Un onduleur est placé entre la batterie et le moteur d'un véhicule

Mi-février 2018, Punch Powertrain reprenait la société française Apojee. Les onduleurs pour voitures constituent la grande majorité des activités de la société d'électronique de puissance. Elle s'appelle désormais officiellement Punch Powertrain France.

Mots clés: #batterie, #onduleur, #Punch Powertrain

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( Photo: LDS )

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ENGINEERINGNET.BE - La conceptualisation, la R&D et le prototypage, le développement et l'ingénierie sont ici essentiels. La société propose des onduleurs sur mesure. À la fois en technologie IGBT standard actuelle (transistor bipolaire à grille isolée) et des onduleurs MOSFET, mais aussi en technologie de carbure de silicium (SiC) de nouvelle génération. En 2013, elle lançait le tout premier onduleur Full SiC pour une voiture de course F1. En 2017, elle commercialisait une plate-forme d'onduleur IGBT/SiC de 400 – 800 V et de 90 – 250 kW pour les véhicules électriques et hybrides. «Nous avons également fourni pour un grand constructeur automobile des onduleurs à base de nitrure de gallium», explique Xavier Bonabal (59 ans), responsable du site. La société fournit des onduleurs aux écuries de F1 depuis sept saisons. Elle est également active en Formule E depuis trois saisons. «Pour les séries plus importantes, nous avons désormais des démonstrations 800 V basées sur nos produits 400 V.» Les options de production sont encore limitées. Une centaine de pièces annuellement. Mais plusieurs milliers de pièces peuvent également être portées en production. «Nous utilisons des blocs de construction modulaires permettant de doubler, voire de décupler la production.»

Punch Powertrain a construit ses propres bancs d'essais pour ses onduleurs SiC. (Photo LDS)

Croissance sur deux pôles
Punch Powertrain France a grandi sur deux pôles : la France et l'Allemagne. En France, l'entreprise commençait à se développer en 2009 pour Renault. Le constructeur ne souhaitait pas s'engager auprès d'un seul fournisseur allemand pour sa Zoe électrique. Elle voulait maîtriser elle-même le nouveau métier et maîtriser les coûts en vue de séduire un large public. Le deuxième axe stratégique était l'Allemagne où un contrat était signé avec BMW en 2013. La société lançait en première mondiale un onduleur 100 kW Full SiC pour la commande du turbo d'une voiture de course en F1. «Nos unités sont sur les pistes depuis 2015. Nous sommes montés de cette manière 47 fois sur le podium.» En Formule E, elle s'associait à un constructeur automobile allemand «au nom que nous ne pouvons divulguer» et qui est sorti des stands en 2017 avec un onduleur Full SiC de 250 kW. Aucun onduleur SiC ne se ressemble. «Les produits de la concurrence peuvent facilement être cent fois plus chers que les produits standards.»

Onduleurs
Les projets internes de Punch Powertrain ont représenté en 2019 près des trois quarts (72%) des 7,1 millions d'euros de chiffre d'affaires. Ce pourcentage est en régression. Non seulement parce que la demande de boîtes de vitesses et d'onduleurs pour la Chine a chuté, mais aussi vu l'impact sérieux de la Covid-19. Les clients externes (BMW, Daimler, Groupe PSA, Renault, Continental …) représentent un peu plus du quart (28%) du chiffre d'affaires. Par exemple, un onduleur 48 V Mosfet est en cours de développement. ‘Design to print’. Nous faisons le développement, afin que le client puisse produire lui-même par la suite. Il s'agit d'un soi-disant ‘drop in package’ qui peut être monté sur une boîte de vitesses Punch Powertrain.» Les premiers produits, qui seront développés sous le nom de Punch Powertrain comprennent un onduleur triphasé on-top avec un module IGBT commercial de série et un condensateur CC adapté à l'application pour les véhicules électriques et hybrides. Cet onduleur IV3 opère à 400 V et peut développer 150 kW de puissance électrique commutée au moteur électrique. Des études sont également en cours sur une unité légère de microcontrôleur hybride qui fonctionne sur son propre réseau 48 V, le moteur électrique et sa propre batterie 48 V qui récupère l'énergie de freinage et la réutilise pour faire tourner le moteur à combustion plus économiquement. L'économie de carburant d'une telle solution peut aller jusqu'à 17%. Le marché de la transformation des véhicules particuliers est également pris sous la loupe.

