Audi A2 e-tron : comment l’inverter, le moteur électrique et la boîte de vitesses en font un véhicule plus efficace
La nouvelle Audi A2 e-tron consomme seulement 12,8 kWh/100 km dans sa version la plus économe, selon le cycle WLTP. Cela en fait l’un des véhicules électriques les plus économes qui existent. Il était déjà connu que des onduleurs à carbure de silicium jouaient un rôle dans cela. Désormais, le constructeur explique d’autres détails.
Cette consommation exceptionnellement basse est atteinte avec l’Audi A2 e-tron dotée d’un moteur arrière de 140 kW et du pack d’efficacité optionnel pour 2 410 euros. Ce dernier comprend un châssis sportif qui abaisse le véhicule ainsi que des pneus optimisés pour réduire la résistance au roulement. Le nouveau système de propulsion joue également un rôle. Les améliorations concernent l’onduleur, le moteur électrique APP350 (position axiale parallèle avec un couple d’environ 350 Nm) et la boîte de vitesses à un rapport.
L’essieu arrière de l’Audi A2 e-tron, comprenant l’inverter, le APP350 et la boîte de vitesses d’entrée
Image : Audi
Inverter
L’inverter transforme le courant continu provenant de la batterie en courant alternatif pour le moteur. Il s’agit de convertir une tension continue d’environ 400 volts en une tension sinusoïdale. Pour ce faire, on utilise la modulation de largeur d’impulsion : on inverse constamment le sens de la tension, par exemple de +400 volts à -400 volts et inversement. En choisissant différemment la largeur de ces impulsions de tension, on obtient (après l’ajustement grâce à l’inductance des enroulements en cuivre) une courbe sinusoïdale.
La commutation est assurée par des transistors ; cela entraîne inévitablement ce qu’on appelle des pertes de commutation, mais ces dernières peuvent être réduites à l’aide de transistors à effet de champ à oxyde-métal-semiconducteur (MOSFET) basés sur du carbone de silicium plutôt que sur du silicium. Selon Audi, ces pertes de commutation plus faibles permettent d’atteindre des rendements supérieurs à 97 pour cent.
Ce qui est nouveau, c’est qu’Audi utilise également un logiciel spécial qui permet d’adapter la fréquence de commutation en fonction du point de fonctionnement spécifique. La fréquence de commutation est choisie aussi bas que possible, car moins d’opérations de commutation signifient moins de pertes. Selon Audi, cela devrait apporter des avantages en termes d’efficacité, en particulier dans la circulation urbaine et lors de voyages sur de longues distances à une vitesse moyenne et sous charge moyenne. Grâce à une utilisation améliorée de l’énergie, l’électronique de puissance peut également fournir une puissance maximale même lorsque le niveau de charge est faible.
Selon Audi, une autre fonction de l’invertisseur vise à améliorer le confort acoustique à l’intérieur du véhicule. Pour ce faire, des « composantes harmoniques à haute fréquence » sont délibérément ajoutées au courant du moteur. Ainsi, les bruits perturbateurs sont compensés en fonction des conditions de fonctionnement.
Le nouveau moteur électrique APP350 avec invertisseur (en haut) et boîte de vitesses (à droite)
Image : Audi
Moteur électrique APP350
L’efficacité du nouveau moteur synchrone à aimants permanents APP350 a été améliorée grâce à une réduction des pertes en fer. Celles-ci surviennent en raison de la remagnétisation du matériau dans des champs magnétiques en évolution dans le temps : comme le champ magnétique dans un moteur électrique change constamment, les petits domaines magnétiques (les régions de Weiss) présents dans la plaque électromagnétique doivent se réorienter en permanence. Ce processus nécessite de l’énergie qui est finalement transformée en chaleur. Afin de réduire ces pertes, l’épaisseur des plaques du rotor a été diminuée, passant de 0,3 à 0,2 millimètre par rapport au moteur précédent, l’APP310.
« Les mesures de conception apportées au rotor et au stator concernent l’épaisseur des plaques, l’agencement des segments du rotor ainsi que le schéma de connexion des enroulements du stator. » (Audi)
Afin d’améliorer le niveau de bruit, les aimants permanents du rotor ont également été disposés différemment. Lorsque les aimants sont alignés en ligne droite, de l’avant vers l’arrière, ils heurtent soudainement les rainures du stator lors de sa rotation. Cela génère à chaque passage un choc magnétique (un couple de verrouillage). Dans le APP350, les aimants sont quant à eux montés légèrement décalés (inclinaison du rotor ou disposition en gradins). Ainsi, ils ne rencontrent plus tous en même temps, mais de manière différée, le champ magnétique du stator, ce qui améliore l’acoustique.
De plus, le stator passe d’un montage en étoile à un montage en triangle. En outre, le nombre de branches parallèles par phase a été réduit. Cela augmente certes les pertes en cuivre à haute vitesse de rotation, mais diminue les courants circulatoires en charge partielle. Cela vise à améliorer l’efficacité lors des déplacements quotidiens en milieu urbain ou sur les routes secondaires.
Boîte de vitesses
Les améliorations apportées à la boîte de vitesses sont plus faciles à comprendre que les modifications apportées au moteur. Selon le niveau de puissance, deux rapports de transmission sont utilisés : 10,21 pour 125 kW et 140 kW, ainsi que 11,53 pour 170 kW. Cela signifie que pour les versions moins puissantes, un rapport plus long est choisi, ce qui diminue les régimes moteur nécessaires – le moteur tourne 10,21 fois par tour de roue au lieu de 11,53 fois dans les versions plus puissantes. Selon Audi, ces différents rapports permettent de placer les régimes moteur dans des plages optimales.
Pour la version haut de gamme de l’A2 e-tron dotée de 240 kW, Audi ne donne aucune information sur le rapport de transmission, mais c’est le APP550 et non le APP350 qui y est utilisé.
De plus, un huile de transmission à très faible viscosité est utilisée, ce qui réduit les pertes dues au glissement. Une méthode spéciale de finition des dents de transmission est également employée, permettant d’obtenir des surfaces particulièrement lisses. Cela diminue le frottement et augmente l’efficacité.
Plus d’informations sur l’efficacité des moteurs électriques :
En résumé
Pff, le nouveau communiqué de presse d’Audi concernant le moteur de l’A2 e-tron est vraiment impressionnant. Nous n’avons certainement pas tout compris parfaitement ; il faut sans doute avoir fait des études d’ingénieur pour cela. Nous espérons que des spécialistes pourront nous expliquer tout cela un peu mieux lors de la prochaine démonstration de conduite.