À l’occasion de sa journée mondiale de la technologie à Friedrichshafen, ZF présente le véhicule électrique EVbeat, conçu pour être le plus compact possible, le plus léger possible et le plus efficace possible en conditions réelles d’utilisation. Dans ce véhicule, les composants d’une transmission électrique ont été optimisés et combinés en un système global. Il s’agit notamment d’une chaîne cinématique légère et ultracompacte de 74 kilogrammes avec une densité de couple de 70 Nm/kg, d’une gestion thermique globale et d’un logiciel de chaîne cinématique en réseau dans le nuage. À des températures proches du point de congélation, l’autonomie en conditions réelles augmente d’un tiers par rapport à la technologie actuelle.

« La mobilité durable est au cœur de notre stratégie d’entreprise », a expliqué Stephan von Schuckmann, membre du conseil d’administration de ZF responsable, entre autres, des systèmes de transmission électrifiés. « Sur la base d’un véhicule de production extrêmement efficace, nous montrons le potentiel qu’offrent les futurs composants de la transmission électrique lorsque nous les combinons dans un système global encore plus efficace. »

Le véhicule concept ZF EVbeat est basé sur une Porsche Taycan et prend pour référence la technologie de série de pointe de ZF et d’autres acteurs du marché.

« Notre objectif était de rendre cet entraînement aussi compact et léger que possible tout en conservant une dynamique de conduite élevée et en augmentant l’efficacité en fonctionnement réel », a déclaré le Dr Otmar Scharrer, responsable du développement des systèmes de transmission électrique chez ZF. « En termes de densité de couple, nous sommes sur la plus haute marche du podium lorsque nous nous comparons aux transmissions électriques pour voitures particulières actuellement disponibles sur le marché. Dans le même temps, nous avons accordé une grande attention à l’aspect de la durabilité au cours du développement. » Le moteur électrique fonctionne sans éléments lourds à base de terres rares et le système de gestion thermique n’utilise pas de réfrigérant à base de fluor. Le nombre réduit de composants et la réduction globale du poids du système – d’un tiers pour le moteur électrique et le système de gestion thermique – contribuent doublement à une plus grande durabilité, tant au niveau de la production que de l’exploitation.

EVSys800 : variateur 800 volts ultra-compact et léger
L’EVSys800 est un variateur modulaire de 800 volts composé d’une électronique de puissance au carbure de silicium, d’un moteur électrique et d’un réducteur. Malgré sa conception extrêmement compacte et son poids léger, l’EVbeat ne lésine pas sur les performances : le véhicule conceptuel dispose d’un couple maximal de 5 200 Newton-mètres sur l’essieu arrière, avec une densité de couple unique pour une voiture de tourisme homologuée, de 70 Newton-mètres par kilogramme. La puissance continue et la puissance de pointe du moteur électrique sont respectivement de 206 et 275 kilowatts – ZF atteint ainsi une puissance continue d’environ 75 % de la puissance de pointe.

En termes de dimensions, la transmission gagne 50 millimètres en largeur grâce au réducteur compact et à la technologie « Braided Winding » brevetée par ZF pour le moteur électrique, ce qui permet un montage coaxial peu encombrant sur l’essieu moteur.

Avec un poids total de 74 kilogrammes, l’EVSys800, normalisé à la même puissance que le dernier moteur ZF de la série 800 volts, est plus léger d’environ 40 kilogrammes, soit un tiers, et contribue ainsi de manière significative à l’allègement du véhicule conceptuel.

Le moteur électrique, doté d’un nouveau concept de refroidissement et d’une nouvelle technologie de bobinage, joue un rôle essentiel à cet égard. Pour le refroidissement, ZF permet à l’huile de circuler directement autour des tiges de cuivre, exactement à l’endroit où la chaleur est la plus importante pendant le fonctionnement. Ce refroidissement très efficace augmente considérablement les performances pour un poids et un espace d’installation identiques. En outre, l’utilisation d’éléments lourds à base de terres rares peut être supprimée et le moteur électrique peut être produit de manière plus durable. La technologie du « bobinage tressé », développée et brevetée par ZF, est une évolution du bobinage ondulé et permet de réduire l’espace d’installation de 10 % au total. La tête d’enroulement à elle seule est jusqu’à 50 % plus petite qu’avec les approches conventionnelles. Cela permet d’économiser environ 10 % de cuivre.

L’onduleur de l’entraînement électrique a été fondamentalement repensé. Tous les composants essentiels ont été fondamentalement revus. Des améliorations significatives ont été réalisées dans chacun des domaines de la compatibilité électromagnétique, des modules de puissance et des condensateurs en termes d’espace d’installation, de poids et de durabilité.

