En conversation : Jim Edwards

Changer les échelles des moteurs

Jim Edwards, ingénieur en chef chez Helix, utilise la technologie des sports motorisés pour réduire la taille et le poids nécessaires à l’électrification. Will Gray approfondit le sujet

Dans le domaine de l’électrification, la technologie des batteries est souvent citée comme le secteur offrant les plus grandes opportunités de développement. Les améliorations constatées au cours des dernières décennies sont évidentes, avec une autonomie des véhicules électriques qui augmente d’année en année – mais Jim Edwards estime que la technologie des moteurs joue un rôle tout aussi important, en particulier dans les secteurs haut de gamme et à forte charge. Aujourd’hui, après une carrière qui s’est progressivement orientée vers l’électrification, certains de ses plus grands succès pourraient être à portée de main.

L’électrification était loin d’être la norme lorsque Edwards a commencé sa carrière, mais il s’est dès le départ concentré sur les enjeux environnementaux. En 1994, lorsqu’il a obtenu son premier poste chez Ford, il a analysé les cycles de conduite afin de réduire au minimum les émissions dans des conditions réelles pour les moteurs diesel turbo des modèles Escort et Mondeo. Par la suite, en rejoignant le centre d’essais de Milbrook, il a travaillé à l’optimisation d’une gamme de 20 véhicules bicarburants fonctionnant au GPL et au GNC pour Vauxhall, avant d’aider à développer le premier bus hybride pour Londres (Royaume-Uni), marquant ainsi ses premiers pas dans le domaine des véhicules électriques.

Ce projet a débuté en 2003, lorsque l’attention de la ville s’est déplacée de la réduction des émissions de NOx vers celle des émissions de CO2. Le client avait initialement développé un bus à turbine à gaz – excellent pour atteindre l’objectif précédent, mais moins performant pour le second. Ainsi, en réponse au changement de priorité, ils se sont tournés vers Edwards et ses collègues avec un design prêt à l’emploi pour un véhicule électrique équipé d’une batterie de prolongation de portée, et leur ont confié la tâche d’optimiser son fonctionnement.

« J’ai participé à la calibration du système hybride, en examinant l’architecture du bus et son cycle de fonctionnement, ainsi qu’en identifiant les points où nous pouvions améliorer son fonctionnement afin d’en tirer le meilleur parti dans des applications réelles », explique-t-il. « Nous avons créé un modèle du cycle de fonctionnement des bus de London Transport et, en tenant compte de l’inertie et du frottement du véhicule, nous avons pu prédire les besoins en énergie du moteur et déterminer la meilleure façon de faire fonctionner le système moteur-batterie – en régénérant de l’énergie, sans recharger complètement les batteries pour permettre une régénération en descendant des pentes, et en veillant à ce que le moteur s’éteigne aussi souvent que possible afin de minimiser les émissions en marche au ralenti. Il s’agissait d’un système sans précédent, et nous avons réussi à atteindre 30 % de réduction par rapport aux émissions de CO2 de référence pour un bus équivalent par passager. »

Développement de l’hydrogène

Le prochain projet d’Edwards à Millbrook concernait un autre bus, mais cette fois équipé de piles à combustible à l’hydrogène. Son travail consistait à installer des infrastructures de ravitaillement en hydrogène et à faire fonctionner le bus dans la chambre d’émissions à température variable (VTEC). Edwards se souvient : « La chambre disposait d’une piste roulante et d’un grand système de recyclage de l’air ; elle pouvait accueillir jusqu’à trois bus à deux étages et les faire fonctionner entre moins 40 et plus 50 degrés. Le bus avait plusieurs réservoirs d’hydrogène de 3 m de long sur le toit, et nous savions que si l’un des soupapes de décharge de pression se déclenchait dans un espace fermé comme la VTEC, cela pouvait avoir de graves conséquences. Nous avons donc installé de nombreux capteurs d’hydrogène et nous nous sommes assurés que tout était relié au système de extraction. Les chances étaient minimes, mais on ne peut pas prendre ce risque. »

Cette expérience avec l’hydrogène a attiré Edwards vers Intelligent Energy, qui travaillait à l’époque sur une grande variété de projets dans le domaine des piles à combustible, allant de l’installation de groupes de piles à combustible refroidis par air dans des scooters Suzuki jusqu’à la fabrication d’un chargeur de téléphone portable alimenté par de l’hydrogène et produisant seulement 5 W. « Ce chargeur était un appareil vraiment intéressant », se souvient Edwards. « Mais malheureusement, il n’a pas connu de succès ». Fort de ses compétences dans le secteur automobile, Edwards s’est concentré sur le développement de systèmes à piles à combustible pour les voitures particulières.

