Un système portable de gestion des bancs d’essais

Aujourd’hui nous allons parler de data management software. Ce sujet d’importance dans l’univers des essais évolue lui aussi avec le temps. Ce que l’on récolte dans un centre ou même un banc, ce sont des données. On les traite, les analyse, les catégorise, etc… Elles servent à standardiser des essais, ou passer d’un type d’essai à un autre. Sur une même cellule d’essai, des essais différents sont effectués, ce qui implique également différentes configurations et différents réglages de l’équipement. Pour un centre entier, cela génère une multitude de données. La quantité de données est donc une masse grandissante qu’il convient de gérer afin de la distribuer entre les différents acteurs du centre : les ingénieurs, les responsables de maintenance, les managers et les administrateurs. Le nombre d’acteurs induit le risque de perdre du temps en cherchant les bonnes données pour un essai ou encore les bons paramètres, ce qui, au final, réduit la productivité des essais. Un responsable de la maintenance doit pouvoir être averti rapidement d’un problème sur un banc, l’administrateur doit être en mesure de distribuer et de gérer l’information de façon centralisée et le gestionnaire doit avoir un accès immédiat à l’information.

Quand un ou plusieurs de ces problèmes sont présents dans un centre d’essai, cela réduit sa productivité et son efficacité. Et aujourd’hui nous allons voir comment l’optimiser.

FEV a développé FLEX Lab, une application de gestion des données sur navigateur. Cela signifie qu’il n’y a pas d’installation à faire, votre application est disponible directement via Google chrome, Mozilla Firefox ou encore Internet Explorer. Pourquoi ? En premier lieu, cela permet à n’importe quel acteur de votre centre, disposant des droits et de l’adresse, d’agir, de s’informer, d’organiser ou de définir des tâches depuis n’importe où. C’est un avantage organisationnel important. Plus besoin d’être devant son ordinateur, votre téléphone portable suffit pour gérer vos bancs.

Avec le système FLEX Lab, et de n’importe où :

• L’ingénieur d’essai peut définir la tâche de préparation, les demandes de test et avoir un accès rapide et sécurisé grâce à des fonctions de recherche étendues aux données de mesure.
• L’administrateur gère les données de la cellule d’essai à partir d’un seul emplacement : Nom de la norme, formule, librairies, unité sous spécifications et paramètres de test, équipement de test….
• Le personnel d’assistance peut avoir accès aux statuts des cellules d’essai et à tous les journaux et données de MORPHEE pour dépanner les problèmes.
• Les gestionnaires peuvent avoir accès à l’état des opérations du laboratoire et en extraire toutes les mesures.

Le fonctionnement

Grâce aux systèmes d’information de FEV et à ses outils connectés les uns aux autres, tous les projets suivent un processus intégré. Dans un premier temps, les besoins et les informations sont enregistrées dans la base de données. Ensuite, et à chaque étape qui suit, de nouvelles données sont ajoutées et partagées dans le même espace, automatiquement, grâce à FLEX Lab, qui collecte les informations depuis MORPHEE, le système d’automatisation de FEV. En utilisant des schémas de données configurables, comme des tableaux de bord entièrement personnalisables, vous pourrez suivre et surveiller en temps réel l’ensemble de vos essais rapidement.

FLEX Lab optimise de façon « simple » l’efficacité de vos bancs et de votre centre en général. Le partage des données en un lieu central permet une meilleure circulation et un meilleur traitement de l’information. Pas besoin d’aller chercher les paramètres d’un essai dans les méandres d’une obscure base de données, et de perdre du temps inutilement. De plus, l’accès rapide à ces informations via n’importe quel support ayant un explorateur comme une tablette ou même un téléphone portable, facilite la communication et les flux d’information.

FLEX Lab est un outil de gestion de données qui évolue avec son temps, en devenant facile d’utilisation grâce à son interface personnalisable, et n’est pas limité par l’espace puisque c’est un système portable.

En espérant que cet article vous a plu ! Nous apprécions toujours les commentaires et nos experts seront heureux de vous répondre. Si vous souhaitez plus d’informations, n’hésitez pas à télécharger la brochure sur notre site web.

