Comment sélectionner la puissance et le couple du moteur pour un véhicule électrique

La détermination de la puissance et du couple moteur à utiliser dans un véhicule électrique (VE) est l'une des étapes les plus importantes lors de la conception d'un VE. Un moteur sous-dimensionné entraînera une faible accélération, une surchauffe et une fiabilité réduite, tandis qu'un moteur surdimensionné augmentera les coûts, le poids et la consommation d'énergie.

L'objectif de cet article est d'aider les ingénieurs et les fabricants de VE à déterminer avec précision la quantité appropriée de puissance et de couple à utiliser pour leur VE, ainsi qu'à couvrir les différents facteurs impliqués dans la détermination de ces quantités.

Comprendre les différences fonctionnelles entre la puissance et le couple

Très important : Afin de sélectionner avec précision un moteur pour un VE, il est important de comprendre les différences fonctionnelles entre la PUISSANCE et le COUPLE tels qu'ils s'appliquent aux moteurs. Au sens le plus simple :

(1) Le COUPLE fait référence à la quantité de force de rotation qui peut être produite par un moteur. Il affecte directement les éléments suivants :

Accélération (la vitesse à laquelle un véhicule peut atteindre sa vitesse maximale)

Capacité de montée en côte ou "Gradeability"

Capacité à transporter une charge.

(2) La PUISSANCE fait référence à la rapidité (dans le temps) avec laquelle le COUPLE peut être produit.

Elle affecte principalement :

Vitesse maximale

Performances de conduite soutenues

Capacité à fonctionner dans des conditions de conduite sur autoroute à haute vitesse.

L'application la plus courante du couple et de la puissance dans les VE est que le couple affecte principalement les performances à basse vitesse du véhicule ; tandis que la puissance affecte les performances à haute vitesse du véhicule.

Phase 1 : Déterminer l'application du véhicule et le cycle de service

Lors de la sélection d'un moteur pour un VE, la première étape consiste à définir clairement l'application prévue du VE pour lequel vous avez l'intention d'utiliser le moteur.

Pour ce faire, vous devez répondre à plusieurs questions clés :

Ce VE sera-t-il principalement utilisé pour les trajets urbains ou pour les longs trajets ?

Le VE transportera-t-il des charges lourdes ou fonctionnera-t-il principalement à vide ?

Ce VE connaîtra-t-il un grand nombre d'opérations de démarrage et d'arrêt ?

Le VE doit-il fonctionner uniquement sur des surfaces planes, ou doit-il gravir des pentes raides ?

Tous les types de VE (voitures particulières, chariots élévateurs électriques, voiturettes de golf, AGV, véhicules utilitaires, etc.) ont des exigences de couple et de puissance différentes, même s'ils fonctionnent à des vitesses similaires.

Phase 2 : Calculer l'exigence de couple de roue

Le couple moteur est principalement déterminé par les forces de résistance qui agiront sur les roues du véhicule, qui peuvent inclure :

Résistance au roulement

Traînée aérodynamique

Résistance de pente (pente)

Force d'accélération

Lors des démarrages à basse vitesse, la demande de couple de roue est à son maximum. Le moteur doit fournir la quantité de couple requise (après toute réduction nécessaire grâce à l'utilisation d'une boîte de vitesses, le cas échéant) pour surmonter ces forces dans les pires conditions.

La majorité des VE utilisés dans l'industrie (par exemple, dans les applications de fabrication ou de distribution) doivent fournir une plus grande quantité de couple de démarrage que d'autres VE, tels que les voiturettes de golf et les AGV (véhicules à guidage automatique).

Phase 3 : Calculer les objectifs requis pour l'accélération et la capacité de montée

Les performances d'accélération et la capacité de montée ont un impact majeur sur la sélection du couple lors de l'utilisation du couple émis par la Terre pour déterminer la capacité de performance du couple dans un VE.

Lors de la détermination des capacités d'accélération et de montée en côte, vous devez tenir compte des critères suivants :

Temps souhaité pour atteindre l'accélération maximale (par exemple, 0 à 30 km/h)

La pente maximale que le VE doit gravir

Masse du véhicule à pleine charge.

L'utilisation d'un couple de magnitude plus élevée offre les avantages suivants :

Meilleure réponse d'accélération

Fonctionnement stable sur les rampes et les pentes

Réduction du stress sur la transmission (composants de la transmission) du VE

En général, lors de la conception de VE commerciaux et industriels, la capacité de couple continue est plus importante que la capacité de couple de pointe de courte durée.

