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Concevoir des moteurs pour les semi-remorques électriques ne se limite pas à remplacer un moteur diesel par un moteur électrique ; il s'agit d'une toute nouvelle façon d'envisager le cœur de ces puissants camions. Dans cet article, je vous guiderai à travers les choix de conception importants, les problèmes auxquels nous sommes confrontés et les nouvelles solutions qui ouvrent la voie à un avenir plus vert dans le domaine du transport maritime. Nous aborderons tous les aspects, des besoins en couple à la fabrication à faible coût, pour vous donner un aperçu complet de ce qu'il faut pour alimenter la prochaine génération de véhicules commerciaux.
Lorsque nous parlons de la puissance d'un camion diesel standard, nous nous concentrons souvent sur la puissance en chevaux et la capacité du moteur à tirer de lourdes charges sur de longues distances. Avec un véhicule électrique, cependant, le sujet change. Il ne s'agit pas seulement de puissance brute, mais aussi d'une distribution intelligente de la puissance. Un moteur électrique fournit une puissance immédiate à partir d'un arrêt complet, ce qui est un grand avantage pour un semi-remorque entièrement chargé qui doit se mettre en mouvement. Cette accélération instantanée modifie la sensation de conduite et rend le véhicule plus efficace dans les embouteillages. La conception des groupes motopropulseurs électriques modernes permet d'obtenir une puissance constante et régulière sur une large plage de vitesses. Cela signifie que le véhicule peut atteindre des vitesses d'autoroute et s'y maintenir même sur des pentes raides, ce qui peut s'avérer difficile pour un camion diesel normal.
Cette nouvelle façon de concevoir la puissance s'applique également à la construction de l'ensemble du véhicule. Sans un gros moteur diesel, il y a plus d'espace libre et le poids du véhicule est mieux équilibré. Cela permet d'améliorer la maniabilité et la stabilité du véhicule. En outre, la source d'énergie, la batterie, peut être intégrée au châssis. Cela abaisse le centre de gravité du véhicule et le rend moins susceptible de se renverser. La puissance des véhicules utilitaires lourds ne se limite plus à la puissance du moteur en kW ; il s'agit de savoir comment l'ensemble du groupe motopropulseur électrique fonctionne ensemble pour offrir des performances plus intelligentes, plus rapides et plus efficaces. C'est cette vision globale du système qui différencie véritablement les camions électriques modernes des anciens.
D'après mon expérience, il n'existe pas de configuration unique pour le groupe motopropulseur de chaque camion électrique. La meilleure configuration dépend en grande partie de l'utilisation qui sera faite du camion. Les principales configurations que nous voyons aujourd'hui sont l'entraînement direct central et les essieux à entraînement électrique, ou e-axes, de plus en plus courants. L'entraînement central est souvent considéré comme un moyen moins coûteux de rendre électriques les plates-formes de camions existantes. Dans ce cas, le moteur diesel est remplacé par un gros moteur électrique relié à une transmission et à un arbre de transmission, comme dans un véhicule normal. Si cette méthode peut simplifier le passage à l'électricité, elle ne permet pas de tirer pleinement parti des économies d'espace et d'énergie qu'offre un groupe motopropulseur électrique.
L'essieu électrique, quant à lui, est une solution plus complète. Le moteur électrique, l'électronique de puissance et parfois même la boîte de vitesses sont tous situés directement sur l'essieu. Cette configuration permet de se passer d'un long arbre de transmission, ce qui réduit le poids, raccourcit le système d'entraînement et améliore le fonctionnement de l'ensemble. L'espace ainsi gagné peut être utilisé pour augmenter la capacité de la batterie, ce qui pourrait accroître l'autonomie. Nous voyons également de plus en plus de configurations à deux moteurs, qui offrent une meilleure distribution de la puissance et de meilleures performances pour les charges lourdes. Le choix entre ces configurations implique de trouver un équilibre entre le coût de développement, la difficulté de construction et le niveau de performance et d'efficacité souhaité pour le véhicule en question.
