Tension commune: ennemi secret des véhicules électriques

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Véhicules électriques et empreinte carbone

Le potentiel des véhicules électriques pour réduire la pollution dans les zones urbaines à forte densité de population est connu. Cependant, ces dernières années, il y a eu un grand débat sur l'empreinte carbone des véhicules électriques. Même si les véhicules électriques sont beaucoup plus efficaces que ceux qui ont des moteurs à combustion interne, il faut noter qu'une partie de l'énergie électrique nécessaire pour la recharge des véhicules électriques est produite à partir de combustibles fossiles. En outre, la fabrication de batteries représente une grande pénalité du point de vue énergétique.

Ces doutes sont résolus par les dernières recherches. Par exemple, la méta-analyse publiée en 2020 par Ivanova et ses collaborateurs dans le magazine Environmental Research Letters montre que les véhicules électriques sont essentiels à la réalisation des objectifs de l'Accord de Paris. Pour sa part, Kawamoto et ses collaborateurs ont évalué l'ensemble du cycle de vie des véhicules électriques (LCA, Life-Cycle Assestment) en 20191. En ce qui concerne le contexte européen, il a été déterminé que les véhicules électriques améliorent les données d'émissions des véhicules à essence après avoir parcouru une distance moyenne de 76.545 km et les diesel à 109.415 km. Du point de vue environnemental, il est donc nécessaire de maximiser la fiabilité des véhicules électriques, en identifiant les éventuels mécanismes de défaillance dans le système de propulsion et en cherchant des solutions pour allonger au maximum leur cycle de vie.

Figure . Le mode différentiel est le mode de fonctionnement souhaité sur n'importe quel circuit. Cependant, la réalité est que, lorsque des composants de tension apparaissent de façon commune, une partie du courant échappe par des voies non désirées. Image réalisée par des auteurs.

Problème de tension de mode commun

Les systèmes électriques et électroniques sont conçus pour fonctionner en appliquant une différence de tension entre deux ou plusieurs bornes d'entrée (figure 1). Idéalement, lorsqu'une différence de tension (Vdif) est établie à l'entrée, le courant va du terminal à plus grande tension (V1) au terminal à basse tension (V2). Ce mode de fonctionnement est appelé mode différentiel et est le fonctionnement souhaité dans les circuits électriques. Cependant, la réalité est différente, car il établit souvent une tension commune (Vkom) qui n'a pas de valeur nulle, avec la tension différentielle nécessairement (Figure 1). Ainsi les choses, une partie du courant entrant dans le terminal à plus grande tension, par exemple, peut revenir de la connexion terrestre, trouve une autre voie de retour à la source d'énergie. C'est ce qu'on appelle le courant de fuite. Par conséquent, ce courant qui devrait être inappréciable, en pratique, n'est pas si petit.

Pour rapprocher ce phénomène du contexte des moteurs électriques, il faut d'abord définir les composants principaux des moteurs (figure 2). Le stator est la partie fixe de la machine, qui a un enroulement qui se connecte aux terminaux qui alimente la machine. Le stator entoure le rotor. Cette dernière est la partie mobile du moteur et est liée à l'axe. L'arbre repose sur les roulements afin que le rotor ait peu de friction. Le mouvement du rotor se produit par l'interaction entre les flux et les courants générés dans le rotor et dans le stator. Tous les composants sont collectés par un boîtier métallique.

Figure . Quand un moteur électrique triphasé est actionné, tout le courant devrait circuler selon les phases du moteur. Cependant, une partie du courant est déchargée à partir des roulements de la machine si une tension commune est appliquée au moteur. Image réalisée par des auteurs.

Il est courant que les machines électriques industrielles agissent en les connectant directement au réseau électrique (Figure 3). Dans cette configuration, la tension en mode commun (Vkom) est nulle si les tensions qui sont établies à l'entrée du moteur sont totalement équilibrées, c'est-à-dire lorsque la somme des tensions d'entrée est nulle. Dans ce cas, le courant ne circulera que par les bornes d'entrée.

En revanche, un convertisseur de puissance (inverseur) est connecté dans les véhicules électriques entre l'alimentation (batteries) et le moteur électrique2. Puisque la tension de la batterie est continue, la fonction du convertisseur de puissance consiste à ajuster la fréquence et l'amplitude des tensions alternes qui sont établies dans le moteur en fonction de la vitesse de rotation du rotor et de la puissance (moment) à implanter.

Figure . Les moteurs alimentés directement avec le réseau électrique ont des tensions sinusoïdales dans les bornes, généralement équilibrées. Au contraire, les tensions établies dans les terminaux ont une forme d'impulsion lorsque des convertisseurs de puissance sont utilisés. Image réalisée par des auteurs.

Les convertisseurs de puissance sont constitués de dispositifs semi-conducteurs fonctionnant comme interrupteurs (Figures 3 et 4). L'adaptation de l'amplitude et de la fréquence des tensions de sortie est obtenue en commutant ces interrupteurs à une fréquence élevée (généralement entre 5 kHz et 20 kHz) et en contrôlant la largeur des impulsions générées. Les systèmes commutés sont utilisés pour leur haute efficacité. En retour, les tensions instantanées sont déséquilibrées et une tension commune à haute fréquence est établie dans les bornes du moteur. Ainsi, une grande partie du courant généré par le mode commun sera déchargé des roulements (figure 2).

