Vers l'électrification automobile

L'évolution de l'industrie automobile vers l'électrification — le remplacement des systèmes mécaniques traditionnels par des composants et des systèmes électriques — modifie profondément la conception des véhicules d'aujourd'hui, qu'il s'agisse de moteurs à combustion interne, de motorisation semi-hybride ou d'architectures entièrement électriques.

L'électrification des trains se fait progressivement au fil des ans. (Source de l'image : Getty Images)

De même que les systèmes ont évolué, passant de carburateurs et de systèmes d'échappement simples à des injecteurs de carburant, des systèmes d'émission et des systèmes de contrôle de traction et de freinage de précision, des progrès similaires ont été réalisés dans le domaine de l'électrification avec de nouvelles architectures, de nouveaux composants pour les moteurs électriques, de nouveaux blocs-batteries et des systèmes électroniques de puissance avancés. Combinées, ces avancées incitent les ingénieurs à repenser la conception et la conduite des véhicules pour une efficacité, une fiabilité et une sécurité optimales.

Des experts de deux entreprises leaders dans le secteur de l'électronique — Matt McWhinney et Kirk Ulery, responsables du développement commercial chez Molex, et Shawn Luke, responsable du marketing technique chez DigiKey — font le point sur l'état actuel de la transition vers l'électrification et sur les enjeux clés pour l'avenir de l'industrie automobile.

Le paysage des modèles de véhicules

Alors que la demande en matière de véhicules électriques et hybrides, très scrutée, continue d'augmenter, les ventes de véhicules électriques neufs ont ralenti au cours des derniers mois en raison de nombreux facteurs, y compris le marché et les politiques publiques. Les experts du secteur citent les coûts et les infrastructures de recharge limitées aux États-Unis comme deux obstacles majeurs.

« Nous avons connu des hauts et des bas en matière d'électrification en Amérique du Nord », a déclaré Kirk Ulery. « Si vous parcourez plus de 150 kilomètres sans vous arrêter, vous savez que l'infrastructure de recharge doit être prise en compte. »

Les véhicules hybrides, en revanche, dépassent les ventes des véhicules électriques. Selon les données d'Edmunds, les achats de véhicules hybrides aux États-Unis ont connu leur plus forte hausse en 2023, passant de plus de 750 000 ventes en 2022 à plus d'un million en 2023.

Une autre catégorie émergente est celle des véhicules semi-hybrides, qui utilisent un moteur électrique alimenté par batterie, en complément de l'utilisation d'essence ou de gazole. La plupart des véhicules semi-hybrides fonctionnent avec un système électrique de 48 V, soit une tension plus élevée que celle des systèmes électriques d'un véhicule à moteur à combustion traditionnel. Le système 48 V alimente les composants qui ne dépendent pas du moteur, ce qui permet d'améliorer le rendement opérationnel.

Malgré le rythme rapide de l'innovation dans le domaine de la conception automobile, les véhicules à essence continuent de dominer le marché. Selon une étude d'Edmunds, 82 % des véhicules neufs vendus aujourd'hui aux États-Unis fonctionnent à l'essence. Cependant, la transition vers l'électrification est bien engagée, des véhicules traditionnels aux modèles électriques de haute technologie les plus avancés.

Électrification sous le capot

Kirk Ulery fait remarquer que « l'une des constantes que nous observons est une électrification beaucoup plus poussée, les systèmes mécaniques étant de plus en plus électrifiés dans tous les véhicules pour de nombreuses raisons, en particulier pour améliorer l'efficacité. »

Un exemple est la technologie stop-start, qui coupe le moteur lorsque le véhicule s'arrête et le redémarre automatiquement lorsque le conducteur relâche le frein ou appuie sur la pédale d'accélérateur. Bien que cette fonctionnalité puisse solliciter davantage certains composants, elle vise à améliorer l'efficacité en carburant et à réduire les émissions de gaz à effet de serre.

D'autres exemples d'électrification sous le capot concernent les ventilateurs de radiateur, la direction assistée, les systèmes CVC et les pompes de refroidissement. Tous ces systèmes étaient auparavant alimentés par les courroies d'un moteur à combustion interne (ICE). Les pompes à eau électriques remplacent les pompes de radiateur mécaniques pour de meilleures performances, et le contrôle précis du refroidissement électrique peut prolonger la durée de vie de ces pièces. Avec une gestion de batterie étendue, elles font également circuler le liquide de refroidissement dans le véhicule pour réguler la température du bloc-batterie, des moteurs électriques et de l'électronique de puissance.

