L’autonomie et l’électrification exigent d’importantes modifications des architectures électriques et électroniques au sein des véhicules.
Cet article étudiera quelques-unes des implications techniques de l’autonomie et de l’électrification, ainsi que la façon dont les systèmes électriques devront être conçus à l’avenir.
Les systèmes de distribution électrique (SDE) sont conçus dans un contexte pluridisciplinaire plus vaste. Face à l’évolution rapide de l’électrification et de l’autonomie des véhicules au cours des 12 à 18 derniers mois, les constructeurs automobiles et les équipementiers repassent actuellement au crible leurs processus et outils de conception de SDE. Et la tendance ne se limite pas aux acteurs bien établis de l’industrie qui exigent toujours plus des fournisseurs de SDE. Une étude récente révèle l’existence d’environ 300 entreprises spécialisées dans le développement de voitures électriques et de camions légers. Et près de 100 entreprises ont annoncé des programmes de conduite autonome. Bon nombre de ces entreprises font leur entrée dans l’industrie automobile et s’efforcent de remettre en question le statu quo.
L’électrification et le véhicule autonome exigent d’importantes modifications des architectures électriques et électroniques au sein des véhicules. Cela est dû en partie à l’introduction de tensions élevées, aux considérations supplémentaires en matière de sécurité et aux réductions de poids significatives nécessaires pour augmenter la distance d’autonomie des véhicules électriques. Pour ce qui est des véhicules autonomes, les règles de conception de type « opérationnel en mode de défaillance », la charge des réseaux accrue et les exigences de validation virtuelle de données ajoutent des contraintes aux concepteurs. Et la course à l’électrification des voitures autonomes est en marche
Dans cet article, j’examinerai quelques-unes des implications de l’autonomie et de l’électrification, puis j’approfondirai les implications techniques de l’électrification haute tension sur la conception des systèmes électriques.
Croissance du contenu électrique
Il est communément admis qu’au cours des dix à vingt dernières années, l’industrie automobile mondiale a connu plusieurs vagues de bouleversements, chacune plus importante que les précédentes. D’abord l’émergence de la Chine en tant que marché automobile majeur (aujourd’hui le plus grand marché mondial en termes de demande et d’offre), puis l’introduction de véhicules hybrides-électriques grand public, et enfin l’émergence de services d’autonomie et de mobilité. Les images ci-dessous illustrent pourquoi l’autonomie domine finalement en termes d’impact des SDE. Voici d’abord une photo du câblage basse tension de la Chevy Bolt EV, accueillie avec un franc succès en 2016, en partie en raison de son autonomie d’environ 400 km avec une charge.
Examinons maintenant la deuxième image, qui illustre la version autonome de la Bolt, un véhicule actuellement non disponible de série. À première vue, l’impact de l’autonomie sur les SDE est évident. En effet, dans le cadre d’une présentation aux investisseurs de GM en novembre 2017, l’entreprise a décrit l’ajout de 40 nouveaux capteurs et une augmentation de 40 % du contenu matériel par rapport à la version non autonome.
câblage basse tension pour Chevy Bolt EV. Image reproduite avec la permission de Sam Abuelsamid, http://sam.abuelsamid.com
(Cf. : https://www.linkedin.com/feed/update/urn:li:activity:6342389023176298496/)
câblage pour véhicule Bolt autonome. Image reproduite avec la permission de Sam Abuelsamid, http://sam.abuelsamid.com
(Source : https://www.linkedin.com/feed/update/urn:li:activity:6342389023176298496/)
Pourtant, l’autonomie, et plus particulièrement la conduite autonome complète de niveau 4 ou 5 essentiellement sans intervention humaine, demeure encore bien lointaine. Malgré de vastes campagnes de marketing et une importante couverture médiatique, la plupart s’attendent à ce que l’autonomie entre dans un « creux de désillusion » bien connu, tel que décrit par Gartner. En effet, de récents témoignages de conduite autonome semblent se concentrer sur des applications plus modestes, comme les navettes fonctionnant à des vitesses relativement faibles dans les zones géographiquement délimitées.
