Refroidissement du moteur électrique : eau ou huile ?

Il n'existe pas de réponse en une seule phrase à la question de savoir si le refroidissement eau/glycol ou le refroidissement à l'huile est préférable pour un moteur de véhicule électrique : l'eau est un liquide de refroidissement plus efficace, mais en raison de sa conductivité électrique, elle ne peut pas toucher le moteur ; l'huile, bien qu'étant physiquement un fluide plus faible, s'infiltre à l'endroit même où la chaleur naît et produit ainsi en pratique des moteurs plus froids. C'est pourquoi les groupes motopropulseurs modernes évoluent de plus en plus vers l'huile, sans pour autant abandonner complètement le circuit eau/glycol. Dans cet article, nous comparons les principes de fonctionnement, les différences chiffrées et les décisions de conception des deux stratégies.

Pourquoi l'eau/glycol est-elle un meilleur liquide de refroidissement mais un pire voisin ?

En termes de capacité de transport de chaleur, l'eau n'a pratiquement aucun rival. Sa chaleur spécifique et sa conductivité thermique sont nettement supérieures à celles de l'huile ; autrement dit, à volume égal, l'eau évacue plus de chaleur et plus rapidement. L'ajout d'éthylène glycol au mélange régule le point de congélation et le comportement en corrosion, sans modifier le caractère thermique fondamental du fluide.

Le problème réside dans l'incompatibilité fondamentale de l'eau avec le monde de l'électronique : le mélange glycolé est conducteur d'électricité. À chaque point de contact avec la surface des enroulements, des connecteurs ou de l'électronique de puissance, un risque de court-circuit et de corrosion électrolytique apparaît. C'est pourquoi l'eau/glycol ne peut être utilisée dans le groupe motopropulseur que dans des zones séparées des composants électriques par une paroi métallique. En pratique, cette limite est la chemise d'eau qui entoure l'extérieur du stator.

Comment fonctionne la chemise d'eau et où commence sa limite ?

La chemise d'eau est conceptuellement similaire aux canaux d'eau du moteur à combustion classique : le mélange eau-glycol circule dans une cavité fermée entourant la surface extérieure du pack du stator et transporte la chaleur vers le radiateur extérieur. Ainsi, la chaleur produite par les enroulements de cuivre est d'abord conduite le long des lamelles du stator jusqu'à la surface extérieure, puis transmise au fluide. Le système est robuste, électriquement sûr et peu coûteux.

Son point faible réside dans sa géométrie. Le rotor, séparé du stator par l'entrefer, n'a aucun contact avec le fluide ; le rotor et les aimants permanents qu'il porte sont donc refroidis essentiellement via l'entrefer et l'arbre, c'est-à-dire par conduction et de manière inefficace. Les simulations thermiques montrent que le rotor et les aimants permanents constituent le point de température le plus critique des systèmes eau/glycol. La température du moteur peut dépasser 200 °C en charge élevée, ce qui entraîne une démagnétisation partielle des aimants permanents, un vieillissement accéléré de l'isolation et une baisse de la puissance continue.

Les ingénieurs repoussent parfois cette limite de manière créative. Audi a mis en oeuvre une solution ciblant directement le rotor en ajoutant, à côté de la chemise d'eau, un canal d'eau traversant le rotor par son centre ; ce type de conception reste toutefois une exception, la règle étant que l'eau ne doit pas pénétrer dans les zones électriques.

Refroidissement par pulvérisation d'huile : refroidir la chaleur là où elle naît

L'avantage physique de l'huile tient en un seul mot : diélectrique. L'huile isolante peut toucher directement les enroulements, le rotor et les aimants, et assure en outre la fonction de lubrification. La chaleur est transférée au fluide au point où elle naît, et non au bout de la chaîne de conduction. Cette seule différence raccourcit toute la chaîne de résistance thermique.

L'écart chiffré est frappant. Dans la comparaison de simulations de TotalEnergies et EnginSoft, la configuration à refroidissement direct par huile offre un avantage de 10 °C en température moyenne et d'au moins 14 °C en température des enroulements - et ce dans des conditions de comparaison où le débit d'huile est maintenu bas. Dans un scénario de dépassement à haut régime, autour de 10 000 tr/min, l'écart atteint 40 °C. Une étude académique indépendante va dans le même sens : en conduite autoroutière, la température d'un moteur à refroidissement direct reste environ 30 °C inférieure à celle d'un moteur à chemise d'eau, ce qui se répercute directement sur le couple maximal et la puissance.

Comment amener l'huile à l'intérieur du moteur ?