C'est une question que l'on me pose souvent, et la réponse est définitivement oui. En fait, un moteur électrique peut souvent faire mieux qu'un moteur diesel lorsqu'il s'agit de fournir du couple. La principale différence réside dans la manière dont ils créent le couple. Un moteur diesel doit atteindre un certain régime (RPM) pour produire le couple le plus élevé. Un moteur électrique, en revanche, fournit son couple maximal immédiatement, à partir d'un arrêt complet. Ce couple élevé instantané est un énorme avantage pour les utilisations intensives. Imaginez un semi-remorque chargé à bloc sur une pente raide ; la capacité à démarrer et à contrôler en appliquant une force de rotation maximale aux roues à partir d'un arrêt est étonnante.
Pour vous donner une idée des chiffres, certains semi-remorques électriques modernes ont un couple très élevé qui égale, voire dépasse, celui de leurs versions diesel. Par exemple, les configurations à deux moteurs peuvent fournir un couple maximal de plusieurs dizaines de milliers de livres-pieds. Ce couple élevé permet aux camions électriques d'accélérer rapidement, même lorsqu'ils sont chargés. Pour les ingénieurs, le défi n'est pas seulement d'obtenir un couple élevé, mais aussi de bien le contrôler pour s'assurer que les pneus et les autres pièces durent longtemps. La conception du contrôleur et de l'ensemble du système de gestion du groupe motopropulseur est essentielle pour contrôler cette énorme quantité de puissance en douceur et correctement.
Le freinage régénératif est l'un des principaux avantages d'une chaîne de traction électrique, en particulier pour un véhicule lourd. Dans un camion normal, lorsque le conducteur appuie sur le frein, l'énergie de déplacement du véhicule est transformée en chaleur par les freins et est pratiquement perdue. Le freinage régénératif, en revanche, permet au moteur électrique de fonctionner en sens inverse, comme un générateur. Ce processus ralentit le véhicule et transforme en même temps l'énergie en mouvement en énergie électrique, qui est ensuite conservée dans la batterie. Cette récupération d'énergie peut considérablement augmenter la distance parcourue par un camion électrique. Certaines études suggèrent qu'elle pourrait augmenter d'environ 20% l'autonomie d'un véhicule de 40 tonnes effectuant des livraisons régionales.
L'amélioration du freinage par récupération dans les véhicules lourds nécessite une combinaison intelligente du moteur électrique, du contrôleur et du système de freinage par friction classique. Le système doit combiner en douceur les deux types de freinage pour offrir au conducteur un freinage régulier et fiable. Les systèmes de freinage électroniques avancés contrôlent des éléments tels que la vitesse du véhicule et l'angle de braquage pour répartir intelligemment la force de freinage entre les systèmes régénératifs et mécaniques. L'objectif est de récupérer le maximum d'énergie sans compromettre la sécurité ou la conduite du véhicule. En outre, le conducteur peut souvent régler l'intensité du freinage régénératif, ce qui lui permet d'adapter la sensation de freinage à la situation de conduite et à ses préférences. Une bonne utilisation du freinage régénératif permet non seulement d'économiser de l'énergie, mais aussi de réduire l'usure des pièces de freinage normales, ce qui se traduit par une diminution des coûts de réparation pendant la durée de vie du véhicule.
Il est très important d'avoir une bonne gestion thermique lors de la conception d'un moteur électrique pour un véhicule lourd. Ces moteurs sont soumis à une forte pression, travaillant pendant de longues heures avec de lourdes charges, ce qui crée beaucoup de chaleur. Si cette chaleur n'est pas bien évacuée, elle peut entraîner de nombreux problèmes, notamment une baisse du rendement, un vieillissement trop rapide des pièces, voire une défaillance du moteur. Un système de refroidissement solide est nécessaire pour garantir la durabilité et la fiabilité du groupe motopropulseur électrique. Le principal problème consiste à concevoir un système de refroidissement qui fonctionne bien et qui soit petit, sans ajouter trop de poids ou de difficultés au véhicule.
Il existe deux méthodes principales pour refroidir les moteurs électriques : le refroidissement par air et le refroidissement par liquide. Le refroidissement par air est plus simple et moins coûteux, mais il peut ne pas suffire pour répondre aux besoins de puissance élevée d'un poids lourd. Le refroidissement par liquide, qui fait circuler un liquide de refroidissement dans le carter du moteur, est généralement plus efficace pour évacuer la chaleur. De nombreux moteurs de camions électriques modernes utilisent des systèmes de refroidissement liquide avancés, qui vont parfois jusqu'à pulvériser de l'huile sur les pièces les plus chaudes pour les maintenir à la meilleure température possible. Le système de gestion thermique va souvent au-delà du moteur, en se connectant aux systèmes de refroidissement de la batterie et de l'électronique de puissance pour créer une solution de refroidissement complète pour l'ensemble du véhicule. Cette approche connectée permet une gestion intelligente de la chaleur, où la chaleur perdue d'une pièce peut être utilisée pour en réchauffer une autre, améliorant ainsi le fonctionnement de l'ensemble du système.
