Onduleur

L'onduleur est le module d'électronique de puissance qui s'intercale entre la batterie haute tension d'un véhicule électrique et son moteur d'entraînement, et il constitue sans doute le cerveau du groupe motopropulseur. Sa mission première est de convertir le courant continu stable stocké dans la batterie en courant alternatif d'une fréquence et d'une amplitude précisément ajustées pour faire tourner le moteur à la vitesse et au couple demandés. Comme les moteurs de véhicules électriques sont presque toujours des machines à courant alternatif alors que les batteries ne peuvent stocker que du courant continu, la voiture ne pourrait pas avancer sans cette conversion.

À l'intérieur, l'onduleur recourt à des batteries d'interrupteurs électroniques rapides, historiquement des IGBT au silicium, de plus en plus des MOSFET au carbure de silicium, disposés en trois paires, une par phase du moteur. Une unité de commande ouvre et ferme ces composants plusieurs milliers de fois par seconde, selon une technique de modulation de largeur d'impulsion qui découpe le courant continu en une série d'impulsions dont la moyenne dessine une onde sinusoïdale régulière. En faisant varier la fréquence de cette onde synthétisée, l'onduleur fixe la vitesse du moteur, et en faisant varier son amplitude et son déphasage par rapport au rotor, il fixe le couple, le tout en réponse à la pédale d'accélérateur.

Pour le conducteur, cela se traduit directement par la réponse fluide et sans boîte de vitesses qui caractérise les voitures électriques. Une pression sur la pédale réclame davantage de courant à l'onduleur ; celui-ci s'exécute en quelques millisecondes, ce qui explique pourquoi les véhicules électriques délivrent un couple instantané et n'ont besoin ni d'embrayage ni de transmission à plusieurs rapports. L'onduleur gère aussi le moteur en continu pour le maintenir dans ses limites de température et de courant sûres, protégeant la chaîne de traction tout en tirant le maximum de performance et d'efficacité d'une charge de batterie donnée.

L'onduleur est bidirectionnel, et c'est ce qui rend le freinage régénératif possible. Lorsque le conducteur lève le pied ou freine, le moteur est autorisé à se comporter en génératrice, et l'onduleur fonctionne à l'envers : il reçoit le courant alternatif produit par le moteur en rotation et le redresse en courant continu pour recharger la batterie, tout en exerçant un effet de freinage sur les roues. Le même matériel sert ainsi à la fois à propulser la voiture et à récupérer une énergie qui serait autrement perdue en chaleur dans les freins à friction.

Le choix des semi-conducteurs est le facteur dominant de la performance des onduleurs modernes. Les composants au carbure de silicium commutent plus vite et dissipent moins d'énergie sous forme de chaleur que les anciennes pièces au silicium, ce qui relève le rendement de quelques pour cent, autorise des tensions de fonctionnement plus élevées comme les architectures en 800 volts, et réduit l'encombrement comme les besoins de refroidissement de l'unité. Ces gains se traduisent directement par une plus grande autonomie et une gestion thermique plus rapide. Partenaire étroitement accordé au moteur comme à la batterie, l'onduleur se comprend mieux comme un élément d'un système d'entraînement intégré que comme un boîtier isolé, et sa puissance nominale en kilowatts fixe en pratique le plafond de puissance de la voiture.