Il existe plusieurs méthodes éprouvées pour refroidir les têtes d'enroulements :

• Refroidissement goutte-à-goutte par collecteur : Le fluide de refroidissement est déposé goutte à goutte de manière précise et homogène sur les têtes d'enroulements ; il nécessite moins d'huile qu'un bain de rotor.
• Pulvérisation sous pression : L'huile pressurisée par une pompe est pulvérisée directement sur les têtes d'enroulements, assurant un refroidissement par impact perpendiculaire.
• Pulvérisation du rotor via un arbre creux : L'huile entre par une extrémité de l'arbre et se distribue grâce à la rotation ; c'est une solution courante dans les PMSM à enroulements hairpin.
• Refroidissement du rotor par canaux axiaux : Les canaux axiaux à l'intérieur du rotor transportent l'huile à proximité des points chauds des têtes d'enroulements.

La force centrifuge issue du rotor facilite le travail : les pièces en rotation agissent comme une pompe d'appoint pour distribuer l'huile vers les enroulements et le noyau. Dans une architecture hybride, la contribution de la pulvérisation d'huile à la capacité de refroidissement totale est d'environ 80 % - le reste étant principalement l'oeuvre du circuit d'eau.

Comment le type de moteur modifie la charge thermique : PMSM et asynchrone

La stratégie de refroidissement commence par une définition du problème différente selon le type de moteur. Dans le moteur synchrone à aimants permanents (PMSM), le champ magnétique du rotor est fourni non pas par induction, mais par des aimants encastrés dans le rotor ; les pertes du rotor sont très faibles, ce qui facilite la gestion thermique. La contrepartie est la sensibilité des aimants à la température : le rotor est la zone thermique la plus vulnérable du système et le risque de démagnétisation détermine les limites thermiques de la conception.

Dans le moteur asynchrone, comme le courant est induit dans le rotor, les pertes du rotor sont structurellement plus élevées et le rendement reste inférieur à celui du PMSM. En revanche, il n'existe pas de risque de démagnétisation des aimants du moteur ; les limites thermiques peuvent être gérées de manière plus souple. C'est là toute la logique d'ingénierie qui pousse certains constructeurs à choisir un PMSM performant sur l'essieu avant et un moteur asynchrone plus tolérant à la chaleur sur l'essieu arrière : chaque moteur est refroidi selon son propre caractère thermique.

Cette différence thermique est également déterminante dans le choix du fluide. Dans tout moteur dont le rotor et les aimants présentent un risque thermique, la valeur de l'huile capable d'atteindre les zones inaccessibles à la chemise d'eau augmente. Le fait que les moteurs refroidis par huile aient atteint une part de 50 % du marché des voitures électriques au premier semestre 2022 est le résultat concret de cette tendance ; la part de marché devrait continuer à augmenter, mais les moteurs à simple chemise d'eau devraient également conserver une place importante.

Comment fonctionne la plaque de refroidissement dans l'onduleur ?

Le composant le plus sensible à la chaleur de la chaîne de traction n'est pas le moteur, mais l'onduleur. Les interrupteurs en silicium IGBT ou en MOSFET SiC qu'il contient produisent de la chaleur à chaque ouverture et fermeture de l'ampère, et le budget thermique des semi-conducteurs est très étroit. C'est pourquoi les modules d'onduleur sont presque toujours refroidis par des plaques de refroidissement remplies d'eau/glycol.

Le principe de transmission est fondamental : les semi-conducteurs de puissance sont directement reliés à la plaque de refroidissement (de la pâte thermique est utilisée pour réduire la résistance de contact), la chaleur se transmet à la plaque par conduction et le liquide circulant dans les canaux de la plaque emporte cette chaleur et la transporte, à l'aide d'une pompe, vers l'échangeur de chaleur éloigné. Comme le liquide transporte la chaleur beaucoup plus vite que l'air, il est presque le seul choix en électronique de puissance compacte. La conception de la plaque de refroidissement des modules IGBT reste un enjeu clé dans l'amélioration des performances de l'onduleur.

Alors pourquoi l'onduleur n'est-il pas directement refroidi par huile ? La réponse tient toujours à la question de la conductivité et à la complexité du circuit : la question est à l'étude - les projets de consortium visant à refroidir le moteur et l'onduleur avec un seul fluide (comme SingleOilCnL réunissant Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens et Flanders Make) sont jugés prometteurs - mais on ne s'attend pas à ce qu'elle devienne la stratégie dominante dans un avenir proche. Aujourd'hui, l'architecture typique est hybride : l'huile diélectrique refroidit le rotor et le stator, puis transfère la chaleur à l'échangeur de chaleur vers le circuit eau/glycol ; le glycol alimente quant à lui la plaque de l'onduleur et le radiateur.

Pourquoi la différence entre puissance de pointe et puissance continue est-elle liée au système de refroidissement ?

La valeur en kW indiquée dans la brochure est la puissance de pointe : la sortie maximale du moteur sur une courte durée. La puissance continue, quant à elle, est la puissance que le moteur peut maintenir indéfiniment sans surchauffe, et la seule chose qui détermine l'écart entre les deux est la gestion thermique. Le système de refroidissement joue le rôle d'un tampon thermique : plus il refroidit efficacement, plus la puissance de pointe reste disponible longtemps et plus la puissance continue reste à un niveau élevé.

