Le but est de pouvoir à terme disposer de « machines intelligentes » qui intègrent la conversion énergie électro-mécanique, électro-électrique ainsi que leur contrôle, tout en respectant des contraintes de taille, d’émissions, de fiabilités fonctionnelle et structurelle et d’éco-efficacité.
Proximité, intégré, intelligent : voilà les raisons techniques du projet CE2I.
Le carbure de silicium (SiC) permet un fonctionnement en haute température (>200°C) des convertisseurs de puissance. Cet élément placerait l’électronique de puissance dans des environnements très contraints jusqu’alors inaccessibles. L’aspect proximité apporte de nouvelles réflexions pour les industriels et les universitaires.
Réduire le volume des convertisseurs actuels : une priorité pour les acteurs de l’industrie aérospatiale, ferroviaire. Les composants de filtrage d’énergie occupent une place importante dans le volume d’un convertisseur, comme le montre l’illustration 1. Diminution du volume, du poids riment avec réduction du coût de production du système : le sujet intégré mobilise les débats.
Illustration 1 : Convertisseur à transistor SiC
L’avionique, l’éolien, l’hydrolien attachent une importance à la fiabilité structurelle et fonctionnelle. Le moteur électrique avec l’ensemble {convertisseur, contrôle-commande} doit garantir la meilleure robustesse, sûreté en cas d’échauffements, surintensités, aléas mécaniques. La machine tournante continuera de fonctionner en mode dégradé. Par conséquent, le convertisseur assurera la continuité de service malgré la panne, les avaries… et se reconfigurera sans intervention humaine, illustration 2. L’optique intelligence focalise le projet.
Illustration 2 : Système d’interconnexion machine
Pertinence du projet et retombées économiques :
Un enjeu économique important se jouera dans le domaine des normes. Sur le plan de la fiabilité, s’ouvre un champ applicatif nouveau pour lequel les normes sont inexistantes. Le projet constituera une opportunité de participer à l’élaboration de nouvelles normes dans ce secteur.
Pour des applications aussi variées que les systèmes de production décentralisée d’énergie, les motorisations de systèmes de transport, les grands systèmes industriels, la possibilité d’utiliser cette fonctionnalité intégrée de conversion d’énergie présente un intérêt considérable. Elle simplifie le processus de conception, garantit la compatibilité des systèmes les uns par rapport aux autres et par rapport à leur environnement, tout en assurant une fiabilité indispensable.
Les pressions sociétales pour l’émergence de convertisseurs d’énergie éco-efficients, pour l’augmentation des densités d’énergie, de puissances massiques et volumiques contribuent à tendre vers cette intégration. Il sera possible de concevoir des entités intelligentes simples à utiliser, de type « Plug & Play », et capable de fonctionner en réseau.
Enfin le projet donnera lieu à la réalisation de prototypes intermédiaires et d’un démonstrateur qui permettra de valider les possibilités d’intégration complète.
Ambitions du projet CE2I
Économie
- réduire les budgets impartis à l’activité maintenance/travaux neufs des exploitants de systèmes contrôle-commande,
- offrir un meilleur rendement énergétique, une flexibilité de fonctionnement et une continuité de service intrinsèque,
- abaisser les coûts d’exploitation des producteurs d’énergie renouvelable et donc de production du Mwh.
Territoire
- faciliter la participation de PME/ETI et appeler des soutiens high-tech,
- élaborer des qualifications machines et élaborer des normes étiquetées « fiabilité » et « éco-efficacité »,
- déposer des brevets liés aux travaux industriels,
- louer les prestations du banc de test démonstrateur,
- mutualiser les compétences multidisciplinaires de start up sur la région Hauts-de-France.
Scientifique
- accentuer et renforcer les partenariats public/privée R&D avec les grands groupes,
- participer à des programmes internationaux,
- recruter et former des chercheurs à cette thématique multidisciplinaire et intéresser les académiques de renom international.
Verrous technologiques à lever
Afin d’intégrer dans un unique convertisseur électrique, l’ensemble des fonctionnalités tout en assurant sa fiabilité, plusieurs verrous technologiques sont à lever :
- la maîtrise des problèmes de compatibilité électromagnétique induits par l’utilisation des composants rapides à faibles pertes,
- la maîtrise de l’évacuation de la chaleur produite dans cet environnement confiné,
- la conception de machines supportant des températures élevées,
- la maîtrise de la variété des stratégies induites par l’utilisation de dispositifs dotés de plus de degrés de liberté que ceux strictement nécessaires à la réalisation de leur fonction élémentaire,
- l’évaluation et la maîtrise du vieillissement des structures,
- la définition de la couche d’intelligence permettant à ces machines de coopérer en travaillant de façon interconnectée, avec une capacité de type « Plug & Play ».
Des avancées récentes en génie électrique permettent de relever ces défis grâce à l’émergence de :
- nouveaux composants électroniques de puissance rapides,
- aciers électriques hautes performances,
- processeurs rapides permettant l’utilisation de commandes plus sophistiquées,
- avancées sur les matériaux isolants.