Essais et caractéristiques nominales des moteurs de véhicules électriques

Les chiffres concernant un moteur de véhicule électrique n’ont de sens que si son périmètre d’essai, la durée, la température, la tension et le point de fonctionnement sont connus. Puissance de pointe, puissance continue, rendement du moteur, rendement du groupe motopropulseur, couple à l’essieu et couple aux roues décrivent des mesures différentes qui ne sont pas interchangeables.

Commencer par le périmètre de mesure

Un moteur peut être testé seul sur un banc dynamométrique, avec son onduleur, avec les engrenages réducteurs, sous forme d’essieu complet ou à l’intérieur d’un véhicule. Chaque périmètre englobe des pertes différentes.

Le rendement du moteur compare la puissance mécanique sur l’arbre à la puissance électrique aux bornes du moteur. Le rendement de l’ensemble moteur-onduleur prend comme point de départ l’entrée en courant continu de l’onduleur. Le rendement du groupe motopropulseur peut également inclure les engrenages, le différentiel, les roulements, les joints, les pompes de lubrification et la puissance des systèmes de commande. Le rendement de la batterie aux roues englobe encore davantage d’éléments : résistance de la batterie, câbles, contacteurs, auxiliaires, pneus et autres charges du véhicule.

Deux résultats affichant le même pourcentage ne sont comparables que si leurs périmètres d’entrée et de sortie correspondent. Le sens du transfert compte également, car la traction et la régénération présentent des conditions différentes de courant, de tension et de pertes.

Couple, vitesse et puissance

La puissance à l’arbre est le produit du couple et de la vitesse angulaire :

power = torque × rotational speed

Un couple élevé à vitesse nulle produit une puissance mécanique nulle à cet instant. La puissance augmente à mesure que la vitesse s’élève dans la zone à couple constant. Au-delà de la vitesse de base, les limites de tension et de force contre-électromotrice imposent généralement une baisse du couple, ce qui permet une zone à puissance approximativement constante.

Un dynamomètre mesure le couple et la vitesse de l’arbre. Des instruments électriques mesurent simultanément la tension et le courant de phase ou continus. Une mesure précise du rendement exige des relevés synchronisés, car une petite erreur de synchronisation ou d’étalonnage peut dominer les pertes calculées lorsque le rendement est élevé.

Il ne faut pas confondre le couple moteur avec le couple à l’essieu ou aux roues. Un réducteur multiplie approximativement le couple par son rapport et son rendement. La force aux roues dépend ensuite du rayon effectif des pneus.

Puissance de pointe, continue et sur 30 minutes

La puissance de pointe est la puissance maximale disponible dans des conditions déterminées. Elle peut être limitée par la puissance de décharge de la batterie, le courant de l’onduleur, le courant du moteur, la tension, la vitesse du rotor, l’adhérence des pneus ou le logiciel, plutôt que par le moteur seul. Une valeur de pointe sans durée ni température initiale indique peu de choses sur sa répétabilité.

La puissance continue relève de l’équilibre thermique : la chaleur produite au point de fonctionnement peut être évacuée sans que les températures continuent de dépasser leurs limites. Sa valeur varie avec la température et le débit du liquide de refroidissement, les conditions ambiantes, la température de l’huile, la vitesse du véhicule et les composants qui partagent le circuit thermique.

Le règlement ONU n° 85 définit les procédures de mesure de la puissance nette et de la puissance maximale sur 30 minutes des chaînes de traction électriques utilisées pour l’homologation des véhicules. La puissance sur trente minutes est une mesure réglementée, et non un synonyme universel d’une puissance continue indéfiniment. La batterie du véhicule peut aussi limiter la puissance réalisable lors d’un essai du véhicule complet.

Ces définitions expliquent pourquoi un véhicule électrique peut annoncer une puissance d’accélération élevée tout en présentant une valeur continue ou sur 30 minutes nettement inférieure dans les données d’homologation. Les deux peuvent être exactes.

Cartographies de rendement

Un moteur n’a pas un rendement unique. Une cartographie sur banc dynamométrique enregistre le rendement sur une grille de points de vitesse et de couple. Les courbes de niveau montrent où la machine est la plus efficace et l’étendue de cette zone.

À faible vitesse et couple élevé, le courant est important et les pertes dans le cuivre prédominent. À grande vitesse et faible couple, les pertes dans le fer, par brassage d’air, dans les roulements et par commutation de l’onduleur, ainsi que le courant de défluxage, peuvent dominer. Près du couple nul, les pertes fixes sont élevées par rapport à la puissance utile ; le rendement en pourcentage peut donc être faible même si la perte de puissance absolue reste modeste.

Une cartographie de rendement doit préciser :

si elle couvre le moteur, le moteur avec l’onduleur ou le groupe motopropulseur complet ;
la tension continue et les conditions de commutation de l’onduleur ;
les températures et débits du liquide de refroidissement et de l’huile ;
la traction, la régénération ou les deux ;
les limites de couple maximal et continu ;
si les pompes et contrôleurs auxiliaires sont inclus ;
l’incertitude de mesure et la méthode d’interpolation.

