La nouvelle BMW i3 associe deux moteurs qui ne créent pas leur champ magnétique de la même manière. À l’arrière, un moteur synchrone à excitation électrique. À l’avant, une machine asynchrone dont le fonctionnement exige un « glissement ». Derrière ces termes se trouve un choix d’ingénierie qui touche au rendement, au poids et au coût de la propulsion électrique.

Le glissement dont il est question ne concerne ni les pneus ni une pièce qui patinerait dans la transmission. Il désigne une différence de vitesse à l’intérieur du moteur, entre son rotor et le champ magnétique qui l’entraîne. Sans cet écart, le moteur asynchrone ne peut pas produire son couple par induction.

La nouvelle BMW i3 offre un exemple concret de cette particularité physique. Ses versions 40 xDrive et 50 xDrive possèdent chacune deux moteurs électriques, un sur chaque essieu. Mais BMW n’a pas simplement installé deux exemplaires d’une même machine : le moteur arrière est synchrone, celui de l’avant asynchrone.

Tous deux transforment de l’énergie électrique en mouvement. La manière d’y parvenir diffère suffisamment pour que le constructeur les associe au sein de sa sixième génération de propulsion électrique, baptisée Gen6.

À l’arrière, un électroaimant suit le champ tournant

Pour comprendre cette association, il faut distinguer deux éléments. Le stator est la partie fixe du moteur. Le rotor est la partie mobile, dont la rotation est transmise aux roues par un réducteur. Les interactions électromagnétiques entre ces deux ensembles permettent de produire le couple moteur.

Sur l’essieu arrière de l’i3, BMW emploie un moteur synchrone à excitation électrique, désigné par le sigle EESM. Les bobinages du stator, alimentés en courant alternatif triphasé, créent un champ magnétique tournant. Le rotor possède ses propres bobinages, alimentés en courant continu, qui le transforment en électroaimant.

En fonctionnement synchrone, le rotor tourne à la même vitesse que le champ tournant du stator. Le terme décrit cette relation entre deux vitesses à l’intérieur de la machine, et non une synchronisation entre les roues avant et arrière.

L’excitation électrique permet d’ajuster l’intensité du champ magnétique du rotor. BMW explique notamment pouvoir réduire ce champ lorsque la demande est faible afin de limiter certaines pertes, puis adapter l’excitation aux sollicitations plus importantes.

Cette architecture se distingue d’un moteur dont le rotor utilise des aimants permanents. Elle ajoute un paramètre de commande : le courant d’excitation. Celui-ci doit toutefois être fourni et provoque lui aussi des pertes électriques dans les bobinages. L’enjeu consiste donc à trouver le meilleur réglage pour chaque situation, plutôt qu’à maximiser en permanence le champ magnétique.

BMW réserve cette machine à l’essieu arrière, qu’il présente comme l’essieu moteur principal de l’i3.

Crédit : BMW

À l’avant, le rotor doit rester en décalage

Le moteur avant utilise une autre solution. Il s’agit d’une machine asynchrone, également appelée moteur à induction, désignée par le sigle ASM.

Son rotor comporte une cage conductrice. Dans la description fournie par BMW, celle-ci est constituée de barres en aluminium reliées par des anneaux de court-circuit. Le courant nécessaire à la création du champ magnétique du rotor n’est pas apporté par une alimentation d’excitation dédiée : il est induit par le champ tournant du stator.

Cette induction exige un mouvement relatif. Lorsque la machine fonctionne en moteur, son rotor tourne moins vite que le champ tournant. C’est ce décalage, appelé glissement, qui permet d’induire les courants dans la cage et de produire le couple. Si le rotor atteignait exactement la vitesse du champ, ce mécanisme ne pourrait plus entretenir le couple dans le modèle idéal.

Le mot peut évoquer une perte d’adhérence ou un défaut mécanique. Il décrit ici une condition normale de fonctionnement. Le moteur asynchrone produit son effort grâce à cette différence de vitesse ; le synchrone fonctionne avec un rotor qui suit le champ tournant.

Cela ne signifie pas que les roues avant doivent tourner moins vite que les roues arrière. Chaque moteur possède sa commande électrique et son rapport de réduction. Le glissement se mesure par rapport au champ magnétique de la machine concernée.

Crédit : BMW

Deux architectures pour répartir les compromis

Pourquoi associer ces deux technologies ? BMW met en avant la capacité de réglage et le rendement de sa machine arrière, tandis que le moteur asynchrone avant apporte une solution compacte et économiquement intéressante. Cette répartition fait partie de la conception Gen6 déjà présentée pour les modèles Neue Klasse.

Dans les deux versions de l’i3, le moteur avant est donné pour 123 kW, soit 167 ch. Le moteur arrière développe 195 kW dans la 40 xDrive et 240 kW dans la 50 xDrive. Les puissances maximales annoncées pour les ensembles complets atteignent respectivement 275 kW, soit 374 ch, et 345 kW, soit 469 ch.

L’intérêt de l’association ne se limite cependant pas à la puissance maximale. Une voiture alterne démarrages, circulation à faible charge, accélérations et récupération d’énergie. Le rendement d’une machine électrique varie avec sa vitesse de rotation et le couple demandé. La commande de l’ensemble doit tenir compte de ces changements.

L’onduleur joue ici un rôle central. Il transforme le courant continu de la batterie en courant alternatif adapté aux moteurs et pilote leur alimentation. Pour sa machine synchrone Gen6, BMW indique avoir revu le rotor, le stator, l’électronique et le refroidissement. L’onduleur utilise notamment des semi-conducteurs en carbure de silicium et s’intègre à l’architecture 800 V.

L’efficacité finale dépend donc d’un ensemble de choix. Les documents disponibles ne fournissent pas les cartes de rendement ni une comparaison permettant d’isoler le bénéfice du seul moteur asynchrone avant. Ils décrivent une architecture et ses objectifs, sans démontrer qu’elle serait supérieure à toutes les autres dans chaque condition d’utilisation.

Source: DR

Des pertes réduites de 40 % ne donnent pas 40 % d’autonomie en plus

BMW accompagne cette génération de propulsion de trois chiffres : 40 % de pertes énergétiques en moins, 20 % de coûts en moins et une baisse de masse de 10 %, par rapport à une configuration xDrive de génération précédente. Le constructeur rattache ces gains aux évolutions de l’ensemble de propulsion, comprenant les machines électriques, l’électronique et la gestion thermique.

Le premier chiffre demande une lecture attentive. Une réduction des pertes ne correspond pas à une réduction identique de toute l’énergie consommée.

Prenons un exemple purement pédagogique, qui ne décrit pas une mesure BMW. Un système reçoit 100 unités d’énergie, en transforme 90 en énergie mécanique utile et en perd 10. Si ses pertes diminuent de 40 %, elles passent de 10 à 6 unités. Pour la même énergie reçue, il fournit désormais 94 unités utiles : son rendement passe de 90 à 94 %, soit un gain de quatre points.

À l’échelle de la voiture, d’autres éléments interviennent encore : résistance de l’air, roulement des pneumatiques, masse, température et consommation des équipements. Les 912 km WLTP maximaux annoncés pour l’i3 50 xDrive, équipée d’une batterie de 108,7 kWh utiles, ne peuvent donc pas être attribués à la seule association de ses moteurs.

Le choix de BMW illustre plutôt la précision du travail d’optimisation. Le rotor arrière suit son champ tournant ; celui de l’avant doit conserver un décalage avec le sien lorsqu’il produit du couple. Deux fonctionnements différents, que l’électronique doit coordonner pour obtenir l’effort demandé tout en limitant l’énergie perdue.