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 changements de topologie affectent la source de la batterie
En raison des problèmes de 12 V, de nombreux véhicules ICE plus récents et presque tous les EV/HEV disposent également d'une batterie de 48 V. Cette batterie dessert des charges alimentées plus efficacement par une tension plus élevée tout en conservant la source 12 V pour les charges à courant plus faible.
Le convertisseur DC/DC 48 V est généralement conçu pour permettre à l'énergie électrique de circuler de manière bidirectionnelle d'une batterie à l'autre selon les besoins, sous la direction d'un système de gestion de batterie (BMS) sophistiqué afin d'équilibrer de manière optimale les sources d'énergie par rapport à la demande de charge (Figure 1).
La gestion de la batterie est devenue un système extrêmement compliqué malgré son apparente simplicité dans un schéma fonctionnel de haut niveau (Figure 2).
Cependant, ce ne sont pas seulement les tensions de base des batteries qui ont augmenté. Les exigences du système ont poussé les concepteurs à refaire la topologie de base de la façon dont la tension et la puissance de la batterie sont distribuées et converties vers les rails à basse tension pour l'électronique tout en offrant également des tensions plus élevées pour les charges à plus forte puissance telles que les moteurs accessoires, les amplificateurs audio dans le des dizaines et des centaines de watts, et plus encore.
La capacité énergétique de la batterie d'un véhicule électrique moderne peut varier d'environ 30 kWh dans un petit véhicule électrique comme la Mini Cooper SE à plus de 200 kWh dans un véhicule électrique grand et puissant comme le camion GMC Hummer EV. Figure 3 montre l’évolution réelle et où elle va.
Alors que les voitures devenaient des « appareils électroniques et informatiques » sur roues (image de gauche), les concepteurs ont utilisé une topologie distribuée avec un nœud central. Avec cette architecture, ils pourraient ajouter de nouvelles fonctions simplement en ajoutant de nouvelles unités de commande électroniques (ECU). Au fil des années, ces ajouts se sont étendus à entre 50 et 100 (ou plus) ECU et jusqu'à 4 km (2.5 miles) de faisceaux de câbles, et souvent plus.
Cette approche est simple et directe. Cependant, une architecture distribuée n'est plus adaptée en raison du volume considérable du câblage, de l'inefficacité électrique de la distribution d'énergie, des considérations de fiabilité (y compris la cybersécurité) et des considérations de coût et de sécurité. De plus, chaque fonction ajoutée nécessite sa connexion réseau en plus de son alimentation CC.
Alors que les architectures distribuées sont devenues dépassées, les concepteurs se tournent vers des architectures « de domaine » avec un réseau de distribution d'énergie partiellement décentralisé (image du milieu). Dans cette approche, les fonctions telles que l'ADAS, l'infodivertissement et la télématique sont regroupées logiquement, chacune ayant son propre processeur. Bien que cette approche de domaine soit logique, elle peut en réalité augmenter la quantité de câblage et de connexions, augmentant ainsi le poids du véhicule, la perte de puissance et le coût. De manière quelque peu contre-intuitive, cette architecture est en fin de compte nécessairement le moyen le plus efficace d’organiser les systèmes électriques et de distribution d’énergie des véhicules.
Dans quelques années encore, on observera une évolution vers des architectures « zonales » entièrement centralisées. Avec cette architecture, les systèmes sont regroupés logiquement et physiquement en zones qui peuvent être organisées efficacement. Dans chaque zone, un processeur unique et puissant gère toutes les fonctions, et la zone est alimentée par une seule unité de distribution d'énergie au lieu d'un ensemble d'unités hautement localisées ; de plus, il existe une seule connexion réseau pour la zone (Ethernet et autres).
En rapprochant l'ECU des actionneurs et des capteurs, moins de câblage et moins de connexions sont nécessaires, avec des avantages évidents et non évidents. Les longueurs de passage des câbles sont considérablement réduites grâce au placement optimisé des appareils, et certains câbles sont éliminés grâce à l'intégration fonctionnelle. Un câblage plus fin et flexible pour des courants plus faibles à des tensions plus élevées peut être utilisé à la place de câbles toronnés plus lourds, ronds. Cela réduit le coût de nomenclature, simplifie le parcours des câbles et est plus propice à la manipulation, à l'assemblage et à l'installation robotisés en production (un avantage facilement négligé).
Les implications zonales incluent une mise en œuvre plus facile de systèmes à haute tension. Alors que les systèmes d'alimentation 12 V constituent la norme depuis des décennies, les architectures zonales ont besoin de 48 V pour prendre en charge une consommation d'énergie et des exigences de redondance plus élevées. Il ne s’agit pas d’un changement radical, car de nombreuses voitures disposent déjà de batteries de 12 V et de 48 V. Le réseau d'alimentation 48 V réduit les pertes de puissance et permet des faisceaux de câbles plus légers (Figure 4).
La section suivante explorera les implications des architectures zonales et la manière dont les convertisseurs DC/DC avancés peuvent éliminer la batterie 12 V et peut-être même la batterie 48 V.
Contenu associé à EE World
FAQ sur les magnétos pour l'alimentation et l'allumage, partie 1
FAQ sur les magnétos pour l'alimentation et l'allumage, partie 2
FAQ sur les moteurs de traction, partie 1
FAQ sur les moteurs de traction, partie 2
FAQ sur les moteurs de traction, partie 3
La gamme de connecteurs de bout en bout répond aux besoins des systèmes électriques des véhicules 48 V
Améliorer les performances dans la distribution d'énergie 48 V
Autonome TechnologieL'influence croissante de la société sur la refonte des systèmes électriques des véhicules
Optimisation des réseaux de distribution d'électricité
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 »