Sélection recommandée des inducteurs pour les systèmes de propulsion automobile

Avec le développement approfondi de l'électrification et de l'intelligence automobile, les moteurs sont devenus des composants centraux de puissance et de commande dans les véhicules. Ils sont largement utilisés dans les systèmes d'entraînement (moteurs de traction pour véhicules à énergie nouvelle), les applications de commande de la carrosserie (moteurs de hayon électrique, moteurs de vitres, moteurs de réglage des sièges) et les systèmes auxiliaires (moteurs de ventilateur de refroidissement, moteurs de direction assistée). En tant qu’unité centrale contrôlant le démarrage/arrêt, la vitesse et le sens de rotation du moteur, un système de commande de moteur automobile doit fournir une puissance de sortie efficace, stable et fiable dans des conditions embarquées sévères, telles que des températures élevées, des vibrations, des interférences électromagnétiques (EMI) importantes et des fluctuations importantes de tension. En tant que composant passif central des systèmes de commande de moteur, l’inductance remplit des fonctions essentielles telles que le stockage d’énergie, le filtrage, la limitation du courant et la suppression des pics de courant. Son choix détermine directement le rendement de conversion, la stabilité de fonctionnement, la compatibilité électromagnétique (CEM) et la durée de vie.

• Principe de fonctionnement des systèmes d'entraînement moteur automobile et rôle fondamental des inductances

La fonction principale d'un système d'entraînement moteur automobile consiste à recevoir des commandes provenant de l'unité de commande du véhicule (VCU) ou d'une unité de commande locale, à convertir l'énergie électrique fournie par la source d'alimentation embarquée en énergie mécanique, puis à entraîner le moteur afin d'assurer un démarrage/arrêt précis, une régulation de vitesse et une commande avant/arrière. Par ailleurs, il utilise des signaux de rétroaction de courant et de vitesse pour mettre en œuvre une commande en boucle fermée, garantissant ainsi un fonctionnement fluide et sûr du moteur. Le circuit comprend généralement un module de gestion de puissance, un module de contrôle par microcontrôleur (MCU), un module de pilotage de puissance, un module de détection de courant/vitesse et un module de filtrage EMI.

Figure 1. Schéma-bloc d’un système d’entraînement moteur pour véhicules à énergie nouvelle

Autres dispositifs montés sur le véhicule ; Batterie de puissance ; Boîtier de commande haute tension ; Diode/redresseur haute tension CC ; Unité de commande du véhicule (VCU) ; Batterie basse tension ; Relais de commande ; Fusible ; Moteur d'entraînement (DM) ; Câbles d'alimentation triphasés U/V/W ; Câbles de signal (résolveur, température) ; Variateur de fréquence (MCU) ; Pompe à eau ; Liquide de refroidissement ; Radiateur.

• • Rôle des inductances dans la boucle d'entraînement électrique

Les entraînements moteurs automobiles utilisent couramment la modulation de largeur d'impulsion (PWM). En commandant l'ouverture et la fermeture des composants de puissance (MOSFET ou IGBT), ils régulent la tension et le courant de sortie afin de contrôler la vitesse et le couple du moteur. Les inductances jouent un rôle central dans la boucle d'entraînement électrique, principalement de la manière suivante :

Limitation des pics de courant : Lorsque le moteur démarre ou s'arrête, change de vitesse, ou lorsque les dispositifs de puissance commutent, des pics de courant instantanés sont générés. Ces pics peuvent solliciter les dispositifs de puissance (MOSFET/IGBT) et les circuits intégrés de commande, voire endommager les composants. L’inductance limite la vitesse de variation du courant (di/dt) grâce à sa réactance inductive, supprimant ainsi efficacement les pics de courant, protégeant les composants essentiels de la boucle de commande et prolongeant la durée de vie des composants.

Lissage du courant moteur : La commande PWM provoque des ondulations dans le courant de sortie. Si ce courant est injecté directement dans le moteur, cela peut entraîner une augmentation des vibrations, un bruit plus élevé et des pertes accrus dans les enroulements. En stockant et en restituant continuellement de l’énergie, l’inductance atténue les ondulations du courant et rend le courant d’alimentation du moteur plus stable, améliorant ainsi la stabilité de fonctionnement.

• • Rôle des inductances dans la gestion de l’alimentation et le filtrage

L'alimentation électrique des systèmes d'entraînement moteur automobile se divise en deux catégories : les alimentations électriques embarquées basse tension (12 V/24 V) destinées aux modules de commande et aux circuits intégrés de pilotage, et les alimentations électriques haute tension utilisées dans les véhicules à énergie nouvelle pour les modules d'entraînement électrique. Les inductances jouent les rôles principaux suivants dans la gestion de l'alimentation et le filtrage :

Conversion DC-DC : Dans les circuits d'alimentation basse tension, un convertisseur abaisseur continu-continu (DC-DC) est nécessaire pour convertir la tension embarquée de 12 V/24 V en niveaux de 5 V et 3,3 V requis par les unités centrales microcontrôleurs (MCU) et les capteurs. En tant qu’élément de stockage d’énergie central du circuit DC-DC, l’inductance stocke et restitue de l’énergie, maintient la stabilité de la tension de sortie et empêche les fluctuations de tension d’affecter le fonctionnement normal du module de commande.

