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Garrett Motion
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09 octobre 2019

Promesses et défis technologiques de l’E-Turbo développé par Garrett-Advancing Motion

L'électrification des turbocompresseurs dont Garrett Advancing Motion est un pionnier offre de nouvelles perspectives au développement des moteurs hybrides, électriques et à piles à combustibles. Pierre Barthelet, Sr Vice President Marketing & Program Management nous détaille les bénéfices attendus du e-turbo et les défis technologiques que les ingénieurs ont dû relever pour y parvenir.


Nos remerciements à Olivier Rabiller (ECNantes) CEO de Garrett-Advancing Motion qui a rendu possible cet entretien.

Bonjour Monsieur Barthelet. Quel rôle joue Garrett Motion dans le développement des voitures électriques et hybrides ?
Garrett se positionne actuellement essentiellement sur les motorisations hybrides et pile à combustible à hydrogène. Les motorisations hybrides restent à ce jour la priorité des constructeurs automobiles avec lesquels nous travaillons. Contrairement aux effets d’annonce, la voiture 100 % électrique pour tous reste un objectif très long terme. Les points à régler sont encore trop nombreux pour parier sur sa démocratisation à grande échelle dans les prochaines années. Notamment la question du prix qui est prépondérante surtout si les États suppriment progressivement les subventions à l’achat, comme c’est le cas en Chine avec le retrait annoncé des aides à horizon 2020. Cela a déjà commencé en septembre dernier et l’effet sur les ventes fut immédiat avec un recul de près de 17 %. Au final, plutôt que de parler de voitures électriques pour les années à venir, il serait plus juste d’utiliser le terme de « voitures électrifiées » dans laquelle la propulsion est obtenue en combinant un moteur à combustion interne et un moteur électrique (alimenté sous une tension de 48 à 400V) et à une petite batterie donnant une autonomie allant jusqu’à 50 à 100km.

Tous ces éléments font que l’industrie automobile poussent aujourd’hui en faveur de l’hybride, une technologie où les turbos ont un rôle clef à jouer. Dans une configuration « classique », l’utilisation d’un turbo permet déjà d’optimiser la consommation de carburant du moteur à combustion interne, y compris dans une architecture hybride. Mais on peut aussi considérer un saut technologique avec l’électrification du turbo, qui peut ainsi jouer le rôle de générateur d’énergie pour le système hybride. Garrett est un pionnier de cette technologie qui est déjà utilisée en Formule 1.

Quels sont les défis technologiques en matière de moteur hybride auxquels sont confrontés aujourd’hui les ingénieurs chez Garrett ?
L’architecture hybride permet d’avoir une puissance électrique disponible qui peut être utilisée pour alimenter un turbo électrifié, appelé chez Garrett : E-Turbo. Un turbo est une machine tournante qui combine une turbine (partie motrice) entraînée par les gaz d'échappement et un compresseur (partie opératrice) montés sur un même axe. Dans l’E-Turbo, un moteur électrique est intégré dans le turbo, permettant d’assister la suralimentation ou de générer de l’électricité.

Le défi technologique se situe précisément sur ce point : être capable de placer un moteur électrique dans un environnement complexe et réduit où la partie chaude, (1000 degrés) et la partie froide, (100 à 200° selon le niveau de compression) ne sont séparés que de quelques cm. Pour ordre de grandeur, l’axe du turbo tourne à 200 000 tours par minutes voire 300 000 t/m dans le cas d’un petit turbo. Il faut ajouter à cela les vibrations du moteur. C’est dans cet environnement que Garrett a décidé de placer un moteur à aimant permanent d'une puissance électrique de 5 à 10 kw capable d’opérer jusqu’à 250 000 tours/minute. En comparaison, la fréquence fondamentale de rotation correspond à près de 4000 hertz. Ces hautes fréquences imposent de repousser les limites technologiques de la conception thermo-mécanique du moteur et de son contrôle électronique.