On ne peut pas en dire autant de l’électrification, qui a plutôt tendance à s’accélérer, influençant ainsi également les délais de développement du produit, notamment le travail des équipes de conception des SDE. L’image ci-dessus n’illustre que quelques-unes des annonces faites entre juin et octobre 2017 par des sociétés et des gouvernements énonçant leurs plans d’électrification. Une grande partie de cette ruée sur le marché, et de la pression qui en découle sur les délais de développement des produits, est désormais motivée par la crainte d’être laissé pour compte plutôt que par le désir de percer. En conséquence de cette activité, les organisations de conception nécessitent des processus et des outils qui leur permettent de réagir rapidement au changement. Les anciens processus interactifs ne parviennent plus à suivre le rythme effréné actuellement imposé, ce qui incite les organisations à investir dans des niveaux élevés d’automatisation et de validation virtuelle de la conception.
Aussi, quelles seront quelques-unes des implications spécifiques de l’électrification haute tension pour les concepteurs de SDE quelles sont les caractéristiques des outils de conception dont ils auront besoin ?
Conception et sécurité multisectorielles
Les véhicules électriques exigent qu’une plus grande importance soit accordée à une véritable conception de niveau système pluridisciplinaire. Le freinage par récupération en est un parfait exemple. L’ajout de moteurs électriques très puissants, de circuits électroniques de puissance et d’un stockage de batterie haute capacité implique que les systèmes de freinage tiennent désormais compte de la dynamique des circuits électroniques haute puissance, des caractéristiques du moteur, de la sécurité électrique de la batterie ainsi que de la chimie pour comprendre et gérer la capture de l’énergie de freinage. Elle n’est plus seulement rejetée sous forme de chaleur par le biais des freins à friction, mais peut également être convertie en énergie utile via le stockage dans la batterie. La conception de ce système exige un nouveau niveau d’intégration étroite entre les domaines mécanique, électrique et thermique. Il devient nécessaire d’avoir un véritable échange de données multidisciplines entre les outils logiciels d’ingénierie pour informer la conception du système dès les premiers stades du concept. Chez les équipementiers automobiles les plus progressistes, les concepteurs thermiques, électriques et mécaniques travaillent toujours plus en étroite collaboration à la conception de groupes motopropulseurs électriques HT, car chacune de leurs décisions « indépendantes » a une incidence considérable sur les autres. (Consultez le livre blanc de Mentor « Automotive ECAD-MCAD Co-Design Leads to First-Pass Success » http://go.mentor.com/4WPKj.)
Un aspect nécessaire voire primordial de la conception de systèmes électriques pour hautes tensions est de garantir l’existence de mécanismes de sécurité destinés à prévenir l’électrocution (fondés sur les bonnes pratiques professionnelles d’ingénierie, mais également conformes à la section 5 du règlement 100 de l’ECE/UN). Une boucle de verrouillage haute tension (HVIL) est introduite dans la conception des véhicules électriques haute tension afin de garantir la sécurité électrique lorsque, par exemple, les connecteurs haute tension sont retirés dans le cadre de la recherche ou de la correction de défauts du véhicule. Une vérification de la protection HVIL est recommandée au stade de la conception. Il est nécessaire de vérifier qu’aucun connecteur ou composant haute tension n’a été accidentellement omis lors de la conception du circuit HVIL. De plus, nous devons vérifier que le circuit offre la protection nécessaire lorsque la continuité est interrompue et que la détection du circuit se produit aux points adéquats de ce circuit pour localiser rapidement les défauts. Il s’agit là d’un élément clé de la stratégie globale de sécurité électrique et de détection des défauts des véhicules. Grâce aux outils Capital de Mentor, il est possible pour une entreprise de constituer un ensemble de règles et de contrôles de conception qui prennent en charge la génération automatique du circuit HVIL afin d’optimiser la longueur, le tracé, etc., mais également pour vérifier l’exhaustivité du circuit.
Les outils Capital de Mentor permettent une véritable approche multi-domaine, du système à l’architecture EE, y compris dans les véhicules électriques
Autres aspects à prendre en compte : chaleur, poids et démarrage/arrêt du véhicule
Le chauffage localisé des connecteurs est une question qui serait mieux traitée à l’aide d’outils intégrés entre les domaines mécanique, thermique et électrique. Les systèmes de charge CC à très haute puissance (150-350 kW+), qui requièrent une analyse thermique minutieuse du connecteur homologue de chargeur côté véhicule, et le câblage HT de la batterie, constituent un facteur de conception associé à prendre en compte. Il est également utile de pouvoir analyser les pertes thermiques totales du système HT afin de contribuer aux estimations de distance et de garantir le maintien des dégagements thermiques appropriés pour les câbles HT.
