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Les SynRM pourraient changer la donne sur les véhicules électriques
La suppression du besoin d'aimants de terres rares améliore la durabilité des véhicules électriques
L’adoption généralisée des véhicules électriques (VE) pourrait faire en sorte que les émissions d’échappement chargées en carbone appartiennent au passé. Mais produire ces véhicules impliquait de remplacer un problème environnemental par un autre. Bien que les véhicules électriques ne produisent pas eux-mêmes de gaz à effet de serre, l’extraction et le raffinage des matières premières nécessaires à la fabrication de leurs batteries et de leurs moteurs électriques en produisent une quantité importante. De plus, la demande pour ces matières premières dans tous les secteurs continue de faire grimper le coût de fabrication des véhicules électriques, ce qui se traduit par des prix affichés qui restent hors de portée pour de nombreux consommateurs.
Dans le projet judicieusement nommé VÉHICLE, des chercheurs de l’INSA-Strasbourg et du Laboratoire ICube en France tentent de résoudre ces problèmes avec une technologie couramment utilisée en dehors de l'industrie automobile : un moteur électrique appelé machine à réluctance synchrone, ou SynRM. Traditionnellement utilisé dans des applications allant de la robotique aux broyeurs de bois, un SynRM optimisé pour la transmission des véhicules électriques pourrait signifier des véhicules électriques plus durables et plus abordables à l'avenir.
Actuellement, le moteur de prédilection de l'industrie des véhicules électriques est la machine synchrone à aimant permanent (PMSM), qui représente environ 84 % du marché des véhicules électriques. Mais les aimants qui sous-tendent cette technologie reposent sur des matériaux rares extraits de la Terre, résolvant un problème de durabilité en créant un autre. Ces matériaux sont également très demandés pour les produits électroniques et leur prix ne fait qu’augmenter. Il existe d'autres types de moteurs utilisés dans les transmissions des véhicules électriques, tels que les moteurs à induction et les moteurs synchrones à rotor, mais leur efficacité et leur performance globales sont inférieures à celles des PMSM.
Architecture de transmission simplifiée pour véhicules électriques propulsée par SynRM. (Crédit : Dr Yakoub Saadi)
Principalement financé par l'Union européenne, le projet VEHICLE vise à réduire le coût de propriété d'un véhicule électrique en améliorant la performance de la batterie et le stockage de l'énergie, tout en développant un SynRM adapté à un véhicule électrique. Le projet VEHICLE est cofinancé par le Programme INTERREG V Upper Rhine et par les partenaires régionaux franco-allemands de l’initiative Science Offensive – la région Grand Est, le Bade-Wurtemberg et la Rhénanie-Palatinat – qui financent des projets de recherche transfrontaliers d'excellence.
Vieille machine, nouvelle solution
Tedjani Mesbahi, professeur agrégé de génie électrique à l'INSA de Strasbourg, travaille sur cette problématique depuis des années. Mesbahi a commencé ses recherches sur la mobilité électrique au sein d'une équipe de recherche et d'innovation chez l'équipementier automobile Valeo et dans le Laboratoire L2EP de l'Université de Lille. Il a travaillé au développement d’une voiture hybride essence-électrique à faible consommation. Plus tard, il est passé des projets industriels au monde universitaire à l'INSA de Strasbourg et au laboratoire ICube, où il a rejoint les travaux visant à optimiser la transmission des véhicules électriques.
Sans aimants permanents, avec un coût inférieur et des performances décentes, le SynRM constitue un compromis entre les PMSM et les moteurs synchrones ou à induction à rotor.
« Quand je suis arrivé à l'INSA-Strasbourg, j'ai retrouvé mes collègues travaillant sur un autre type de moteur de véhicule électrique, la machine à réluctance synchrone », raconte Mesbahi.
Bien que les SynRM soient largement utilisés dans d’autres secteurs, leurs inconvénients les rendent mal adaptés aux transmissions traditionnelles des véhicules électriques. Yakoub Saadi, ancien ingénieur de recherche sur le projet VEHICLE à l'INSA-Strasbourg, aujourd'hui à la SATT Ouest Valorisation, a rappelé quelques enjeux. « Les inconvénients comprenaient une faible densité de puissance, un faible facteur de puissance et une ondulation de couple relativement élevée. Les SynRM peuvent également générer une chaleur importante, exigeant des stratégies pour diminuer la température », a déclaré Saadi. « Mais ils offrent aussi des avantages. Ils sont exempts d'aimants, très robustes et efficaces ».
