La tendance vers les véhicules électriques va se poursuivre, voire s’accélérer à l’avenir. Ces véhicules apporteront une contribution importante à l’atteinte des objectifs futurs en matière de consommation de carburant et d’émissions du parc automobile. Pour être commercialement performants, ces nouveaux véhicules nécessitent des solutions modernes et intelligentes pour leur groupe motopropulseur, y compris la batterie et la propulsion.
Le concept de propulsion optimal doit être développé sur la base d’une évaluation des performances, du rendement et du coût au niveau du système, y compris tous les composants du groupe motopropulseur, tels que la batterie, le variateur, le moteur électrique et la transmission. C’est ce que FEV et YASA ont fait en pensant à une application haute performance de classe D pour voitures. Le résultat est un concept de propulsion avec une densité de puissance et un rendement exceptionnels basé sur la technologie unique de moteur à flux axial YASA et un concept innovant de transmission à 2 vitesses de FEV.
La figure 1 montre une vue extérieure de la propulsion et de ses principales caractéristiques. Avec une puissance de pointe de 300 kW et un poids inférieur à 85 kg, il offre une densité de puissance exceptionnelle de 3,5 kW/kg au niveau du système. Le couple maximal de l’essieu de 6,00 Nm dépasse même les limites classiques de patinage des roues pour les applications de traction avant et arrière et assure des performances d’accélération supérieures au niveau du véhicule.
Moteur électrique et inverter
Le moteur YASA est une machine à aimant permanent à flux axial et a été choisi en raison de sa haute densité de puissance (jusqu’à 15 kW/kg pour les moteurs sur mesure), de son rendement élevé (en particulier lors du chargement des pièces) et de son faible coût de fabrication. Dans le moteur YASA, le liquide de refroidissement de l’huile est en contact direct avec les bobinages en cuivre, assurant un refroidissement très efficace et uniforme sur chaque bobinage.
Les contrôleurs YASA se distinguent par des performances de haute densité également différenciées. Ceci est possible grâce à l’utilisation de certaines technologies exclusives de refroidissement direct de l’huile du moteur YASA qui permettent un refroidissement très efficace et réduisent considérablement le besoin de dissipateurs thermiques lourds et coûteux et d’emballages de semi-conducteurs de puissance. Lorsqu’ils sont intégrés à un moteur YASA, le moteur et le contrôleur partagent le même circuit de refroidissement d’huile, ce qui améliore encore les avantages de l’intégration standard de la réduction du volume, de la masse et de la complexité de l’interconnexion.
Gearset concept
Sur la base des résultats susmentionnés, un concept à 2 vitesses à commande sous charge a été mis au point. La figure 3 montre différentes vues de l’unité d’entraînement.
La fonctionnalité à 2 vitesses est réalisée à partir d’un réducteur Ravigneaux. La figure 4 explique la topologie de la transmission. Le train épicycloïdal est disposé coaxialement au moteur électrique. Le petit soleil (SS) sert d’entrée et l’anneau (R) de sortie à l’arbre intermédiaire et au différentiel. Deux freins B1 et B2 sont utilisés pour réaliser deux vitesses. Le frein B1 est relié à l’habitacle et couplé à un embrayage unidirectionnel (OWC), B2 est relié au grand planétaire (SL). Bien que plus complexe qu’un simple engrenage, cette architecture présente un certain nombre d’avantages techniques. Comme le montre le tableau « Matrice de vitesse relative de l’embrayage », la vitesse delta aux freins ouverts est toujours inférieure à la vitesse d’entrée au petit soleil, une qualité importante pour des pertes de traînée minimales. En même temps, la réaction du couple au niveau des freins est favorable, comme le montre le tableau « Matrice de couple d’embrayage ». Le frein B2 ne doit réagir qu’à moins de la moitié du couple d’entrée. Le frein B1 doit réagir 1,5 fois le couple d’entrée, mais il est supporté par l’embrayage unidirectionnel. Cela permet de réduire la taille du frein lui-même, ce qui réduit encore les pertes par traînée. Contrairement aux embrayages, les freins évitent l’utilisation de joints tournants ou de paliers d’embrayage pour actionner le levier de vitesses. De plus, la capacité thermique des freins peut être mise à l’échelle via l’épaisseur de leurs lamelles d’acier (fixes) sans affecter négativement les moments d’inertie de la masse rotative. L’utilisation exclusive des freins a donc été un critère important dans le choix du concept. Les deux freins sont actionnés par l’intermédiaire d’une production en série existante à savoir un actionneur sur demande de la société LuK. L’unité, également connue sous le nom de HCA (actionneur d’embrayage hydrostatique), fonctionne avec un moteur électrique sans balais pour chaque élément de changement de vitesse, qui actionne un maître piston hydraulique via une broche. Grâce à l’étanchéité, ce système est très efficace. A l’aide de la bonne accessibilité axiale des freins, il est également possible d’utiliser des concepts d’actionnement électromécaniques.
