Les tendances de développement et les solutions pour les voitures électriques et les deux-roues électriques

Le développement de l'électrification dans les automobiles a été rapide, cette tendance n'affectant pas seulement les véhicules à quatre roues, mais se traduisant également par une transition active vers l'électrification des motos à deux roues pour réduire les émissions de carbone. Cette tendance est particulièrement répandue en Asie du Sud et en Asie du Sud-Est. Cet article présentera l'état actuel et les tendances des voitures électriques et des deux-roues électriques, ainsi que les solutions connexes introduites par Arrow Electronics, NXP et STMicroelectronics.

The development of electric cars is progressing rapidly in many developed countries such as Europe and America. In China, it is receiving substantial investment from both the government and businesses. It is estimated that by 2025, the penetration rate of new energy vehicles in China will reach 50%. The original target of achieving a penetration rate of over 50% for new energy vehicles by 2035 may be realized ten years ahead of schedule.

Cependant, pour de nombreux pays en développement d'Asie du Sud et d'Asie du Sud-Est, les emblématiques tuk-tuk ont longtemps été le principal mode de transport. Ces véhicules à deux et trois roues sont largement utilisés pour les déplacements de courte distance au sein des villes, offrant un moyen de transport abordable et flexible. Désormais, la tendance à l'électrification s'étend également aux véhicules à deux et trois roues dans ces régions.

Selon les rapports, en février 2024, l'enregistrement des deux-roues électriques en Inde a fortement augmenté, avec une hausse de 24 % par rapport à la même période l'année précédente. Le taux de pénétration des deux-roues électriques a atteint 5,7 % en février 2024, légèrement en hausse par rapport à 5,6 % en janvier, soulignant la dynamique de croissance soutenue du marché des deux-roues électriques. L'analyse du marché suggère que d'ici 2030, 80 % des deux-roues pourraient être électrifiés. Cela s'explique principalement par le fait que les deux-roues électriques devraient permettre une économie de 20 à 70 % sur les coûts de possession par rapport à ceux à essence, et que les faibles barrières à l'entrée dans la fabrication ont attiré un grand nombre d'entreprises à investir dans ce marché.

En outre, la demande de motos dans l'industrie de la moto en Thaïlande reste forte, atteignant la troisième meilleure performance de la dernière décennie avec une croissance continue du marché en 2023. Les ventes totales de motos ont atteint 1,87 million d'unités (+4,4 %), le segment des motos électriques connaissant également une croissance robuste dans les segments bas et moyen de gamme (+117,2 %).

Les prévisions indiquent que les marchés des deux-roues électriques et des trois-roues électriques en Asie connaîtront des taux de croissance annuels composés (CAGR) dépassant respectivement 30 % et 11 % dans les années à venir. Cette révolution électrique n'impactera pas seulement l'Asie, mais elle est également prête à apporter de nouvelles transformations au transport urbain à l'échelle mondiale.

Dans les tendances du marché des voitures électriques (véhicules électriques à quatre roues), les inverseurs de traction sont considérés comme la caractéristique la plus précieuse. Les conceptions évoluent à mesure que les tensions des packs de batteries varient de 400V à 800V ou même plus, et l'efficacité ainsi que la performance sont des facteurs clés stimulant le développement du marché.

Les tendances technologiques dans les voitures électriques incluent également le développement de batteries lithium-ion, de batteries à semi-conducteurs et d'autres nouvelles technologies de batteries pour améliorer l'efficacité énergétique. La technologie de conduite autonome est activement développée dans le domaine des voitures électriques, et l'intégration de la technologie de connectivité intelligente permet aux véhicules électriques d'interagir et de partager des informations et des données avec d'autres véhicules, infrastructures et appareils intelligents des utilisateurs, renforçant ainsi le degré d'intelligence des voitures électriques.

En outre, l'utilisation de matériaux légers peut réduire le poids total des voitures électriques, améliorant ainsi l'efficacité de l'utilisation de l'énergie. Par conséquent, la tendance future est de rechercher et d'appliquer davantage de matériaux légers tels que la fibre de carbone et les alliages d'aluminium. Le développement de systèmes de gestion de l'énergie efficaces peut maximiser l'utilisation de l'énergie des véhicules électriques, prolonger l'autonomie de conduite et optimiser les systèmes de gestion de l'énergie grâce à des innovations technologiques en matière de logiciels et de matériel. Ces tendances technologiques contribuent ensemble au développement des voitures électriques, permettant des avancées continues en matière de conservation de l'énergie, d'intelligence et de sécurité.