Construire les nouveaux centres pour la mobilité de demain

Au cours de l’année à venir, FEV prévoit d’ouvrir deux nouveaux centres d’essai batteries, l’un en Allemagne et l’autre en France. De plus, de nouveaux bancs d’essais e-motor et e-axle ont été intégrés dans les centres d’essais de FEV ou sur les sites clients. Sur la base d’une longue expérience de la planification et de la construction, tant avec ses propres bancs et centres d’essais que dans ses nombreux projets clients, FEV propose une méthodologie efficace pour le développement, la conception et la planification de bancs et de centres d’essais emobility. Cette méthodologie couvre les aspects matériels (équipement, infrastructure technique, bâtiment), logiciels (gestion des données), logistiques et opérationnels.

Approche méthodique

FEV sait que le succès de la construction de nouveaux bancs et centres d’essais est fortement influencé par la qualité et l’exhaustivité des spécifications techniques et des phases de planification. Une analyse précise des besoins, un développement complet du cahier des charges et un développement de concept bien conçu sont les facteurs clés qui fournissent la base solide pour une réalisation réussie de ces projets. Grâce à la grande expérience acquise par FEV, les phases de projet décrites peuvent être activement organisées et guidées en étroite collaboration avec les futurs utilisateurs/clients afin d’assurer le développement de solutions durables et rentables qui couvrent le plus haut degré possible des besoins futurs.

L’objectif final est de développer une solution technique couvrant les aspects de construction du bâtiment, les concepts pour les bancs d’essai et les cellules d’essai, les laboratoires, les ateliers, l’infrastructure technique, y compris les moyens d’alimentation et l’approvisionnement énergétique, ainsi que les questions opérationnelles et logistiques.

Les experts de FEV apportent les réponses appropriées, grâce à leurs connaissances approfondies et leur expérience acquise dans la construction de leurs propres centres d’essais pour la mobilité de demain. Ils utilisent des outils de calcul et de simulation spécifiques pour simuler les différents scénarios.

Accroître la performance de votre centre d’essais

Dans les centres d’essais les plus modernes, la partie visible – les bâtiments, l’infrastructure du bâtiment et les bancs d’essais – ne peut plus être séparée de la partie invisible – autrement dit les systèmes informatiques de traitement de l’information, d’automatisation, etc…

Évaluons comment ce système de traitement de l’information contrôle le flux de travail et les cas d’utilisation dans un centre d’essai batteries.

Lors de la réception de la batterie, du module ou des cellules et de ses (sous-)composants à tester, un code barre est créé qui suit l’unité à tester (UUT) dans l’ensemble du flux de travail. L’USE est sortie d’un local de stockage sûr et est ensuite équipée de capteurs et d’appareils de mesure dans une zone de préparation. La disponibilité et l’état d’entretien des ressources (équipement, bancs d’essai, employés) sont documentés dans une base de données, ce qui permet une planification et une affectation efficaces et efficientes des UUT et des ressources. Après l’installation de l’UUT sur le banc d’essai, le programme d’essai est exécuté, suivi du post-traitement des données de mesure acquises via le système d’automatisation et d’autres appareils de mesure. Les données de mesure sont vérifiées quant à leur plausibilité et finalement documentées dans des rapports d’essai standardisés. Le système d’information permet de relier logiquement les données sur l’USE, les ressources affectées, le programme de test et les résultats des tests tout au long du flux de travail.

Le système d’information ci-dessus est basé sur la suite logicielle FEVFLEX™.

Cette suite modulaire, basée sur des couches, comporte des modules dédiés pour gérer le flux de travail principal d’un centre d’essai, depuis les demandes de test jusqu’aux rapports de tests finaux.

FEVFLEX™ facilite les expériences dans le domaine de la simulation, du benchmarking, des bancs d’essai de composants et de systèmes jusqu’aux essais de flottes de véhicules ainsi que des combinaisons de ces derniers.

Dans cette couche, les bons de travail sont créés en combinant les données des systèmes ERP et MES avec des informations sur l’UUT, le programme d’essai, la disponibilité et le statut des ressources (équipements, bancs de test employés). Les tâches sont planifiées et ensuite assignées aux bancs d’essai et aux ressources. De plus, FEVFLEX™ permet à l’UUT et à ses (sous-)composants d’être définis dans une liste de construction de matériaux (BOM) – bien connue dans les contextes de benchmarking – et donc de supporter le contrôle du cycle de vie de l’UUT.

