Technologie

#eMobilité

Pompe à injection pour électrons

minutes temps de lecture
Tags: Mobilitéélectrique

L'électronique de puissance est critique pour l'autonomie électrique. ZF a donc développé une génération dotée de semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium. Découvrez-en plus sur ce composant système crucial pour la mobilité électrique.
Johannes Winterhagen, novembre 21, 2018
author_image
Johannes Winterhagen Ce journaliste spécialisé dans les domaines de l'énergie et de la mobilité aime tout ce qui est vraiment compliqué. C'est d'ailleurs au laboratoire qu'il préfère discuter avec les ingénieurs.
Juste une petite pression rapide sur l'accélérateur suffit à faire bondir le véhicule avec une poussée puissante depuis l'arrêt. De nombreux conducteurs conduisant une voiture électrique pour la première fois sont surpris et excités par la sportivité d'un tel véhicule électrique. Les ingénieurs automobiles sont plus détendus à ce propos. Après tout, ils savent que le carburant requis par un moteur à essence est tout d'abord pompé dans l'injecteur de carburant puis dans le cylindre du moteur sous haute pression.

Dans un véhicule électrique d'un autre côté, la batterie est située dans le réservoir. La source d'énergie ou de puissance qu'elle stocke est constituée d'électrons, des particules élémentaires quasiment sans masse qui peuvent se déplacer à la vitesse de la lumière en totale conformité avec la théorie de la relativité d'Einstein. En réalité, bien entendu, la résistance au sein des lignes les ralentit quelque peu, mais ils se déplacent malgré tout bien plus vite que les carburants liquides ou gazeux. Cette différence explique pourquoi un moteur électrique peut atteindre la vitesse désirée en une fraction de seconde. Tant que la tension reste constante, l'énergie mécanique générée dépend uniquement du nombre d'électrons qu'elle génère dans les spires du moteur électrique.

L'électronique de puissance commande le flux d'électrons

L'électronique de puissance commande le flux d'électrons

Qu'est-ce que cela signifie dans la pratique ? Le flux d'électrons doit être contrôlé précisément afin d'adapter la puissance du moteur électrique à la situation de conduite. Même une voiture électrique a besoin d'un type de système d'injection, qui est géré, dans ce cas, par l'électronique de puissance connectée au moteur électrique. De plus, l'électronique de puissance a aussi une autre tâche importante. La batterie du véhicule, une batterie lithium-ion, peut émettre et recevoir exclusivement du courant continu. Quoiqu'il en soit, les propulsions électriques modernes dans les voitures utilisent toujours du courant alternatif, dont la génération est commandée par l'électronique de puissance. Si le véhicule freine et que le moteur électrique agit comme un générateur, le courant alternatif généré doit être redressé avant de pouvoir être stocké dans la batterie. « Comme en utilisation quotidienne, la puissance dans l'électronique de puissance agit en continu dans les deux directions, l'efficience de l'électronique de puissance est décisive pour déterminer jusqu'où une voiture électrique peut aller avec une charge de batterie » présente le Dr Marco Denk, responsable de l'ingénierie avancée pour les conducteurs de puissance chez ZF. Une électronique de puissance moderne, comme les systèmes que ZF développe sur son site bavarois d'Auerbach, atteint déjà un niveau d'efficacité supérieur à 95 % en cycle WLTP.

Électronique de puissance à semi-conducteurs : les injecteurs de carburant du moteur électrique

Électronique de puissance à semi-conducteurs : les injecteurs de carburant du moteur électrique

Dans l'électronique de puissance, les semi-conduteurs sont des composants importants qui déterminent le niveau d'efficacité. De manière comparable à la manière dont l'ouverture et la fermeture des injecteurs de carburant régulent le volume du carburant, ces semi-conducteurs bloquent la voie aux électrons dans un état de veille. En fonction de la conception, le semi-conducteur libère la voie, soit en créant une tension dessus, soit en générant un champ électrique. Ces processus peuvent également être combinés. Ce scénario implique un transistor bipolaire à grille isolée, ou IGBT. Tous les semi-conducteurs de puissance déployés à l'heure actuelle dans les voitures électriques ont une chose en commun : ils sont basés sur du pure silicium. Cela présente de nombreux avantages, incluant le fait que les cristaux de silicium peuvent être fabriqués et traités ultérieurement en utilisant les mêmes processus que pour les puces d'ordinateur.
Avec les mêmes performances de la batterie, l'électronique de puissance avec des puces basées sur du carbure de silicium promet une autonomie du véhicule électrique qui est de cinq à dix pour cent supérieure à celle de l'électronique de puissance sur base de silicium.

