Terres rares et conversion de puissance : leur rôle dans les systèmes DCDC, DCAC et OBC

Quand on parle du « cœur » d’un véhicule électrique, les moteurs hautes performances volent souvent la vedette. Cependant, alimenter un véhicule électrique nécessite plus qu’un simple « cœur » solide. Un « réseau neuronal » et un « système circulatoire » tout aussi complexes et critiques fonctionnent silencieusement en arrière-plan – il s'agit du système électronique de puissance composé du convertisseur DCDC, du chargeur embarqué (OBC) et de l'onduleur (DCAC). Il est intéressant de noter que dans ce domaine dominé par les semi-conducteurs à base de silicium, les très ​éléments de terres rares​ qui confèrent aux moteurs leurs propriétés magnétiques exceptionnelles jouent également un rôle indispensable en coulisses.

Il ne s’agit pas des aimants eux-mêmes, mais plutôt de la recherche incessante de l’efficacité, de la stabilité et de la densité de puissance. À chaque point où l’énergie électrique doit être convertie avec précision, les caractéristiques uniques fournies par les matériaux de terres rares aident les ingénieurs à repousser les limites.

​1. Chargeur embarqué (OBC) : un partenaire de charge plus petit et plus rapide​

Votre OBC est l'appareil qui convertit le courant alternatif (AC) d'une station de recharge en courant continu (DC) requis par la batterie. Ses composants principaux sont des transformateurs et des inductances haute fréquence. Pour augmenter la vitesse de charge et réduire la taille de l'unité, les ingénieurs doivent augmenter continuellement la fréquence de fonctionnement de ces composants.

Mais des fréquences plus élevées entraînent généralement des pertes de cœur plus importantes, entraînant une génération de chaleur et une efficacité réduite. C’est là que les terres rares entrent en jeu. L'utilisation de matériaux magnétiques permanents de terres rares comme le néodyme fer bore (NdFeB) pour la compensation magnétique de polarisation, ou l'utilisation de matériaux magnétiques doux de terres rares hautes performances, peut supprimer considérablement la saturation magnétique à hautes fréquences et réduire les pertes. Cela signifie qu'un OBC peut atteindre une puissance nominale plus élevée dans une taille plus compacte, rendant la charge rapide plus efficace et plus fiable.

​2. Convertisseur DCDC : le « régulateur de tension » stable et fiable​​

Le convertisseur DCDC est chargé d'abaisser la haute tension de la batterie de traction (par exemple, 400 V ou 800 V) pour alimenter les systèmes basse tension du véhicule (12 V/48 V), y compris les lumières, l'infodivertissement et les unités de commande. Ce système doit être extrêmement stable et efficace.

Ici, la sensibilité à la température des éléments inducteurs utilisés dans le convertisseur est directement liée à la stabilité de l'ensemble du système. Certaines conceptions d'inducteurs utilisant des aimants permanents en samarium cobalt (SmCo) bénéficient de l'excellente stabilité en température du SmCo (ses propriétés magnétiques changent beaucoup moins avec la température que d'autres matériaux). Cela leur permet de fournir des valeurs d'inductance extrêmement stables sur une large plage de températures allant de -40°C à 150°C. Cela garantit que le convertisseur DCDC peut fournir une alimentation électrique propre et stable au réseau basse tension, que ce soit par temps glacial ou caniculaire, garantissant la sécurité absolue des systèmes électroniques du véhicule.

​3. Onduleur (DCAC) : le cœur d'un contrôle précis​

L'onduleur est l'élément clé qui convertit le courant continu (CC) de la batterie en courant alternatif (AC) nécessaire pour faire fonctionner le moteur. Il détermine directement la réponse en couple du moteur et la précision du contrôle de vitesse. Les limites de performances d'un onduleur sont souvent limitées par la vitesse de commutation et la capacité de traitement du courant de ses modules de puissance internes (tels que les IGBT ou les MOSFET SiC).

Sur la voie de la recherche de fréquences de commutation plus élevées et d’un courant plus élevé, la dissipation thermique constitue l’un des plus grands défis. Bien que les terres rares ne soient pas utilisées directement dans les puces semi-conductrices, dans certaines solutions avancées de gestion thermique, des matériaux d'interface thermique ou des céramiques contenant des éléments de terres rares sont utilisés dans le boîtier des modules d'alimentation et les dissipateurs de chaleur en raison de leur excellente conductivité thermique. Cela aide les composants centraux à dissiper rapidement la chaleur, permettant ainsi à l'onduleur de maintenir une puissance de sortie maximale.

​Conclusion : synergie au niveau du système​

Chez PUMBAA, nous comprenons que le groupe motopropulseur d'un véhicule électrique est un système hautement intégré. Notre compréhension des matériaux de terres rares s'étend au-delà de la fabrication de puissants moteurs à aimants permanents pour englober l'ensemble du flux et de la conversion de l'énergie électrique. En comprenant et en appliquant les avantages uniques des terres rares en termes de propriétés magnétiques et thermiques, entre autres, nous pouvons obtenir les résultats suivants dans les systèmes DCDC, OBC et DCAC :

​Densité de puissance plus élevée, rendant les composants plus compacts et plus légers.

​Adaptabilité plus large de la température, améliorant les performances dans tous les climats.

​Efficacité électrique supérieure, prolongeant ainsi l’autonomie.

Il ne s’agit pas seulement de sélectionner les meilleurs matériaux ; il s'agit de la façon dont ces matériaux travaillent ensemble en synergie au sein d'un système complet pour obtenir un effet « 1+1>2 ».

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