Si quelque chose ne peut pas continuer, cela ne se poursuivra pas ; répondre aux besoins électriques voraces de l'automobile à partir d'une batterie de 12 V est un exemple de cette réalité.
Les voitures d'aujourd'hui — qu'elles soient basées sur le moteur à combustion interne traditionnel (ICE), une forme de véhicule électrique hybride (HEV) ou même un véhicule purement électrique (EV) — sont chargées d'électronique, de capteurs, d'unités de commande, de fonctions de sécurité, de pilotes avancés. -système d'assistance (ADAS), systèmes d'infodivertissement, des dizaines de petits moteurs et de gros moteurs de traction (pour EV/HEV). Fournir, gérer et fournir l'énergie et la puissance électrique requises constitue un défi majeur. Dans le même temps, la dissipation de la chaleur inévitable est une conséquence inévitable de cette situation énergétique.
Cette demande toujours croissante de puissance supplémentaire a atteint un point où elle ne peut plus continuer à utiliser uniquement la batterie au plomb de 12 V. Cette batterie ne peut pas fournir l'énergie nécessaire, et même si elle le pouvait, les câbles de gros calibre nécessaires pour maintenir les pertes à un niveau acceptable ajoutent au coût, au poids, au volume, aux problèmes de routage et aux contraintes d'assemblage. Si vous avez vu des kilomètres de câbles et leurs gros connecteurs dans une voiture moderne, dont une grande partie est épaisse et rigide de calibre 12, vous savez qu'il y a un problème.
Le changement est là, et d'autres sont à venir
Bien entendu, les besoins énergétiques des voitures d’aujourd’hui sont de plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux d’il y a plus de 100 ans. De quelle puissance une voiture a-t-elle besoin (en ignorant les moteurs de traction) ? Une première perspective montre l'augmentation inexorable et spectaculaire, à l'exception d'une légère baisse dans la période 1970 (peut-être en raison de l'embargo pétrolier arabe et de la pénurie de gaz ?) ; Figure 1 montre cela.
Un bref aperçu de l’évolution de la batterie à elle seule est révélateur. Les premières voitures n’avaient pas de batterie du tout ! Pour démarrer une voiture, le conducteur tournait le moteur à la main pour initier un mouvement de rotation. L'alimentation des bougies d'allumage provenait d'une magnéto, un générateur rudimentaire mais suffisamment efficace fixé au moteur. En effet, la voiture lancée créait sa propre énergie pour la bougie d'allumage une fois qu'elle était lancée et retournée.
Lorsque le démarreur électrique a été introduit entre 1910 et 1920, il utilisait une batterie de 6 V. Cette batterie était suffisante même avec l'ajout de la radio à tube à vide, gourmande en énergie, au milieu des années 1920. La clé de la possibilité d'utiliser une modeste batterie de 6 V pour le démarreur et la radio était que les deux n'étaient pas utilisés en même temps et que le câble d'alimentation allant de la batterie au démarreur et à la radio était court et direct, minimisant ainsi les pertes.
Au début des années 1950, les charges supplémentaires sur le système électrique de la voiture ont augmenté avec l'ajout d'options électriques telles que davantage d'éclairage, de climatisation et de direction assistée. Pour minimiser les demandes électriques, bon nombre de ces options étaient alimentées mécaniquement par des courroies fonctionnant sur le moteur de la voiture, l'électricité étant utilisée pour le contrôle mais pas pour la puissance brute.
Néanmoins, les charges ont augmenté au-delà de ce que la batterie 6 V pouvait supporter. L'industrie est passée aux batteries de 12 V pour fournir davantage d'énergie disponible, réduire les pertes et permettre l'utilisation de câbles plus fins transportant des tensions plus élevées mais à un ampérage inférieur (Figure 2).
La solution 12 V a duré plus de 50 ans, ce qui constitue un historique impressionnant, et le schéma d'interconnexion du réseau de distribution d'énergie (PDN) était simple, du moins en principe (Figure 3).
Cependant, de nombreuses charges supplémentaires sous forme de fonctionnalités modernes ont été ajoutées. Dans le même temps, les fonctions existantes, telles que la direction assistée entraînée par le moteur, sont passées à l'assistance du moteur électrique pour un meilleur contrôle. Le résultat a été un PDN plus complexe (il y a eu un mouvement initial vers une mise à niveau vers une batterie 24 V dans les années 1990, mais cela n'a jamais fait son chemin. Les avantages n'ont pas compensé la nature bien établie de la chaîne d'approvisionnement 12 V, de la fabrication, et expertise) (Figure 4).
Flash forward jusqu'au 21st siècle, et le 12 V s’essouffle, pour reprendre une métaphore mixte. La chute IR et la perte de tension lors de l'utilisation de 12 V pour les fonctions électroniques constituent un problème qui peut être résolu, dans une certaine mesure, grâce à l'utilisation de régulateurs locaux appropriés sur chaque carte de circuit imprimé. je2Cependant, l'échauffement R Joule et la perte de puissance associée constituent un problème pour lequel il n'y a aucun recours, car cette puissance est gaspillée et non récupérable, tandis que la dissipation thermique associée ajoute à la charge thermique de la voiture.
La section suivante poursuit cette discussion.
Contenu associé à EE World
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Références externes
Cadence Design Systems, « Qu'est-ce que l'architecture zonale ? Et pourquoi cela bouleverse-t-il la chaîne d’approvisionnement automobile ? »
Vicor Corp., « Systèmes 48 V : ce que vous devez savoir alors que les constructeurs automobiles disent adieu au 12 V »
Vicor Corp., « Véhicules électriques : le 48 V est le nouveau 12 V »
Vicor Corp., « Tesla Cybertruck éliminera les composants électriques 12 V »
TE Connectivity, « Connectivité dans les architectures E/E automobiles de nouvelle génération »
Infineon, « Système de distribution d'énergie automobile »
Clore Automotive, « L'évolution de la batterie automobile »
Continental Battery Systems, « Évolution des batteries de voiture – De l’ancienne technologie au MIXTECH »
MDPI, « Caractéristiques des systèmes de gestion de batterie des véhicules électriques avec prise en compte du processus d'équilibrage des cellules actives et passives »
ResearchGate, « Une approche systématique du développement des architectures de systèmes d'alimentation électrique automobile »
À l’intérieur des véhicules électriques, « Tesla confirme le passage au système 48 volts »
Texas Instruments, « Traitement des avantages de l'architecture de zone dans l'automobile »