L’E-mobilité passe la vitesse supérieure

INCONTOURNABLE L’IAA est et reste le rendez-vous à ne pas manquer pour les équipementiers, venus nombreux profiter de la grand-messe pour dévoiler leur(s) dernière(s) nouveauté(s). Parmi eux, ZF présentera deux innovations de taille à Francfort.

Les boîtes de vitesses sont le cœur de métier du gigantesque équipementier ZF Friedrichshafen. Pour les voitures, il fa-brique les transmissions les plus diverses, allant de la boîte manuelle destinée aux citadines à la transmission automatique à convertisseur de couple en passant par les chaînes cinématiques hybrides pour grosses berlines et autres voitures de sport. Et ce ne sont pas là les seules créations de ZF. L’équimentier se charge aussi des transmissions de bien d’autres véhicules, comme les poids-lourds, les autobus et autres autocars, les engins de chantier, les machines agricoles, ou même certains hélicoptères. Et ce n’est pas tout, la firme allemande fabrique même des composants de trans-mission destinés aux éoliennes. L’une des boîtes les plus répandues dans l’automobile est la boîte 8HP avant longitudinale. Elle en est à sa quatrième génération. Tout récemment, Fiat Chrysler Automobiles (FCA) a choisi ZF comme fournisseur mondial de boîtes automatiques pour ses voitures de tourisme propulsion et traction intégrale. Suivant le chemin pris par les constructeurs, les tout derniers progrès portent bien évidemment sur l’intégration de propulseurs électriques dans la chaîne cinématique des véhicules hybrides. Pour les versions les plus performantes, ZF a conçu un système modulaire qui permet, via sa boîte automatique à huit vitesses, de transmettre des puissances allant de 24 à 160 kW. Et ce, aussi bien pour les hybrides 48 volts que pour les versions hybrides rechargeables. Si l’équipementier planche tant sur ce type de transmissions, c’est parce qu’il estime qu’en 2030, le pourcentage de voitures neuves à disposer d’un moteur thermique sera encore d’au minimum 70%. Néanmoins, pourvues d’un système hybride rechargeable, ces autos émettront nettement moins de CO2 qu’actuellement. Ainsi la nouvelle variante hybride rechargeable de la boîte automatique à huit vitesses comporte-t-elle un moteur électrique capable de développer un pic de puissance de 160 kW, ou 80 kW en permanence. Tout cela pour un volume inchangé. ZF utilise à cet effet une nouvelle génération de moteurs électriques plus compacts, la longueur de la transmission hybride restant quasiment la même.

Une solution 100% intégrée
Sur la quatrième génération de boîtes, toute l’électronique de puissance est intégrée au carter de la boîte. Outre la simplification du montage chez le constructeur, cela rend le processus plus sûr, car il y a moins de câbles haute tension à poser. La chaleur engendrée par les semi-conducteurs de puissance est éliminée via le circuit de refroidissement du réfrigérant de climatisation. Autre avantage substantiel de la nouvelle solution: l’intégration complète de la commande hydraulique. Alors que son encombrement était jusqu’ici de 3,1 l, il n’est plus que de 1,8 l grâce aux soupapes de commande directe beaucoup plus compactes. Quant au fil de cuivre bobiné, il a été remplacé par des barrettes de cuivre soudées. Ce processus appelé hair-pin (épingle à cheveux) induit un meilleur degré de remplissage de cuivre et, en corollaire, une plus grande densité énergétique (voir encadré). Le circuit d’huile a, lui aussi, été repensé. Les deux pompes utilisées jusqu’à présent ont disparu au profit d’une seule pompe à double sortie. La partie mécanique consiste essentiellement, et de façon inchangée, en quatre trains planétaires et cinq éléments de commutation.
La production de cette nouvelle unité démarrera en 2022 sur le site de Sarrebruck, en Allemagne. Elle sera commercialisée dans la foulée, en Chine et aux Etats-Unis.

Destinées aux plug-in-hybrid, la boîte automatique à conver-tisseur recourt à un nouveau moteur électrique.
Cette nouvelle transmission électrique à deux rapports (ci-dessus) est destinées aux voitures de tourisme.

Deux vitesses dans les EV
Outre la nouvelle boîte «hybride» à huit rapports, ZF profitera de l’événement allemand pour dévoiler en première mondiale une transmission spécialement développée pour les propulseurs électriques. Munies de deux rapports, cette unité jouit surtout d’un excellent rendement – entendez peu de pertes par friction. De quoi améliorer sensiblement l’autonomie des futures voitures électriques, comme nous l’expliquait Bert Hellwig, directeur E-Mobility chez ZF: «Pour le caractère pratique des voitures électriques au quotidien, il est important que la charge de la batterie permette la plus grande autonomie possible. Chaque pourcent d’efficience gagné en rendement se traduit par 2% d’autonomie supplémentaire.» Ainsi, afin d’optimiser la chaîne cinématique de son unité, ZF y a intégré le propulseur électrique, en plus de tout ce qui l’accompagne. On pense au système de commande ou à l’électronique de puissance. D’après l’équipementier, tous ces éléments travailleraient en symbiose dans la nouvelle unité hybride. Ainsi armées, les voitures électriques consommeraient moins d’énergie par rapport aux systèmes actuels: jusqu’à 5%, selon les valeurs communiquées par ZF. A titre alternatif, le constructeur peut aussi mettre à profit le meilleur rendement de la transmission afin de diminuer la taille, le prix et le poids de la batterie. Sans pour autant toucher à l’autonomie, point crucial sur une voiture électrique Bien évidemment multiplexée, la connexion avec le bus de données CAN de l’auto permet d’appliquer des stratégies de commande totalement inédites; en corrélation avec les données du GPS et des différents capteurs de la voiture, la voiture peut, sur la base du trajet programmé dans le système de navigation, établir à quelle distance se trouve la borne de recharge la plus proche et ainsi adapter le mode de conduite. Ce nouveau système de propulsion est d’autant plus intéressant qu’il est compact et tout à fait adapté à des niveaux de puissance plus élevés. Il est donc également prédestiné à un usage dans des voitures sportives. Mais les innovations proposées par ZF ne s’arrêtent pas là, comme nous l’explique Hellwig: «Jusqu’ici, avec les propulsions électriques, les constructeurs devaient choisir entre un couple de démarrage élevé ou une vitesse finale élevée. Nous mettons un terme à ce dilemme, car la nouvelle transmission sera aussi compatible avec les véhicules performants et plus lourds, comme les automobiles tractant une remorque par exemple.»

Grâce à la modularité de la transmission à deux vitesses, ZF peut optimiser l’autonomie ou, au choix, les performances.
Compacte, la nouvelle transmission est livrée avec le moteur électrique ainsi que l’électronique de puissance.

La technique de l’épingle à cheveux

L’emploi d’un bobinage conçu selon la technologie hair-pin (épingle à cheveux en français) est l’une des innovations les plus prometteuses. L’insertion de fils de cuivre précintrés de section rectangulaire en lieu et place de bobinages à fils ronds se traduit par un plus grand degré de remplissage de cuivre, et donc une meilleure ductilité thermique ainsi qu’une amélioration de l’efficience et de la densité énergétique. Autre avantage, la technologie hair-pin autorise un rythme de production plus élevé, les fils de cuivre rectangulaires se prêtant mieux à une automatisation complète. De quoi garantir de substantielles réductions des coûts de construction. Il est à noter que la technologie hair-pin a déjà fait des apparitions sous le capot de voitures de série, GM et Toyota maîtrisant déjà la technologie.

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