La nécessité d'une transmission dans un camion électrique moderne est un sujet qui fait encore l'objet de discussions et d'améliorations. Contrairement à un moteur diesel, dont la plage de fonctionnement est limitée, un moteur électrique fonctionne bien à différentes vitesses. C'est pourquoi certaines entreprises ont opté pour une boîte de vitesses à un seul rapport, ce qui permet de simplifier la chaîne cinématique et de réduire le nombre de pièces mécaniques. Une conception à une seule vitesse peut convenir à de nombreuses utilisations, en particulier pour la conduite en ville avec de nombreux arrêts et démarrages.
Cependant, pour les poids lourds qui travaillent dans des conditions très différentes, depuis les virages à faible vitesse jusqu'à la conduite sur autoroute à grande vitesse, une transmission à plusieurs vitesses peut offrir de grands avantages. Une boîte de vitesses à deux rapports ou même à plusieurs rapports peut aider à maintenir le moteur électrique dans sa plage de fonctionnement la plus efficace. Cela permet de réduire la consommation globale d'énergie et d'augmenter l'autonomie. Elle peut également améliorer les performances, en augmentant le couple pour les démarrages en côte et en améliorant l'efficacité à vitesse de croisière. La décision d'ajouter une boîte de vitesses à plusieurs rapports se résume à une planification minutieuse afin d'obtenir les meilleures performances de l'ensemble du groupe motopropulseur pour une tâche spécifique, en équilibrant les avantages d'une meilleure efficacité et de meilleures performances avec la difficulté et le coût supplémentaires d'une boîte de vitesses plus complexe.
L'essieu, élément de base de tout véhicule, est en train de changer radicalement avec les nouveaux groupes motopropulseurs électriques. Dans un camion normal, l'essieu est une simple pièce qui transmet la puissance de l'arbre de transmission aux roues. Dans un camion électrique, en revanche, l'essieu devient un élément intelligent et actif du système d'entraînement. Le changement le plus important est l'essieu électrique qui, comme je l'ai dit, regroupe le moteur électrique, l'électronique de puissance et l'engrenage dans l'unité d'essieu. Cette configuration tout-en-un présente de nombreux avantages, notamment un poids réduit, une meilleure efficacité et une conception plus petite qui libère de l'espace utile sur le châssis du véhicule.
L'essieu électronique peut également être configuré de nombreuses façons. Par exemple, plusieurs essieux électriques peuvent être utilisés ensemble pour obtenir une traction intégrale et une meilleure adhérence. Cela est particulièrement utile pour les poids lourds qui travaillent dans des conditions difficiles. En outre, la commande électronique de l'essieu électronique permet des fonctions avancées telles que la vectorisation du couple, où la puissance envoyée à chaque roue peut être contrôlée séparément pour améliorer la stabilité et la maniabilité. Nous voyons également de nouveaux systèmes d'entraînement où chaque côté de l'essieu a sa propre unité de puissance, ce qui permet un contrôle encore plus précis et la capacité de récupérer 100% de l'énergie pendant le freinage par récupération. Cette nouvelle façon de concevoir l'essieu rend possible la prochaine génération de véhicules lourds performants, efficaces et respectueux de l'environnement.
Si le coût initial d'un camion électrique peut être plus élevé que celui d'un camion diesel similaire, le coût total sur la durée est souvent bien meilleur. C'est un point très important que j'aborde toujours lorsque je parle de véhicules commerciaux électriques. Plusieurs éléments contribuent à faire d'un moteur électrique et de l'ensemble du groupe motopropulseur électrique une bonne valeur. Le plus important d'entre eux est le coût inférieur de l'électricité par rapport au carburant diesel pour chaque kilomètre parcouru. Cela permet de réaliser d'importantes économies de carburant sur la durée de vie du véhicule.