Dans la phase finale du workflow, FEVFLEX™ traite les résultats de tests provenant de n’importe quelle source (données de référence ou de simulation et données de mesure obtenues du système d’automatisation et des appareils de mesure) qui sont ensuite synchronisés dans le temps et transmis aux outils d’évaluation des données.

– Fonctionnalité du système hôte comme facteur de liaison entre le centre d’essai et l’essai

FLEX Lab™ s’occupe de l’ensemble du traitement des données et du paramétrage des systèmes d’automatisation MORPHEE® sur les bancs d’essai des composants et des systèmes.

Dans cette couche, les bons de travail FEVFLEX™ sont traduits dans la préparation du système d’automatisation résultant en un paramétrage de base (incluant par exemple un plan de mesure, les limites des canaux, les listes de logs, l’intégration des appareils de mesure, le programme de test).

De plus, FLEX Lab™ prend en charge la gestion des configurations MORPHEE®, y compris la sauvegarde et le versioning. Le lancement de l’exécution des programmes de test au banc d’essai est sécurisé par une poignée de main entre le système hôte FLEX Lab™ et le système d’automatisation MORPHEE®.

Enfin, FLEX Lab™ pousse les données de mesure acquises via le système d’automatisation vers des outils d’évaluation de données tels que UniPlot.

En conclusion, le flux de travail sur FEVFLEX™ est supporté par la surveillance à distance SCADA et les statistiques d’exécution :

– La télésurveillance permet des alertes et des interventions immédiates en cas d’incident.

– Les statistiques d’exécution aident les gestionnaires d’installations à corriger durablement les faiblesses de leur flux de travail.

Grâce à ce système d’information complet basé sur le system FEVFLEX™, le centre de test d’endurance des batteries de FEV a pu atteindre un taux d’utilisation du banc d’essai de 95%.

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Un processus entièrement automatisé

Un processus entièrement automatisé est un facteur clé dans tout centre d’essai moderne, mais il est particulièrement important dans les centres d’essai batteries. Ce processus est possible à l’aide de logiciels tels que FEVFLEX™ et MORPHEE®. FEVFLEX™ est une suite logicielle modulaire dédiée à la gestion et à la surveillance de l’univers des essais. Toutes les informations envoyées à FEVFLEX™ sont produites par MORPHEE®, le système d’automatisation de FEV.  La révolution électrique ne fait que commencer. Les batteries, les moteurs électriques et les architectures générales de véhicules sont appelés à évoluer encore davantage. A cet égard, FEVFLEX™ et l’évolutivité de MORPHEE® en font un système complet. Ces outils intelligents, peuvent être facilement configurés par l’utilisateur, sans frais de développement supplémentaires. MORPHEE® peut être connecté à tous les types d’appareils en utilisant la même interface de programmation. Il produit et synchronise les fichiers de résultats dans un format identique, quel que soit l’équipement utilisé.

Produits pour bancs d’essai : solutions standard

2019 sera une année très particulière pour FEV, avec le lancement des solutions standards pour bancs d’essai. Au fil des années, de nombreux bancs ont été construits, tant sur les propres sites de FEV que sur les sites de ses clients en Europe, en Asie et en Amérique, allant des projets d’ingénierie complets à la simple automatisation. FEV s’est appuyé sur cette expérience pour développer des solutions de bancs d’essai standard et standardiser ses produits de bancs d’essai ainsi que ceux de fournisseurs approuvés. Grâce à cette standardisation, FEV peut maîtriser les coûts et proposer des cycles de déploiement plus courts. Cette offre couvre toutes les dimensions nécessaires dans le domaine des véhicules électriques, et en particulier les aspects liés à la sécurité.

FEV propose des bancs batteries couvrant tous les types d’essais : bancs cellules, jusqu’à 24 cellules par chambre climatisée, bancs modules, jusqu’à six modules et bancs de conditionnement intégrés, soit dans des chambres type « Walk-In », soit dans des chambres climatisées de grande taille.

Les bancs d’essais e-motor standard de FEV permettent de caractériser les moteurs électriques. L’aspect clé de ce type de banc d’essai est sa capacité à tester à des vitesses très élevées et dans un processus hautement dynamique qui prend en compte les vibrations.