Contrairement aux moteurs industriels, dans les véhicules électriques il n'est pas possible d'installer une connexion de terre permettant de télécharger le courant généré par le mode commun. Par conséquent, le mode commun peut causer des problèmes dans les éléments électriques et électroniques qui composent le véhicule. En fait, les interférences électromagnétiques (EMI, ElectroMagnetic Interference, par leur sigle en anglais) sont nombreuses en raison du mode commun. Ceux-ci peuvent affecter d'autres sous-systèmes du véhicule électrique, comme les unités de contrôle (ECU, Electronic Control Unit en anglais) et les communications entre eux.

En ce qui concerne la fiabilité du véhicule, des problèmes peuvent également survenir, comme le montre la figure 5. D'une part, les grandes variations de tension générées permettent de détériorer l'isolement des bobinages du stator. À mesure que l'isolation est perdue, il y a de plus grandes chances de produire des courts-circuits sur les bobinages, augmentant ainsi les probabilités de rupture du moteur. En outre, les courants de fuite mentionnés ci-dessus affectent les roulements du moteur. Ces derniers sont les principaux responsables de la génération de pannes dans les moteurs électriques.

Figure . Les commutateurs d'inverseur triphasé peuvent avoir huit combinaisons possibles. A chaque combinaison ou état de commutation correspond une tension commune. L'image montre un exemple d'une séquence de commutation. L'état des disjoncteurs de la même phase doit être complémentaire pour éviter un court-circuit dans l'alimentation. Autrement dit, si l'interrupteur ci-dessus est allumé, l'interrupteur ci-dessous sera éteint et vice versa. Chaque état de commutation génère un certain niveau de tension par phase (, et ). L'exemple montre clairement que la tension en mode commun n'est pas nulle, mais a une forme pyramidale. Image réalisée par des auteurs.

Comment réduire les problèmes de tension commune?

Au cours des dernières décennies, la communauté scientifique et l'industrie ont travaillé conjointement à la recherche de solutions à ce problème des moteurs électriques. En ce sens, les solutions couramment utilisées pour réduire les effets du mode commun peuvent être classées dans deux familles principales (Figure 6) : solutions qui isolent les roulements des courants de fuite et qui dirigent les courants de fuite vers le châssis du véhicule.

Figure . Les courants échappant à la tension peuvent brûler l'isolation de la bobine du stator et provoquer des cratères et des vergetures dans les roulements. Image réalisée par des auteurs.

Actuellement, certaines de ces solutions ont été écartées par leur inviabilité (blindage de Faraday, entre autres). Cependant, d'autres solutions ont obtenu une grande acceptation. Par exemple, la multinationale suédoise SKF est leader dans le secteur industriel des roulements de machines électriques et propose l'utilisation de roulements hybrides pour minimiser les problèmes des véhicules électriques. En revanche, la société EST, leader mondial en solutions pour pallier les dommages causés par des décharges électriques parasites sur des surfaces rotatives et mobiles, a breveté l'anneau de mise à la terre de l'axe AEGIS comme solution pour décharger des courants au sol ou au châssis de véhicules.

Bien qu'il ait été démontré que certaines de ces solutions sont efficaces, leur objectif est de réduire les effets de la tension de façon commune. Une autre option possible est d'éviter ces effets depuis la source. Comment ? Correction radicale du problème. D'une part, des filtres spécifiques ont été proposés qui bloquent la tension de manière commune et empêchent son extension à d'autres composants du système de propulsion. D'autre part, de nouvelles séquences de commutation ont été proposées pour le contrôle des topologies des convertisseurs de puissance qui réduisent ou éliminent complètement la tension de manière commune (figure 7) et des dispositifs. Dans le cas d'un véhicule électrique, les deux dernières options sont les plus attrayantes, car il n'y a pas de mise à la terre dans les véhicules. Conscients de leur potentialité, la communauté scientifique étudie ces dernières années ce genre d'alternatives.

Après une analyse approfondie de la problématique, on peut conclure que les utilisateurs des véhicules électriques peuvent continuer à se concentrer sur les caractéristiques de vitesse, efficacité, autonomie, etc., en raison de la diversité des solutions qui existent pour un problème commun. Cependant, le travail des scientifiques passe par la recherche de solutions moins chères et efficaces pour faire face aux problèmes liés au mode commun. En outre, les normes et réglementations que doivent respecter les constructeurs de véhicules sont très strictes, ce qui garantit les exigences de qualité en matière de robustesse et de sécurité des véhicules.

Figure . Exemples de solutions industrielles contre les courants de fuite. À gauche apparaissent les solutions qui empêchent le passage du courant (isolants) et à droite les solutions qui conduisent les courants de fuite vers le sol ou le châssis (conducteurs). Image réalisée par des auteurs.

Observations:

1. Outre le fonctionnement du véhicule, des variables telles que l'exploitation des matériaux, la fabrication du véhicule, le mix électrique, les distances de conduite, l'entretien, le recyclage, etc ont été prises en compte pour déterminer les émissions générées tout au long de son cycle de vie.

Figure . Exemple d'une des solutions étudiées dans le groupe de recherche APERT de l'UPV. Cet inverseur est spécialement conçu pour éliminer la tension de manière commune grâce à ses éléments auxiliaires (les batteries du véhicule sont connectées à l'entrée et au moteur à la sortie). Image réalisée par des auteurs.

2. D'autres applications dans lesquelles des moteurs ou des générateurs électriques sont utilisés nécessitent l'utilisation de convertisseurs de puissance comme agents industriels à vitesse variable et moulins à vent.

Bibliographie Bibliographie