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Recharger son véhicule en roulant sur l’autoroute : plus une fiction ?!

Le moteur-roue sans fil révolutionne la voiture électrique

Reportage, texte, photos / Rédaction JQR Traduction / Vélonique Pruha

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Véhicule expérimental aux roues arrière équipées d’un moteur-roue sans fil

Hiroshi Fujimoto
Professeur agrégé de la Graduate School of Frontier Sciences de l’université de Tokyo. Président du comité des technologies électromotrices de la Société Japonaise des Ingénieurs de l’Automobile (JSAE). Ses recherches portent notamment sur
l’ingénierie des systèmes de contrôle, le contrôle de mouvement, le contrôle du mouvement des véhicules électriques, le contrôle haute performance des moteurs et convertisseurs, ainsi que l’alimentation électrique sans fil.

 Le moteur-roue est une des technologies utilisées dans la conception des véhicules électriques. Avec cette technologie, qui intègre un moteur de traction à l’intérieur de chacune des roues, plus besoin d’arbre de transmission ou de différentiel. Son inconvénient ? Les câbles qui alimentent le moteur en énergie électrique depuis la batterie : peu robustes, leur rupture en marche entraîne une perte totale du contrôle du véhicule. Un groupe de chercheurs s’est rassemblé autour de la Graduate School of Frontier Sciences de
l’université de Tokyo pour travailler au développement
d’un moteur-roue sans fil permettant de résoudre cette problématique.
Le 4 août, nous avons assisté à un essai du dispositif.

Kashiwa, dans le département de Chiba. Un véhicule électrique aux roues arrière équipées de moteurs-roues sans fil attend sur le circuit de test du campus de la Graduate School of Frontier Sciences de l’université de Tokyo. Le pilote, une fois installé, appuie sur l’accélérateur et le véhicule, à l’apparence bien peu raffinée avec son dispositif moteur exposé, avance en douceur. Sa vitesse est limitée à 30 km/h à l’intérieur du campus universitaire et son moteur électrique est extrêmement silencieux. Rien
d’inhabituel dans la conduite de cette voiture.
Mais une fois la voiture arrêtée, un examen de son dispositif de traction révèle un espace de la taille d’un poing entre les essieux et le châssis. Outre les articulations qui soutiennent les essieux et la suspension, on n’y trouve aucun des câbles qui normalement connectent le tout à la caisse de la voiture. Ce « vide » est tout sauf naturel : comment le moteur peut-il tourner
s’il n’est relié à rien ? Hiroshi Fujimoto, chef de projet et professeur agrégé, nous fait savoir qu’en augmentant la tension, le véhicule peut monter à 75 km/h. C’est donc vrai : le transfert
d’une énergie électrique assez puissante pour faire rouler une voiture a bien lieu, et ce sans fil.

試験場でのワイヤレス インホイールモータ搭載車の走行試験の様子。通常の自動車よりも音は静かで走りもなめらか。

Une course test du véhicule équipé du moteur-roue sans fil sur un circuit d’essai. Sa conduite est plus silencieuse et souple qu’un véhicule conventionnel.

Les avantages du moteur-roue

Caractéristiques techniques du moteur-roue sans fil
Puissance maximale 6,6 kW (deux roues arrière)
Vitesse maximale 40km/h※
Accélération maximale 0.14G
Fonctionnalités Possibilité de fonctionnement générateur

※ En fonction du paramétrage de la tension du moteur, le véhicule peut rouler jusqu’à 75 Km/h.Une vitesse maximale de 105 km/h est possible si les quatre roues sont équipées.

La recherche et le développement du moteur-roue pour voiture électrique, un dispositif intégrant le moteur à l’intérieur des roues, n’ont rien de nouveau. En effet, cette technologie présente
l’avantage d’une forte efficacité énergétique, car elle permet de transmettre la force motrice directement à la roue. Le contrôle de chacune des quatre roues en fonction des circonstances entraîne une diminution de la consommation
d’électricité et une meilleure autonomie, et remédie aux problèmes de dérapage.

Très prometteuse en termes de sécurité et d’énergie, il n’est pas exagéré de la qualifier de technologie du futur.
Deux problématiques ont néanmoins pendant longtemps entravé la mise en application du moteur-roue : la rupture des câbles d’alimentation électrique entre la batterie et le moteur et des conducteurs de signaux.

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C’est une évidence : la première exigence dans le domaine automobile est la sécurité. Pour cette raison, les composants automobiles doivent avoir une durabilité de plus de 10 ans. De ce point de vue, les câbles manquent certainement de robustesse. Les roues de la voiture en marche ont des mouvements irréguliers dus au relief cabossé des chaussées et subissent des impacts de cailloux. Elles doivent négocier sans problème l’asphalte gelé par la neige et brûlé par le soleil. Il est extrêmement difficile de développer des câbles dont on peut garantir qu’ils ne subiront aucune rupture, même dans des conditions extrêmes.

Les moteurs-roues conventionnels étaient reliés à la batterie par l’intermédiaire de câbles. Ces câbles présentaient un risque de rupture en raison des mouvements violents des roues, ce qui empêchait leur mise en application dans les véhicules courants. Les moteurs-roues sans fil ont résolu cette problématique en éliminant les câbles et en créant un transfert électrique sans fil par l’intermédiaire de bobines d’émission et de réception.

