Généralités sur le blindage éléctromagnétique

Ces dernières années, les avancées technologiques réalisées sur les véhicules électriques (VEs) et la problématique écologique ont permis de relancer les programmes de recherche dans l’espoir de favoriser le marché des VEs. Leurs succès ont été rapidement freinés par la faible autonomie et la lenteur du temps de recharge de ses batteries qui rendent encore ce type de véhicules peu utilisable. En parallèle, les véhicules hybrides (VHs) qui associent une motorisation électrique au moteur à combustion constituent une solution alternative et prometteuse.

L’électronique est largement utilisée dans les véhicules électriques ou hybrides (VEHs), plus de 20 % des constituants d’un véhicule sont composés de l’électronique et de logiciels embarqués. Ce chiffre est en croissance permanente et il pourra atteindre 40 % en 2015 [Col-12] [Ind]. Cette électronique se décompose en une électronique de surveillance et une électronique de puissance. L’électronique de surveillance sert entre autres à la gestion de la recharge électrique, le contrôle moteur ainsi que dans les systèmes d’assistance à la conduite et au confort. Par contre, l’électronique de puissance sert à contrôler le flux d’énergie entre les batteries et les différentes charges (moteurs électriques, compresseur,…).

Cette généralisation de l’électronique a permis d’améliorer le confort et la performance des VEHs. Par contre, elle génère dans certaines configurations des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM). En effet, les composants de puissance peuvent se comporter comme des sources de rayonnement électromagnétique. Dans cette configuration, ces composants constituent une source de perturbations et peuvent altérer le bon fonctionnement des composants se trouvant au voisinage. Pour minimiser le risque de dysfonctionnement du dispositif, il est important d’avoir une connaissance du rayonnement électromagnétique de ces éléments perturbateurs pour pouvoir placer au mieux les composants sensibles de l’électronique.

Les organes de puissance mettent en jeu de forts courants qui vont transiter entre les différents éléments via des câbles , ils génèrent des champs magnétiques intenses de différentes fréquences selon les sources qui les créent. Pour cette raison, des directives et des normes (2004/40/CE, CISPR,…) ont été imposées aux constructeurs automobiles pour la commercialisation d’un équipement électrique en maîtrisant son environnement électromagnétique . un boîtier contenant de l’électronique de puissance utilisé pour entrainer un moteur triphasé pour faire fonctionner une pompe hydraulique d’un système de direction assistée [Gui-12]. Les mesures ont été réalisées sur la bande (20 Hz – 200 kHz) et les résultats ont été comparés avec les gabarits de la norme  CEM en vigueur, il en résulte que les niveaux des champs magnétiques basses fréquences dépassent les normes sur la bande de fréquence (70 kHz – 160 kHz).

Pour réduire les effets des champs électromagnétiques rayonnés, on peut agir séparément ou simultanément : sur la source de bruit en abaissant le niveau de perturbation, sur la victime en augmentant son immunité ou sur le mode de couplage en réduisant son efficacité. Cependant, si toutes les erreurs de conception sont déjà figées dans le dispositif, on ne peut plus agir que sur le couplage. C’est souvent cette dernière solution qui est envisagée en insérant des filtres CEM ou un blindage pour obtenir ou améliorer la compatibilité. Plusieurs travaux ont été réalisés dans ce domaine [Zho-13] [Bel12] [And-12] [Kes-11] [Los-11] [Ahn-10] [Jet-08].

Mes travaux de thèse s’articulent autour cette problématique et plus particulièrement sur le blindage électromagnétique dans le but de minimiser le champ magnétique rayonné par les systèmes de puissance.

Le blindage électromagnétique est l’une des solutions employées pour réduire les problèmes d’interférences électromagnétiques. L’utilisation du blindage électromagnétique consiste d’un point de vue émission, à contenir les émissions rayonnées de sources à l’intérieur de l’enceinte blindée, et d’un point de vue immunité, à exclure les émissions rayonnées de la source se trouvant à l’extérieur de l’enceinte [Bel-12].

Pour calculer l’efficacité du blindage, de nombreux travaux ont été développés en haute fréquence[Bel12] [ELF-10] [Zho-10] [Ara-09]. Cependant dans le cas des systèmes embarqués des VEHs, les conditions de champ lointain ne sont pas remplies. Cela est peut être dû, d’une part, à une faible distance entre la source et le blindage, et d’autre part à la courte distance entre le blindage et le point de mesure.

Généralement pour réduire le champ rayonné, l’électronique de systèmes embarqués est confinée à l’intérieur de boîtiers. Ces boîtiers sont équipés d’ouvertures et de fentes. La présence de ces éléments dégrade les performances du blindage magnétique. Il est nécessaire donc de disposer de méthodologies de conception mais également de modèles pouvant prédire l’efficacité du blindage ainsi que les phénomènes mis en jeu et cela dès la phase de conception. Ces différents modèles doivent permettre aux concepteurs de maîtriser quelques contraintes liées au blindage des dispositifs électroniques embarqués à bord des véhicules.

Les travaux présentés dans ce rapport portent essentiellement sur le développement de modèles permettant la prédiction de l’efficacité de blindage magnétique de boîtiers munis d’ouvertures et de fentes dans le cas d’une source de rayonnement magnétique basse fréquence.