Thèse Décharges Partielles H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Ondes et Matière Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas Direction de la thèse : Tiberiu MINEA ORCID 0000000328863492 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-08-01T23:59:59 L'électrification croissante du secteur automobile s'accompagne d'une augmentation continue des performances exigées des chaînes de traction électriques. Parmi les enjeux majeurs figure la réduction du temps de recharge des batteries. Pour atteindre cet objectif, les constructeurs automobiles s'orientent vers des architectures électriques à plus haute tension. En effet, à puissance identique, une augmentation de la tension permet de réduire l'intensité du courant circulant dans les câbles et les composants de puissance, ce qui limite les pertes par effet Joule et améliore le rendement global du système. Cette évolution conduit à des tensions de batterie pouvant atteindre 800 à 900 V, contre environ 400 V pour les générations précédentes.

Dans ce contexte, le principal risque est l'apparition de micro-décharges localisées au sein de l'isolation, appelées décharges partielles (DP). Ces décharges correspondent à une ionisation locale du gaz présent dans des défauts, des cavités ou des zones faiblement isolées, sans pour autant provoquer immédiatement le claquement complet du système.
Le risque de décharges partielles est fortement influencé par les conditions environnementales.

Le travail de recherche vise ainsi à mieux caractériser les conditions d'apparition des décharges partielles dans des géométries représentatives des systèmes d'isolation des moteurs électriques, en tenant compte des paramètres environnementaux tels que la pression et la température. Il s'agit également de quantifier l'impact des décharges sur la vitesse d'érosion des matériaux isolants, en fonction des conditions de fonctionnement, afin de faire le lien avec les contraintes imposées par l'usage client.
Dans la littérature en génie électrique, les travaux consacrés aux décharges partielles (DP) dans les machines électriques se concentrent principalement sur la mesure et la prédiction de la tension d'apparition des décharges, appelée PDIV (Partial Discharge Inception Voltage) [1,2]. Ces modèles reposent généralement sur le mécanisme de Townsend, associé à des « calages » empiriques. Après calibration expérimentale, ils permettent d'obtenir des prédictions de PDIV souvent très proches des valeurs mesurées malgré une description très simplifiée de la physique de la décharge.
En revanche, la physique fine des DP est rarement prise en compte dans les modèles de génie électrique. Les phénomènes tels que l'accumulation de charges de surface, leurs effets mémoire sur le champ électrique, le développement streamer « like » ou encore les interactions plasma-surface sont souvent absents ou fortement simplifiés. Quelques études plus fondamentales se sont néanmoins intéressées à une description plus détaillée des mécanismes physiques impliqués dans les cavités diélectriques [3, 4], mais elles restent marginales.
La communauté des plasmas froids dispose d'outils numériques très avancés pour simuler des décharges transitoires, notamment des streamers et des décharges à barrière diélectrique. Ces modèles décrivent explicitement le transport des espèces chargées, les réactions cinétiques et le champ électrique auto-cohérent [5]. Cependant, ils ont principalement été développés pour d'autres configurations et d'autres objectifs scientifiques.Il existe donc un écart important entre, d'une part, les modèles de génie électrique, efficaces pour prédire la PDIV mais peu descriptifs physiquement, et, d'autre part, les modèles de plasma détaillés, physiquement riches mais rarement directement adaptés aux contraintes temporelles et industrielles des systèmes d'isolation de machines électriques. Le présent travail de thèse s'inscrit précisément dans cet intervalle. Il s'appuiera sur une approche de modélisation multi-échelle organisée en trois étapes principales.
La thèse sera organisée en trois étapes principales.
A/ Première étape :
Elle consistera à prendre en main, à compléter et à exploiter un modèle fluide 2D déjà développé par Renault Group. Ce modèle repose sur une description auto-cohérente de la décharge, dans laquelle le transport des espèces chargées est résolu par des équations de drift-diffusion couplées à l'équation de Poisson (résolue en volume fini). Un aspect original du travail consistera à exploiter le spectre radiatif émis par la décharge. Le calcul des émissions moléculaires et atomiques permettra ainsi d'évaluer les flux UV produits par les DP et d'étudier leurs rôles dans les mécanismes de photoémission aux surfaces isolantes.
Cette étape de la thèse visera donc à consolider le modèle, à en analyser les hypothèses physiques et numériques, puis à l'exploiter comme modèle de référence physique.
B/ Deuxième étape :
Elle consistera à dériver un modèle 1D simplifié, plus rapide en calcul et compatible avec des études paramétriques à grande échelle. L'objectif sera de conserver les principaux mécanismes physiques qui gouvernent les décharges partielles tout en réduisant fortement le coût de calcul, afin de permettre une vaste étude paramétrique. Le plus faible coût numérique du modèle 1D devra, en contrepartie, permettre d'intégrer une cinétique plasma plus complète que dans le modèle 2D. À ce titre, le /la doctorant/e disposera d'un modèle 0D déjà existant qui inclut un schéma cinétique complet de plasma d'air issu de modèles standards reconnus [6-8].

Ces résultats numériques seront corrélés à des résultats expérimentaux d'endurance DP obtenus dans le cadre d'une collaboration avec le Laboratoire Systèmes Électrotechniques et Environnement (LSEE), en parallèle de la thèse.
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C/ Troisième étape :

La troisième étape aura pour objectif d'exploiter les lois de vieillissement précédemment établies afin d'évaluer la tenue des systèmes d'isolation dans des conditions d'usage représentatives de celles d'un véhicule électrique réel. L'enjeu sera ici de passer d'une approche physique locale de la décharge partielle à une approche statistique et applicative, orientée vers la fiabilité du système, au moyen d'une méthode d'analyse contrainte-résistance.
Pour cela, des bases de données issues de profils d'utilisation de véhicules seront exploitées afin de constituer un panel de clients et de scénarios de conduite réalistes. Ces données permettront notamment de caractériser la contrainte, c'est-à-dire les conditions environnementales et électriques sévères rencontrées au cours de la vie du véhicule : altitude, température ambiante, cycles de fonctionnement, durée d'utilisation.

Enfin, dans une logique directement applicable aux tests électriques, tant en phase de développement de projet qu'en production série, ces connaissances devraient aider à définir des seuils de détection et d'acceptation plus pertinents. L'objectif serait d'aboutir à des critères corrects et compatibles tout en maîtrisant le risque.
Simulation numérique fluide
Mesures spectroscopiques d'émission
Comparaison modèle-expérience

Le/la candidat/e devra avoir un niveau master, avec des connaissances solides en physique des milieux continus et en physique des plasmas.
Une connaissance des méthodes numériques est fortement appréciée, tout comme des techniques de traitement des données.
De plus, des connaissances pour au moins assister l'expérimentation seraient très utiles au travail de thèse.

• Gestion des données
• Poisson