L'électronique de puissance des VE/VH.

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Description détaillée

Introduction : Rappelons-nous que le véhicule électrique et hybride existe depuis les années 1890 avec la Jamais-Contente. Les véhicules ont été équipés au fur et à mesure soit de moteur à courant continu soit de moteur à courant alternatif.
Aujourd'hui, la majorité des véhicules électriques et hybrides utilisent le moteur à courant alternatif car cette technologie dispose d'un meilleur rendement.
Pour rappel, le moteur à courant alternatif est composé d'un stator et d'un rotor. Au niveau du rotor, il existe la famille :

• Des rotors bobinés.

• Des rotors à aimant permanent.

L'élément qui va permettre de passer de courant continu à courant alternatif est une électronique de puissance.

Composition de l'électronique de puissance :

L'électronique de puissance n'a pas comme seul rôle l'alimentation du moteur électrique.
Elle est capable de prendre en charge :

• La recharge de la batterie 12 V.

• Le pilotage du compresseur de climatisation.

• Dans certains cas, le chauffage de l'habitacle.
  
  

 

Afin d'assurer toutes ses missions, l'électronique de puissance est composée des éléments suivants :

• D'un calculateur.

• D'un onduleur.

• D'un convertisseur/survolteur (pas forcément sur tous les véhicules).

• D'un convertisseur CC/CC.

• D'un étage permettant le pilotage du compresseur de climatisation.
  
  

 

Fonctionnement de l'onduleur :

L'alimentation en courant alternatif du moteur est réalisée à travers un onduleur. Le fonctionnement de l'onduleur utilise le principe du pont en H.
Grâce à un jeu de transistor, l'onduleur va réaliser une séquence de pilotage aux bornes des bobines du stator. Le champ magnétique de la bobine va en fonction du pilotage attirer ou repousser le rotor.
Par exemple, en pilotant les transistors 1 et 4, le champ magnétique va attirer le rotor.
En pilotant les transistors 2 et 3, le champ magnétique va repousser le rotor.

Le schéma ci-dessous représente l'onduleur complet pour le pilotage d'un moteur électrique.
On retrouve dans la partie variateur un jeu de transistors pour l'alimentation des phases du moteur (U, V, W). Le pilotage des transistors va donc permettre d'alimenter les phases U, V et W du moteur en +/- ou -/+ en fonction des besoins d'attraction ou de répulsion du rotor.
Dans le cas d'un moteur à rotor bobiné, celui-ci devra être alimenté afin de créer un champ magnétique. Le rotor sera attiré ou repoussé en fonction du sens du courant circulant dans les phases du stator.
Il y a aussi dans cet ensemble variateur une diode aux bornes de chaque transistor. En phase de récupération d'énergie, le courant sera redressé à l'aide des diodes. Le principe utilisé ici est le même que dans un alternateur.

Fonctionnement de la partie convertisseur/survolteur.

Certains véhicules utilisent la tension batterie pour alimenter le moteur électrique. D'autres véhicules disposent par exemple d'une batterie de 200 V et d'une alimentation moteur en 500 V. Pour passer de 200 V à 500 V, l'électronique de puissance utilise un convertisseur/survolteur. Grâce au convertisseur/survolteur pour un niveau de puissance similaire en augmentant la tension et en réduisant l'intensité, on réduit les pertes d'énergie, ce qui se traduit par un rendement supérieur.

Phase élévation de tension :

Pour l'élévation de la tension, il faut s'aider du schéma ci-dessous car elle se décompose en deux temps.
Dans un premier temps, le transistor est piloté et un courant va circuler dans la bobine.

Dans un second temps, lorsque le transistor va arrêter d'être piloté. Le phénomène d'induction électromagnétique est tel que par ses effets, il s'oppose à la cause qui lui a donné naissance (loi de Lenz-Faraday). Dans le schéma, le courant circulant dans la bobine va s'inverser. La bobine se comportera donc comme un générateur permettant d'augmenter la tension d'alimentation à 500 V.

Phase abaissement de tension :

Lors des phases de décélération, l'ensemble variateur s'occupe de redresser le courant et l'ensemble convertisseur/survolteur gère la partie abaissement de la tension à l'aide d'un transistor et de la bobine.

Convertisseur CC/CC :

Il y a aussi intégré à l'électronique de puissance le convertisseur CC/CC. Le rôle du convertisseur va être de transformer la tension de la batterie de traction en 12 V pour recharger la batterie de servitude.
Le fonctionnement du convertisseur est un fonctionnement de transformateur standard.
L'enroulement primaire étant alimenté, il en résulte une induction de courant dans l'enroulement secondaire. Le rapport du nombre de spires au primaire et du nombre de spires au secondaire permet au convertisseur de passer d'une tension de batterie de traction (ex : 400 V, 200 V) à une tension de recharge de batterie de 12 V.
L'avantage de ce système est son isolation galvanique par rapport à la chaîne de traction. il n'y a pas de liaison conductrice entre les deux circuits.

Compresseur de climatisation

L'électronique de puissance peut aussi gérer le pilotage du compresseur de climatisation. Deux possibilités peuvent être rencontrées sur les véhicules.
Première possibilité : l'électronique de puissance sert de passerelle. La tension de la batterie de traction arrive sur le boîtier de gestion et repart vers le compresseur. Le compresseur est alimenté directement en courant continu par la batterie. Un étage électronique est intégré au compresseur pour transformer le courant continu en courant alternatif.
Deuxième possibilité : un onduleur spécifique au compresseur est intégré à l'électronique de puissance. De ce fait, en sortie du boîtier de gestion, il y a trois câbles (U, V, W) qui vont alimenter le compresseur.
Dans les deux cas, le compresseur de climatisation utilise un moteur à courant alternatif avec rotor à aimant permanent. Le pilotage du compresseur est identique à celui d'un moteur électrique.

Conclusion :

L'électronique de puissance joue un rôle essentiel au bon fonctionnement du véhicule. Elle réalise l'interface entre le courant continu de la batterie de traction et le courant alternatif du ou des moteur(s) électrique(s) présent(s) dans le véhicule.

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Méthodes et pratiques

Les techniciens qui interviennent sur une électronique de puissance peuvent réaliser :

• Le remplacement total de l'électronique de puissance.

• Le remplacement partiel. Dépose/repose d'une carte de puissance dans le module.

• Des contrôles électriques (isolement de la chaîne de traction).

• Le diagnostic de l'électronique de puissance (lecture des codes défauts, effacements, calibration).

• L'entretien du circuit (vidange/remplissage du liquide de refroidissement).

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Impact sur les compétences en atelier

Pour intervenir sur l'électronique de puissance, le technicien doit :

• Connaître le fonctionnement de pilotage d'un moteur électrique.

• Savoir appliquer une méthode de diagnostic.

• Réaliser les interventions de pose et dépose d'un étage électronique de puissance.

• Réaliser l'entretien d'un circuit de refroidissement d'une électronique de puissance.

• Appliquer les procédures de sécurité liées aux interventions sur les véhicules électriques et hybrides.

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Exemple d’outillage approprié

Tapis et bracelet permettant d'éviter les décharges électrostatiques dans la carte électronique.

Source : Conrad