Dans le cas du contrôle électronique, il faut imaginer que si la fréquence de rotation est de 4000Hz, la fréquence de commutation peut atteindre 40 000 Hz. Il faut donc une électronique de puissance (MOSFET) ainsi qu'une stratégie de contrôle adaptés. Le défi technique réside également dans le design électromagnétique du moteur : pour atteindre ces vitesse de rotation, il faut un stator ayant une très faible inductance et donc des forts courants, imposant des contraintes importante sur l’électronique de puissance. Sans parler du palier (hydrodynamique ou roulement à billes) sur lesquels est monté l'axe, palier qui devra garantir la longévité de l'E-Turbo à des vitesses de rotation extrêmes. Enfin, dernier défi technique et non le moindre, il faut être capable de dissiper la chaleur émise par ce moteur électrique et de refroidir l'électronique, dans un environnement sous capot pouvant atteindre 150°C.


En quoi les turbo électriques jouent-ils un rôle dans la technologie fuel Cell ?
De la même façon qu’un moteur à combustion interne à besoin d’air pour mieux brûler le carburant, une pile à combustible a besoin d’oxygène pour le recombiner de façon électrochimique avec l’hydrogène et produire ainsi de l’électricité. C’est le processus inverse de l’électrolyse de l’eau. Au lieu de prendre une pile et de plonger les deux fils électrique dans de l’eau pour obtenir des bulles d’oxygène et d’hydrogène, dans une pile à combustible, on mélange de l’O2 avec de l’H2 en présence d’un catalyseur afin d’obtenir de l’eau et de l’électricité.

Le problème réside dans le fait qu’une pile à combustible a besoin d’encore plus d’air qu’un moteur à combustion interne. Garrett a donc développé des compresseurs d’air électriques d’une puissance 15 à 25kw. Mais pour que cela soit embarquable sur le véhicule, il faut que ces compresseurs soient extrêmement compacts. Cela implique des vitesses de rotation élevées, ce que permettent les moteurs haute vitesse développés pour le E-Turbo crées par Garrett. Par exemple, celui qui équipe la pile à combustion de la Honda Clarity, aujourd’hui sur nos routes, tourne à 100 000 tours/minute et peut monter jusqu’à 25kw de puissance.

La seconde génération sur laquelle nous travaillons actuellement pourra atteindre des vitesses très supérieures avec toujours l’ambition de réduire la taille des compresseurs et par la même occasion la quantité des matières nécessaires à sa fabrication comme le cuivre ou l’acier magnétique pour le stator, sans parler du rotor par exemple, qui coûtera lui aussi moins cher.

L’autre défi que nous posent les piles à combustion dans les voitures tient au fait que les catalyseurs qui participent à la réaction électrochimique entre l’O2 et le H2, ne supportent pas l’huile. Nous avons donc développé une technologie inspirée de celle qui existe déjà dans les avions : des paliers à air qui utilisent l’air comme fluide porteur et permettent de supporter l’axe en rotation.

Garrett est également impliqué dans la partie logicielle et sécurité. Sur quels sujets en particulier ?
Un des gros problèmes des constructeurs aujourd’hui est d’être en mesure de fournir aux garagistes les « outils » nécessaires pour identifier les problèmes à l’origine des pannes. L’ajout d’éléments électroniques dans les véhicules a grandement complexifié le travail de diagnostic. Et ce sera encore pire demain avec des motorisation hybrides complexes par exemple.

Le risque pour les constructeurs est de voir les coûts de garantie exploser, d’où leur intérêt pour des solutions logicielles qui s’appuient sur les informations données par les capteurs présents dans leurs véhicules : leur analyses permet de surveiller l’état des composants en vue de prévenir une éventuelle panne. Garrett a ainsi développé l’offre Integrity Vehicle Health Management.  Si la panne a eu lieu, cette solution permet alors de diagnostiquer rapidement le problème et d’y remédier sans risque d’erreur. Le jour où il n’y aura plus de conducteur derrière le volant, le pronostic des anomalies à venir va prendre encore plus d’importance. Une voiture autonome devra être en mesure de s’auto-diagnostiquer afin d’anticiper les pannes et rentrer d’elle-même au garage pour être réparée

Auteur

Sr Vice President Marketing & Program Management de Garrett-Advancing Motion

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