La société propose des solutions de bancs d’essais e-motor permettant d’atteindre des vitesses de rotation de 25.000 tour par minute. Le logiciel d’automatisation MORPHEE® utilisé pour contrôler le banc remplace le contrôleur de banc, offrant une connectivité très facile avec les calculateurs. Le groupe motopropulseur électrique est optimisé en prenant en compte plusieurs cas d’utilisation – autoroutes, environnement urbain ou rural – et plusieurs facteurs – signaux de tension et de courant, position et vitesse fréquence versus angle, gestion du couple transitoire, etc. Dans ce cas, l’ OSIRIS® POWERMETER de FEV sert à analyser l’efficacité du système de transmission électronique en mesurant la puissance avant et après l’onduleur, et avant et après le moteur électrique.

FEV offre des solutions uniques facilitant non seulement l’optimisation, mais aussi la validation de la chaîne de transmission complète.

Des essais de durabilité simulant des cycles mécaniques – vibrations, réducteur, différentiel – et des chocs thermiques – refroidissement, gestion thermique du rotor – doivent également être réalisés. Dans cette configuration, une bonne solution consiste à tester non seulement le moteur électrique, mais aussi la chaîne de traction complète. Ceci est possible sur le banc d’essai dit e-axle. Il permet de tester l’ensemble du système dans les étapes suivantes du processus de développement et implique l’utilisation de MORPHEE® et OSIRIS®, ainsi que des dynamomètres FEV et des unités de conditionnement pour le refroidissement par fluide – ce sont les produits eCoolCon™. 

Optimisation du système de gestion de l’énergie

Le dernier facteur clé de succès d’un centre d’essais e-mobilité est sa capacité à optimiser l’étalonnage des différents calculateurs, et à optimiser le EMS (Energy Management System) de la transmission. C’était déjà l’une des forces de FEV dans le domaine des moteurs conventionnels, et c’est toujours le cas pour les moteurs électriques ou hybrides. FEV y est parvenu en développant des outils présentant deux caractéristiques : un très haut niveau de performance et une compatibilité totale entre eux. Dans les premières phases de développement, la plate-forme virtuelle d’expérimentation et de co-simulation xMOD™ a créé un système complexe à développer en co-simulant les différents modèles: moteur électrique, batterie, conducteur, véhicule complet, etc. Par conséquent, des expériences virtuelles peuvent être réalisées sur la même plate-forme afin de pré-valider les lois de contrôle. Dans l’étape suivante, le banc contrôlé par MORPHEE® est utilisé pour intégrer les modèles préalablement validés, en remplaçant la batterie ou le modèle e-motor par la partie physique, et en conservant toutes les autres parties, pour produire la représentation la plus précise possible du train dans son environnement. Puisque xMOD™ et MORPHEE partagent le même ADN, les interfaces, les tests et les modèles suivent tous le même processus, du début à la fin, dans ce que FEV appelle The Collaborative Framework. A noter également que les performances exceptionnelles de simulation de ces outils, 10 à 40 fois plus rapides que toute autre solution du marché, permettent de faire fonctionner sur banc d’essai des modèles très complexes en temps réel.

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OSIRIS POWERMETER: l’analyse des mesures électriques tout en finesse 

FEV a développé un instrument de mesure électrique, l’OSIRIS Powermeter, qui complète sa gamme de solutions de bancs d’essais dans le domaine de l’e-mobilité. En tant que spécialiste dans le domaine des essais automobiles, FEV ne pouvait faire moins qu’un produit parfaitement adapté aux besoins des centres d’essais automobiles : mesures précises quel que soit l’échantillon testé, prise en compte de la dynamique, intégration dans le banc d’essai, etc…

Vous voilà donc sur la voie de l’e-mobilité. Dans votre centre d’essais, vous êtes de plus en plus souvent amené à tester des moteurs électriques et vous souhaitez les caractériser le plus précisément possible. Votre objectif final est d’optimiser la chaîne électrique dans son ensemble : de la batterie au convertisseur, du convertisseur au moteur électrique et du moteur à la roue. Il faut donc mesurer les tensions et les courants de chaque composant de votre chaîne de traction électrique afin d’évaluer le rendement dans les conditions habituelles du monde automobile, et plus particulièrement celui des centres de test. Cela signifie : des mesures de précision, que ce soit sur un petit moteur électrique 48 V dans un véhicule micro ou hybride léger ou sur un moteur Tesla 1 000 V ou similaire ; des mesures dynamiques prises en temps réel ; une intégration facile dans un banc d’essai sans aucune perturbation électromagnétique, etc.

