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Recherches tous azimuts sur le véhicule du futur

Prototype convertisseur électronique
Pendant que le salon de l’automobile du 4 au 14 octobre présente les voitures commercialisées ou sur le point de l’être, des chercheurs travaillent déjà dans leurs laboratoires sur les véhicules de demain.

Vue d’un prototype de convertisseur électronique de puissance de 6kVA pour la caractérisation électrothermique et en compatibilité électromagnétique des composants de puissance au carbure de Silicium (SiC) destinés aux modules de puissance pour l’automobile électrique

La pollution et les accidents sont les deux grands défauts de l’automobile. Pour lutter contre ces inconvénients, il faut se passer du moteur thermique, et aider ou remplacer le conducteur. Pour François Costa, responsable du pôle « énergie » du laboratoire SATIE (Systèmes et applications des technologies de l’information et de l’énergie, de l’ENS Paris-Saclay) « le véhicule du futur sera 100 % électrique et intelligent ».

Efficacité et coût

Ce véhicule devra aussi être plus efficace, fiable, sûr, tout en restant à un coût acceptable pour le consommateur. Une vraie gageure tant les contraintes sont nombreuses : « nous devons à la fois augmenter la quantité d’énergie emportée par la batterie, améliorer l’efficacité du moteur, et optimiser l’électronique de puissance qui fait le lien entre les deux assure la gestion de l’énergie de l’ensemble, énumère le chercheur. Aujourd’hui, on peut atteindre de bons rendements, de l’ordre 70 à 80 % de la sortie de batterie à la roue, mais à des coûts encore élevés pour l’industrie automobile. L’objectif est d’atteindre les mêmes rendements, à moindre coût. »

Laissant aux électrochimistes le soin d’améliorer le cœur des batteries, les chercheurs du SATIE s’intéressent à toute la chaine de conversion électromécanique, afin de tirer partie au mieux de l’énergie fournie ainsi qu’à ce qu’on appelle le « battery management system » visant à gérer au mieux les charges et les décharges pour optimiser la durée de vie de la batterie.

Recharge sans contact

D’autres travaux visent à développer une recharge sans contact, sur le principe de l’induction (l’énergie est transférée via un champ magnétique). Cette recharge peut être statique (la voiture dotée d’un inducteur est à l’arrêt sur un emplacement doté lui aussi d’un inducteur) ou dynamique (c’est alors la route entière qui contient l’inducteur).

Côté électronique de puissance, de nouveaux semi-conducteurs comme le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de gallium (GaN) permettent d’envisager des rendements proches de 99 %. Le pôle de recherche de François Costa travaille entre autre sur la fiabilité de cette électronique, dans des conditions particulièrement éprouvantes : elle doit être conservée sur des variations rapides et larges de température (par exemple de -20°C à 120 °C en quelques dizaines de minutes) ! De telles différences de température induisent la déformation des différents composants électroniques, au risque de défaillances thermomécaniques.

Protéger sans alourdir

Autre problème à prendre en compte : les interférences électromagnétiques créées par cette électronique de puissance qui fonctionne à plusieurs centaines de volts et d’ampères. Ces interférences risquent de perturber les systèmes d’information de plus en plus nombreux dans la voiture. Il faut donc ajouter des blindages et des filtres, qui malheureusement renchérissent de 30 à 50 % le coût de cette électronique, et l’alourdissent de 10 à 30 %.

Mais rappelons que la voiture du futur ne sera pas seulement électrique, elle sera aussi intelligente. C’est pourquoi le SATIE développe des systèmes d’instrumentation et d’information permettant à la voiture de percevoir à la fois sa localisation et son environnement. Il développe également des systèmes permettant au conducteur de déléguer partiellement ou totalement la conduite en situation critique. « Nous développons et optimisons les algorithmes correspondants, en prenant en compte l’architecture des ordinateurs, indique Pascal Larzabal, directeur du SATIE. Il s’agit non seulement de développer des calculs très rapides, mais aussi d’optimiser la manière dont les calculs sont menés sur les différents circuits de l’ordinateur. »

Les industriels impliqués

Tous ces travaux sont menés en étroite collaboration avec les principaux acteurs du secteur automobile : les constructeurs comme PSA et Renault, les équipementiers tels que Valeo et Forecia. Le laboratoire SATIE a même contribué à créer l’ « open lab » de PSA à Paris-Saclay consacré à la mobilité du futur. Avec une telle collaboration chercheurs-industriels, le véhicule du futur semble sur la bonne voie.