Les capteurs inductifs à la conquête des moteurs électriques

EFI Automotive développe pour les véhicules hybrides et électriques des capteurs de position précis, légers, peu gourmands en énergie et faciles à intégrer. Basés sur la technologie inductive, ils commencent à grignoter des parts de marché sur le résolveur, qui faisait jusqu’ici référence. Un premier contrat a été signé en 2018 avec VW, suivi de plusieurs autres en Chine et en Europe.

Le capteur de position joue un rôle-clé dans les moteurs électriques : il localise les aimants du rotor et permet ainsi d’ajuster finement l’alimentation du stator. Plus il est précis, plus le rendement augmente et plus le véhicule pourra parcourir de kilomètres à charge de batterie égale. « On peut difficilement s’en passer, constate Olivier Brunel, E-mobility & Strategic Development Market Manager. Certes, il existe aussi du contrôle de position basé sur des algorithmes c’est-à-dire sans capteur de position, par exemple dans les ventilateurs. Mais il est trop imprécis pour l’industrie automobile, qui veut améliorer au maximum l’efficacité des chaînes de traction. »

Chez EFI Automotive, de la R&D sur le capteur inductif depuis 2011

À ce jour, le marché du capteur de position est dominé par la technologie résolveur, sorte de transformateur rotatif qui reflète la position angulaire de l’arbre. Réputé pour sa précision, il souffre toutefois d’un handicap : il doit couvrir tout le périmètre du rotor – d’où sa forme d’anneau – et être placé au plus près du moteur. En cas de panne, il faut tout démonter !

Ces limites ont conduit EFI Automotive à lancer dès 2011 un programme de R&D sur des capteurs inductifs. « C’était un pari : il est toujours difficile de déloger une solution installée. Mais nous savions que cette technologie avait des atouts. Elle est plus compacte, s’adapte à tous les moteurs et peut être installée hors de celui-ci, ce qui facilite la maintenance. C’est un argument qui a beaucoup compté pour VW, notre premier client. »

Les principaux éléments d’un capteur inductif sont ses bobines. Une bobine émettrice parcourue par un courant haute fréquence émet à ses extrémités un champ magnétique variable. Tout objet métallique proche est alors le siège de courants induits et en retour, émet un champ magnétique capté par des bobines réceptrices. Cette rétroaction est proportionnelle à la distance capteur – objet ; on en déduit la position dudit objet.

Une excellente sûreté de fonctionnement

Le capteur inductif est plus petit que le résolveur :  dans le cas de VW, il a une forme de demi-lune. Il consomme environ six fois moins. Il est robuste vis-à-vis des perturbations électromagnétiques, très fortes dans un moteur électrique dont les bobines sont alimentées à plusieurs KHz. Il mesure la position de l’arbre à 0,3% près, même si celui-ci est lancé à 20 000 tours/minute.

Il offre aussi une excellente sûreté de fonctionnement : les produits EFI Automotive sont conformes au niveau ASIL D de la norme ISO 26-26-2.  « Les constructeurs sont tellement sensibles à cet aspect que certains prévoient même un second capteur en redondance du premier » note Olivier Brunel.

Toutefois, c’est sur la flexibilité d’intégration que le capteur inductif fait vraiment la différence. Un moteur électrique, il faut le rappeler, est un espace très contraint. Or, la forme en anneau du résolveur n’offre aucune souplesse. Alors que le capteur inductif est plus petit et peut se placer en bout d’arbre, ou être logé dans une encoche du boîtier moteur accessible depuis l’extérieur. « Nous développons une solution sur mesure pour chaque véhicule et chaque type de moteur. Elle comprend le capteur lui-même et ses pattes de fixation. Tout est fait pour limiter l’encombrement. »

Véhicules hybrides : le capteur inductif moins cher que le résolveur

Cette flexibilité est précieuse sur les véhicules hybrides, dont le moteur électrique, placé autour de la chaîne de traction thermique, présente un diamètre élevé. Le résolveur, qui doit couvrir toute la circonférence, est forcément volumineux et cher. Le capteur inductif, bien plus compact, s’en tire nettement mieux.

Pourtant, à ce jour, le résolveur continue à dominer le marché du capteur de position. Notamment parce que ses électroniques d’alimentation et ses algorithmes de traitement ont été conçus de longue date et sont immédiatement disponibles. Alors que passer à l’inductif implique de repartir d’une feuille blanche.

Vers des capteurs inductifs à signal numérique

Si EFI Automotive y croit, c’est parce que le marché signé avec VW en 2018 est monté en volume depuis – le véhicule hybride est en plein essor – et que plusieurs autres contrats ont été conclus, en Chine et en Europe. Ils se traduiront par de la production en série entre 2021 et 2023.

C’est aussi parce qu’une évolution importante se prépare : le protocole de communication des capteurs, aujourd’hui analogique, va devenir numérique. Cela signifierait moins de câblage électrique et un accès direct à la position angulaire, au lieu d’un post-traitement des valeurs relevées (sinus et cosinus). De plus, les signaux de sortie pourraient être analysés pour détecter des pannes, des défaillances ou des dérives de mesure. Le capteur inductif version numérique offrirait alors un niveau supplémentaire de sûreté.

« Le marché prépare cette évolution, mais bute sur une inconnue : quel est le protocole numérique qui s’imposera et deviendra le standard ? explique Olivier Brunel. Nous avons choisi d’avancer sans attendre, avec des partenaires qui fabriquent des puces numériques. Fin 2021, nous pourrons échantillonner des produits et les mettre à disposition de nos clients. »