La figure 5 résume les fonctions des freins et de l’embrayage unidirectionnel. Il mentionne également un avantage supplémentaire, y compris l’embrayage unidirectionnel : à la 1ère vitesse pendant la conduite (mise sous tension), B1 peut être ouvert et le couple de réaction sur le support ne sera fourni que par l’embrayage unidirectionnel. Ensuite, le passage à la vitesse supérieure, qui est le plus important en termes de confort de changement de vitesse, peut être effectué en fermant uniquement le frein B2. Ce type de changement de vitesse est plus facile et plus robuste que n’importe quel changement de vitesse sous charge conventionnel, qui comprend généralement la commande simultanée de deux éléments de changement de vitesse. Le même avantage s’applique à un rétrogradage sous tension lorsqu’il suffit d’ouvrir B2. A zéro tr/min, l’embrayage unidirectionnel s’enclenche automatiquement et enclenche la 1ère vitesse.
Concept de refroidissement et de lubrification
Comme mentionné précédemment, le moteur électrique et l’inverter partagent un circuit de refroidissement d’huile commun. L’utilisation d’une huile EDU dédiée, qui répond aux exigences des composants électriques et mécaniques, permet également d’intégrer la transmission dans ce circuit de refroidissement. Aujourd’hui, un tel fluide n’est pas encore disponible, mais plusieurs fournisseurs d’huile ont confirmé qu’il peut être développé avec succès dans le cadre d’un développement en série standard d’une durée de 3 ans. L’avantage évident d’un tel circuit de refroidissement et de lubrification hautement intégré est moins complexe et plus économique, car une seule pompe, un seul refroidisseur et presque aucun tuyau extérieur seraient nécessaires. En outre, les interfaces avec le véhicule seraient considérablement simplifiées. Alternativement, des circuits d’huile séparés peuvent être utilisés pour le moteur électrique/inverter et la transmission. Dans ce cas, les huiles sont facilement disponibles et peuvent être encore mieux adaptées aux besoins de chaque circuit. Le risque de développement sera réduit, mais la complexité et le coût de l’ensemble du système seront accrus.
La figure 6 explique la variante avec un circuit de refroidissement et de lubrification commun. Une pompe à huile électrique aspire l’huile du carter de transmission et l’envoie à l’inverter via un échangeur de chaleur huile/eau. De là, l’huile s’écoule à travers le moteur électrique et retourne ensuite dans la transmission, où le débit volumétrique est divisé. Une pièce est introduite dans l’arbre principal du train épicycloïdal, d’où elle lubrifie non seulement les engrenages et les roulements, mais refroidit également les freins selon les besoins. Le reste n’est pas drainé dans le carter mais stocké dans un réservoir à l’intérieur de la transmission. A partir de là, d’autres composants sont lubrifiés par différents canaux, y compris les mailles des engrenages et les paliers de l’arbre intermédiaire.
Une stratégie intelligente de contrôle de la pompe à huile permet de faire varier le niveau du réservoir de stockage et donc le niveau d’huile dans la transmission, ce qui contribue largement à la réduction des pertes de barattage. La figure 7 montre deux vues internes de la transmission, y compris le réservoir d’huile intégré. Un système de verrouillage de parking est disposé sur l’arbre intermédiaire et peut être activé par un actionneur de parking électrique autonome et câblé.
Résumé
La propulsion à 2 vitesses présentée ici, utilise une combinaison à haute puissance, dense mais modulaire d’un moteur électrique à flux axial et d’un inverter disposé coaxialement. La transmission est basée sur un train épicycloïdal Ravigneaux avec deux freins comme éléments de changement de vitesse. Associé à un embrayage unidirectionnel, cet agencement est à la fois favorable en termes de maniabilité et de confort au passage des vitesses. Les freins sont actionnés à la demande pour une consommation d’énergie minimale. Le moteur électrique, l’inverter et la transmission partagent en option un circuit de refroidissement et de lubrification unique et commun qui réduit la complexité et simplifie les interfaces de l’unité d’entraînement avec le véhicule. Avec une puissance de pointe de 300 kW et un poids inférieur à 85 kg, la propulsion fournit une densité de puissance exceptionnelle de 3,5 kW/kg au niveau du système. Le couple maximal de l’essieu de 6 000 Nm dépasse même les limites typiques de patinage pour les applications de traction avant et arrière et assure des performances d’accélération supérieures au niveau du véhicule.
Remarque finale
Le concept de propulsion présenté dans cet article a été développé conjointement par YASA et FEV. La technologie des moteurs et des inverter décrite dans le présent document appartient à YASA Limited, un développeur et fabricant de moteurs et d’inverter électriques basé au Royaume-Uni. Le concept de transmission à deux rapports décrit dans le présent document appartient à FEV, un fournisseur indépendant de services d’ingénierie de groupes motopropulseurs et de véhicules.
Cet article a été rédigé par le Dr. Gereon Hellenbroich. N’hésitez pas à commenter! Vous pouvez retrouver cet article ici en anglais. Et bien sûr n’hésitez surtout pas à visiter notre site web qui propose toutes nos solutions d’ingéniérie et logiciels d’essais.
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