« Nous disposions de 100 kW, deux ensembles de piles à combustible refroidis par évaporation grâce à une technologie propriétaire », explique-t-il. « Le système introduisait de l’eau liquide sous forme de fine brume, qui s’évaporait, absorbait la chaleur et expulsait les gaz de combustion. Cela offrait un avantage significatif en termes de densité énergétique, et nous avons intégré ce système dans un véhicule fabriqué par un constructeur automobile européen de premier plan. Vers la même période, nous avons également mis en service une flotte de cinq taxis à hydrogène pour les Jeux olympiques de 2012 à Londres, afin de transporter des personnalités importantes vers le village olympique. »

Cette entreprise a depuis connu du succès dans les systèmes à refroidissement par air pour drones, et Edwards voit toujours un grand potentiel pour que l’hydrogène s’intègre dans le mix énergétique automobile. « Actuellement, il n’y a pas suffisamment de carburant en surplus pour en faire un produit vraiment bon marché, et les piles à combustible nécessitent des métaux précieux, ce qui les rend généralement chères. Mais dans les régions où l’on dispose de beaucoup d’énergie renouvelable qui doit être stockée d’une manière ou d’une autre, l’hydrogène est un excellent moyen de le faire », dit-il. « Donc, je pense qu’il trouvera sa place dans des domaines où il fonctionne bien – les flottes fermées, les camions articulés, les trains ; tout endroit où l’on a un cycle de fonctionnement défini et où l’on peut mettre en place des infrastructures adaptées. Pour ces cas, c’est une solution très efficace pour atteindre zéro émission de carbone. »

Pour passer à l’électrique

La carrière d’Edwards l’a ensuite mené dans le domaine des véhicules 100 % électriques, lorsqu’il a rejoint son employeur actuel, Helix, en 2015. Il a assumé le rôle de chef ingénieur, couvrant de nombreuses fonctions telles que la communication avec les clients, l’assistance technique, l’analyse des cycles de fonctionnement et la gestion d’une équipe interfonctionnelle composée de concepteurs en électronique, en électrique et en mécanique, de scientifiques ainsi que de techniciens d’atelier. « C’était un poste adapté aux généralistes », dit-il, expliquant comment il a pu accéder à un tel niveau malgré une expérience très limitée dans les technologies de véhicules électriques.

Son premier poste de management a porté sur le développement d’un petit e-booster – un suralimentateur électrique. « Ce type de dispositif comprend traditionnellement un moteur électrique relié à un compresseur turbo, fonctionnant à environ 100 000 tr/min », explique-t-il. « La difficulté réside dans le fait qu’en voiture de tourisme, on a besoin d’une puissance allant jusqu’à 10 kW »

Cela entraîne deux problèmes : le moteur surchauffe car il est difficile d’éliminer les pertes énergétiques, et s’il ne surchauffe pas, la batterie se décharge car elle n’a pas la capacité de répondre à cette demande pendant plus de 5 ou 10 minutes.

« Pour y remédier, nous avons adopté une solution très ingénieuse. Nous avons conçu un générateur de démarrage qui permet de produire de l’électricité grâce au système d’entraînement des accessoires à l’avant. Ensuite, nous avons conçu le moteur qui fait tourner la roue du compresseur, y intégré une denture épicyclique et relié l’autre élément à la roue à poulie du système d’entraînement des accessoires à l’avant. Ainsi, le moteur n’a plus qu’à assumer une partie du travail, l’autre énergie étant fournie directement par ce système. Par conséquent, le moteur effectue moins d’effort.

« Un autre avantage est que, puisque vous disposez également d’un générateur sur place, vous pouvez produire de l’électricité localement et la transmettre directement à l’arbre d’entraînement de l’autre côté, sans avoir besoin de la stocker dans une batterie. Vous pouvez générer de l’électricité en temps réel, et vous pouvez éteindre le compresseur en changeant sa vitesse, car il fait partie d’une boîte de vitesses épicyclique. C’était une solution remarquable, et nous travaillions avec Magna Power pour la mettre en production à grande échelle – mais elle n’a vu le jour que lorsque l’industrie automobile a décidé de ne plus vouloir de moteurs à combustion interne ! »

La fin du projet e-booster a conduit Edwards inévitablement vers des projets entièrement électriques, le premier étant la fourniture de moteurs pour une série de courses électriques – bien qu’il ne puisse toujours pas en révéler le nom. En s’appuyant sur un design existant qui avait déjà été soumis au processus de conception, Edwards a eu pour mission de gérer sa fabrication et sa livraison. Une fois cela achevé, il s’est tourné vers l’un de ses produits les plus célèbres : la Aston Martin Valkyrie. Conçue par Adrian Newey alors qu’il travaillait encore chez Red Bull, cette hypercar équipée d’un moteur V12 de 1000 chevaux a été créée dans le but d’imiter au plus près les performances d’une voiture de Formule 1 – mais sans Edwards, elle n’aurait jamais vu le jour.