En outre, un groupe motopropulseur électrique comporte beaucoup moins de pièces mobiles qu'un moteur diesel et ses systèmes connexes. Les coûts de réparation sont donc beaucoup moins élevés. Il n'y a pas de vidange d'huile, pas de système d'échappement complexe et moins d'usure sur des pièces telles que le système de freinage, grâce au freinage par récupération. Au fur et à mesure que la technologie des batteries et des moteurs électriques s'améliore et que de nouveaux modèles sont fabriqués, le coût initial des camions électriques devrait baisser, ce qui en fait un choix financier encore plus intéressant. Les récompenses gouvernementales et les allègements fiscaux accordés pour l'achat de véhicules électriques et de stations de recharge peuvent également contribuer à couvrir le coût de départ. Si l'on considère tous ces points, il est clair que pour de nombreuses utilisations commerciales, un véhicule électrique propulsé par un moteur électrique rentable peut s'avérer une bonne décision financière à long terme.
Pour tout véhicule commercial, la durabilité et la fiabilité sont indispensables. Lorsqu'un camion ne fonctionne pas, il ne rapporte pas d'argent, c'est pourquoi ces poids lourds sont construits pour durer pendant des millions de kilomètres de travail acharné. Lors de la conception des systèmes pour les véhicules électriques lourds, il est très important de s'assurer de leur solidité. Cela commence par le moteur électrique lui-même. Les moteurs destinés aux poids lourds doivent être conçus pour une longue durée de vie, capables de supporter un couple élevé et les secousses constantes de la conduite en conditions réelles. L'utilisation de matériaux de haute qualité et des tests rigoureux sont nécessaires pour garantir la longévité du moteur.
Outre le moteur, toutes les pièces du groupe motopropulseur électrique, de la batterie au contrôleur en passant par l'essieu électrique, doivent être conçues pour être robustes. Il faut donc concevoir des pièces capables de résister à des températures extrêmes, à l'humidité et à la poussière. Le système de gestion de la batterie a pour mission essentielle de protéger la batterie, la partie la plus chère du véhicule électrique, en empêchant les surcharges, les vidanges excessives et les surchauffes. La façon dont les différents systèmes fonctionnent ensemble est également un élément clé de la fiabilité. Un système de gestion bien conçu permet de s'assurer que toutes les pièces fonctionnent en douceur, ce qui peut contribuer à empêcher les pièces de tomber en panne trop tôt. Au fur et à mesure que la technologie s'améliore, nous constatons que l'accent est mis davantage sur la conception de systèmes pour les véhicules électriques lourds ayant la même résistance et la même durabilité que celles que l'industrie attend de ses camions diesel.
Si le moteur électrique est le cœur du camion électrique, le contrôleur en est le cerveau. Cette unité électronique avancée contrôle la manière dont l'énergie se déplace dans l'ensemble du groupe motopropulseur. Il reçoit des signaux du conducteur, comme la force avec laquelle il appuie sur la pédale d'accélérateur, et les transforme en instructions précises pour le moteur électrique. Le contrôleur décide de la quantité de couple que le moteur doit produire, de la manière dont il doit être délivré et du moment où il faut utiliser le freinage par récupération. C'est la clé pour obtenir le meilleur équilibre entre les performances, l'efficacité et la facilité de conduite.
Le contrôleur ne se contente pas de gérer le moteur. Il communique également avec le système de gestion de la batterie pour vérifier le niveau de charge et l'état de la batterie. Il joue un rôle clé dans la gestion thermique, en veillant à ce que le moteur et la batterie restent dans leur plage de température optimale. En outre, dans les véhicules dotés de plusieurs moteurs ou d'un essieu électrique, le contrôleur est chargé de transmettre le couple entre les roues afin d'améliorer l'adhérence et la stabilité. Le logiciel qui fonctionne sur le contrôleur est constamment amélioré afin d'accroître l'efficacité et d'ajouter de nouvelles fonctionnalités. En bref, le contrôleur est ce qui permet au groupe motopropulseur de faire tout ce qu'il peut, ce qui en fait un élément très important dans la conception de tout véhicule électrique moderne.
Pour accélérer votre projet, vous pouvez étiqueter les piles de laminage avec des détails tels que tolérance, matériel, finition de la surface, la nécessité ou non d'une isolation oxydée, quantitéet bien d'autres choses encore.
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