Les inconvénients du silicium bon marché

Les inconvénients du silicium bon marché

La tension inversée du semi-conducteur en silicium, en d'autres mots la pression à laquelle la valve électronique doit résister, dépend quasiment en totalité de son épaisseur. Cela implique que lorsque la tension augmente, il en est de même de la taille des semi-conducteurs, ce qui réduit le niveau d'efficacité lorsque le véhicule fonctionne. « Alors que les moteurs dans toutes les voitures électriques ont jusqu'à présent fonctionné en 400 volts, 2019 verra les premiers véhicules à propulsion à 800 volts apparaître sur le marché. La raison du doublement de tension n'est pas un avantage de conduite mais l'augmentation diminue la durée de charge de moitié » explique M. Denk. Dans un avenir proche, 15 à 20 minutes seulement seront nécessaires pour charger une puissance suffisante pour parcourir 400 kilomètres.

Un nouveau matériau de semi-conducteur apporte des gains d'efficacité

Un nouveau matériau de semi-conducteur apporte des gains d'efficacité

À la lumière de ces éléments, ZF a travaillé sur une nouvelle génération d'électronique de puissance. Elle se fonde sur des semi-conducteurs de puissance fabriqués en carbure de silicium. Dans ce matériau, chaque atome de silicium est lié à quatre atomes de carbone et vice-versa. « La structure du silicium est similaire à celle d'un diamant » indique Dr. Marco Denk, précisant : « Non seulement les atomes de carbone nsont plus petits que leurs partenaires en silicium, mais les électrons sont aussi plus proches les uns des autres. » Des forces de champ dix fois supérieures et atteignant trois mégavolts par centimètre peuvent être générées sur le matériau le plus solide avant que la structure en mailles ne se déchire.
« Ces nouveaux semi-conducteurs peuvent augmenter l'autonomie de cinq à dix pour cent sans changer la taille de la batterie. »
— Dr. Marco Denk, responsable du développement avancé de l'électronique de puissance

Une autonomie supérieure en raison des puces en carbure de silicium

Une autonomie supérieure en raison des puces en carbure de silicium

Dans la pratique, cela signifie que la même tension peut être traitée en utilisant des puces qui sont dix fois plus fines. Pour une propulsion à 800 volts, des semi-conducteurs avec une épaisseur d'environ 100 micromètres sont suffisants. La hauteur réduite de la conception est également synonyme de résistance interne inférieure. En conséquence, moins d'électrons sont perdus au cours de leur chemin vers le moteur – augmentant ainsi le niveau d'efficacité. Les conducteurs remarquent aussi ce progrès, même s'ils ne comprennent pas la physique des semi-conducteurs parce que : « Ces nouveaux semi-conducteurs peuvent augmenter l'autonomie de cinq à dix pour cent sans changer la taille de la batterie. » explique Denk. Ses collègues et lui travaillent encore sur la capacité de production en série du nouveau matériau de semi-conducteur. Quoi qu'il en soit, au cours des cinq années à venir plus ou moins, ZF souhaite offrir les premiers systèmes d'électronique de puissance dotés de semi-conducteurs fabriqués en carbure de silicium.

En bref : Lorsqu'il s'agit de l'autonomie d'une voiture électrique, la capacité de la batterie n'est pas le seul facteur déterminant : l'efficacité de l'électronique de puissance l'est également. Cela est dû au fait qu'elle est responsable de la totalité de la gestion de l'énergie. L'électronique de puissance contient de nos jours des semi-conducteurs fabriqués en silicium pur. Bien qu'ils atteignent un haut niveau d'efficacité, ils sont désavantagés en matière de hauteur et de résistance interne dans la conception. Plus la tension qui entraîne le moteur électrique est élevée, plus cet inconvénient est important. ZF travaille de ce fait sur un système d'électronique de puissance sur la base de carbure de silicium. Ce matériau réduit les inconvénients mentionnés plus haut et pourrait entraîner une augmentation de l'autonomie de cinq à dix pour cent sur la route sans devoir changer la taille de la batterie.