Le passage à des modules électriques tels que les pompes d'assistance de direction permet au système de ne plus dépendre du moteur, ce qui réduit les charges parasites et permet d'augmenter la puissance disponible. Par conséquent, les constructeurs automobiles peuvent installer des moteurs plus petits dans certains véhicules et conserver les mêmes performances de conduite tout en gagnant en efficacité et en réduisant les émissions.

« L'électrification a ouvert la voie à de nouvelles conceptions de véhicules innovantes », note Shawn Luke. « N'ayant plus besoin d'adapter l'architecture à entraînement par courroie à un moteur à combustion interne traditionnel, les constructeurs automobiles disposent d'une plus grande marge de manœuvre pour répartir les batteries et les ports de charge, augmenter l'espace disponible pour les passagers ou les marchandises, et plus. »

Globalement, la transition vers l'électrification remplace les systèmes mécaniques traditionnels par des systèmes à commande électrique de précision qui peuvent être plus efficaces. Grâce aux avancées en matière de contrôle logiciel, les véhicules modernes sont plus propres et plus écoénergétiques, et offrent des performances et une durabilité supérieures tant aux conducteurs de véhicules particuliers qu'aux conducteurs de véhicules utilitaires.

Améliorations des batteries de véhicules

Au cours de la dernière décennie, les constructeurs automobiles sont passés de 12 V à des tensions plus élevées, notamment 24 V (en particulier pour les véhicules utilitaires) et maintenant 48 V, afin d'augmenter la tenue en puissance, de réduire le poids des véhicules, d'améliorer l'accélération et de réaliser des économies de carburant.

La recharge de VE à 48 V requiert des capacités d'alimentation des bornes de recharge plus sûres et plus fiables. (Source de l'image : Getty Images)

Aux États-Unis et en Europe, la législation prévoit la réduction des émissions dans les nouveaux véhicules. L'évolution croissante vers des architectures semi-hybrides qui incluent des générateurs-démarreurs intégrés résulte à la fois de la réglementation et des forces du marché. La tension de 48 V ne se généralise pas seulement dans les véhicules semi-hybrides, mais semble également susceptible d'émerger dans davantage de plateformes ICE.

La transition vers une architecture 48 V n'implique pas seulement une augmentation de la tension du système. Elle requiert également une modification électrique fondamentale. Les véhicules plus performants et plus riches en fonctionnalités reposent sur des composants plus légers et plus petits qui offrent la même efficacité électrique qu'un modèle à plus haute densité.

Selon Kirk Ulery, « le point commun est que les systèmes 12 V et 48 V déplacent les fonctions mécaniques traditionnelles d'une courroie multifonction vers une série de moteurs électriques. » Il a pris l'exemple d'un pick-up qui utilise l'énergie mécanique pour sa direction assistée. Dans de nombreux véhicules, cette fonction est en train de devenir électrique. « La quantité d'énergie nécessaire à la direction assistée réduit la puissance du moteur, donc en la déplaçant vers un système électrique séparé, les conducteurs peuvent maintenir plus de puissance dans le groupe motopropulseur. »

Le passage de l'industrie automobile à des systèmes à plus haute tension se fait progressivement, compte tenu de l'impact significatif sur les processus de conception et de fabrication. La transition de chaque constructeur s'effectue selon un calendrier différent en fonction de ses produits, de sa maturité technique et des exigences de ses clients. En outre, tous sont tenus de respecter les normes et les pratiques de conception liées aux technologies qu'ils utiliseront, y compris :

  • La norme ISO 21780 couvre les exigences et les essais pour les composants électriques et électroniques des véhicules routiers équipés d'un système électrique fonctionnant à une tension nominale de 48 V.
  • La recommandation VDA 320 est publiée et mise à jour par la Fédération de l'industrie électrotechnique et électronique allemande ZVEI. Elle couvre un large éventail de spécifications et d'exigences de test pour les composants électriques et électroniques dans les véhicules à moteur afin de développer l'alimentation 48 V.

Le respect des normes pour atteindre une gestion intelligente des batteries fait partie intégrante du succès de l'architecture 48 V. Avec un processus de conception approprié, les constructeurs automobiles peuvent éviter un stockage d'énergie inefficace, des coûts accrus et des risques de sécurité potentiels pour les conducteurs.

Principes de base des interconnexions pour privilégier la sécurité

Les véhicules exigent plus de puissance que jamais pour prendre en charge des fonctions électriques de plus en plus sophistiquées. La conception d'un connecteur fiable pour les systèmes 48 V repose sur plusieurs facteurs fondamentaux afin de répondre aux normes de performances et de sécurité des véhicules.