Malheureusement, vous ne trouverez pas nécessairement sur le marché un produit qui répond à toutes ces caractéristiques difficiles en même temps. Grâce à votre longue expérience dans le domaine automobile, vous savez également que les exigences en termes de précision, de flexibilité et de mesures dynamiques vont continuer à augmenter avec le temps.

Julien Omnès, chef de produit OSIRIS chez FEV, explique les raisons de ce manque de solutions adaptées sur le marché : « Dans le domaine des mesures électriques, les acteurs habituels du marché opèrent dans un contexte énergétique et industriel hors du domaine de l’automobile : ils mesurent généralement des tensions très élevées, certes avec une grande précision, mais les instruments sont inadaptés lorsqu’il s’agit de mesurer des basses tensions. De plus, le moteur électrique tourne toujours à une vitesse relativement constante, sans les variations de vitesse considérables rencontrées dans un véhicule. »

S’adapte aux nouvelles éxigences de l’e-mobility 2019

Grâce à une étroite collaboration dans ses centres d’essais, les ingénieurs de FEV ont pu développer un powermeter adapté aux nouvelles exigences. La solution a été validée sur les installations existantes de FEV – plusieurs bancs d’essais e-motor ou e-axles et 10 bancs d’essais batteries en plus des 200 bancs d’essais traditionnels.

Le module électronique d’acquisition rapide, intégré dans une petite unité ultra compacte ½ 19 »’ x 1U, est logé dans le boîtier de la baie avec les autres modules. Cela permet de s’assurer qu’il est le plus près possible de l’unité testée : le moteur électrique seul (« e-motor ») ou le moteur et sa transmission (« e-axle »). OSIRIS reçoit les mesures de capteurs indépendants et de sondes de courant adaptées à l’entité testée. Les informations sont transmises en temps réel au système d’automatisation du banc d’essai au moyen de différents protocoles de communication. Si le système d’automatisation est MORPHEE, développé par FEV, l’information est intégrée directement dans le système. Il est combiné avec les informations de vitesse et de couple, ce qui permet de calculer le rendement du moteur en temps réel. Dans le cas de systèmes d’automatisation tiers, le logiciel OSIRIS sert d’interface : il est à noter qu’il est déjà compatible avec la plupart des systèmes d’automatisation actuellement sur le marché.

Examinons deux applications différentes : un véhicule micro-hybride avec une batterie de 48 V, un petit moteur électrique, et un véhicule entièrement électrique avec des tensions allant jusqu’à 1 000 V et des courants allant jusqu’à 1 000 A. « Si vous devez prendre des mesures sur deux applications aussi différentes, explique Julien Omnès, vous aurez des difficultés si le dispositif est le même pour les deux applications avec la même échelle ». Très souvent, la plage de mesure définie pour les hautes tensions dans le secteur de l’énergie est également utilisée pour mesurer une tension de 48 V… et le niveau de précision en souffre. « Nous avons développé un système qui s’adapte à toutes les configurations de bancs d’essais de nos clients grâce à notre système de capteurs et de sondes de courant adaptés à chaque configuration individuelle. Cela nous permet de satisfaire aux exigences de la norme WLTP sans aucun problème ».

Mesures dynamiques

Il va de soi que les mesures doivent être précises, mais dans le secteur automobile, elles doivent aussi être prises en temps réel. Philippe Lacassagne, directeur du développement des affaires, nous éclaire davantage sur le sujet : « Quand j’ai vu les premiers bancs d’essai de moteurs électriques pour les applications automobiles, j’ai immédiatement compris le problème. Dans le secteur automobile, nous avons besoin d’une grande dynamique : une voiture accélère et peut atteindre des régimes moteur élevés avant de ralentir à nouveau… Chaque cycle est différent : la mesure doit être prise pour chaque cycle et non sur une période de temps qui ne change jamais. Néanmoins, c’est ce qui se passait : le résultat était des courbes qui ne reflétaient pas la réalité. Et le filtrage n’est pas toujours une option. ». Pourtant, la solution était là sous notre nez : OSIRIS était à l’origine une solution d’analyse de combustion cycle par cycle avec acquisition de données en temps réel très efficace. L’enregistreur de données est ainsi parfaitement adapté aux besoins des moteurs électriques des véhicules : le traitement du signal permet de travailler sur la fréquence du signal électrique et non sur une période fixe, et donc de réaliser des calculs transitoires.

