Les défis et solutions liés au développement de l'électrification automobile

Dans divers environnements industriels et grand public, l'électrification des produits, systèmes et processus s'accélère, portée par des technologies électroniques avancées qui remplacent les méthodes hydrauliques et pneumatiques traditionnelles. Parmi ces transformations, le processus d'électrification dans l'industrie des transports est particulièrement évident, avec une augmentation sans précédent du nombre de véhicules équipés de fonctionnalités de pointe et de systèmes de propulsion 100 % électriques. Cet article présentera l'état actuel et les tendances du développement de l'électrification automobile, ainsi que les solutions proposées par Molex.

La route vers l'électrification automobile implique non seulement la montée rapide des groupes motopropulseurs purement électriques, remplaçant les moteurs à combustion interne (ICE) de longue date, mais également une augmentation significative des composants électriques sur les véhicules conventionnels. De nombreux systèmes clés qui dépendaient auparavant de structures mécaniques utilisent désormais des dispositifs électroniques pour améliorer la sécurité et la fiabilité, tels que les systèmes d'assistance au freinage et de direction assistée électronique (EPAS). Actuellement, les solutions soutenant les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) progressent rapidement vers l'objectif ultime de la conduite entièrement autonome.

Ces dernières années, le nombre de véhicules électriques (VE) et de véhicules électriques hybrides (VEH) dans le monde a augmenté de manière constante, représentant 20 % des ventes de nouveaux véhicules d'ici 2025. Malgré des perspectives prometteuses, l'électrification automobile doit encore relever de nombreux défis. Pour saisir un marché estimé à 236,3 milliards de dollars (avec un taux de croissance annuel composé de 10,6 %), les fabricants automobiles sont confrontés à de nombreux défis, tels que la prolifération des systèmes et modules électroniques, qui posent des défis importants à l'architecture électrique typique des véhicules.

Pour répondre aux exigences des consommateurs, la conception des véhicules haut de gamme peut inclure plus de 100 unités de contrôle électronique (ECU). L'augmentation du nombre d'ECU dans les véhicules pose un défi en ce qui concerne la connexion, l'emballage et la gestion de ces systèmes pour transmettre des commandes critiques et contrôler des fonctions spécifiques du véhicule. En divisant le véhicule en plusieurs zones, les fonctions peuvent être attribuées à chaque zone, et les informations peuvent être transmises entre les zones selon les besoins. L'architecture basée sur les zones optimise et réduit non seulement la quantité totale de câblage, mais intègre également les ECU.

De plus, avec la prolifération des dispositifs électroniques dans les automobiles (y compris les véhicules à moteur thermique et les véhicules électriques), la gestion thermique devient un défi crucial. Lorsque des dispositifs électroniques tels que les ordinateurs ou les appareils mobiles surchauffent, ils s'arrêtent, ce qui peut être désastreux pour des véhicules roulant à grande vitesse sur la route.

La miniaturisation et l'augmentation des équipements électriques nécessitent une densité plus élevée de composants. Dans le cas de la réduction des surfaces dans les systèmes miniaturisés, dissiper la même quantité ou une quantité supérieure de chaleur dans un espace réduit peut entraîner un risque de surchauffe, qui doit être géré. Si les appareils électroniques sont situés dans des ECU scellés et placés dans des zones de véhicules à environnements extrêmes (comme sous le capot), le risque de surchauffe peut augmenter. Des systèmes mal conçus, associés à la densité élevée des circuits et aux exigences de petite taille des boîtiers des systèmes de connexion de nouvelle génération, peuvent représenter des défis en termes de gestion thermique. Les problèmes thermiques dans les connecteurs peuvent engendrer des préoccupations en matière de sécurité, de fiabilité et de durée de vie, qui doivent être soigneusement prises en compte lors de la phase de conception du projet.

Les progrès des technologies d'électrification et de gestion de l'énergie déclenchent une renaissance scientifique dans le secteur de l'énergie, où la technologie des batteries soutient désormais une gamme d'applications, allant de l'alimentation des véhicules électriques au stockage d'énergie pour une utilisation en cas de besoin. Les gouvernements investissent dans les infrastructures de recharge pour véhicules électriques, la modernisation des réseaux, la connectivité rurale et le développement dans les zones éloignées.