Selon Matt McWhinney, « l'électronique et l'infrastructure (les interconnexions nécessaires au bon fonctionnement d'un véhicule) sont essentielles pour la sécurité. »

Étant donné que les systèmes 48 V fonctionnent à une tension plus élevée (que les systèmes 12 V), les connecteurs et les systèmes électriques doivent être fabriqués avec des matériaux robustes et une isolation appropriée pour garantir des performances sûres et fiables. Cela est d'autant plus important si la tension est supérieure à 48 V.

Les défaillances des connecteurs peuvent entraîner des dysfonctionnements des systèmes des véhicules ou des risques pour la sécurité. Pour éviter les déconnexions, les connecteurs doivent être dotés de mécanismes de verrouillage et de décharge de traction, et faire l'objet d'inspections et de contrôles de maintenance réguliers.

« La sécurité et le contrôle du système électrique sont aujourd'hui plus importants que jamais », affirme Matt McWhinney.

Le maintien de la qualité du signal est crucial pour les applications à plus haute tension. Une intégrité des signaux médiocre peut entraîner des dysfonctionnements. Les connecteurs doivent donc minimiser la perte de signal et les interférences avec des câbles blindés, une mise à la terre adéquate et un placement stratégique. La prise en compte de ces considérations requiert innovation et expertise, et c'est là que les solutions de connecteurs avancées entrent en jeu.

« On a l'impression qu'il s'agit d'un enjeu mineur, mais on sous-estime l'importance des interconnexions dans la conception automobile, en particulier pour la sécurité », ajoute Shawn Luke.

Tenir la cadence d'évolution et de certification des pièces

Le respect des exigences de sécurité est une priorité absolue, mais Matt McWhinney note que l'évolution constante des exigences relatives aux systèmes électriques des véhicules constitue un défi supplémentaire, qui impose aux constructeurs de garder la cadence et de réviser constamment les connecteurs et les autres composants.

Les constructeurs peuvent toujours se référer à l'organisation USCAR (US Council for Automotive Research) pour suivre les exigences de performances, et examiner et certifier avec soin les composants approuvés pour une utilisation sûre dans l'industrie automobile.

Les composants conformes aux normes USCAR/LV214 ou à des qualifications similaires sont typiquement des pièces de haute qualité, robustes et fiables, capables de supporter les contraintes de la route sans sacrifier les performances. Par exemple, la série de connecteurs MX150 de Molex offre des composants destinés aux véhicules confrontés à des environnements difficiles, et qui résistent aux températures extrêmes, aux vibrations et à l'humidité.

Connecteur Molex sur un Cybertruck. (Source de l'image : Molex)

Shawn Luke remarque que « les opportunités d'innovation dans la conception des véhicules étant plus nombreuses, de plus en plus de constructeurs automobiles adoptent des pratiques d'électrification. En raison du cycle d'innovation ultrarapide, il existe peu de plateformes standard dans ce domaine. Cependant, cette diversité accrue offre aux consommateurs davantage d'options, et le coût des véhicules devrait diminuer à mesure que les technologies progressent et que la production s'accélère. »

La question des véhicules utilitaires

Si l'on a beaucoup parlé des voitures de tourisme, tous les éléments évoqués dans cet article sont une réalité depuis bien plus longtemps dans le domaine des véhicules utilitaires. Les véhicules utilitaires sont rapidement passés de systèmes de 12 V à 24 V pour les moteurs diesel et certains systèmes électriques, ce qui leur a permis d'avoir des démarreurs plus petits. Ils sont également équipés depuis longtemps de systèmes CVC électriques, en particulier les bus, les véhicules de chantier et agricoles et les poids lourds.

Les véhicules utilitaires sont généralement conçus pour soutenir les activités de leur propriétaire/conducteur et doivent donc fonctionner de manière fiable. La pression exercée sur les véhicules utilitaires pour qu'ils soient performants est généralement plus forte que celle exercée sur les voitures de tourisme, ce qui nécessite une étanchéité et une robustesse accrues.

Qu'ils conçoivent des véhicules de tourisme ou des véhicules utilitaires, les ingénieurs doivent aujourd'hui prendre en compte de nombreux systèmes et fonctionnalités complexes et énergivores permettant de répondre à la demande des consommateurs et des entreprises, tout en étant hautement efficaces, durables et sûrs. Heureusement, les fournisseurs sont prêts à relever le défi de créer la technologie qui permettra de résoudre ces problèmes d'innovation.

Alors que les ingénieurs automobiles révolutionnent l'avenir des transports, des fournisseurs comme Molex et des distributeurs comme DigiKey les accompagnent en proposant des composants, des services et une expertise de haute qualité pour favoriser cette transformation.

À propos de l'auteur

More posts by Matt McWhinney and Kirk Ulery, Molex and Shawn Luke, DigiKey
 TechForum

Have questions or comments? Continue the conversation on TechForum, DigiKey's online community and technical resource.

Visit TechForum