Présentation moteur : Tesla Model 3

Présentation moteur : Tesla Model 3

Guillaume Darding - 18 mars 2020

Avec la Model 3, Tesla a opté pour un moteur électrique à aimants permanents plutôt qu'un moteur à induction, privilégié par le constructeur dans ses précédents modèles. Ainsi, Tesla montre qu’il n’y a pas de vérité absolue en matière de type de moteur. Fidèle à ses habitudes, le constructeur californien a introduit des technologies inédites, aptes à lui procurer un avantage certain par rapport à la concurrence, que ce soit en matière de performance ou d’autonomie.

Deux motorisations disponibles

La Tesla Model 3 est disponible en 2 versions : 

  • propulsion (un moteur à l'arrière) - version Standard
  • transmission intégrale (un moteur à l'avant et un moteur à l'arrière) - version Grande Autonomie et version Performance

Position moteurs électriques Tesla Model 3 - vue de dessous

A l'arrière : moteur à aimants permanents

Quel que soit le modèle choisi, la Model 3 est équipée d'un moteur à aimants permanents à l'arrière. Ce moteur est un véritable changement pour le constructeur américain qui utilisait des moteurs à induction jusqu'à présent pour ses voitures (Roadster de première génération, Model S, Model X).

Le choix d'un moteur à aimants permanents a été dicté par des impératifs d'autonomie et d'encombrement. En effet, un moteur à aimants permanents a généralement un meilleur rendement qu'un moteur à induction et surtout, il est plus compact, ce qui est un avantage indéniable pour la Model 3.

Gamme Tesla S3XY

Toutefois, les aimants permanents du moteur de la Tesla ont quelques particularités. En premier lieu, ils sont implantés à l'intérieur du rotor, ce qui leur permet de générer un couple de réluctance important. Ce principe de fonctionnement permet de générer un couple additionnel tout en conservant un encombrement minimal et en limitant l'échauffement du rotor.

Ce principe n'est pas une nouveauté en soi puisque le moteur électrique de la Toyota Prius et celui des BMW i3 et i8, par exemple, utilisent une technique similaire, avec un agencement des aimants permanents sensiblement différent, en particulier pour les BMW i3 (et i8).

Un moteur à réluctance pure se passe normalement d'aimants permanents. La structure spécifique (alternance d'espaces pleins et d'espaces vides pour orienter le champ magnétique) du rotor permet de générer du couple.

Principe de fonctionnement moteur électrique à reluctance variable

Le désalignement des paires de pôles du stator avec les paires de pôles du rotor va créer le couple de réluctance et entraîner le rotor en mouvement. Lorsque les pôles du rotor sont alignés avec les pôles alimentés du stator, la réluctance est nulle et il n'y a plus de mouvement. Il faut donc alimenter la phase suivante pour générer du couple et perpétuer le mouvement.

Ce type de moteur est difficile à contrôler du fait que son mode de fonctionnement induit des oscillations de couple (qui pourraient être ressenties de manière très négative par les occupants du véhicule), mais aussi du bruit. L'ajout d'aimants permanent permet de réduire significativement ces deux phénomènes.

La mise au point des moteurs à réluctance variable reste néanmoins un défi et, à cet effet, une électronique de puissance ainsi qu'un logiciel de gestion moteur performants sont indispensables afin de connaître avec précision la position du rotor et de maîtriser les oscillations de couple.

Tesla Model 3 - segmentation des aimants (Guillaume Darding)

D'autre part, Tesla utilise une technique inédite pour ses aimants permanents : chacun d'eux est segmenté en 4 parties et chaque partie est isolée l'une de l'autre à l'aide d'une fine couche de colle. Cette technique permet de réduire significativement les pertes par courant de Foucault.

Les courants de Foucault sont générées par la variation du champ magnétique dans le rotor. Ce dernier va jouer le rôle de résistance et les courants de Foucault vont alors générer de la chaleur. Plus les aimants sont grands, plus les pertes par les courants de Foucault seront importantes. En segmentant les aimants et en les séparant avec un fin matériau isolant, cela permet de conserver les performances magnétiques des aimants tout en diminuant le courant de Foucault.

Courant de Foucault - segmentation des aimants

Ainsi, le rotor chauffe significativement moins et cette technique permet d'améliorer le rendement du moteur. Cette mesure vient s'ajouter à la disposition des aimants en V qui offre le meilleur compromis entre la masse des aimants permanents (coût) et le rendement moteur.

Le moteur arrière délivre une puissance de 211 kW et un couple de 450 N.m pour la version Standard et la version Performance. Dans le cas de la version Grande Autonomie, la puissance du moteur est limitée à 188 kW.

