Améliorer l'efficacité énergétique des contacteurs et des relais pour les applications mobiles

Les contacteurs et les relais sont des interrupteurs électromagnétiques essentiels à la gestion du flux électrique dans les applications mobiles. Leur fonction principale est de contrôler les courants et tensions élevés tout en garantissant la sécurité et l'efficacité opérationnelles.

Pour les OEM qui développent des composants de véhicules industriels, ces commutateurs jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement du véhicule, permettant la connexion et la déconnexion de la batterie dans des conditions normales et de défaut.

L'un des principaux défis liés à l'utilisation de contacteurs et de relais réside toutefois dans leur consommation d'énergie. Les grandes bobines nécessaires à la gestion de ces dispositifs à courant élevé peuvent consommer de l'énergie en permanence, déchargeant ainsi la batterie et réduisant l'autonomie du véhicule. Il est essentiel de remédier à ce problème pour améliorer les performances.

Innovations en matière d'efficacité énergétique

Heureusement, l'industrie a développé des technologies d'économiseur avancées qui réduisent considérablement la consommation d'énergie des contacteurs et des relais tout en préservant leur fiabilité. Certaines innovations clés se démarquent.

Balayeuse électrique équipée du relais Durakool DG86M. (Photo : Durakool)

L'une d'elles est la technologie de modulation de largeur d'impulsion (MLI). En modulant la largeur d'impulsion électrique, la MLI réduit la consommation d'énergie de la bobine d'environ 50 %. Cela permet au contacteur de rester engagé tout en consommant moins d'énergie, prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie et améliorant l'efficacité du véhicule.

Il existe également l'économiseur à double bobine, qui utilise une bobine haute puissance pour l'activation initiale et une bobine basse puissance pour le fonctionnement continu. Cette réduction de la consommation d'énergie lors d'une utilisation prolongée améliore l'efficacité énergétique. Les conceptions à double bobine offrent également un coût inférieur et moins de points de défaillance grâce à la réduction du nombre de composants utilisés sur le circuit imprimé.

Des deux, le PWM offre un meilleur rendement que le modèle à double bobine et permet un contrôle plus précis de la consommation d'énergie, malgré un circuit électronique plus complexe. Cependant, les impulsions peuvent générer des interférences électromagnétiques (IEM), ce qui nécessiterait un blindage supplémentaire pour éviter d'affecter les circuits électroniques externes. L'économiseur à double bobine, en revanche, ne génère pas d'IEM, ce qui le rend plus fiable.

Une troisième approche pour économiser la bobine consiste à réduire la tension une fois les contacts engagés. Bien qu'efficace, cette méthode nécessite un circuit externe. De plus, elle risque de sous-alimenter la bobine, ce qui pourrait entraîner des problèmes de fiabilité.

Dans tous les cas, lors de la sélection de la technologie appropriée pour l’application, les OEM doivent soigneusement peser ces compromis.

Technologie de bobine sensible

Une autre avancée dans ce domaine est la technologie des bobines sensibles. Cette approche réduit la consommation d'énergie grâce à l'intégration de bobines à haute résistance qui nécessitent nettement moins de courant pour fonctionner. Elle est donc particulièrement adaptée aux applications pour véhicules électriques (VE), où elle contribue à réduire les coûts d'exploitation, à prolonger la durée de vie des batteries et à réduire l'impact environnemental global en minimisant l'énergie nécessaire aux fonctions de commutation. Cependant, cette conception présente l'inconvénient de réduire légèrement la pression de contact, ce qui réduit la capacité de transport du courant.

Quelle que soit la technologie choisie par les OEM, ils doivent veiller à garantir un temps minimum pour engager complètement les contacts, généralement 100 à 200 ms.

Progrès en matière de matériaux de contact

Un autre facteur crucial pour améliorer l'efficacité est le choix du matériau approprié pour les rivets de contact. La résistance électrique de ces matériaux influence directement la consommation d'énergie, la production de chaleur et la durabilité des composants.

Le contacteur Durakool DLVC300 équipe certains camions de remorquage d'aéroport. (Photo : Durakool)

Il existe une gamme de matériaux avancés permettant d'optimiser les performances dans différentes applications. L'argent-nickel (AgNi), par exemple, offre une faible résistance et minimise les pertes d'énergie dans les relais qui restent fermés et supportent un courant élevé pendant de longues périodes. En comparaison, l'oxyde d'étain-argent (AgSnO2) offre une résistance élevée au soudage lors des commutations sous charge, réduisant l'accumulation de chaleur et le gaspillage d'énergie.

Une autre variante de l'argent est l'oxyde d'étain-argent-oxyde d'indium (AgSnOInO), un matériau spécialisé également conçu pour résister au soudage, ce qui le rend idéal pour les applications à commutation fréquente dans les moteurs électriques. AgSnOInO améliore la fiabilité à long terme des systèmes dans les applications mobiles en réduisant considérablement la dégradation des contacts.

Deux options de cuivre sont disponibles : le cuivre sans oxygène (Cu. C10200) et l'alliage cuivre-argent (T2+Ag). Le Cu. C10200 offre une résistance de contact plus faible et des performances supérieures lors de la transmission de courants élevés pendant de longues périodes. Le T2+Ag est un matériau plus dur qui excelle lors des commutations sous charge, offrant des performances différentes selon les applications.

Les défis de l'adoption

Avant que les OEM puissent adopter et intégrer de telles améliorations dans leurs conceptions, ils doivent relever certains défis clés.

L'un des obstacles réside dans la gestion thermique. Les applications à courant élevé générant une chaleur importante, des solutions de refroidissement efficaces sont nécessaires pour maintenir les performances et prévenir les pannes prématurées.

De plus, la croissance rapide de la production de véhicules électriques a entraîné des contraintes sur la chaîne d'approvisionnement. Celles-ci peuvent compromettre la disponibilité des composants auprès des fabricants, créant ainsi des goulots d'étranglement dans les calendriers de production.

Enfin, l'absence de conceptions de relais standardisées complique l'intégration, ce qui peut entraîner des problèmes de compatibilité. Par exemple, les configurations de broches, les dispositions de montage ou l'affectation des bornes peuvent varier selon les fabricants. Les OEM doivent tenir compte de cette complexité dès la phase de conception pour garantir une intégration fluide.

Applications concrètes

Carlos Mendes est chef de produit pour la commutation chez Durakool, (Photo : Durakool)

L'impact de ces technologies d'efficacité énergétique améliorées est particulièrement évident dans les composants automobiles de nouvelle génération, qui requièrent efficacité, durabilité et fiabilité. Par exemple, ces technologies ont déjà été mises en œuvre avec succès dans les bus électriques, les véhicules postaux, les tracteurs et les engins de chantier, tels que les pelleteuses et les chariots télescopiques.

À mesure que l'industrie progresse, nous pouvons nous attendre à voir d'autres innovations. Parmi celles-ci, on peut citer une miniaturisation accrue des composants sans compromettre les capacités de courant élevé, des solutions de gestion thermique améliorées pour améliorer la fiabilité dans les environnements exigeants et une standardisation accrue pour simplifier les défis d'intégration. De plus, des matériaux plus durables réduiront l'impact environnemental et permettront le recyclage des composants.

L’industrie surmontera les défis de l’efficacité énergétique grâce à l’innovation continue et à l’ingénierie stratégique tout en s’orientant vers un avenir plus durable et électrifié.