« J’ai conçu le moteur qui se trouve entre l’embrayage et la boîte de vitesses et qui démarre le moteur », explique-t-il. « Il permet également la fonction de dépassement par poussée ; c’est un générateur, un alternateur ; il assure la fonction de marche arrière – car la boîte de vitesses principale ne dispose pas de cette fonction – et, étant une boîte à transmission directe, il assure l’adaptation de la vitesse des vitesses sur le levier de vitesse. Il permet également à la voiture de fonctionner à basse vitesse – jusqu’à environ 12 km/h – uniquement à l’électricité.

Ce moteur ne pesait que 20 kg, mais il délivrait 120 kW et a fonctionné parfaitement à l’extrémité d’un V12 tout au long de sa durée de vie. Pour une hypercar, c’était une solution excellente ! »

Le secteur de l’automobile constituait une part importante des activités d’Helix à cette époque, mais avec le temps la clientèle a évolué, passant d’un focus initial sur les sports motorisés et la Formule 1 à un champ d’action bien plus large, couvrant tout, des applications défensives aux applications maritimes. En fait, l’automobile a perdu de son importance depuis le projet Valkyrie, de plus en plus de constructeurs intégrant eux-mêmes le développement de véhicules électriques, mais Helix reste aussi occupé que jamais, appliquant cette mentalité de pointe issue des sports motorisés à de nombreux secteurs différents. Edwards a été promu ingénieur en chef et s’inspire de l’accélération technologique rendue possible par les compétences acquises par l’entreprise.

« Comme nous sommes situés au cœur du triangle du sport automobile et de la F1, nous avons accès à tous ces fabricants dotés de capacités de meulage incroyables, ainsi qu’à la possibilité d’explorer des scénarios hypothétiques que personne d’autre ne pourrait envisager », explique-t-il. « De plus, nous comptons de nombreuses personnes ayant une expérience dans le sport automobile au sein de notre entreprise – il existe un échange constant entre nous et les équipes de F1 – donc notre ADN fondamental réside dans le domaine des performances haut de gamme, et je pense que c’est là notre principal atout distinctif. »

« Il y a vraiment eu une volonté d’accélérer le développement de la technologie grâce aux sports motorisés, pour ensuite l’adapter aux moteurs plus conventionnels. Le premier moteur que nous avons conçu pour les courses dès le début de ma carrière produisait environ 100 kW en continu. Mais en deux ans, en intégrant certaines technologies issues des sports motorisés, nous avons obtenu un moteur capable de produire 200 kW en continu dans les mêmes dimensions. Aujourd’hui, dans ces mêmes conditions, nous atteignons 400 kW en continu. Ainsi, cette technologie a fait des progrès considérables sur ce que beaucoup considèrent comme un marché statique. »

Petit et léger

Les objectifs principaux de performance d’Edwards restent exactement les mêmes dans chaque projet : réduire la taille et le poids – les deux facteurs clés qui ont la plus haute priorité dans le sport automobile. « Notre expérience provient de projets où l’espace et la masse sont cruciaux, c’est pourquoi cette philosophie a été intégrée dans nos moteurs », continue-t-il. « Passer à des applications comme les trains ne consiste qu’à abaisser les températures maximales souhaitées, afin d’allonger la durée de vie des matériaux isolants ; ainsi, on obtient un moteur dont la taille représente un dixième ou un vingtième de celle d’un moteur conventionnel pour train. »

Les projets véritablement « sans contraintes » menés chez Helix relèvent de sa division expérimentale « X Division », dont Edwards décrit le travail comme « la quête de l’art du possible ». Cela se traduit ensuite par des technologies de base dans les domaines maritime, routier hors route, défense et aéronautique – donnant naissance à des moteurs plus petits et plus puissants que ceux existant jusqu’alors. Par conséquent, Edwards et ses collègues visent à mettre en avant le développement des moteurs, dans une industrie qui se concentre trop souvent uniquement sur de nouvelles technologies de batteries comme seule véritable source d’amélioration.

