La berline Volkswagen (VW) ID.3, introduite en 2019, est considérée comme l'un des véhicules électriques (VE) les plus vendus en Europe et a ouvert un chapitre intéressant sur le marché des VE qui verra de nombreux autres modèles d'ici 2030. ID.3 est le premier véhicule entièrement électrique de VW lancé dans le « ID ». famille et représente « une nouvelle ère de mobilité électrique pour tous ».
L'ID.3 met en évidence le redressement initié par la société allemande pour passer des moteurs à combustion aux véhicules électriques à batterie à travers ses marques, tout en renforçant sa stratégie de plate-forme de fabrication. L identité. La classe de véhicules est appelée le troisième chapitre majeur de VW, après les très réussies et emblématiques Beetle et Golf. À la base de ce développement, bien sûr, se trouve la nécessité de se conformer aux réglementations mondiales en matière d'émissions.
Il y a plusieurs années, le groupe Volkswagen est passé à une stratégie de plate-forme modulaire qui permet à l'entreprise de partager des modules et des systèmes entre les marques et les modèles. L'une des plus récentes est la plate-forme modulaire flexible MBQ, introduite en 2012, qui est conçue pour partager autant de composants que possible entre les différentes marques tout en laissant suffisamment de place pour la personnalisation et la compatibilité avec une large gamme de types de moteurs. Il peut également s'adapter aux dimensions de différents modèles, grâce à la possibilité de faire varier l'empattement (la distance entre les roues avant et arrière) et la largeur de la plate-forme. Le système de plate-forme cible les véhicules transversaux, à moteur avant et à traction avant.
Cette philosophie de fabrication a été transférée à la production de véhicules entièrement électriques avec la nouvelle plate-forme MEB (Modular Electric Drive Matrix), répondant aux exigences de conception de la mobilité électrique. Certains des premiers véhicules électriques construits sur la plate-forme MEB incluent l'ID.3 pour le marché européen et le crossover ID.4, qui sera vendu aux États-Unis et en Asie.
Figure 1 : Plateformes MEB et MBQ de Volkswagen. Cliquez sur l'image ci-dessus pour l'agrandir (Source : System Plus Consulting)
La plate-forme MEB est une architecture évolutive qui a été créée exclusivement pour les véhicules électriques et qui sous-tendra tous les modèles de véhicules électriques des autres marques du groupe VW. Il a également été autorisé pour une utilisation par Ford. Cet accord récemment confirmé est crucial pour aider VW à récupérer ses énormes coûts de développement et lui permettra de maintenir des prix bas grâce à des économies d'échelle.
L'un des principaux facteurs ayant une incidence sur l'adoption des véhicules électriques est le coût. Les consommateurs ne veulent pas payer un prix plus élevé. Les éléments de conception partagés dans la stratégie de plate-forme VW offrent des avantages clés, notamment un pouvoir d'achat et un développement plus rapide, ce qui permet de réduire les coûts tout en offrant un riche ensemble de solutions techniques, toutes nécessaires pour favoriser l'adoption des véhicules électriques.
Dans une interview accordée à EE Times, Romain Fraux, PDG de System Plus Consulting, a évoqué les innovations matérielles clés mises en œuvre sur l'ID.3 EV compact et économique. Fort de créations modulaires, le Groupe Volkswagen a créé plusieurs modèles de marques différentes qui partagent la même base.
De la Volkswagen Golf à la SEAT Leon en passant par l'Audi A3 Sportback et la Škoda Octavia et d'autres, la plate-forme MBQ est ce qui la distingue, et maintenant, cette philosophie de construction a été transférée à la production de voitures électriques du Groupe Teutonique avec le nouveau Plateforme MEB, notamment pour les versions ID.3 et ID.4, a indiqué Fraux. Objectif ambitieux, c'est un défi commercial qui exploite une sans souci conçu pour réduire les coûts et créer des produits toujours à jour, a-t-il ajouté.