Suppression des EMI : Lorsque le système d'entraînement moteur fonctionne, la commutation des composants électroniques de puissance génère des interférences haute fréquence. Ces interférences peuvent se propager par les lignes d'alimentation vers d'autres systèmes électroniques embarqués, tels que le système de navigation ou la radio, perturbant ainsi leur fonctionnement normal. Les filtres à inductance commune, associés aux condensateurs X et Y, forment un circuit filtre CEM qui élimine les interférences haute fréquence présentes sur les lignes d'alimentation, supprime les rayonnements électromagnétiques et réduit l'impact des interférences externes sur le système d'entraînement moteur.

2. Exigences relatives aux inductances pour les systèmes d'entraînement moteur automobile

Les systèmes d'entraînement moteur automobile sont souvent installés dans des environnements sévères, tels que les compartiments moteur et les zones du châssis, où ils sont exposés pendant de longues périodes à des températures élevées et à une humidité importante, à des vibrations à haute fréquence ainsi qu’à des interférences électromagnétiques intenses. Ils doivent satisfaire aux exigences de fiabilité automobile et s’adapter à de fortes fluctuations de tension ainsi qu’à des pics de courant élevés, ce qui impose des exigences strictes en matière de performance, de structure et de fiabilité des inductances.

• Stabilité thermique : Comme les systèmes d'entraînement moteur automobile sont souvent installés dans des environnements sévères, tels que les compartiments moteur et les zones du châssis, l’inductance doit fonctionner dans une plage de température allant de -40 °C à 150 °C afin d’éviter toute dégradation des performances et toute réduction de la précision de commande causée par les variations de température.

• Faibles pertes et haute efficacité : Les systèmes d'entraînement moteur fonctionnent en continu, aussi les pertes cuivre (pertes DCR) et les pertes dans le noyau de l’inductance doivent-elles être maintenues aussi faibles que possible. En particulier dans les scénarios à fort courant, des pertes réduites permettent de limiter l’élévation globale de la température du système, d’améliorer le rendement de l’entraînement, de réduire la consommation électrique embarquée et de prévenir toute dégradation des performances due à une surchauffe.

• Courant de saturation élevé : Les démarrages/arrêts du moteur ainsi que les changements brusques de charge génèrent des pics de courant instantanés. L’inductance doit disposer d’un courant de saturation (Isat) suffisant afin d’éviter la saturation magnétique sous contrainte de courant maximal. La saturation magnétique entraîne une chute brutale de la valeur d’inductance, une défaillance de l’inductance et, éventuellement, des dommages aux composants de puissance. Il est recommandé de prévoir une marge minimale de 1,3 × sur le courant de saturation et de tenir compte d’une dégradation de cette valeur à haute température.

• Compatibilité CEM : L'inductance doit offrir de bonnes performances de blindage afin de réduire les fuites de champ magnétique, d'éviter les interférences avec les circuits sensibles situés à l'intérieur du système d'entraînement et de supprimer les rayonnements électromagnétiques dans la boucle, tout en respectant les exigences embarquées en matière d'émissions conduites et rayonnées CEM.

• Haute fiabilité : Les inductances destinées à l'automobile doivent réussir les essais AEC-Q200 afin de garantir un fonctionnement fiable et stable sur le long terme. Les essais de fiabilité comprennent plus de dix éléments, tels que les cycles thermiques, le stockage à haute température, les essais en ambiance humide, les vibrations et chocs mécaniques, ainsi que la soudabilité. Le laboratoire CNAS de CODACA est capable de réaliser indépendamment les essais AEC-Q200 conformément aux exigences des clients et de fournir les rapports d'essai correspondants.

3. Solutions d’inductances CODACA pour les systèmes d’entraînement moteur

1. Inductance de puissance haute intensité pour automobile

Dans les systèmes d'entraînement moteur, les inductances de puissance à forte intensité sont principalement utilisées dans les convertisseurs continu-continu (DC-DC) et les circuits de filtrage. Les inductances de puissance à forte intensité de qualité automobile de CODACA offrent de faibles pertes et un courant de saturation élevé, pouvant atteindre 422 A, avec une plage de température de fonctionnement allant de -55 °C à +155 °C, ce qui les rend adaptées aux environnements électroniques automobiles complexes.

2. Inductance de puissance moulée de qualité automobile

L'inductance de puissance moulée de qualité automobile de CODACA utilise des matériaux de noyau en poudre magnétique à faibles pertes ainsi qu'une technologie innovante des électrodes pour résoudre des défis techniques tels que le désalignement des enroulements et la fissuration des produits durant le moulage. Elle réduit les pertes globales de l’inductance de plus de 30 %, supporte des températures de fonctionnement allant jusqu’à 170 °C, atteint un rendement énergétique maximal de 98 % et améliore efficacement la fiabilité des systèmes d’entraînement moteur ainsi que le rendement de conversion des circuits DC-DC.

3. Inductance à noyau cylindrique de qualité automobile

CODACA dispose d'une équipe de R&D expérimentée capable de fournir rapidement des solutions sur mesure d'inductances à barreau pour l'industrie automobile, avec des caractéristiques et des structures variées, conformément aux exigences des clients.

4. Composants EMI

Les filtres anti-parasites en mode commun, les perles et autres composants magnétiques sont largement utilisés dans les systèmes d'entraînement moteur automobile et les circuits de filtrage d'alimentation afin de supprimer les interférences parasites sur les lignes de signal et les lignes d'alimentation.