Controlled Power Technologies (CPT) présentera deux documents techniques au 80ème  anniversaire du SAE World Congress qui se tiendra au Cobo Center de Detroit les 8-10 avril 2014. La première présentation décrit le système SpeedStart ® d’assistance de couple et de récupération d’énergie cinétique, le second présente son système de récupération de l’énergie des gaz d’échappement via la turbine connu sous le nom TIGERS ®. Les deux systèmes sont basés sur un moteur-générateur à réluctance commutée (SR pour Switched Reluctance) mis au point pour une nouvelle génération de véhicules hybrides légers 48 Volts.

« 60 Volts est le niveau de tension défini par la régulation R100 de la Commission économique des Nations Unies pour l’Europe (CEE-ONU) comme la limite entre basse et haute tension dans un circuit à courant continu, et est donc un point critique où une amélioration du coût du système a été identifiée, » dit le directeur général de CPT Nick Pascoe. « D’autres normes telles que LV-148 définie par le Verband der Automobilindustrie (VDA) fournissent une structure à l’approche de la tension nominale de 48 V, qui permet la récupération d’énergie sans dépasser les 60 Volts. »

Le concept SpeedStart

Le papier de CPT sur le SpeedStart décrit la spécification d’un alterno-démarreur de 48V situé sur la courroie accessoire mis au point pour répondre à la demande du marché pour les applications basse tension de véhicules hybrides. Les principaux domaines abordés sont les véhicules considérés à la fois en termes d’architecture électrique et mécanique et comment ceux-ci influent sur la conception du moteur électrique. Le document met l’accent en particulier sur le défi de concilier le besoin de calibrer le moteur électrique pour différentes applications et la nécessité de maintenir des variantes communes pour réduire les coûts, réduire les risques et accélérer les cycles de développement.

« Le nombre d’architectures à l’étude pour les systèmes 48V est encore en croissance, en particulier à travers différentes catégories de véhicules », explique Peter Scanes qui a co-écrit le papier SpeedStart avec l’ingénieur calibration John Kelly et l’ingénieur pour la mise en œuvre de systèmes de propulsion Paul Bloore. « Il en résulte une série d’exigences système, dictées par des objectifs véhicule et autres questions telles que l’état ​​de charge de la batterie et la capacité de stockage d’énergie. »

« En maintenant un noyau commun de rotor et stator, et un système de refroidissement commun, il est possible d’accélérer le développement pour chaque application. Ce tronc commun procure également une plus grande confiance dans la durabilité des prototypes, tout en minimisant le coût des variantes et soutient donc le développement de systèmes 48V. Les machines électriques à réluctance variable sont parfaitement adaptées à ce concept à faibles coûts de développement, tout en réduisant le coût des composants en production. En outre, par rapport aux autres machines électriques, elles ont un rendement élevé sur une large plage de vitesse, un bon contrôle et une meilleure fiabilité. »

« Pour SpeedStart, nous avons établi des règles de conception critiques couvrant par exemple un packaging optimal de l’alterno-démarreur sur courroie de 12,5 kW, » dit Scanes. « Les points communs des variantes de la machine permettent une variation relativement facile des performances pour différentes applications, facilitant les compromis entre couple maximal, la puissance de crête, la puissance moyenne et d’autres exigences des systèmes électriques et mécaniques. »

Le concept TIGERS

Le papier de CPT décrivant son système intégré de récupération de l’énergie des gaz d’échappement via la turbine connu sous le nom de TIGERS est également axé sur la simulation, la conception de la machine électrique, le développement du système de contrôle et la validation de la technologie. L’unité peut être appliquée aux moteurs à aspiration naturelle ou suralimentés – le plus probable étant l’application à des moteurs downsizés turbocompressés en tant qu’unité supplémentaire au turbocompresseur.

« Bien que les turbocompresseurs de moteur à combustion soient désormais monnaie courante, le remplacement d’un compresseur par un générateur de courant pour créer un système de récupération d’énergie thermique séparé, offre un ensemble de défis de conception unique – en particulier étant donné que les gaz d’échappement d’un véhicule classique est une source d’énergie hautement transitoire en ce qui concerne le débit et la température », explique Andy Dickinson, le directeur principal responsable de la technologie TIGERS/COBRA chez CPT.

« Pour des applications à allumage commandé, les gaz d’échappement peuvent atteindre des températures supérieures à 900 °C. Considérant que la machine électrique à réluctance commutée au coeur de la technologie TIGERS est prévue pour récolter l’énergie à partir des gaz d’échappement, il est essentiel que non seulement elle survive dans cet environnement extrême, mais également qu’elle génère de l’énergie sans ruiner les performances du véhicule ou la consommation de carburant. Afin de s’assurer que le système de paliers, la machine électrique et l’électronique intégrée soient maintenus dans leurs plages de fonctionnement, le système de refroidissement utilise le liquide de refroidissement du moteur pour faire opérer ces composants entre 80 et 105 °C. »

« Le concept de production de l’énergie directement par le turbo, à l’aide d’une turbine couplée à un générateur électrique pour extraire de l’énergie potentielle et cinétique du gaz d’échappement, diffère de manière significative des dispositifs de récupération de chaleur à l’échappement (Type Rankine ou thermoélectricité), qui reposent uniquement sur le transfert de chaleur pour extraire l’énergie. Avec une turbine correctement spécifiée, il est possible de récolter l’énergie électrique sur une grande partie de la plage de fonctionnement du moteur car le turbo-générateur peut profiter à la fois de la température et du débit massique des gaz d’échappement émanant du moteur. »

Comme avec le dispositif SpeedStart, le générateur à réluctance commutée à la base de la technologie TIGERS fournit certains avantages par rapport aux générateurs classiques à aimants permanents. En raison de l’absence de bobinages dans le rotor, les machines à réluctance commutée possèdent de faibles inerties rotatives, minimisant ainsi les pertes sur le rotor. En outre, en raison de l’absence d’aimants permanents, il n’y a pas de risque de perte de couple à cause de leur démagnétisation. Le générateur à réluctance variable facilite également la réduction des coûts dans la conception, dont les investissements d’outillage, en raison de la construction simplifiée du moteur et d’une réduction du dimensionnement de l’électronique de puissance du aux basses fréquences de commutation. La capacité de régime à 65 000 tours par minute du générateur électrique TIGERS facilite également un couplage direct avec la turbine afin d’éviter le recours à un système de réduction.

Source : CPT

L’avis de Romain :

Théoriquement, les systèmes 48V semblent mûrs et prêts pour l’introduction sur le marché. Cependant, aucun des constructeurs automobiles n’a fait le pas et a mis ce système sur ses produits. Je pense que c’est principalement en raison de son coût élevé. Je pense que tant que les autorités ne poussent pas pour de plus strictes limites d’émissions de CO2, les constructeurs n’intégreront pas cette technologie. Pensez-vous que les systèmes 48V seront utilisés pour atteindre la législation sur les émissions de CO2 de 2020 ?