GMP : Motorisation électrique et onduleur.

October 12, 2020

Aspects techniques.

Les premiers moteurs électriques à être utilisés sur les véhicules électriques furent les moteurs à courant continu (DC motor). Ce choix était logique il y a 30 ans, car c'était le moteur le plus facile à piloter en vitesse.

Néanmoins, l'utilisation de ce type de moteur électrique pose plusieurs problèmes :

- rendement limité (90%).

- vitesse de rotation élevée.

- pertes thermiques situées au rotor, donc difficiles à évacuer (l'échauffement fait encore plus diminuer le rendement).

- usure des balais.

Ce fut pourtant le moteur qui était utilisé sur les modèles de PSA des années 90.


La seconde génération de motorisation des automobiles électriques utilisa des moteurs à induction ou asynchrones. La sophistication croissante des onduleurs a permis d'utiliser ces moteurs très robustes, compacts et fiables (aucun entretien). Néanmoins, par principe, le moteur asynchrone induit par définition un glissement magnétique (friction) pour qu'il y ait création de couple. Ce glissement implique des pertes obligatoires au niveau du rotor. La cartographie de rendement ci-contre montre un rendement qui plafonne à 82%, et qui chute rapidement à 75% sur une plage de fonctionnement plus étendue. La robustesse et l'optimisation du rotor conduisent pourtant certains constructeurs à l'utiliser : Tesla (rotor avec barres de cuivre pour un rendement maxi de 88%), Mia, Courb Czen, Renault Twizy. Son faible coût et sa fiabilité (vs rendement) en font un candidat idéal pour le véhicule hybride.


Bien que plus délicat à piloter et potentiellement moins robuste, le moteur synchrone s'impose dans la plupart des cas. Historiquement cantonné à la fonction d'alternateur, le moteur synchrone offre le meilleur rendement.

Deux familles de moteurs synchrones sont  en compétition :

-  moteur synchorne à rotor bobiné. Ils utilisent des bobinages pour créer le champ rotorique. le champ rotorique peut être modulé électroniquement, ce qui permet un pilotage facilité à haute vitesse (en défluxage). Il nécessitent un contact électrique avec le rotor (avec une pièce tournante). C'est la solution adoptée par Renault sur ZOE, Fluence et Kangoo.

- moteur synchrone  à aimants permanents : aucune alimentation électrique n'est nécessaire pour le rotor. Il y a donc gain de maintenance, compensé par un risque potentiel de désaimantation en phase de défluxage. Par ailleurs, ces moteurs utilisent en général des aimants à terres rares, qui font l'objet de toutes les convoitises sur le marché des matières premières. Ils sont utilisés sur les véhicules électriques premium (Exagon...) ainsi que sur les hybrides Toyota et PSA (les prochaines générations d'hybrides devraient revenir à l'asynchrone).


Le marché du Véhicule Electrique (ou hybride rechargeable) se partage entre ces deux technologies :

- Peugeot Ion, Toyota Prius : Moteur Synchrone à aimant permanent. Inconvénient : la Chine a le quasi monopole des terres rares utilisées avec ce moteur.

- Renault-Nissan et Bolloré utilisent un Moteur Synchrone à rotor bobiné, plus volumineux et lourd, et nécessitant de l'électronique supplémentaire (hacheur)... mais pas de terres rares.


Une évolution consiste à fournir des moteurs à fort couple permettant de diminuer les contraintes du réducteur de vitesse (plage de vitesse limitée à 0-6500t/mn contre 0-10000t/mn habituellement). Sur la cartographie ci-dessous, on constate que le rendement reste supérieur à 90% sur une grande plage d'utilisation. Un réducteur dont la vitesse de rotation est contenue sous 6000 t/mn rentre dans les spécifications automobile conventionnelles, avec des pertes limitées dans la plage haute de vitesse.

GMP électrique Renault 2015 (moteur R240) - 65kW / 220N.m synchrone à rotor bobiné.Intégration boitier d'interconnexion + onduleur + chargeur caméléon pour un gain de compacité (25%) appelé dorénavant "Power electronic controller". Le câblage est réduit au minimum. Gain de compacité de 10% sur l'ensemble du GMP.Augmentation du rendement : l'onduleur reste refroidi par eau, mais la diminution des pertes moteur autorise un refroidissement  par air.
Cartographie de rendement d'un GMP (moteur + onduleur) synchrone à aiments permanents Powerphase 125


Cet excellent rendement du Groupe Motopropulseur explique en partie le très bon bilan écologique du Véhicule Electrique du puits à la roue. Ce rendement est à comparer aux 25% à 30% de rendement d'un moteur thermique.