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Fiabilité moteurs électriques & électronique de puissance

Picto électrification des véhicules

Enjeux

Réduire le coût de production avec une maîtrise la plus précise possible de la durée de vie des sous-ensembles les plus innovants des véhicules électriques et hybrides. Il faut satisfaire des garanties de plus en plus longues, certains constructeurs garantissent jusqu’à 8 ans, ceci dès la première sortie commerciale, exigence du marché automobile international.

Les composants de puissance mettent en œuvre des technologies dans un contexte d’innovation continue pour réduire les coûts, réduire la maintenance et maîtriser les modes de défaillance, lesquels impactent les performances et la sécurité du véhicule (véhicule autonome).

Les connaissances précises des indicateurs et modes de défaillance de ces nouvelles technologies sont structurantes dès le choix de la topologie, pour une conception qui fait qu’un véhicule est performant à un coût de production maîtrisé.

L’industrie française ne produit pas de semi conducteurs de puissance pour le niveau traction, à ce jour les leaders sont Allemands et Japonais, mais l’industrie française peut proposer des concepts d’intégration innovants, l’évaluation expérimentale de la durée de vie sous contraintes d’usage sera une étape incontournable avant industrialisation.

Thèmes de recherche

  • Évaluer et prédire la durée de vie des nouvelles technologies d’intégration de l’électronique de puissance (type de semi conducteurs et technologie d’assemblage) dans les conditions d’usage automobile (intégration véhicule, environnement, profil de mission…),
  • Comparer les technologies sur la base d’essais de référence (PCT, TC),
  • Proposer de nouveaux protocoles et bancs d’essais (exemple d’essais combinés PCT-TCT), former les compétences au meilleur niveau européen,
  • Identifier et comprendre les mécanismes de défaillance pour de nouvelle conception système durable et sûre,
  • Proposer de nouveaux outils de diagnostics et de prévision des défaillances dans les conditions d’usage.

Description du projet

L’approche usuelle de l’évaluation de la fiabilité automobile utilise les normes qualité Automotive Electronics Council (AEC Q100, Q200) qui définissent les conditions d’essai à appliquer pour les composants électroniques et pour les circuits imprimés. Cette méthode est basée sur un critère statistique de conformité, elle nécessite des résultats d’essais sur une grande quantité de composants. L’approche choisie dans par tous les spécialistes des composants de forte puissance à fort niveau d’intégration est expérimentale et consiste dans l’identification des paramètres indicateurs de vieillissement et de défaillance. Or dans le cadre du développement d’une nouvelle technologie, contexte actuel d’une innovation continue et compétitive, il est important pour maîtriser la durée de vie du système de connaître dans quelles conditions les défauts apparaissent et de mener des essais jusqu’à l’obtention de défaillances.

Le projet “Fiabilité Electronique de Puissance“ réalise des essais sur des démonstrateurs technologiques issus de processus de fabrication mature, sur lesquels on applique des cycles de contraintes générant une fatigue thermo-mécaniques liées à l’empilage des différents matériaux internes constituant le ce module de puissance (semiconducteurs, conducteurs, isolants), correspondant aux conditions d’usage, soient environnementale et conduite du véhicule:

  • Des cycles thermiques générés via l’interface thermique, le module de puissance est passif, “Thermal Cycling Tests“ (TCT),
  • Des cycles thermiques générés par les semi conducteurs, le module de puissance est actif, “Power Cycling Tests“ (PCT),
  • Des cycles combinés très représentatifs des profils de missions spécifiques des véhicules, lesquels pourront être paramétrés selon le mode d’usage, le type de véhicule, un environnement climatique particulier.

Les niveaux et le nombre de cycles de ces contraintes sont représentatifs des conditions d’usage envisagées, les conditions d’essais sont accélérées par l’amplitude des contraintes dans la plage d’usage prévue, et par la fréquence des cycles maintenus 24h/24h. La durée d’un essai type, TCT, PCT ou combiné est estimée à quelques mois.

 L’ensemble des données acquises permettent d’abord un premier niveau de comparaison des performances des différentes technologies à conditions d’essais comparables, puis à un niveau d’analyse approfondi elles permettent d’établir une loi de comportement dans une plage d’usage plus ou moins restreinte à l’aide de simulation utilisant des modèles jusqu’à une complexité 3D avec les partenaires académiques de VEDECOM. Ces travaux de modélisation peuvent permettre d’extrapoler et voir prédire le comportement en durée de vie dans des conditions d’usage paramétrables, ces travaux permettent aussi de valider des technologies d’assemblages originales pour une intégration de conception innovante et adaptée à la production de masse de l’industrie automobile.

Perspectives

  • Disposer d’une plateforme expérimentale reconnue au moins au niveau européen pour les essais et analyses de défaillance, couplée à une plateforme de calcul numérique pour l’optimisation de la durée de vie des technologies d’intégration et de conception système, bénéficiant des compétences et apportant des services au réseau des partenaires VEDECOM,
  • Établir une base de données de résultats expérimentaux de durée de vie et de mode de défaillances des différentes technologies d’intégration de puissance pour la traction et la recharge rapide automobile représentative conditions d’usages.
  • Prendre en compte les comportements des composants passifs dans les systèmes à forte intégration mécatronique,
  • Proposer une solution de maintenance prédictive basée sur l’évolution des paramètres indicateurs de défaillance.

Partenaires associés

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