Deux problèmes parfois contradictoires se posent sur un banc d’essai : il est bon que la mesure soit prise le plus près possible du banc, mais il est également nécessaire de recevoir directement les informations dans la salle de contrôle des essais. Si toutes les mesures sont prises, traitées et affichées sur le banc d’essai, comment la salle de contrôle est-elle informée ? Certaines personnes utilisent des caméras sur le banc d’essai : une alternative très coûteuse. D’autres font passer des câbles du moteur électrique à la salle de contrôle : la qualité du signal peut donc être fortement affectée par les perturbations électromagnétiques généralement rencontrées sur un banc d’essai. OSIRIS apporte une solution simple à ce problème : il sépare les processus d’acquisition et de calcul des données. La mesure est effectuée sur le banc d’essai mais les informations arrivent par liaison UDP dans l’unité de contrôle directement via MORPHEE, en même temps que les calculs de régime moteur de sortie et de couple pour le moteur électrique ou la transmission. Le calcul de la puissance est donc effectué sans aucun intermédiaire dans le logiciel d’automatisation. Si le banc d’essai est équipé d’un système d’automatisation autre que MORPHEE, l’information est envoyée au logiciel OSIRIS qui est capable de communiquer avec tous les systèmes d’automatisation dans le monde.

Couplage des modules

La version de base d’OSIRIS dispose de 8 canaux : c’est largement suffisant pour couvrir la majorité des configurations de bancs d’essais. Par exemple, dans le cas des moteurs triphasés, 6 canaux sont utilisés pour les mesures de tension et de courant pour chaque phase à la sortie du convertisseur, et les deux autres canaux mesurent la tension et le courant à la sortie de la batterie ou du simulateur de batterie. Cependant, si des canaux supplémentaires sont nécessaires – dans certaines configurations de bancs d’essai e-axle ou sur des moteurs à six impulsions – un module d’acquisition haute vitesse à 8 canaux peut simplement être ajouté : les modules se configurent en cascade facilement. Étant donné qu’OSIRIS est également adapté à la mesure de pression dans un moteur à combustion, il peut également être utilisé sur un banc d’essai de moteur hybride pour couvrir les besoins des moteurs électriques et des moteurs à combustion.

Vous avez apprécié cet article et voulez en connaître davantage sur le POWERMETER de FEV ? Nous vous invitons à visiter sa page et à télécharger gratuitement la brochure sur notre site.

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.

Toujours plus de puissance en respectant les normes de pollution 

200 kW/l à richesse (lambda) 1

Les réglementations toujours plus strictes en matière d’émissions encouragent les constructeurs à concevoir des moteurs à essence plus « propres » en conditions réelles de conduite. Parallèlement, les exigences en termes de performance augmentent. Les moteurs à essence intègrent de plus en plus de composants électriques pour réduire leur taille ; la cylindrée des moteurs les plus puissants est réduite pour abaisser les émissions de CO2. Cet article présente le compromis idéal entre puissance désirée et richesse 1 sur tout le champ moteur.

Pourquoi une cible de richesse 1 sur tout le champ moteur ?

Dans les moteurs à essence actuels, toutes les pièces constituant la ligne d’échappement doivent être protégées contre les températures excessives par une augmentation de la richesse (soit un mélange mesuré par la sonde 0² >1 / lambda < 1). Mais ce choix n’est pas sans conséquences :

• La consommation de carburant à haut régime augmente de manière exponentielle

• Plus le mélange est riche, plus les émissions de CO augmentent et lorsque le moteur tourne hors de la plage de fonctionnement avec un ratio lambda = 1, le catalyseur à trois voies perd son efficacité.

• La norme Euro 6d-Temp ne limite pas les émissions de CO en condition de conduite réelle (RDE) mais impose leur mesure et leur enregistrement (Monitoring)

• En plus du suivi du CO lors du processus d’homologation, des ONG étudient également les émissions de CO en condition de conduite réelle.