Le plus grand avantage d'une plate-forme modulaire est qu'elle permet de standardiser certaines pièces afin qu'elles puissent être utilisées pour toutes les variantes de modèles possibles, a déclaré Fraux. « Nous parlons de pièces structurelles, d'éléments de support, mais aussi des modules qui composent le plancher proprement dit et, surtout, la mécanique, les moteurs, les boîtes de vitesses, la transmission et les équipements.
La plate-forme MEB offre une flexibilité dans les designs de carrosserie et d'intérieur qui sont décisifs pour le caractère stylistique du véhicule, comme l'empattement. Il fournit également un système de batterie évolutif avec diverses possibilités de configuration de la batterie. Le bloc de batterie peut avoir une structure à 5 × 2 cellules ou à 6 × 2 cellules ; toutes les cellules ne doivent pas nécessairement contenir une batterie module.
Fraux a examiné deux systèmes clés dans l'ID.3, le premier modèle à être construit sur la plate-forme MEB : les systèmes avancés d'assistance à la conduite (ADAS) et l'électrification, comme indiqué dans Figure 2.
« Pour ADAS, nous avons analysé l'assistance frontale avec la caméra de dernière génération de Valeo et le radar à moyenne et courte portée de Continental », a-t-il déclaré. "Le système d'avertissement de collision avant [inclus dans l'assistance frontale] peut aider à surveiller la circulation et peut vous alerter acoustiquement et visuellement d'une collision arrière potentielle avec le véhicule qui avance. Pour ADAS, il y a le Hella RS4 pour la surveillance des angles morts, l'assistance au changement de voie et l'alerte de trafic transversal arrière.
"Pour l'électrification, nous avons analysé l'onduleur, le chargeur embarqué et le système de gestion de batterie [BMS]", a-t-il ajouté.
Figure 2 : Principaux systèmes ADAS et d'électrification analysés. Cliquez sur l'image ci-dessus pour l'agrandir (Source : System Plus Consulting)
Solutions ADAS
L'ID.3 est équipé d'une large gamme de systèmes d'aide à la conduite. Considéré comme un ADAS de niveau 2, l'ID.3 s'appuie sur les mêmes fournisseurs et, dans la plupart des cas, les mêmes composants que le Golf 8, précédemment évalué par System Plus Consulting, construit sur la plate-forme MBQ.
Il n'y a eu aucune surprise dans les systèmes de caméras, a déclaré Fraux. « Nous pouvons voir que la conception des cartes est un peu différente mais le choix des composants est similaire. »
Le système d'avertissement de collision avant (inclus dans l'assistance avant) peut aider à surveiller la circulation et alerter le conducteur de manière acoustique et visuelle d'une collision arrière potentielle avec le véhicule qui avance. S'il détecte qu'une collision est imminente, le freinage d'urgence autonome (inclus dans l'assistance frontale) peut aider le conducteur avec une pression de freinage accrue ou, si le conducteur ne réagit pas du tout, il peut appliquer les freins automatiquement.
La fonction de surveillance des piétons (incluse dans l'assistance frontale) peut avertir des piétons traversant devant le véhicule et, dans certaines circonstances, peut freiner automatiquement pour aider à atténuer le résultat d'une collision avec un piéton si le conducteur ne répond pas aux avertissements
Utilisant la même caméra que la Golf 8, l'assistance de la caméra avant se compose de la carte caméra avant de dernière génération de Valeo avec Intel/Mobileye EyeQ4M, l'OV10642 CIS 1.3 mégapixel (MP) d'OmniVision. capteur, et le microcontrôleur 850 bits (MCU) RH1/P32H-C de Renesas.
Le capteur 1.3 MP prend en charge une matrice active de 1280 × 1080 pixels et une sortie d'image RAW jusqu'à 60 images par seconde. La série RH850/P1H-C comprend des processeurs 32 bits avec double cœur, une technologie de sécurité, un flash de code, un flash de données, des modules RAM, des contrôleurs DMA, de nombreuses interfaces de communication utilisées dans les applications automobiles, des convertisseurs A/N, des unités de minuterie, etc.