Concrétisons. Les données de deux moteurs industriels lourds aux dimensions extérieures similaires montrent clairement la différence :

Sur un moteur refroidi par eau, la température des bobinages peut dépasser la limite en une minute dans une longue côte ; le système réduit le couple (limitation thermique du couple) et, si nécessaire, le véhicule est contraint à une réduction de puissance. Le refroidissement par huile, en éliminant les résistances thermiques inutiles, améliore la performance continue : sur une rampe de 10 kilomètres avec une pente de 4 %, un moteur refroidi par huile conserve environ 20 % de puissance continue en plus et 37,5 % de couple continu en plus Cette différence est de taille à changer la décision d'achat pour ceux qui conduisent des camions ou des utilitaires lourds et non des trains interurbains - dans les situations où les longues rampes et les vitesses moyennes élevées sont une réalité.

Un refroidissement efficace présente aussi un avantage indirect : avec le même budget thermique, on peut concevoir un moteur plus petit et plus puissant, ce qui signifie des économies de poids et de coûts.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Le tableau résume les forces et les faiblesses des deux approches :

Le choix n'est en réalité pas une question de compétition, mais d'optimisation. Le refroidissement par huile et par eau ne doit pas être envisagé comme des alternatives l'une à l'autre, mais comme des réponses différentes pour des cycles de service différents : pour les profils de charge faibles et moyens, où le coût et la simplicité priment, la chemise d'eau est souvent suffisante. Dans les applications exigeant de longues rampes, des vitesses moyennes élevées et des régimes élevés, l'avantage du refroidissement direct par huile devient manifeste. De plus, un groupe motopropulseur refroidi par huile comporte généralement toujours un circuit eau/glycol - c'est ce circuit qui évacue finalement vers l'atmosphère la chaleur absorbée par l'huile et qui alimente également la plaque de l'onduleur.

En outre, la tendance à l'intégration renforce la position de l'huile : à mesure que le moteur et la transmission sont combinés dans un seul bloc, la résolution de la lubrification et du refroidissement du moteur avec un seul fluide devient une nécessité pratique. Dans la formulation des fluides, la gestion thermique est désormais considérée comme un critère de conception majeur aux côtés de la performance de lubrification.

Conclusion : Une comparaison de fluides, non, une comparaison d'implantation

La bonne manière de lire cette comparaison n'est pas de chercher un gagnant, mais de placer correctement les termes. L'eau est un meilleur liquide de refroidissement sur le papier ; l'huile est mieux positionnée dans la pratique - car c'est le seul fluide capable d'accéder au point où naît la chaleur. L'écart de température moyen de 10 °C, dépassant 14 °C dans les enroulements et grimpant jusqu'à 40 °C à haut régime, est le résultat d'une supériorité de contact, non d'une supériorité physique. Dans la prochaine génération de groupes motopropulseurs, le circuit eau/glycol restera encore un temps, mais la part de l'huile aux côtés de la source de chaleur continuera de croître. Lors du choix d'un moteur, ne regardez pas la puissance crête indiquée dans la brochure, mais la puissance continue et l'architecture de refroidissement qui la rend possible : c'est là que se cache la vraie performance.

Sources

• Comparaison des concepts de refroidissement couramment utilisés pour les moteurs de traction des VE
• La transition vers l'huile dans la gestion thermique des VE
• Comparaison des méthodes de refroidissement pour les moteurs électriques
• Comment choisir le bon moteur de camion électrique : refroidi par huile ou par eau
• Étude sur le refroidissement par pulvérisation d'huile de moteurs électriques à haute vitesse
• Gestion thermique dans les véhicules électriques | Technologie de refroidissement des moteurs électriques
• Une stratégie de refroidissement hybride par huile pour la gestion thermique des moteurs électriques
• Optimisation d'une structure de refroidissement par pulvérisation d'huile en rotation
• Revue de la conception structurelle du refroidissement direct par huile
• Injection d'huile dans le rotor, bobinage d'extrémité hairpin
• Refroidissement et performances dynamiques des moteurs de véhicules électriques
• Moteurs à induction ou à aimants permanents | Efficacité & Couple
• Analyse comparative des performances thermiques des moteurs à induction et PMSM
• Systèmes de refroidissement à plaque froide : Conception, optimisation
• Refroidissement avancé pour l'électronique de puissance
• Systèmes de refroidissement par huile pour les moteurs de traction des VE
• Bien que les voitures électriques n'aient pas besoin de pétrole, leurs moteurs nécessitent toujours de l'huile
• Le problème de l'échauffement des moteurs de VE et le refroidissement par huile