• Le règlement RDE package 4 a introduit le concept AES (Auxiliary Emission Strategies) concernant des facteurs comme l’enrichissement du mélange, mais leur utilisation ne peut être que temporaire. L’objectif de richesse 1 entraînerait une perte de performance et réduirait la puissance des moteurs essence à 65 kW/l environ. Nous avons donc besoin de plus d’innovations technologiques pour améliorer la puissance à richesse 1, notamment :

• Collecteurs d’échappement intégrés (iEM),

• Turbines capables de résister aux hautes températures,

• Cycle de Miller associé à un dispositif de suralimentation comme le turbocompresseur à géométrie variable (VTG) ou le turbocompresseur électrique (eTC),

• Refroidisseur EGR (cEGR),

• Taux de compression variable (VCR). Les résultats sont probants pour les segments grand public de 85 à +100 kW/l. Le développement des systèmes de transmission des véhicules puissants donne plus de liberté en matière de coûts et d’apports technologiques. FEV a donc étudié la question suivante : est-il possible d’atteindre 200 kW/l à richesse 1 ?

Processus de combustion pour atteindre 200 kW/L à richesse = 1

Pour atteindre la puissance de 200 kW/l à R = 1, il faut arbitrer entre suralimentation et cliquetis. C’est ce que permet l’injection d’eau dans la tubulure d’admission. La baisse de la température du mélange, associée à l’enthalpie d’évaporation élevée de l’eau en fin de compression, permet d’augmenter sensiblement le rendement du cycle à haute pression. La figure 1 montre la variation du rapport eau-carburant (WFR) à un régime de 7 800 tr/min-1 avec un mélange stœchiométrique. Avec un taux de compression de 9.3:1, la pression moyenne effective (BMEP) peut être augmentée en injectant plus d’eau et en décalant légèrement le centre de combustion à 30,8 bar. La valeur de 200 kW/l est ainsi atteinte à un WFR de 55 %. Une pression de suralimentation absolue de 3,3 bar est nécessaire – elle peut être fournie par un seul turbocompresseur. La position de l’injecteur d’eau dans la tubulure d’admission a été définie par simulation (3D CFD). Lorsque la distance injecteur-soupape est la plus grande, l’eau est vaporisée sur une trop grande surface, la présence d’eau sur les parois (film) devient trop importante. Lorsque la distance injecteur-soupape est réduite, l’eau présente sur les parois diminue. On n’obtient pas de gain significatif pour une distance inférieure à 60mm. L’analyse de la distribution de température dans la chambre de combustion montre que la position de 60 mm est préférable à celle de 30 mm bien que la température moyenne soit identique. La pression de suralimentation et la charge élevée créent de fortes turbulences, ce qui contraste avec le faible niveau d’étranglement souhaité au niveau des soupapes d’admission. La figure 2 illustre l’utilisation de sièges de soupape usinés en 3D pour atteindre un taux de charge élevé ainsi qu’un coefficient de débit accru.

Une conception résistante aux contraintes thermiques et mécaniques

Un moteur d’une puissance spécifique de 200 kW/l doit pouvoir supporter des contraintes mécaniques et thermiques considérables. La roue turbine est fabriquée en superalliage MAR 246 et peut supporter une température de 1 050 ºC. Comme la roue turbine, les soupapes d’échappement sont soumises à des contraintes thermomécaniques particulièrement élevées. C’est pourquoi on emploie des soupapes d’échappement refroidies au sodium. Une solution optimisée permet de diriger le sodium dans la soupape tout en maintenant la majeure partie de sa structure. Le bloc-moteur en aluminium est à chemise semi-fermée rigide. Il comporte une embase et des chemises en fonte. La pulvérisation d’un revêtement en aluminium garantit une excellente conduction entre cylindre et carter. La forme non conventionnelle du cylindre (free form honing) résout les contraintes thermomécaniques et les déformations qu’elles entrainent sur celui-ci.

Suralimentation hautes performances et périphérie

Le moteur est équipé d’un turbocompresseur par banc de cylindre. La turbine est à géométrie variable ce qui permet de s’affranchir d’une wastegate. Afin de générer la puissance nécessaire au compresseur, l’utilisation de l’intégralité du débit d’échappement sur la turbine permet de réduire le taux de détente nécessaire, et ainsi, réduire la pression amont turbine. Cela permet de réduire les pertes thermiques et les températures de gaz d’échappement y compris au point de puissance maximale. De plus, les soucis d’hétérogénéité de gaz après la turbine créant des contraintes thermiques dans le catalyseur, sont éliminés grâce à un meilleur mélange des gaz. Le compresseur est équipé d’un trim variable et d’un moteur électrique sur l’axe pour dynamiser le comportement en transitoire.