Dans cette renaissance, deux thèmes principaux et étroitement liés ont émergé : l'électrification et la gestion de l'énergie. Concernant l'électrification, les technologies utilisant des sources de carburant conventionnelles sont complétées ou remplacées par des systèmes équivalents alimentés par des sources d'énergie renouvelables. D'autre part, la gestion de l'énergie fait référence au stockage, à la surveillance et à la distribution de l'énergie.

Tout d'abord, grâce à la technologie des réseaux intelligents, la modernisation des réseaux est réalisée, transformant une infrastructure vieillissante construite autour des centrales électriques traditionnelles en réseaux modernes électrifiés ou réseaux intelligents. Ces réseaux sont complétés par des sources d'énergie renouvelables et intègrent divers capteurs pour surveiller de près les schémas d'utilisation et identifier les défaillances du système avant qu'elles ne deviennent des problèmes plus graves, ce qui constitue un besoin crucial.

Les réseaux intelligents équilibrent les avantages de l'énergie conventionnelle et de l'énergie renouvelable. Les sources d'énergie renouvelable telles que le solaire et l'éolien ont des périodes d'indisponibilité, ce qui rend l'intégration des systèmes de stockage d'énergie sur batteries (BESS) dans le réseau général essentielle pour capturer l'énergie excédentaire en vue d'une utilisation ultérieure. Comme la consommation totale suit également un rythme avec des pics périodiques et des périodes de faible utilisation, les réseaux intelligents peuvent allouer l'énergie là où elle est le plus nécessaire, quand elle l'est et à partir de quelle source, qu'il s'agisse d'énergie conventionnelle, renouvelable ou stockée.

Depuis les années 1950, le modèle d'alimentation 12V est la norme dans l'industrie automobile, en faisant le standard par défaut pour la conception des voitures et des composants. Même si les fonctionnalités et l'électrification ont évolué au fil du temps, cette norme a permis aux constructeurs automobiles de réduire les coûts et de maintenir une architecture électrique simple.

Bien que la norme 12V présente des avantages, à mesure que les consommateurs modernes exigent des performances supérieures et une meilleure expérience à bord, elle doit également évoluer. Avec l'émergence du véhicule défini par logiciel, une transition vers des architectures hybrides légères, et des réglementations sur les émissions de plus en plus strictes, la conception 48V devient de plus en plus indispensable pour répondre aux exigences des consommateurs et des réglementations.

Bien que la transition vers la norme 48V présente certains défis, les innovateurs dans le domaine de l'électricité ouvrent désormais la voie à des systèmes plus efficaces basés sur cette nouvelle norme. Le passage à une norme d'alimentation plus robuste ne peut se faire du jour au lendemain, mais plusieurs facteurs clés liés à l'électricité et aux consommateurs influenceront l'adoption par les constructeurs automobiles du 48V comme norme pour les véhicules hybrides légers et électriques purs. Ces facteurs clés incluent les législations sur la réduction des émissions mises en place par les gouvernements du monde entier et la prise de conscience croissante des consommateurs concernant leur empreinte carbone, conduisant à une forte préférence pour les véhicules hybrides, hybrides rechargeables (PHEV) et électriques à autonomie étendue.

De plus, les systèmes de turbocompresseur électriques utilisent un moteur pour faire tourner la turbine et améliorer le flux d'air dans le moteur, ce qui améliore ainsi les performances du moteur. Comparés aux systèmes de turbocompresseur traditionnels alimentés par des systèmes de 12V ou 24V, ces systèmes de turbocompresseur électriques nécessitent une puissance électrique plus importante. À mesure que les systèmes de turbocompresseur électriques plus efficaces et puissants deviennent la norme, l'alimentation en 48V deviendra essentielle.

Les avantages d'ingénierie de la norme 48V incluent la réduction de la taille des ensembles, l'économie des coûts de production, une meilleure fonctionnalité, la réduction des émissions et l'amélioration de l'économie de carburant. Pour les consommateurs, la norme 48V peut améliorer les performances des véhicules, réduire les coûts des véhicules et améliorer la maniabilité, rendant le développement de la norme 48V de plus en plus important.

Cependant, la conception 12V est profondément ancrée dans la production automobile, donc la transition vers la norme 48V sera plus prolongée que prévu. La rapidité de la transition dépend en partie des modifications de conception des composants nécessaires pour répondre aux exigences techniques du système 48V, y compris les considérations relatives aux méthodes de production du système lui-même et à la compatibilité avec l'infrastructure existante.