A l'avant : moteur à induction

A l'avant, le moteur à induction reprend la technologie utilisée par Tesla depuis la création du constructeur. Le moteur ne nécessite donc pas d'aimants permanents pour son fonctionnement. En lieu et place, il fait appel à un rotor en cuivre.

Le moteur à induction permet de fournir du couple dès les plus bas régimes. D'autre part, il a un meilleur rendement que le moteur à aimants permanents à haute vitesse. Le moteur fournit une puissance de 147 kW et un couple de 300 N.m.

Tesla Model 3 blanche - vue de dessus

Gestion des moteurs - transmission intégrale

En fonction de la demande de puissance, le logiciel de contrôle des moteurs électriques va répartir la puissance sur les deux moteurs pour favoriser la traction (dynamique du véhicule) ou le rendement moteur afin d'optimiser l'autonomie du véhicule.

Si, en règle générale, le moteur à induction a un rendement plus faible que les moteurs à aimants permanents, ces derniers ont tout de même un inconvénient : lorsque la demande en puissance est faible (à vitesse constante par exemple), les moteurs à aimants permanents vont générer un courant électrique du fait que les aimants permanents produisent continuellement un champs magnétique.

Tesla Model 3 - détail logo Dual Motor

Ce courant génère de l'échauffement, ce qui va réduire d'autant le rendement du moteur. Dans le cas d'un moteur à induction, il n'y a aucune perte dans ces conditions car il n'y a pas d'aimants dans le rotor.

Ainsi, Tesla peut tirer parti de chacun des moteurs. Par exemple, sur autoroute à vitesse constante, alors la demande en puissance est faible, il est alors envisageable de couper l'un des moteurs : dans ce cas-là, ce sera plutôt le moteur à induction qui verra sa puissance réduite. En conditions de conduite urbaines, le couple en provenance du moteur à aimants permanents sera privilégié.

Puissance et couple moteurs Tesla Model 3

Electronique de puissance

Tesla utilise des onduleurs avec des composants en carbure de silicium (SiC) en lieu et place du traditionnel silicium (Si) pour l'électronique de puissance (onduleurs). Ce matériau permet de diminuer le temps de réaction des composants électroniques (contrôle optimisé des performances du moteur) et génère moins de chaleur, ce qui augmente le rendement.

De plus, les composant à base de carbure de silicium supporte des températures plus élevées que ceux en silicium. Ainsi, les composants à base de silicium supportent une température de fonctionnement de l'ordre de 100 °C et une température maximale de 150 °C. Dans le cas des composants SiC, la température normale de fonctionnement peut atteindre 400 °C sans que les performances des composants n'en pâtissent.

Ce matériau n'est pas inconnu dans l'industrie automobile puisqu'il est utilisé, sous d'autres formes, dans la fabrication des filtres à particules diesel et des systèmes de freinage à disques "céramiques".

Vue dynamique trois quart avant Tesla Model 3 bleue

Crédits photos : Tesla (véhicules) / Wikimedia Commons (illustrations moteur) / Guillaume Darding (graphiques et illustration segmentation des aimants)

Les 10 derniers commentaires sur le sujet (voir les 15 commentaires):

Guillaume Darding [administrateur]

25 mars 2020 à 23h21

Bonjour dark et merci beaucoup pour vos encouragements !
pjmdur

05 avril 2020 à 09h57

Bonjour Guillaume,

J'ai juste une question:
Qui dit aimants permanents dit aussi perte d'inductance avec le temps et l'utilisation, non?
Mes cours sur ce type de moteur sont lointains...
Qu'en est-il?
Cldt
Guillaume Darding [administrateur]

05 avril 2020 à 14h35

Bonjour pjmdur,

à ma connaissance, la démagnétisation reste marginale dans le temps. En revanche, si les aimants sont soumis à des températures trop élevées (ou très élevées pendant un long laps de temps) et que l'électronique de puissance du moteur ne l'empêche pas, alors l'aimant peut perdre assez significativement en performance de manière durable.

Parlant d'un moteur électrique d'une voiture, les aimants permanents contenus dans le rotor sont normalement assez peu exposés : la limite d'utilisation se situe plus au niveau de la batterie des composants électroniques.
brn

14 octobre 2020 à 15h32

Bonjour,

Actuellement étudiant en école d'ingénieur, je suis a la recherche de données solide concernant les batteries, puissance, autonomie..., des différentes versions (aujourd'hui et années précédentes) de la model 3 et plus précisément des versions Standard Range et Standard Range Plus.
A la suite d'une recherche sur différents sites comme EvSpecification, EvCompare.io et EvDataBase, je me suis aperçu que les données variaient selon les sites.