Architecture et électrification du groupe motopropulseur

Le moteur haute performance est intégré à la chaine de traction et se compose :

• D’un moteur à combustion interne de 600 kW

• D’un moteur électrique EM1 30 kW (90 kW pic) en architecture hybride P1

• D’une transmission 7 rapports à double embrayage

• D’un moteur électrique EM2 55 kW (160 kW pic) servant de système d’entraînement électrique (EDU)

• D’une batterie haute tension lithium-ion 120 kW et 4,0 kWh

L’essieu arrière est mû par le moteur thermique et le moteur électrique EM1. Le moteur électrique EM2 est configuré pour servir de système d’entraînement électrique. Pour limiter la masse globale, la batterie haute tension est compacte et a une capacité de 4,0 kWh. Elle délivre pourtant 120 kW à un C-rate élevé de 30. Les caractéristiques de couple des trois moteurs sont illustrées en Figure 3. À hautes vitesses, le moteur thermique est la principale source d’entraînement. Il délivre plus de 85 % de la puissance totale du système (710 kW). La vitesse maximale est atteinte en sixième et est limitée à 350 km/h. L’accélération de 0 à 100 km/h est atteinte en moins de 3 s et sans changement de rapport ; elle est limitée par le couple élevé sur l’essieu arrière. La figure 4 (essai sur le circuit du Nüburgring page suivante) illustre le fonctionnement du groupe motopropulseur. L’énergie est récupérée pendant les phases freinage. L’effet boost du système EM2 (essieu avant) vient soutenir l’accélération en sortie de courbe. Lors des requêtes de puissance maximale et en ligne droite tous les moteurs participent à propulsion véhicule.

Thermo management

Les flux de chaleur générés par les 710 kW de puissance sont gérés conjointement par plusieurs éléments. Le circuit hautes températures (HT) du système de refroidissement du moteur doit dissiper 232 kW. Il utilise pour cela deux radiateurs latéraux. De plus, le refroidisseur d’huile de la transmission évacue 18 kW vers l’extérieur. Le refroidisseur du circuit basse température du moteur électrique EM1 se trouve dans le passage de roue arrière gauche. La chaleur de la batterie est transférée à un circuit de refroidissement via un circuit d’eau intermédiaire. Le circuit de refroidissement évacue ensuite cette chaleur (6 kW) vers l’extérieur. Un second condenseur assure la climatisation de l’habitacle. Enfin, la chaleur du liquide de refroidissement de l’échangeur air/ eau de suralimentation (80 kW au total) est évacuée vers l’extérieur par deux refroidisseurs basse température.

Le contrôle des émissions selon la norme Euro 7

Les réglementations toujours plus strictes en matière d’émissions encouragent une baisse de celles-ci quelles que soient les conditions de conduite :

• Restriction des particules émises à 6 x 1011 en nombre/km x coeff. de conformité en conditions de conduite réelles (RDE) Euro 6d-Temp.

• Stratégies auxiliaires de limitation des émissions (AES) de moins en moins bien acceptées et étude de l’introduction d’un coeff. de conformité pour le monoxyde de carbone (CO) en conditions RDE.

• Réduction significative des plafonds d’émissions polluantes de 50 % par rapport aux limites actuelles de l’Euro 6d-Temp et restriction concomitante du coeff. de conformité à 1, ainsi que des exigences plus rigoureuses sur les distances courtes après un démarrage à froid (< 10 km).

La figure 5 illustre le système de post-traitement des gaz d’échappement (une seule est présentée, la seconde est identique). Le système de post-traitement est équipé d’un catalyseur à adsorption de 1,5 l par rangée de cylindres. Son substrat en céramique à haute capacité thermique stocke les émissions d’hydrocarbures après un démarrage à froid jusqu’à ce que le catalyseur principal ait atteint sa température de light-off. Pour le catalyseur principal, un matériau métallique avec une faible capacité calorifique mais une très grande conductivité thermique a été choisi pour réduire le délai de mise en température. Le volume du catalyseur principal est de 3,5 l par banc de cylindre, sans adsorbeur ni filtre à particules. En revanche, deux éléments chauffants électriques par banc de cylindres ont été intégrés à ce catalyseur. Un filtre à particule imprégné (4WC) d’un volume de 4,0 l est prévu en aval du catalyseur.

En espérant que cet article vous aura plu! Il est possible que vous souhaitiez en savoir plus, je ne peux que vous invitez à visiter notre site ou à continuer à lire nos articles.