Les onduleurs de puissance sont le cœur battant de la chaîne cinématique des voitures électriques modernes. Ils transforment l’énergie électrique des batteries en quelque chose que les moteurs peuvent réellement utiliser. Le Fraunhofer IZM a redéfini les possibilités de ce composant clé : Grâce aux dernières avancées en matière d’électronique de puissance, l’onduleur « Dauerpower » a vu le jour. Il est capable de gérer d’énormes quantités d’énergie avec une faible inductance et dans un corps minuscule – avec un rendement de pointe mesuré à 98,7 %. C’est parti !
Les voitures électriques modernes ont besoin d’onduleurs perfectionnés pour acheminer l’énergie de la batterie à la route. Ces onduleurs agissent comme de petites stations de transformation embarquées et transforment le courant continu provenant de la batterie en courant alternatif triphasé dont les moteurs ont besoin pour faire rouler les roues. Plus la puissance du groupe motopropulseur est élevée, plus le flux de courant est important et plus le système est susceptible de dégager beaucoup de chaleur. Un nouvel onduleur créé par le Fraunhofer IZM en coopération avec Porsche et Bosch est destiné à minimiser cet effet : L’onduleur Dauerpower.
Son nom allemand en dit long : Le système promet de la puissance à long terme, avec environ 600 kW ou 815 chevaux de puissance constante, même sur de longues périodes. Il ne s’agit pas seulement d’une puissance 1,5 fois supérieure à celle des poids lourds diesel d’aujourd’hui. Il s’agit d’une nouvelle référence pour les voitures de sport électriques haut de gamme.
L’onduleur Dauerpower peut même supporter une puissance de 720 kW ou 979 chevaux sur de courtes périodes. Pour faire face à ces énormes quantités de puissance, le module Dauerpower s’appuie sur une technologie de semi-conducteurs de pointe qui utilise des transistors en carbure de silicium et un système de refroidissement innovant.
Intégration dans le circuit imprimé pour un rendement élevé et une faible inductance
Les performances exceptionnelles de l’onduleur Dauerpower sont rendues possibles par le choix de transistors en carbure de silicium (SiC). La faible inductance de 1,1 nanohenrys obtenue avec les modules est un atout majeur, qui les place en tête de classe parmi les modules de conductivité similaire. Dominik Seidenstücker, l’un des principaux scientifiques à l’origine de cette innovation, précise : « Par rapport aux transistors classiques en silicium, le carbure de silicium permet d’obtenir une résistance à la température beaucoup plus élevée, des capacités semi-conductrices plus faibles et une résistance à l’état passant plus faible pour la même surface de semi-conducteurs. Le potentiel est de réduire massivement les pertes de commutation et de conduction ».
Pour que ce système reste aussi compact que nécessaire, il a fallu utiliser des condensateurs de liaison CC dotés de la technologie PolyCharge NanoLam, qui offre une densité de sortie plus de deux fois supérieure à celle des condensateurs traditionnels en polypropylène. L’efficacité du système a été encore améliorée grâce à un processus sophistiqué d’intégration des modules semi-conducteurs.
« L’encastrement des semi-conducteurs nous permet de placer les conducteurs d’alimentation et de retour beaucoup plus près l’un de l’autre et de réduire l’inductance de fuite. La réduction de l’inductance de fuite du module permet une transition de commutation plus rapide. Cela se traduit par des pertes encore plus faibles dans les semi-conducteurs. » ajoute Dominik Seidenstücker.
La technologie est également prête pour des processus de production de masse économiques. La conception SiC de pointe permet de contrôler la température des douze modules semi-conducteurs intégrés dans le système. Et lorsque l’on demande à l’onduleur Dauerpower de fournir un maximum de puissance au système d’entraînement, son système de refroidissement sophistiqué entre en jeu.
Impression 3D pour un système de refroidissement avancé
Pour que l’électronique de puissance reste fiable même à pleine charge, les concepteurs ont mis au point un système de refroidissement reposant essentiellement sur deux éléments : Tout d’abord, ils ont développé un élément de refroidissement imprimé en 3D. « Nous avons choisi le cuivre comme matériau, car il a une meilleure conductivité thermique que l’aluminium et permet une meilleure dissipation de la chaleur », explique M. Seidenstücker. L’élément a été fabriqué sur mesure pour répondre aux exigences thermiques des modules et assurer une dissipation uniforme de la chaleur.
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Les composants critiques sont montés directement sur le système de refroidissement par frittage à l’argent, ce qui garantit une fois de plus leur intégration thermique optimale.
La chaleur est évacuée par un système de refroidissement à eau, qui constitue la seconde moitié du concept de refroidissement. Ce système a été imprimé en 3D en aluminium et guide l’eau à travers une infrastructure de refroidissement parallèle, conçue pour répartir la pression dans le système de manière optimale. Le système fonctionne avec 10 litres de liquide de refroidissement par minute, mais ne perd que 150 millibars de pression – une preuve éclatante de la grande efficacité de la technologie de refroidissement. Même après 15 minutes de fonctionnement, la différence de chaleur entre le boîtier et le liquide de refroidissement est inférieure à 20 kelvins, et la plus forte augmentation de température mesurée au niveau des sorties refroidies n’a été que de 41 kelvins. Avec une technologie de refroidissement aussi avancée, l’onduleur reste à la température de fonctionnement optimale même lorsqu’il est fortement sollicité. On peut dire que l’onduleur Dauerpower sait garder la tête froide.
Densité de sortie maximale
Les différents modules de l’onduleur Dauerpower sont parfaitement orchestrés les uns avec les autres, un logiciel unique conçu pour le projet par Fraunhofer IZM jouant le rôle de chef d’orchestre.
La conception intelligente du module a transformé le système en un mastodonte de petite taille et de grande puissance en termes de densité de puissance :Avec 200 kVA par litre, l’onduleur gère des puissances deux à quatre fois supérieures à celles des véhicules électriques actuels.Il laisse même les modèles haut de gamme à la traîne, avec une puissance supérieure d’un tiers à celle des véhicules haut de gamme actuels.Les véhicules électriques hautes performances de demain peuvent s’attendre à utiliser des onduleurs bien plus petits, tout en apportant une puissance bien plus importante sur la route.
La conception de Dauerpower promet également une grande modularité.Les différents composants sont faciles à entretenir ou à remplacer, ce qui permet d’économiser des ressources et de prolonger la durée de vie des véhicules.
La combinaison d’une technologie de semi-conducteurs de pointe, d’un système de refroidissement sophistiqué et de performances exceptionnelles signifie que l’onduleur annonce une nouvelle génération de systèmes de propulsion électrique.Le projet fait progresser la mobilité électrique et a déjà placé la barre plus haut en termes de performance, d’efficacité et de durabilité.
Le projet a bénéficié d’un financement du ministère fédéral de l’économie et de l’action climatique et a été géré en coopération avec Porsche AG et Robert Bosch GmbH.
Caractéristiques techniques
Variateur de vitesse triphasé
48 semi-conducteurs SiC
Volume du noyau de puissance : environ 3 litres
Base 800 ou 1200 V
Puissance constante : environ 600 kW (835 V x 720 ARMS) Puissance de crête : 720 kW (800 V x 900 ARMS)
Densité de puissance : 200 kVA par litre
Rendement de pointe : 98,7 %.Légende illustration : Section de l’un des trois modules de phase de l’onduleur de 600 kW. © Fraunhofer IZM | Volker Mai
