à une certaine température, l'isolation se décompose entièrement.

Cela fait de la gestion thermique du moteur dans les véhicules électriques une tâche très complexe et qui doit être combattue le plus tôt possible. Un seul point chaud non détecté peut entraîner une détérioration incroyablement rapide du moteur d'un véhicule électrique, avec des résultats permanents.

Cela signifie que la gestion thermique des véhicules électriques 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 particulièrement celles de la batterie, ce type d'intelligence en temps réel peut permettre des innovations en matière de gestion thermique, de chauffage et de refroidissement de tous les véhicules, emblématiques dans des technologies telles que l'Octovalve de Tesla, qui intègre plusieurs systèmes de refroidissement et de chauffage pour centraliser et rationaliser la gestion thermique d'un véhicule dans son ensemble.

Tracé du contour de la pression du fluide du canal de liquide de refroidissement. (Image :Hélix)

Mais d’où vient exactement cette intelligence en temps réel ? Recueillir des relevés thermiques précis de l'ensemble d'un moteur EV n'est pas une tâche facile, en particulier à la résolution nécessaire pour identifier les points chauds aussi rapidement et précisément que nécessaire pour les rendre utiles. De nombreuses mesures en direct de la température à l'intérieur du moteur et du liquide de refroidissement du moteur sont nécessaires, couvrant les enroulements du rotor et du stator.

Méthodes directes et indirectes

Il existe deux manières d'acquérir ces informations sur la 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 une thermistance ou un capteur à thermocouple en contact direct, ou des mesures du rotor via des capteurs infrarouges. Il s'agit de la manière la plus intuitive d'accomplir la tâche, mais elle s'accompagne de complications majeures :une augmentation de la complexité, des points de défaillance et le coût de la qualité des capteurs eux-mêmes.

Moteurs à technologie de base évolutive Helix. (Image :Hélix)

L'installation et le câblage de nombreux capteurs dans un moteur présentent un défi de câblage, de conditionnement et de maintenance qui nécessite une ingénierie supplémentaire importante et peut nécessiter des compromis en termes d'efficacité et de performances. Et la défaillance d'un seul capteur peut entraîner des lectures erronées qui perturbent les stratégies de gestion thermique, entraînant des pertes de performances, d'efficacité et l'insatisfaction des clients.

On évoque alors la méthode indirecte :l’utilisation de modélisations couplées électromagnétique et thermique. En développant un modèle sophistiqué du comportement d'un moteur dans diverses 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 provenant de capteurs de courant et de position qui sont autrement nécessaires et doivent également répondre à des normes strictes de sécurité fonctionnelle, associées à une seule mesure de la température du liquide de refroidissement. À partir de ceux-ci, nous pouvons ensuite déduire, à partir de modèles en temps réel, à quoi ressemble la répartition de la chaleur dans le système à tout moment.

Modélisation électrothermique

Le défi de s’appuyer sur la modélisation électrothermique plutôt que sur des capteurs est qu’il s’agit d’une méthode indirecte. Cela signifie que vous dépendez désormais de l'applicabilité et de la précision de votre modèle, ce qui nécessite suffisamment de tests pour le développer et l'affiner, ainsi qu'une puissance de calcul suffisante pour exécuter le modèle et effectuer les inférences de température nécessaires.

Tracé de contour de la température du stator. (Image :Hélix)

Il s’agit donc d’une approche qui s’appuie particulièrement fortement sur la sophistication des équipes d’ingénierie derrière un moteur et un véhicule. De plus, comme pour tout moyen de mesure, cela nécessite de comprendre sa précision et de définir des limites de manière appropriée.

Mais les avantages de cette approche, si elle est bien appliquée, sont considérables. Aucun compromis n'est requis pour intégrer les capteurs et leur câblage à l'intérieur et autour d'un moteur, ce qui signifie que les données de gestion thermique ne doivent pas nécessairement compromettre l'efficacité ou les performances.

Cette approche réduit également les points de défaillance d’un moteur et d’un véhicule électrique. Surtout, si un modèle est suffisamment sophistiqué, il peut également bénéficier d'une capacité prédictive significative et être bien placé pour demander au système de gestion thermique d'éviter complètement la formation de points chauds et de maintenir un moteur dans un état stable continu de performances optimales.

Ce passage d’une gestion thermique réactive à une gestion 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 jusqu'à un tel état stable, les systèmes de gestion thermique soutenus par une modélisation électrothermique couplée seront essentiels pour repousser les limites de la qualité des moteurs de véhicules électriques. En fait, plutôt que de remplacer indirectement un capteur de température, il est peut-être préférable de considérer les capteurs de température comme un substitut sous-optimal à une bonne modélisation électrothermique.

Cet article a été rédigé par Andrew Cross, directeur de l'innovation, Helix (Milton Keynes, Royaume-Uni). Pour plus d'informations, veuillez visiter ici  .