Figure 3 : Carte caméra frontale de Valeo. Cliquez sur l'image ci-dessus pour l'agrandir (Source : System Plus Consulting)
Le radar avant est doté de la technologie à 77 GHz de cinquième génération de Continental avec une conception à deux cartes. Il se compose du MMIC 3Tx4Rx à puce unique du NXP dans un WLCSP et un MCU 32 bits. Une carte est utilisée pour le contrôle informatique et l'autre pour la détection.
Figure 4 : Système radar d'assistance frontale de Continental. Cliquez sur l'image ci-dessus pour l'agrandir (Source : System Plus Consulting)
Semblable à la Golf 8, la Hella RS4 est dotée d'une surveillance des angles morts, d'un assistant de changement de voie et d'une alerte de trafic transversal arrière. La carte se compose du MCU TC26x TriCore d'Infineon et du MMIC STRADA431 de STMicroelectronics. Le STRADA431 est un émetteur-récepteur monopuce pour radar automobile qui couvre la bande de fréquences de 24 à 24.25 GHz afin d'être conforme aux applications de la bande ISM.
Systèmes d'électrification
Le système motopropulseur d'un VE implique plusieurs solutions, du chargeur embarqué à la batterie et son système de gestion. La batterie d'aujourd'hui entraîne le coût global, et celui-ci est principalement déterminé par le coût par cellule et son boîtier de protection mécanique.
Les quatre parties principales des systèmes électriques de l'ID.3 sont le convertisseur DC/DC de Bosch, le système de gestion de batterie (BMS) de Huber Automotive, l'onduleur de Valeo-Siemens et le chargeur embarqué de Kostal (Figure 5). L'ID.3 est équipé d'un moteur monté juste devant l'essieu arrière et d'une transmission à une vitesse et utilise un moteur électrique à aimant permanent sans balai APP 310. L'abréviation « APP » signifie que le moteur et la transmission sont disposés parallèlement aux essieux, tandis que le nombre représente le couple maximal, capable de générer 310 Nm. Ce nombre donne une idée de l'accélération.
Figure 5 : Principaux systèmes d'électrification. Cliquez sur l'image ci-dessus pour l'agrandir (Source : System Plus Consulting)
Au cœur de l'ID.3 se trouve la batterie. Trois tailles de batteries sont disponibles : 45 kWh (avec une autonomie jusqu'à 330 km), 58 kWh (avec une autonomie jusqu'à 420 km), et la plus grande, 77 kWh avec une autonomie de 550 km. Ce dernier dispose de 12 modules, chacun constitué de 24 cellules lithium-ion. Il fonctionne à 408 V et peut également être rechargé en courant continu, jusqu'à 125 kW.
La batterie dispose d'un système de refroidissement liquide dédié pour une gestion optimale de la température et est logée dans un boîtier en aluminium qui dispose également d'un cadre intégré absorbant les chocs pour maintenir l'intégrité des composants à l'intérieur.
L'onduleur, comme indiqué dans Figure 6, est conçu par Valeo Siemens et utilise les technologies d'Infineon IGBT et technologies MCU avec CPLD d'Intel. L'IGBT d'Infineon est le FS820R08A6P2B (820 A/750 V) : un module de six modules optimisé pour les onduleurs de 150 kW. Le module d'alimentation implémente la génération de puces IGBT EDT2, qui est une conception de cellule d'arrêt de champ à tranchée à micro-modèle automobile. Le chipset a une densité de courant de référence combinée à des courts-circuits.circuit robustesse et blocage accru Tension pour un fonctionnement fiable de l'onduleur dans des conditions environnementales difficiles.