Quand ce sujet est abordé, Hiroshi Fujimoto se demande pourquoi ne pas, alors, éliminer les câbles. Si, tel
l’Internet dans un réseau wifi,
l’électricité peut sauter de la batterie au moteur-roue, plus besoin de câbles !
Il s’adresse alors à Takehiro Imura, un maître de conférences effectuant des recherches sur le transfert d’électricité sans fil, et avec la coopération de Toyo Denki et de Nippon Seiko (NSK), la R&D sur le moteur-roue sans fil démarre à l’automne 2012.

(左)タイヤから出た銀色の部分に従来の自動車の駆動装置がコンパクトに集約されている。(右)送電コイルと受電コイルの間は約10センチの距離がある。このコイルのまわりに磁界を生成しているが、まわりの金属部分からの悪影響がないように設計している。

(A g.) Dans la partie argentée qui dépasse du pneu est concentrée l’intégralité du dispositif moteur des véhicules conventionnels. (En h.) Entre les bobines d’émission et de réception, un espace de 10 cm. Un champ magnétique se forme autour de ces bobines, mais le système est conçu pour éliminer tout impact négatif sur les parties métalliques.

Couplage à résonance magnétique et convertisseur SiC

Au terme de maintes vicissitudes typiques des activités de recherches, un prototype voit le jour, et le 18 mai 2015 a lieu un test de conduite et une conférence de presse auxquels de nombreux médias se ruent.
La caractéristique la plus remarquable de la technologie dévoilée ce jour-là est qu’elle permet de transmettre sans fil
l’énergie nécessaire pour faire rouler une voiture. Cette technologie existait déjà pour les véhicules électriques à
l’arrêt et permettait la transmission
d’électricité sans fil vers la batterie. Mais comme le souligne Hiroshi Fujimoto,
« là, on parle de la transmission
d’électricité de la caisse aux roues
d’un véhicule en marche, cette électricité faisant tourner un moteur.

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Des recherches ont commencé concernant un système direct d’alimentation en électricité du moteur-roue sans fil à partir de bobines
d’alimentation incorporées à la chaussée autoroutière.

C’est d’un niveau de difficulté nettement supérieur ! ».
Deux technologies ont permis cette concrétisation : le transfert d’électricité par couplage à résonance magnétique, et les convertisseurs au carbure de silicium (SiC).

Notons tout d’abord qu’en raison de
l’irrégularité des mouvements des roues pendant la marche du véhicule, comme nous l’avons vu précédemment, les positions des bobines émettrices et réceptrices se décalent constamment. L’utilisation de la technologie dite de couplage à résonance magnétique, objet des recherches du professeur Imura, a permis de résoudre ce problème. Des condensateurs placés côtés émetteur et récepteur produisent une résonance et donnent lieu à une transmission d’électricité d’une efficacité supérieure à 90%, même si la distance entre les bobines dépasse les 10 cm.
Par ailleurs, si l’alimentation en électricité est ne serait-ce que légèrement supérieure à l’électricité utilisée par le moteur, l’électricité excédentaire s’accumule dans le condensateur dont la tension augmente.
Quand, à l’inverse, l’électricité fournie est inférieure à celle utilisée, la tension dans le condensateur baisse et la voiture s’immobilise. En d’autres termes, c’est une juste quantité d’électricité qui doit être fournie, ni trop, ni trop peu, et ce à tension constante. Un problème réglé grâce à l’utilisation d’une technologie qui permet de contrôler la réception avec un circuit à condensateurs SiC.
Les véhicules électriques sont de plus équipés de freins pourvus d’un mécanisme de récupération de l’énergie produite en phase de décélération.
L’électricité ainsi produite doit être envoyée à la caisse du véhicule.
L’utilisation de circuits symétriques côtés émetteur et récepteur permet une transmission de l’énergie électrique dans les deux sens.

Une plus grande autonomie des véhicules électriques grâce au sans fil

Le noyau dur de l’équipe de développement. « L’université de Tokyo n’a pas fait cavalier seul.
C’est une équipe de développement conjoint qui s’est formée avec des acteurs de
l’industrie comme Toyo Denki et NSK, et c’est ce qui a rendu possible le fonctionnement
sur véhicule réel ». (H. Fujimoto)

« Une fois perfectionnée, la technologie du moteur-roue sans fil permettrait de recharger la voiture en marche depuis des bobines d’alimentation incorporées dans la chaussée. Si on arrive à le concrétiser, on pourra rouler indéfiniment, à condition bien sûr
d’avoir suffisamment chargé la batterie au départ pour couvrir la distance entre le domicile et l’entrée de l’autoroute. »
Le rechargement sans fil depuis la chaussée, tel qu’Hiroshi Fujimoto le décrit, est une technologie suivie avec un intérêt grandissant. Le gouvernement britannique a d’ailleurs annoncé la réalisation d’un essai de vérification dans le courant de cette année. Des expérimentations fondamentales ont
d’ores et déjà eu lieu au Japon, et la Corée du Sud fait circuler un bus expérimental sur une section de route dédiée à cet effet.
Avec cette technologie qui réussit à contrôler le transfert d’électricité même dans les cas de fort décalage des positions relatives des bobines de transmission et de réception, les véhicules électriques devraient entrer dans une nouvelle ère. Ses évolutions à venir sont à suivre de très près.

Graduate School of Frontier Sciences
de l’université de Tokyo
Laboratoire des professeurs
Hori et Fujimoto
Université de Tokyo,
campus de Kashiwa

Chiba-ken, Kashiwa-shi,
Kashiwa-no-ha 5-1-5
Tél: 04-7136-3873(Laboratoire)
http://hflab.k.u-tokyo.ac.jp/

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