Punch Powertrain dispose d'une technologie connectée dans son département pilote qui génère des mégadonnées et assure une traçabilité complète de la production. Cela lui permet de tester l'industrialisation dès la phase de prototypage. (Photo LDS)

Bancs d'essais, lignes pilotes et stratégie du groupe
Punch Powertrain a construit ses propres bancs d'essais pour ses onduleurs SiC. Les premiers étaient conçus dans le cadre du projet européen WINSIC4AP. Le carter refroidi à l'eau a été utilisé pour la ZOE de Renault. «Après l'acquisition, nous ne l'avons pas développé davantage commercialement. Nous l’utilisons bien en interne.» Punch Powertrain dispose également depuis deux ans dans son département pilote d'une technologie connectée qui génère des mégadonnées et assure une traçabilité totale. La ligne pilote valide les aspects/opérations critiques pour la production de masse de l'avenir. «Tout, du couple de serrage de chaque écrou au test en fin de ligne, est enregistré et traçable. Nous l'avons développé pour dès le démarrage d'un projet tester l'industrialisation. Avec l'acquisition, Punch Powertrain voulait la pleine capacité de l'entreprise et nous avons arrêté toutes les autres activités.» À Clermont, un incubateur interne peut faire appel à environ sept collaborateurs pour des projets particuliers, dans mais aussi en dehors de la stratégie immédiate du groupe. «Tels les zeppelins électriques, par exemple.» Anciennement membre de la French Aerospace Valley, la société a participé au salon du Bourget en 2017. «Nous pouvons monter technologiquement en puissance en raison de nos relations avec les clients high-tech, qui exigent des techniques particulières. Cela nous aide à continuer à attirer des ‘spécialistes’.»

Cadre 1: Onduleur
Un onduleur régule le flux d'énergie entre la batterie et le(s) moteur(s) électrique(s). Typiquement, les composants électroniques de l'onduleur sont en silicium, facile à trouver et peu coûteux. Cependant, ils sont responsables dans certaines circonstances de presque 15% de perte d'énergie. Avec de nouveaux composants, les constructeurs et équipementiers veulent être plus efficaces, limiter les pertes et pouvoir construire de manière plus compacte. La recherche s'effectue principalement dans deux directions : le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN). La technologie SiC est généralement évaluée à 94% d'efficacité énergétique. La technologie est déjà dans les Tesla. Plus exotique est le GaN, utilisé dans une large gamme de fréquences. Il est encore plus efficace (98%) et plus compact. Par exemple, le français CEA-Leti a développé un onduleur au GaN de 180 kW dans le cadre du projet de démo européen ModulED.  Il atteint près de 99% d'efficacité énergétique pour une topologie à six phases … Punch Powertrain était l'un des neuf partenaires du projet. «Le nitrure de gallium n'est pas encore mature pour une production en série», précise Xavier Bonabal. «Le GaN a des avantages sur papier. La fréquence peut être incrémentée et moins de volume est exigé pour certains types d'onduleurs. Le GaN promet également d'être moins cher que le SiC, qui aujourd'hui est le “haut de gamme” mais risque cependant de devenir cher à l'avenir.» La société travaille sur un chargeur embarqué bidirectionnel Mosfet/GaN.

Cadre 2: Qui est Xavier Bonabal
Xavier Bonabal, informaticien de formation, a passé 20 ans chez PSA sur différents projets de développement. En 1994, il a travaillé sur la Peugeot 607, des spécifications jusqu'à la sortie de la chaîne de production. La Peugeot 206 et ses différentes versions ont suivi plus tard. Par la suite, il voulait aborder un projet de plus petite envergure. «Je connaissais le fondateur d'Apojee depuis des années. Avant même qu'il crée l'entreprise.» Apojee, qui comptait alors une dizaine d'employés, a été confronté au défi de travailler avec Renault sur le projet Zoe. «Avec mon expérience dans la structuration de projets, l'adéquation était parfaite.» Il achetait les actions de l'un des partenaires et était l'unique actionnaire ensemble avec le fondateur lorsque Punch Powertrain a acquis l'entreprise.