Un nouveau réducteur coaxial transmet les forces d’entraînement du moteur électrique par l’intermédiaire de deux trains d’engrenages planétaires. Ceux-ci génèrent non seulement le rapport de transmission final souhaité, mais assurent également la fonction de différentiel entièrement intégrée. Par rapport aux concepts de décalage conventionnels, dans lesquels les arbres d’entrée et de sortie ne sont pas sur le même axe, la solution coaxiale réduit le poids et l’espace d’installation nécessaire sans compromettre l’efficacité, le bruit et les vibrations. Associé à la technologie de l’enroulement tressé, ce variateur peut être considérablement raccourci, ce qui permet de l’installer dans presque tous les espaces d’installation du véhicule.

« Avec ce système, nous pouvons parfaitement répondre aux principales exigences de nos clients, à savoir l’efficacité, la performance et les coûts », a déclaré le Dr Otmar Scharrer. Les premières technologies de la nouvelle chaîne cinématique ZF seront disponibles sur le marché à partir de 2026.

Gestion thermique : Contrôle efficace de la température du groupe motopropulseur et de l’ensemble du véhicule
La régulation de la température d’un véhicule peut représenter une part importante de ses besoins énergétiques en hiver, qui peuvent être compris entre trois et six kilowatts, en particulier lors du chauffage. La fraîcheur agréable en été et la chaleur en hiver sont des facteurs de confort importants pour les occupants. La bonne température est également un facteur essentiel pour la performance du moteur électrique, de l’électronique de puissance et de la batterie.

Le premier système central de gestion thermique (TherMaS) développé par ZF pour les véhicules électriques est intégré dans le véhicule concept EVbeat. Le TherMaS utilise une unité centrale et un logiciel intelligent pour contrôler tous les processus thermiques de la chaîne cinématique et de l’habitacle. La nouvelle conception réduit considérablement l’encombrement et le poids par rapport aux approches précédentes en matière de refroidissement et de chauffage des voitures électriques. Une pompe à chaleur de 800 volts fonctionnant au propane nécessite également beaucoup moins d’énergie. Comme elle est compacte et de conception simple, elle peut être facilement intégrée dans les véhicules.

Le concept TherMaS comporte pour la première fois trois circuits désignés : au centre se trouve le très petit circuit de réfrigérant. Celui-ci est pré-rempli et hermétiquement scellé et ne nécessite donc aucun entretien. En outre, le concept n’a pas d’interface avec d’autres zones du véhicule telles que l’intérieur. ZF utilise le propane, un réfrigérant naturel sans fluor. Bien que l’on n’utilise que la moitié du réfrigérant précédent, la capacité de refroidissement est multipliée par deux par rapport aux réfrigérants couramment utilisés aujourd’hui. Si nécessaire, le circuit frigorifique central dessert deux circuits de refroidissement contrôlables séparément, dans lesquels circule comme d’habitude de l’eau protégée contre le gel : le premier est conçu pour les températures relativement élevées du moteur électrique, tandis que le second régule la température de l’électronique de puissance et de charge. Le logiciel de commande règle la capacité de refroidissement.

Grâce à cette gestion thermique globale, l’autonomie de l’EVbeat augmente d’un tiers lors d’une utilisation hivernale exigeante. L’amélioration significative des performances de refroidissement permet d’augmenter la puissance continue de l’e-machine.

Logiciel du groupe motopropulseur : conduite du véhicule en réseau efficace et nuage
Les propriétés des systèmes matériels constituent une base importante pour le fonctionnement durable du véhicule ; leur orchestration optimale est réalisée par le logiciel. ZF a développé son propre logiciel de transmission qui met en réseau tous les systèmes du véhicule et établit la connexion avec le cloud de ZF.

L’efficacité d’un moteur électrique dépendant de ses points de fonctionnement thermiques, il est important de les maintenir dans la plage optimale à tout moment : à faible vitesse et avec des exigences de couple élevées, le point de fonctionnement thermique optimal est très bas, tandis qu’à vitesse élevée et avec des exigences de couple faibles, les températures élevées ne posent pas de problème. Cependant, les conditions thermiques ne peuvent pas être établies à court terme. Le logiciel de transmission de ZF peut anticiper les points de fonctionnement optimaux à partir des profils de conduite individuels et préparer le système en conséquence. Il « apprend » le comportement des conducteurs et peut anticiper la probabilité des profils de conduite individuels grâce à un service en nuage basé sur l’IA. Par exemple, la climatisation et le refroidissement du système sont réduits lorsque de courtes distances sont détectées.

Sur cette base, le système d’assistance peut également donner aux conducteurs des conseils directs sur la manière d’utiliser efficacement le véhicule électrique. Par exemple, une accélération et une décélération efficaces ainsi qu’une réduction de la consommation d’énergie sont possibles.

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