Veiller à l’isolation du système électrique HT, tel que conçu à l’étape de conception, permet d’éviter des modifications ultérieures de la conception et d’éventuels travaux de reprise physique. L’intégration des contrôles de règles de conception au logiciel de conception du système électrique permet d’automatiser ces contrôles, ce qui engendre un niveau de confiance beaucoup plus élevé dans la conception dès le départ.
L’optimisation du conditionnement et du poids requiert une intégration poussée entre les outils de conception électrique et mécanique. Il s’agit là d’une préoccupation majeure pour les véhicules électriques. Par exemple, une comparaison directe entre un véhicule à essence VW Golf SE 2017 et une e-Golf révèle une augmentation du poids à vide de 32 % dans la version électrifiée. Et le résultat est encore plus frappant lorsque des modules autonomes sont ajoutés à l’équation. Un article publié en février 2018 par des chercheurs de l’Université du Michigan et de Ford suggère que les grands systèmes autonomes pourraient en fait augmenter la consommation nette d’énergie des véhicules électriques autonomes, malgré leur capacité à optimiser le profil de conduite.
Le système de distribution électrique étant le troisième plus lourd d’un véhicule (après le châssis et le groupe motopropulseur), la réduction de la masse du SDE contribue indéniablement à la réalisation des objectifs en termes de poids global de véhicule.
La gestion de la taille physique et de la masse nécessaires pour conduire des courants élevés constitue l’un des principaux défis de la conception de connecteurs et câbles EV.
Un exemple pris en compte par les équipementiers concerne le retrait et/ou la réduction du blindage des câbles HT pour optimiser le poids et le conditionnement. Ceci implique évidemment la gestion des interférences électromagnétiques via des intégrations aux outils pour analyser les émissions haute et basse fréquence provenant de sources telles que les câbles HT, le système de gestion de la batterie et les circuits électroniques de puissance.
À cela s’ajoute la nécessité d’évaluer et d’optimiser l’acheminement des câbles et des faisceaux, ce qui signifie que les équipes de conception ont besoin d’outils étroitement intégrés à la CAO 3D (par exemple, Capital et NX).
Enfin, l’analyse de la séquence optimale de démarrage et d’arrêt des composants du système HT est désormais un aspect important à prendre en compte. Un exemple est le calcul de la capacité du système électrique HT pour s’assurer que l’autocontrôle du soudage des contacteurs HT est réalisé au moment opportun (tous les véhicules électriques effectuent ce test critique pour la sécurité au démarrage et/ou à l’arrêt du système HT).
Il est également essentiel de vérifier que seuls les composants HT nécessaires sont activés pour le mode de véhicule spécifique (par exemple, mode de charge ou mode de conduite).
La gamme de produits Capital de Mentor, qui couvre les systèmes de distribution électriques et réseaux, est un exemple de la façon dont nous pouvons transformer les capacités de conception dans l’ensemble des organisations. À l’aide d’un paradigme de conception dirigée par les modèles, Capital peut définir des architectures de système, puis, à l’aide de mesures et de contrôles de règles de conception intégrés, comparer et opposer plusieurs architectures potentielles pour s’assurer que la conception de la plate-forme répond à l’objectif initial. Les outils peuvent alors intégrer automatiquement les systèmes électriques en vue de les incorporer dans un schéma topologique représentatif de ce véhicule. Les composants électriques des systèmes sont automatiquement placés et interconnectés, et le système de câblage complet est automatiquement généré à l’aide de règles et de contraintes intégrées par l’entreprise dans le logiciel. Le résultat : les tâches de conception qui prenaient auparavant des mois peuvent désormais être exécutées en quelques heures ou jours et, surtout, les conceptions peuvent être vérifiées pendant leur création.
Les données peuvent être réutilisées dans tous les programmes de véhicules ainsi que dans les processus de fabrication et d’entretien en aval.
Les constructeurs et équipementiers tournés vers l’avenir adoptent ces approches qui leur confèrent un « avantage déloyal » dans ce contexte toujours plus concurrentiel. Ce dernier leur permettra de prendre les devants pour relever les défis techniques et commerciaux interdépendants auxquels ils sont confrontés au quotidien.
Basé en Angleterre, Dan Scott est directeur marketing en charge des systèmes électriques intégrés au sein de Mentor, a Siemens Business. Vous pouvez le contacter à l’adresse dan_scott@mentor.com.
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