Merci d'avance de votre retour.
Cdlt
Guillaume Darding [administrateur]

14 octobre 2020 à 17h09

Bonjour brn,

il est difficile d'avoir des données fiables concernant la capacités des batteries (en particulier chez Tesla, mais ce n'est pas forcément mieux ailleurs...).
D'après mes calculs, une SR a une batterie de 53,8 kWh, une SR+ de 57,1 kWh, une Grande Autonomie (ou performance), une capacité de 77,3 kWh. Il s'agit de capacité totales et non de capacités utiles dans tous les cas.

Mes calculs se basent sur le fait que la batterie est organisé en 96 groupes en série et que, dans chaque groupe :
- une SR comporte 32 cellules en série
- une SR+, 34
- une mid range, 38
- une Long Range ou Performance, 46

D'autre part, d'après la documentation EPA concernant la Model 3, la tension nominale de la batterie est de 350 V. Enfin, d'après l'analyse concurrentielle réalisée par Jack Richard, ce dernier a évalué la capacité d'une cellule à 4,8 Ah (c'est d'ailleurs cette donnée qui reste le plus sujette à caution dans le calcul).

Concernant la puissance, les chiffres qui sont repris dans cet article sont basés sur les documents EPA :
- un moteur de 211 kW à l'arrière pour les SR / SR+ / Mid Range / Long Range RWD
- un moteur de 188 kW à l'arrière + 1 moteur de 147 kW à l'avant pour la Grande autonomie AWD
- un moteur de 211 kW à l'arrière + 1 moteur de 147 kW à l'avant pour la version Performance
brn

15 octobre 2020 à 09h18

Je vous remercie de votre retour.
Serait-il possible d'avoir le lien des documents EPA ?
brn

15 octobre 2020 à 10h11

De plus, concernant la puissance moteur pour les SR et SR+, le site EvCompare.io indique 150kW. Sauriez-vous me dire sur quoi ils se basent ?
Merci
Guillaume Darding [administrateur]

15 octobre 2020 à 11h41

Concernant la documentation EPA :
- modèles propulsion - https://iaspub.epa.gov/otaqpub/display_file.jsp?docid=46584&flag=1
- modèles AWD - https://iaspub.epa.gov/otaqpub/display_file.jsp?docid=46585&flag=1

Il peut y avoir beaucoup de confusions sur ces données de puissance car cela dépend de la manière dont vous mesurer la puissance. Par exemple, à ma connaissance, les moteurs de la Tesla délivrent un peu plus de puissance (environ 9 kW) en considérant le certificat de conformité européen. Tout cela dépend du protocole de mesures (je ne connais pas le protocole utilisé par l'EPA, mais peut-être que celui-ci exige que la mesure se fasse sur 30 secondes et non instantanément)

"Pire" encore, si vous vous référez au certificat d'immatriculation, vous constaterez que la puissance inscrite est bien plus faible : 100 kW pour une SR+ et 155 kW pour une Grande Autonomie. Ces chiffres correspondent en fait à la puissance maximale délivrée pendant 30 min.

Pour en revenir au site que vous avez cité, je n'ai aucune idée de leur source...
Erijklcz

23 octobre 2020 à 13h03

Bonjour,
Bel article. Tres interessant.
Savez vous qui est le fournisseur du moteur et de son onduleur ?
Vous parliez de SIC. Est ce que tesla utilise un power module ou utilise t’il la meme technologie que sur sa model S ?
Guillaume Darding [administrateur]

23 octobre 2020 à 15h58

Bonjour Erijklcz, merci pour vos encouragements !

A ma connaissance, les moteurs électriques sont développés et fabriqués par Tesla. La Model 3 utilise des modules de puissance fournis par STMicroelectronics. L'architecture est donc significativement différente de celle des Model S qui utilise des composants discrets.

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Commentaires
Guillaume Darding à propos de l'article «Technique: moteurs électriques»

Hier

Bonjour PCN, merci pour votre vigilance : il s'agit d'une regrettable erreur de ma part. J'ai corrigé mon précédent commentaire en conséquence.

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Bonjour Guillaume Darding, Je souhaite equiper ma Kia Rio de 2015 d'un boîtier Flexfuel. Mais j'avoue que cela me fait peur pour le moteur et on dit que le E85 use prématurément les pièces. Pourrais je avoir votre conseil SVP ? Merci Sandrine

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