Machine électrique

2.4.1 Grandeurs caractéristiques des machines électriques pour une approche système L’enveloppe de fonctionnement d’une machine électrique peut-être divisée en deux zones caractéristiques : une zone de fonctionnement à couple constant suivie d’une zone de fonctionnement à puissance constante (voir Figure 2-10). Dans la zone de fonctionnement à couple constant, la force contre-électromotrice augmente linéairement avec le régime jusqu’à atteindre la tension maximale fixée par la tension du bus DC (courant continu). Dans la zone de fonctionnement à puissance constante, la force contre-électromotrice est maintenue à sa valeur maximale en réduisant le champ magnétique d'excitation dans la machine. C’est ce qu’on appelle le défluxage.

Le régime (vitesse de rotation) marquant la frontière entre ces deux zones s’appelle le régime de base. On notera que le régime de base varie en fonction du courant injecté, et par conséquent, plus le courant augmente (et donc le couple), plus le régime de base diminue, c’est ce que l’on peut observer entre l’enveloppe de fonctionnement nominal et l’enveloppe de fonctionnement transitoire dans la Figure 2-10.

La souplesse de la machine est définie comme le rapport entre le régime maximal de la machine et son régime de base. Plus la souplesse sera grande plus la zone de fonctionnement sur laquelle il sera nécessaire de défluxer sera importante.

N_base N_max

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Figure 2-10 Principales caractéristiques d'une machine électrique dans une approche système [Badin et al. (2012)]

Enfin, lors du dimensionnement et de l'utilisation des machines électriques, il est important de distinguer le fonctionnement en régime continu du fonctionnement en régime transitoire (sous-entendu transitoire thermique).

Dans le cas du fonctionnement continu (ou nominal) de la machine et de son électronique de puissance, le système de refroidissement (air, air forcé ou liquide) permet de dissiper l'ensemble des pertes, il n'y a donc pas d'échauffement du système. Le fonctionnement transitoire tire parti de l'inertie thermique importante des machines et donc de la possibilité d'utiliser celles-ci au delà de leurs performances en continu pour un laps de temps donné. Le fonctionnement transitoire doit donc tenir compte des capacités d'évacuation de la chaleur du système de refroidissement ainsi que de la montée en température du système et de sa température critique. À tout point de fonctionnement transitoire correspond donc une durée maximale durant laquelle ce point pourra être maintenu sans compromettre la tenue thermique de la machine.

L'intérêt de considérer les fonctionnements transitoires réside dans la possibilité de sous-dimensionner la machine par rapport à un dimensionnement basé uniquement sur les performances en continu, ce sous-dimensionnement permettant de diminuer la masse, l'encombrement et le coût de la machine. Il sera par contre indispensable de mettre au point un système de régulation et/ou de surveillance de la température de la machine.

2.4.2 Aperçu des différents principes de machine électrique

Les machines électriques peuvent être classées dans trois catégories (machine à courant continu, machine synchrone, machine asynchrone), chacune possédant différentes déclinaisons. Toutes ces machines ne sont cependant pas adaptées à une utilisation embarquée dans un véhicule. Par conséquent, l’objectif de cette partie est de faire un état de lieux des machines actuellement utilisées pour l’électrification des véhicules.

Les machines à courant continu ont été parmi les premières à être utilisées dans des véhicules électriques, comme la Peugeot 106 électrique dans les années 1990. Un des avantages de cette machine était alors la simplicité de sa commande. Cependant, compte tenu des progrès réalisés dans l’électronique de puissance, cet atout n’est aujourd’hui plus valable et ne permet donc plus de compenser les défauts de ces machines (usure du collecteur mécanique, faible puissance spécifique).

Chapitre 2 Technologies des composants de la chaîne de traction hybride électrique

Les machines les plus utilisées aujourd’hui dans l’électrification des véhicules (Toyota Prius, Chevrolet Volt) sont les machines synchrones à aimants permanents (MSAP). Ces machines présentent les avantages de posséder une puissance et un couple spécifique élevés (et donc un encombrement réduit) ainsi qu’un bon rendement, notamment dans les zones de basses vitesses (voir Figure 2-11). Les points faibles de ces machines sont la dégradation du rendement dans les zones de fortes vitesses (notamment dû au défluxage), une limitation du régime due aux risques d’arrachement des aimants ainsi qu’une problématique de coût et de disponibilité des aimants permanents.

Figure 2-11 Cartographie de rendement de la machine de traction de la Toyota Prius 2010 pour une tension de 650 V DC [Olszewski et al. (2011)]

La machine synchrone à rotor bobiné (MSRB) est une concurrente potentielle de la MSAP.

Cette solution a notamment été retenue par Renault pour équiper son véhicule électrique Fluence ZE.

Cette machine possède, en plus de ne pas nécessiter de terres rares, l’avantage d’avoir un contrôle de défluxage aisée en agissant directement sur le courant du rotor ce qui permet une moindre dégradation des rendements à hautes vitesses. Cependant le rendement global de ce type de machine est plus faible que la MSAP du fait des pertes joules au niveau du rotor.

Enfin, on pourra citer l’utilisation de machines asynchrones par le constructeur de véhicule électrique Tesla. Ces machines ont l’inconvénient de nécessiter la création d’un courant induit dans le rotor et donc de pertes joules, elles sont donc moins performantes en termes de rendement que les machines synchrones. Cependant leur coût est un argument pour l’adoption de ces technologies.

2.4.3 Bilan des pertes dans la machine électrique

Les pertes au sein d'une machine électrique peuvent être classées en deux catégories [Badin et al. (2012)]. On distinguera ainsi les pertes de type mécanique et les pertes de type électrique. Les pertes mécaniques sont dues aux frottements sur les paliers et/ou roulements ainsi qu'aux pertes aérodynamiques des pièces tournantes au niveau de l'entrefer. Les pertes électriques ont deux composantes, la première provenant de la dissipation par effet Joule et donc liée aux courants injectés et à la résistance interne de la machine (pertes joules), la seconde étant causée par la nature électromagnétique de certains composants des machines électrique et aux pertes issues des variations du flux magnétiques dans ces pièces, ces pertes sont connues sous le nom de pertes fer.

2.4.4 Choix de la technologie de la machine électrique retenue dans le cadre de la thèse Dans le cadre de cette thèse nous avons fait le choix de nous concentrer sur les machines synchrones à aimants permanents. Ce choix est motivé, d’une part par le fait que cette technologie est aujourd’hui la plus répandue dans les véhicules hybrides et hybrides rechargeables du fait de ses bonnes performances et de sa compacité, et d’autre part car nous disposons d’une cartographie de référence sur cette technologie, cartographie qui nous permettra de calibrer l’outil développé au sein de IFPEN et permettant le dimensionnement de différentes machines électriques (voir 5.3.1).