Vitesse et conditions de fonctionnement continues du véhicule. Les exigences de puissance augmentent avec la vitesse du véhicule car :

• La traînée aérodynamique augmente avec la vitesse

• La charge soutenue du véhicule à vitesse de croisière

La demande de puissance la plus élevée coïncide avec la haute vitesse, tandis que la demande de couple la plus élevée coïncide avec les basses vitesses.

Facteurs qui déterminent les facteurs les plus importants

Lors du calcul de la puissance et du couple moteur requis, plusieurs facteurs doivent être pris en compte, notamment :

• La vitesse maximale du véhicule

• Durée à vitesse maximale

• Limites thermiques du moteur

Pour être considéré comme correctement dimensionné, le moteur doit fonctionner le plus efficacement possible à la vitesse de conduite la plus fréquente du véhicule et pas seulement à sa sortie maximale.

Rapport de démultiplication et disposition de la transmission

La puissance et le couple du moteur ne peuvent pas être déterminés tant que tous les composants de la transmission n'ont pas été pris en compte. La conception de la disposition de la transmission doit tenir compte des éléments suivants :

• Utiliser une boîte de vitesses à un ou plusieurs rapports

• Avoir un entraînement direct ou une réduction

• L'efficacité du différentiel et de l'essieu

Lors du calcul du rapport de démultiplication, un moteur correctement dimensionné fournit un couple de roue suffisant et peut être mieux utilisé dans toutes les plages de fonctionnement. En optimisant les rapports de démultiplication, les conceptions de VE peuvent réduire la taille physique du moteur tout en maintenant les performances.

Rangements continus par rapport aux arrangements de pointe

La plupart des types de moteurs de VE peuvent bien fonctionner à la fois en pointe (à court terme) et en continu (limité thermiquement). Une analyse des rangements continus est essentielle pour déterminer la fiabilité et la durabilité d'un moteur en fonctionnement normal. Le rangement de puissance et de couple continu assurera des performances à long terme ; les valeurs de puissance et de couple de pointe ne sont généralement applicables que lors d'événements d'accélération ou de changements rapides de fonctionnement.

Si un concepteur de véhicule électrique n'utilise que le rangement de pointe du moteur lors de la sélection, le concepteur peut mal calculer les rangements continus. Cela peut entraîner une surchauffe et, dans certains cas, des dommages importants ou une durée de vie plus courte que la normale.

Spécifications du moteur associées à la stratégie de contrôle

Les contrôleurs de moteur et la stratégie de contrôle affecteront directement la manière dont le couple et la puissance utilisables sont dérivés du moteur. Les éléments à prendre en compte sont :

• Capacités d'affaiblissement de champ

• Précision du contrôle du couple

• Capacité de freinage régénératif

Les véhicules électriques (VE) utilisent le plus souvent des conceptions de moteurs à large plage de vitesse et des algorithmes de contrôle avancés pour gérer le couple, la puissance, l'efficacité et les performances thermiques.

Erreurs courantes de sélection de moteur

Les erreurs courantes commises par les concepteurs de VE lors de la sélection du moteur électrique comprennent :

• Surdimensionné ou non dimensionné pour la puissance du moteur ; cela entraînera le non-respect des cycles de service.

• Ignorer les exigences de couple continu.

• Utiliser les chiffres de couple de pointe par opposition au couple utilisable à la roue.

• Ne pas déterminer avec précision le type de transmission auquel le moteur est attaché.

En évitant ces types d'erreurs, les concepteurs peuvent améliorer l'efficacité du système électrique et, par conséquent, réduire le coût total du véhicule.

Conclusion

La décision concernant la puissance et le couple d'un moteur électrique est une décision d'ingénierie au niveau du système et nécessite plus que la simple sélection d'un seul paramètre. Les bonnes sélections de puissance et de couple moteur doivent tenir compte de :

• Comment le véhicule sera utilisé et son environnement d'exploitation

• Quel niveau de couple sera nécessaire pour le fonctionnement à basse vitesse et la capacité de charge

• Quelle quantité de puissance sera nécessaire pour maintenir les vitesses de croisière

• Le fonctionnement global, y compris tous les composants de la transmission, la stratégie de contrôle et les limites thermiques.

Grâce à l'équilibre de ces facteurs, le concepteur de véhicule électrique peut mieux utiliser les variables pour créer un véhicule électrique aux performances optimales, doté d'une efficacité, d'une fiabilité et de caractéristiques de coût supérieures.