Un SynRM profite de la reluctance, la propriété des matériaux magnétiques à se déplacer de zones de faible à haute perméabilité magnétique, analogue à la résistance dans les circuits électriques. Dans un SynRM, la partie externe stationnaire du moteur, le stator, abrite des bobines de fil qui produisent des champs électromagnétiques. Le composant interne, le rotor, ne contient pas d'aimants mais contient du fer, et en raison de la faible réluctance du matériau, les entrefers du rotor s'alignent avec le champ magnétique tournant, faisant tourner le rotor et générant un couple.
Coupe transversale de la machine à réluctance synchrone. (Crédit : Dr Yakoub Saadi)
L'ondulation élevée du couple du SynRM, ou les fluctuations du couple, entraînent un bruit important et posent un problème particulièrement difficile à résoudre. Le contrôle de l’ondulation du couple nécessite des stratégies de contrôle allant au-delà des algorithmes de contrôle classiques.
Sans l'ondulation de couple élevée et le bruit qui en résulte, et avec une densité de puissance plus élevée, les SynRM pourraient constituer un substitut solide. Sans aimants permanents, avec un coût inférieur et des performances décentes, le SynRM constitue un compromis entre les PMSM et les moteurs synchrones ou à induction à rotor. Les SynRM sont également plus simples à produire et plus efficaces que les autres moteurs électriques. Leurs faiblesses ont toutefois entravé leur entrée sur le marché des véhicules électriques.
Un début difficile
En partenariat avec les universités Hochschule Karlsruhe et Hochschule Trier et dirigé par Mesbahi de l'INSA-Strasbourg et du Laboratoire ICube, le projet VEHICLE a débuté en 2019. « Nous avons dû intégrer le moteur à réluctance synchrone dans le groupe motopropulseur du véhicule électrique. C'était le premier défi », raconte Saadi, alors ingénieur de recherche à l'INSA de Strasbourg et au Laboratoire ICube. « Le deuxième défi consistait à trouver comment surmonter l'ondulation du couple, et le troisième défi consistait à mettre en œuvre des stratégies de contrôle avancées dans ce moteur électrique ».
« MATLAB et Simulink nous ont permis de modéliser cette machine électrique rapidement ».
Peu après son lancement, le projet VEHICLE s’est heurté à un obstacle : COVID 19. « Nous avons dû changer nos méthodes de travail à distance », a déclaré Mesbahi. À l’origine, ils avaient prévu d’aborder le projet en développant leurs stratégies de contrôle et en les testant en tandem sur un banc d’essai. Mais une fois que le confinement les a forcés à travailler à domicile, l’équipe s’est entièrement appuyée sur des simulations pour tester les itérations de leur algorithme de contrôle. MATLAB® et Simulink® ont joué un rôle déterminant pour garantir qu’ils puissent encore progresser.
« Nous avons choisi de proposer un nouveau contrôleur basé sur la théorie du contrôle en mode glissant, ou théorie H-infini. Il s'agit d'un nouvel algorithme de contrôle en cascade destiné à réduire l'ondulation du couple », a déclaré Saadi. « En général, l'industrie des véhicules électriques utilise une stratégie de contrôle classique, le contrôleur proportionnel-intégral (PI). Mais les contrôleurs classiques ne peuvent pas réduire de manière significative l'ondulation du couple ».
La stratégie de contrôle pour réduire les ondulations du couple moteur. (Crédit : Dr Yakoub Saadi)
Grâce à Simulink et à ses modèles de transmission SynRM et EV prédéfinis, le groupe INSA-Strasbourg s'est mis au travail pour développer et tester des stratégies de contrôle avancées. À l'aide de Simscape Electrical™, ils ont modélisé la batterie et le convertisseur d'un véhicule électrique. « MATLAB et Simulink nous ont permis de modéliser cette machine électrique rapidement », a déclaré Saadi.
L’équipe a validé ses stratégies de contrôle avancées depuis chez elle, en utilisant la simulation pour en identifier une qui réduisait au maximum l’ondulation du couple. L'équipe a également testé l'algorithme avancé proposé par rapport à des méthodes classiques, telles que le contrôleur (PI).
Retour au laboratoire
Une fois les restrictions liées au COVID-19 assouplies, Mesbahi, Saadi et leur équipe sont retournés au laboratoire pour tester leur contrôleur dans le prototype SynRM. Ils ont utilisé un équipement Speedgoat®, ce qui leur a permis d'exécuter leurs tests en temps réel sans aucune conversion fastidieuse vers différents logiciels ou langages. Mais ce n’est pas seulement la commodité qui les a poussés à choisir Speedgoat comme équipement cible : Ils avaient également besoin d'un port de contrôle puissant.
