L’hybridation électrique des véhicules présente un défi de taille en termes d’espace, car il faut ajouter des éléments significatifs sans en supprimer aucun. C’est notamment le cas du variateur de vitesse qui contrôle le moteur électrique et est souvent placé sous le véhicule, prenant la place d’une partie du réservoir de carburant. Cela signifie que l’autonomie du véhicule hybride est en quelque sorte inversement proportionnelle au volume du variateur de vitesse. Afin de répondre à cette contrainte, ACILTEK a développé, en collaboration avec APsi3D et SIREPE, un variateur de vitesse ultra-compact offrant des courants efficaces allant jusqu’à 600A sous 400V (ou 800V le cas échéant) dans un boîtier de seulement 2 litres, soit une puissance de 250 kVA et une densité de 125 kVA/L (250 kVA/L sous 800V).
Des convertisseurs compacts pour des véhicules hybrides
Les variateurs de vitesse sont des convertisseurs qui comptent très peu de composants. Leur charge, qui est une machine tournante électrique, est fortement inductive et supporte des tensions commutées si le câblage est suffisamment court. Dans un véhicule hybride, tout comme dans un véhicule électrique, l’énergie électrique est stockée dans une batterie “haute tension” (actuellement autour de 400V) qui alimente directement le variateur de vitesse. Ce convertisseur est donc composé d’un commutateur polyphasé (le plus souvent triphasé), d’un condensateur de découplage qui assure la tension aux bornes du commutateur lors des commutations et d’une commande rapprochée du commutateur intégrée au calculateur du véhicule. Les marges de manœuvre pour améliorer la compacité sont donc limitées.
D’une part, les condensateurs de découplage occupent environ la moitié du volume. En triphasé, leur valeur de capacité est déterminée par la fréquence de découpage, une contrainte qui est facilement remplie. En revanche, ils supportent un courant efficace proportionnel au courant de charge, ce qui détermine leur volume. SIREPE a proposé une architecture entrelacée à 6 bras qui réduit ce courant efficace, et donc le volume des condensateurs, de moitié. Ainsi, ce variateur peut alimenter des moteurs à six sorties (2 enroulements triphasés, chaque phase étant doublée), ce qui est facile à réaliser.
De l’autre côté, les composants semi-conducteurs utilisés pour former le commutateur imposent des niveaux de tension et de courant qui nécessitent l’utilisation de transistors IGBT en silicium pour les applications actuelles. Bien que plus coûteux, les MOSFET en carbure de silicium ont l’avantage de fonctionner efficacement sous des tensions plus élevées, avec le même système de refroidissement. Ils seraient donc mieux adaptés pour des variateurs de puissances plus élevées, sur des systèmes avec des tensions de batterie de 800 à 900V. Le variateur de vitesse d’ACILTEK a été conçu pour fonctionner avec les deux types de semi-conducteurs.
Le système de refroidissement des composants semi-conducteurs est essentiel dans un design compact. Plus la densité de puissance est élevée, plus la conductivité thermique du refroidissement doit être élevée. Par conséquent, le refroidissement liquide est très souvent utilisé dans les variateurs. La technologie de refroidissement du module qui encapsule les puces semi-conductrices est déterminante pour l’efficacité du refroidissement. Plus le liquide de refroidissement est proche de la puce, plus la résistance thermique est faible. La société APsi3D a développé des modules triphasés à refroidissement direct double face. Deux canaux sont créés dans le module et viennent en contact avec des échangeurs thermiques brasés directement sur le support des puces semi-conductrices, ce qui permet une excellente efficacité de refroidissement. Ces modules sont 50% plus compacts que leurs concurrents, pour un courant commuté équivalent.
L’avenir du variateur de vitesse compact pour véhicules hybrides
La conception d’un variateur de vitesse compact pour les véhicules hybrides est un défi complexe qui a nécessité une collaboration étroite entre ACILTEK, APsi3D et SIREPE. Le premier démonstrateur de ce variateur a été réalisé en 2021, intégrant une carte de commande éloignée pour faciliter les démonstrations et permettre à ACILTEK de démarcher de nouveaux clients. Ces avancées technologiques ouvrent de nouvelles perspectives pour l’industrie automobile et contribuent à l’essor des véhicules hybrides plus performants et plus respectueux de l’environnement.
Note: This article has been translated from French to English and reformatted into Markdown for easier readability.