Figure 6 : Démontage de l'onduleur. Cliquez sur l'image ci-dessus pour l'agrandir (Source : System Plus Consulting)
L'onduleur se compose de trois étages. Le premier est l'étage d'entrée qui produit une tension continue à partir de la batterie et se compose de plusieurs condensateurs et filtres EMI. La deuxième étape est la conversion DC/DC à l'aide d'un DC-link condensateur, qui filtre et lisse la tension continue dans les rails du bus CC. La dernière étape initie la conversion via une commutation haute fréquence et fournit la puissance inversée à la charge (moteur électrique).
Le circuit intermédiaire doit équilibrer la puissance instantanée fluctuante qui se traduit par une « ondulation » générée par les étages IGBT. Une solution peut utiliser différentes technologies de condensateurs telles que l'électrolyse de l'aluminium, le film et la céramique. Les ondulations au niveau des nœuds de liaison CC affectent les performances car chaque condensateur a une certaine impédance (et une auto-inductance). Le coût de cet onduleur, comme l'a souligné Fraux, est d'environ 335 $, principalement en raison des composants électroniques. Les IGBT et les MCU d'Infineon représentent près de 30 % du coût total des onduleurs. (Figure 7).
Figure 7 : Schéma fonctionnel de l'onduleur. Cliquez sur l'image ci-dessus pour l'agrandir (Source : System Plus Consulting)
Le chargeur embarqué est fabriqué par Kostal en Chine, avec des dimensions de 480 × 313 × 102 mm et un poids de 10.48 kg (Figure 8). Le choix du matériel s'est orienté vers le MCU de Renesas et l'IGBT/ d'Infineonmosfet, comme indiqué dans le schéma fonctionnel de Figure 9.
Figure 8 : Démontage du chargeur embarqué. Cliquez sur l'image ci-dessus pour l'agrandir (Source : System Plus Consulting)
Figure 9 : Schéma fonctionnel du chargeur embarqué. Cliquez sur l'image ci-dessus pour l'agrandir (Source : System Plus Consulting)
Les packs batteries montés sur les VE sont constitués de plusieurs modules de cellules connectés à la fois en série et en parallèle. Le circuit électronique nécessaire à la gestion des modules de cellules est appelé système de gestion de batterie. Un BMS comprend un ou plusieurs étages de conversion de puissance et un système embarqué basé sur MCU pour gérer tous les aspects liés au sous-système de puissance. Lors d'un processus de charge ou de décharge de la batterie d'un VE, il est obligatoire de surveiller l'état de chaque cellule appartenant à la batterie. Le BMS d'ID.3 se compose de quatre esclaves et d'un maître avec des solutions de STMicroelectronics et NXP, comme indiqué dans Figure 10.
Figure 10 : NXP est le principal fournisseur du BMS. Cliquez sur l'image ci-dessus pour l'agrandir (Source : System Plus Consulting)
Le BMS gère l'ensemble des piles au lithium (piles individuelles ou packs batteries complets), déterminant une zone de fonctionnement sûre, c'est-à-dire dans laquelle le pack batterie garantit les meilleures performances techniques et énergétiques. Le BMS est, en pratique, un système électronique de contrôle complet de toutes les fonctions de diagnostic et de sécurité pour la gestion de la haute tension à bord du véhicule et l'équilibrage de la charge électrique.
Avec l'adoption croissante des véhicules électriques, l'impact sur le secteur des BMS sera considérable, car les véhicules électriques sont alimentés par des dizaines ou des centaines de cellules. Toute mauvaise gestion pourrait déclencher d'énormes problèmes électriques. Un BMS optimise les performances de la voiture électrique et assure la sécurité du pack batterie.
L'article original publié dans la publication sœur EE Times.
Il existe de très nombreuses propositions de terminologie alternative à « maître/esclave », aucune n'étant largement acceptée. L'IEEE est souvent utilisé pour déterminer la terminologie de l'industrie ; l'organisation est en train de le faire. Pour l'instant, dans l'attente d'une nouvelle norme ou d'un consensus émergent, EE Times continue d'utiliser une terminologie standard. Lire: Il est temps pour l'IEEE de retirer le « maître/esclave »