Les connecteurs MX150 Mid-Voltage, introduits par Molex, visent à répondre à la demande croissante pour des systèmes électriques de 48 volts dans l'industrie automobile. L'introduction de solutions Mid-Voltage permet aux clients de moderniser en toute confiance leurs systèmes électriques automobiles avec des produits mid-voltage. Ces connecteurs sont basés sur le design validé MX150, offrant des solutions fiables et éprouvées sur le terrain pour répondre aux exigences de connectivité mid-voltage de l'industrie du transport.

Le système de connecteurs scellés MX150 a fait ses preuves sur le terrain, offrant des performances hautement fiables sous des températures extrêmes, des niveaux de vibrations variables et une exposition à l'humidité et aux produits chimiques, le rendant adapté à une large gamme d'applications. Le système de connecteurs scellés MX150 propose des options d'assurance de position du connecteur (CPA), aidant à éliminer les déconnexions accidentelles entre connecteurs, et fournit des boîtiers préassemblés avec une assurance de position du terminal (TPA) pour garantir que les fils des terminaux sertis sont correctement verrouillés dans le connecteur. Il comprend également un capuchon de presse-étoupe pour protéger le joint mat et aider à assurer un alignement correct des terminaux. Le MX150 est conforme à la norme IEC 60664-1 et est certifié pour répondre aux exigences rigoureuses de l'industrie automobile, y compris les certifications USCAR-2, USCAR-21 et GMW3191.

Le MX150 propose des versions V0 à une rangée et à deux rangées pour répondre aux exigences strictes en matière de sécurité, permettant l'utilisation de la technologie de joint de mat pour les terminaux MX150 (1,50 mm), ce qui aide à éliminer le besoin de joints de câble séparés, réduisant ainsi la taille de l'emballage. Son boîtier intégré avec un pas de 3,50 mm offre un connecteur compact, contribuant à réduire les coûts d'assemblage. Avec une capacité de tension moyenne de 60V, il peut être amélioré pour un câblage en 48V, simplifiant ainsi la mise à niveau vers un câblage 48V plus léger à l'aide des spécifications de format éprouvé MX150.

Le MX150 peut être utilisé en conjonction avec un câblage 48V amélioré pour des applications telles que l'éclairage, les améliorations des moteurs de fenêtres électriques ou d'essuie-glaces, permettant ainsi de passer d'un câblage automobile 12V existant à un câblage 48V sans changer le type de connecteurs. En utilisant la même taille d'emballage et le même design de boîtier que le connecteur MX150 éprouvé, des améliorations directes à partir des connecteurs MX150 existants sont possibles, réduisant ainsi les coûts d'ingénierie lors de la mise à niveau vers un câblage 48V.

Le MX150 est le seul connecteur automobile sur le marché qui combine des options basse tension multifonctionnelles avec un design de connecteur étanche robuste pour une gamme d'applications de tension moyenne, prenant en charge à la fois des applications de 48V et jusqu'à 60V. En passant du câblage 12V au câblage 48V, le connecteur de tension moyenne MX150 permet aux fabricants de tirer parti du facteur de forme éprouvé et robuste MX150 pour réduire les coûts d'ingénierie et de conception. Cela facilite la transition vers une architecture de câblage 48V à tension plus élevée, réduisant l'utilisation de cuivre et le poids grâce à l'utilisation de fils de plus petite taille tout en minimisant le temps d'ingénierie supplémentaire et les coûts associés.

L'industrie automobile subit des transformations majeures impulsées par l'électrification, non seulement avec le développement rapide des véhicules électriques, mais aussi avec l'intégration croissante dans les véhicules traditionnels d'une multitude de systèmes électroniques visant à améliorer la fonctionnalité et la sécurité. Ces changements représentent des défis et des opportunités significatifs pour l'industrie automobile. Molex propose une variété de solutions pour aider les clients à passer des méthodes traditionnelles existantes, couvrant toutes les étapes intermédiaires, et offrant en fin de compte une large gamme de produits flexibles, leaders dans l'industrie. Ces solutions répondent à des défis tels que l'architecture de partitionnement, la gestion thermique, la réduction du bruit, parmi d'autres. De plus, Molex a introduit les connecteurs MX150 à tension moyenne pour répondre aux exigences des systèmes électriques 48 volts, permettant aux fabricants automobiles de concevoir et déployer des solutions plus légères, performantes, flexibles et efficaces.