« Si l’on considère les choses du point de vue de l’efficacité, tout dépend de la taille et de la masse », conclut-il. « Si vous utilisez de l’espace pour des moteurs, vous ne pouvez pas l’utiliser pour des batteries ou une charge utile – et c’est valable dans tous les secteurs. Là où la taille et le poids sont limités, nous pouvons proposer une solution meilleure. »

« Cela est particulièrement pertinent pour les projets maritimes, qui sont un peu atypiques. Dans les voitures, le rapport puissance/poids est élevé et lorsque les conducteurs appuient sur l’accélérateur, ils veulent accélérer. En mer, en revanche, l’accélération est relativement douce en raison d’une résistance importante due à la viscosité de l’eau. Ainsi, alors qu’en voiture on peut maintenir l’accélérateur au plancher pendant 10 secondes avant de le relâcher à environ 10 %, en mer on passe directement au régime maximal et on peut rester ainsi pendant des heures. »

« Il s’agit d’un cycle de fonctionnement complètement différent qui exige une configuration légèrement différente, ce qui offre de nombreuses possibilités d’optimisation dans ce domaine. Nous avons travaillé sur le E1 Racing et le Magic Carpet E, un merveilleux bateau de course en fibre de carbone que nous avons entièrement électrifié afin d’éliminer l’utilisation d’un générateur pendant les courses. Nous fournissons nos solutions aux fabricants de moteurs hors-bord, aux constructeurs de propulseurs arrière, aux catamarans, ainsi qu’à au moins trois applications défensives pour des opérations navales. »

« Il en va de même pour un certain nombre d’autres applications où l’on dispose d’un système conventionnel et où les utilisateurs souhaitent soit améliorer les performances, soit réduire le bruit. Cela se prête particulièrement bien à l’électrification, mais il n’y a souvent pas assez d’espace pour installer le matériel supplémentaire. Nous fournissons donc ces solutions aux clients qui ont besoin de cette fonctionnalité – et c’est extrêmement important en ce moment. »

« Nous avons conçu de nombreuses pièces prototypes pour des véhicules d’exploitation minière, par exemple, où l’électrification apporte des avantages indirects auxquels on ne pense pas souvent – comme la réduction de l’énergie nécessaire pour faire circuler l’air dans la mine et l’élimination des carburants volatils susceptibles de créer des atmosphères explosives. Dans le secteur du bâtiment, de nombreux véhicules nécessitent de bonnes lignes de vision, et tout ce qui empêche le conducteur de voir ce qui se trouve autour de ses roues et de sa pelle est très préjudiciable pour l’opérateur – donc, à mesure que les moteurs deviennent plus gros et bénéficient de traitements supplémentaires, nous pouvons leur apporter des avantages en installant un moteur très petit. »

« Il y a aussi l’aéronautique spatiale, où l’on observe un grand intérêt pour les véhicules de lancement spatial en raison des contraintes de masse très strictes auxquelles ils sont soumis. Il s’agit avant tout d’efficacité et de réduction de la masse, car c’est ce qui constitue la charge utile. Ils peuvent littéralement fixer un prix par kilo pour les satellites, ce qui montre bien leur clarté d’esprit sur ce point, puisqu’ils sont facturés au kilo. Nous travaillons également avec des fabricants de moteurs à réaction afin d’améliorer l’efficacité des turbines à gaz en y intégrant un soutien électrique dans certaines parties de leur fonctionnement, afin qu’ils ne soient pas limités dans une zone alors que la majeure partie du vol a lieu ailleurs. Encore une fois, il s’agit de minimiser la masse pour ces applications, ce qui correspond parfaitement à nos forces principales. »

Il est donc évident qu’il existe de grandes possibilités pour le développement des moteurs électriques dans tous les secteurs industriels – cependant, les changements récents concernant l’autorisation d’utilisation des aimants en Chine menacent de peser sur ce développement. Pour Edwards, cela représente néanmoins une opportunité de reconsidérer les hypothèses relatives à la conception des moteurs. « Cela modifiera dans une certaine mesure les structures existantes, donc l’avenir consistera à tirer le meilleur parti d’un contenu en aimants faible ou nul ainsi que de différents matériaux magnétiques », conclut-il. « Ce sera probablement la prochaine influence sur les moteurs. »

« De nombreux constructeurs automobiles n’utilisent pas du tout de magnétiques, mais cela entraîne généralement l’usage d’un moteur plus grand, ce qu’ils peuvent supporter car le coût diminue et ils disposent d’espace suffisant. Les véhicules haut de gamme ainsi que les autres secteurs que j’ai mentionnés ne peuvent pas se permettre cela. Par conséquent, je pense que cela aura certainement un impact sur ces moteurs haut de gamme, mais en ce qui concerne les moyens de contourner ce problème, nous parviendrons finalement à atteindre la même efficacité et à améliorer la puissance par d’autres moyens – je n’en doute pas ! »

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