Le meilleur rendement ponctuel est utile pour évaluer le potentiel technique, mais l’énergie consommée sur un cycle de conduite dépend des zones de la cartographie dans lesquelles le véhicule fonctionne réellement.

Essais thermiques

Les essais thermiques placent des capteurs dans les bobinages, le stator, le liquide de refroidissement, l’huile, les roulements, les modules de l’onduleur et parfois le rotor. Certaines températures sont mesurées directement ; d’autres reposent sur la résistance, des observateurs d’état ou des modèles étalonnés.

Les essais en régime permanent établissent la capacité continue. Les essais transitoires déterminent le couple de pointe pouvant être fourni à partir de différentes températures initiales et la vitesse de récupération du système. Les accélérations répétées, la vitesse élevée soutenue, les montées en montagne, le remorquage, la conduite tout-terrain à basse vitesse et les régénérations répétées sollicitent le système de manières différentes.

Le composant le plus chaud peut varier avec le point de fonctionnement. Un courant élevé peut limiter les bobinages du stator ou les semi-conducteurs, tandis qu’une vitesse élevée peut mettre à l’épreuve les aimants du rotor, les roulements, l’huile ou les tôles électriques. Le système de commande utilise ces modèles pour réduire le couple avant que le matériel n’atteigne une température dommageable.

Limites mécaniques et électriques

Les essais de survitesse vérifient le rotor, l’arbre, les roulements et les dispositifs de retenue au-delà de la vitesse maximale normale, avec une marge de sécurité appropriée. Les essais de rotation peuvent se dérouler sans charge électromagnétique, tandis que les essais combinés sur dynamomètre ajoutent couple et chaleur.

Les essais électriques couvrent la résistance d’isolement, la rigidité diélectrique, les décharges partielles lorsqu’elles sont pertinentes, le comportement aux surtensions, la résistance de phase, l’inductance, la force contre-électromotrice, l’alignement du résolveur et le fonctionnement sous les transitoires de tension de l’onduleur. Les moteurs à aimants permanents nécessitent également des contrôles de démagnétisation irréversible et de tension à vide sûre.

Les programmes d’endurance ajoutent vibrations, chocs mécaniques, cycles thermiques, humidité, sel, exposition au liquide de refroidissement ou à l’huile, contamination et inversions répétées du couple. L’endurance des engrenages et des roulements est essentielle lorsque le produit évalué est un groupe motopropulseur intégré plutôt qu’un moteur nu.

NVH et qualité du couple

Le couple moyen peut masquer des ondulations. La mesure du couple à haute résolution et l’analyse d’ordres permettent d’identifier les harmoniques électromagnétiques, le couple de détente, les effets de l’onduleur, l’engrènement, les fréquences des roulements et les résonances structurelles.

Les essais acoustiques utilisent des microphones, des accéléromètres, des sondes de courant et des références de vitesse pour relier les tonalités audibles à leur ordre d’origine. Il faut tester le couple positif, la roue libre, la régénération, différentes températures et différentes stratégies de commutation, car un point silencieux à pleine charge ne permet pas nécessairement de prévoir le bruit dans l’habitacle à faible charge.

Normes et répétabilité

La norme SAE J2907 fournit une pratique recommandée pour caractériser de manière répétable les performances des sous-systèmes moteur-entraînement des chaînes de traction électrifiées. Le règlement ONU n° 85 traite des mesures d’homologation de la puissance nette et de la puissance maximale sur 30 minutes. Ces procédures répondent à des questions différentes.

Les laboratoires de recherche et les constructeurs utilisent également des méthodes internes pour les cartographies de rendement, les limites thermiques, l’endurance et les NVH. En l’absence d’un essai public universel, les résultats publiés ne doivent être considérés comme comparables que lorsque la méthode et le périmètre sont indiqués.

Une répétabilité indépendante exige des instruments étalonnés, des températures stabilisées, des fluides définis, une correction des pertes du dynamomètre et de l’accouplement, ainsi qu’un temps de stabilisation suffisant. L’indication de l’incertitude fait partie du résultat, surtout lorsque l’on compare des systèmes dont le rendement ne diffère que de quelques dixièmes de point de pourcentage.

Lecture des caractéristiques du véhicule

Lors de l’évaluation d’une valeur annoncée pour le moteur d’un véhicule électrique, vérifiez :

La valeur concerne-t-elle un moteur, un essieu ou le véhicule complet ?
S’agit-il de la puissance et du couple à l’arbre moteur, en sortie de boîte ou aux roues ?
La puissance est-elle de pointe, sur 30 minutes ou continue ?
Quelle tension de batterie et quel état de charge étaient disponibles ?
Le moteur et la batterie étaient-ils déjà chauds ?
Le rendement inclut-il l’onduleur, la boîte de vitesses, les pompes et les auxiliaires ?
La valeur correspond-elle à un seul point de fonctionnement ou au résultat d’un cycle de conduite ?

En l’absence de ces réponses, la valeur peut décrire correctement le véhicule, mais elle ne permet pas une comparaison technique détaillée.

Poursuivre la série sur les moteurs

Revenez à Electric Motors and Drive Units et consultez le chapitre motor cooling pour comprendre pourquoi la puissance soutenue varie avec les conditions thermiques.