« Speedgoat offrait un portage puissant. Il est compatible avec MATLAB et Simulink, ce qui nous permet de tester notre modèle Simulink en temps réel ».
« Speedgoat offrait un port puissant », a déclaré Saadi. « Il est compatible avec MATLAB et Simulink, ce qui nous permet de tester notre modèle Simulink en temps réel ».
D'un simple clic, Saadi pouvait déployer les algorithmes MATLAB et Simulink sur l’équipement cible Speedgoat et les tester dans le prototype SynRM. Au départ, les résultats n’étaient pas parfaits, comme prévisible pour les premiers tests. Bien qu'ils aient testé leur stratégie de contrôle dans des simulations, le modèle théorique ne pouvait pas imiter parfaitement les conditions du monde réel. L’équipe a remarqué des perturbations dans ses résultats et a dû s’ajuster par essais et erreurs.
Finalement, Saadi et ses collègues ont trouvé une stratégie qui a fonctionnée. Après l'avoir testée, Saadi a retrouvé le sourire en examinant les mesures et les calculs du taux d'ondulation du couple. L'algorithme a fonctionné, réduisant l'ondulation du couple à un niveau gérable. « Il y a eu beaucoup de tests qui ont mené à ce moment. C'était la meilleure sensation », a déclaré Saadi, se souvenant de ce premier test réussi. « Cela a englobé tout notre travail sur deux ans en un seul instant ».
Banc d'essai de moteurs à réluctance synchrone. (Crédit : Dr Yakoub Saadi)
L'avenir des SynRM
Alors que d'autres groupes de recherche travaillent également à améliorer les SynRM avec des stratégies de contrôle avancées, Saadi a déclaré que ce qui distingue le projet VEHICLE est la modélisation de toutes les parties de la transmission du véhicule électrique (le moteur, les composants de la batterie et le convertisseur) pour optimiser le contrôleur du moteur, un exploit que MATLAB, Simulink et Speedgoat ont rendu possible. Les groupes de recherche sur les véhicules électriques se concentrent généralement sur un aspect du véhicule plutôt que sur chaque élément de la transmission et sur la façon dont ils fonctionnent ensemble. « Le moteur électrique n'est qu'une partie du projet VEHICLE, qui se concentre également sur les batteries et la gestion de l'énergie », a déclaré Saadi.
« Une machine sans aimants aura un avantage sur ce nouveau marché ».
Mais le SynRM du projet VEHICLE n'est pas encore prêt pour l'industrie automobile. Même si l’ondulation élevée du couple constitue un obstacle majeur à l’utilisation de SynRM dans les véhicules électriques, les chercheurs doivent encore augmenter la densité de puissance des machines et améliorer la gestion de la chaleur. « Nos chercheurs s'efforcent de relever ce défi et de rendre les machines à réluctance synchrone plus viables pour les applications EV », a déclaré Mesbahi. L'équipe INSA-Strasbourg développe des algorithmes d'IA dans MATLAB pour créer une solution de gestion thermique.
En plus du perfectionnement des algorithmes de contrôle pour les SynRM, ce moteur pourrait devenir plus attrayant pour l'industrie automobile à mesure que le Programme de passeports numériques de produits de la Commission européenne entrera en vigueur dans les prochaines années. Le programme vise à promouvoir la durabilité et une économie circulaire en exigeant la transparence sur les matériaux et les chaînes d'approvisionnement impliqués dans la fabrication des produits afin que les clients puissent avoir une meilleure idée de l'impact environnemental d'un produit. « Une machine sans aimants aura un avantage sur ce nouveau marché », a déclaré Mesbahi.
L’objectif principal du projet est cependant de réduire le coût total de propriété d’un VE. « Nous avons encore beaucoup de développement à faire », a déclaré Mesbahi. Mais en créant des algorithmes qui permettent une conduite plus douce et plus silencieuse, ils font un pas de plus. « Dans cette optique, nos activités de recherche se poursuivent pour optimiser le coût total de propriété des véhicules électriques avec un projet de recherche européen à grande échelle doté d'un budget de 5 millions d'euros, impliquant plus de 14 partenaires européens dans sept pays ». Le Projet ENERGETIC vise à optimiser les performances de stockage d'énergie à l'aide de technologies de batteries intelligentes et de connectivité, intégrées à une nouvelle génération de systèmes de gestion de batterie (BMS).
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