D'autre part, sur le marché des motos électriques (deux-roues électriques), les onduleurs de traction et des facteurs tels que la haute vitesse et les longs trajets sont des déterminants essentiels du classement des deux-roues électriques sur le marché. Les gouvernements des pays d'Asie du Sud se concentrent particulièrement sur le développement des deux-roues électriques pour réduire les émissions de carbone.

Similaire aux voitures électriques, la technologie des batteries est également cruciale pour les deux-roues électriques. Les tendances futures incluent le développement de batteries avec une capacité accrue, un poids réduit, des vitesses de charge plus rapides et une durée de vie prolongée. Les deux-roues électriques ont des exigences plus strictes en matière de poids et de structure du véhicule par rapport aux voitures, donc la conception allégée est une direction de développement importante. Cela impliquera l'utilisation de matériaux légers et l'optimisation de la structure du véhicule pour réduire le poids total et améliorer l'efficacité d'utilisation de l'énergie.

La technologie intelligente sera également largement appliquée aux deux-roues électriques, y compris la connectivité intelligente, les systèmes d'assistance à la conduite autonome, le contrôle à distance des véhicules, etc. Le développement accru de la technologie intelligente améliorera la sécurité et la commodité de conduite. De plus, la construction et la popularisation des infrastructures de recharge constituent des axes importants de développement. Améliorer l'efficacité énergétique des deux-roues électriques, optimiser le système de moteur électrique, le système de contrôle, et accroître l'efficacité d'utilisation de l'énergie pour étendre l'autonomie de conduite sont des aspects clés.

La technologie de sécurité pour les deux-roues électriques évolue également en continu. Les tendances futures incluent l'introduction de systèmes plus avancés tels que les systèmes de freinage antiblocage, les systèmes de contrôle de stabilité électronique, les systèmes d'avertissement de collision, etc. Ces tendances technologiques contribuent collectivement au développement des deux-roues électriques, permettant des progrès continus en matière de conservation d'énergie, d'intelligence et de sécurité, gagnant ainsi de plus en plus la faveur des consommateurs.

Le marché des véhicules électriques connaît actuellement un développement rapide, accompagné d'une demande croissante pour améliorer les performances des véhicules électriques. Les concepteurs et les constructeurs automobiles doivent accélérer la vitesse de mise sur le marché des produits tout en mettant l'accent sur l'amélioration de l'efficacité et de l'expérience utilisateur finale. De plus, ils doivent rechercher des solutions adaptées pour développer une large gamme d'applications, notamment les onduleurs de traction pour véhicules électriques, ce qui représente indubitablement un défi.

Le S32K39 MCU, introduit par NXP, est un nouveau membre de la série S32K et convient parfaitement à l'électrification dans les applications automobiles et deux-roues. Il peut aider dans des fonctions telles que la gestion des batteries, la conduite efficace des moteurs, la recharge rapide et l'équilibrage des charges à travers l'ensemble du réseau électrique.

La série de MCU S32K39 est spécifiquement conçue pour répondre aux exigences de contrôle des onduleurs de traction dans les véhicules électriques. Elle offre plusieurs avantages, notamment des performances robustes, une intégration étendue, des fonctionnalités de connectivité fiables, une sécurité avancée et des capacités de sécurité fonctionnelle. Par conséquent, elle peut contrôler avec précision les onduleurs de traction, qui jouent un rôle crucial dans le fonctionnement normal des véhicules électriques, les performances des batteries et l'expérience de conduite.

La série de microcontrôleurs S32K39 a une large applicabilité et peut être utilisée dans diverses applications de véhicules électriques au-delà du contrôle de l'onduleur de traction, notamment les systèmes de gestion de batterie (BMS), le chargeur embarqué (OBC) et la conversion DC/DC. Leurs capacités en matière de sécurité de l'information et de sûreté fonctionnelle surpassent celles des microcontrôleurs automobiles traditionnels, et elles prennent également en charge des technologies telles que l'isolation matérielle, le réseau sensible au temps (TSN) et la cryptographie avancée, les rendant compatibles avec les architectures E/E zonales des véhicules et les véhicules définis par logiciel.

Le microcontrôleur S32K39 offre des caractéristiques distinctives, capable de gérer deux onduleurs de traction. Ils sont équipés de quatre cœurs Arm® Cortex®-M7 de 320 MHz disposés en paires lockstep, de deux cœurs split-lock, de deux unités coprocesseurs de commande de moteur, et d'un processeur de signal numérique (DSP). Ils peuvent prendre en charge deux boucles de contrôle à 200 kHz, qui fonctionnent en conjonction avec des IGBT ainsi que des interrupteurs de puissance SiC et GaN pour améliorer l'efficacité et atteindre des fréquences de commutation plus élevées. Cela permet de réduire la taille, le poids et le coût des moteurs tout en augmentant l'autonomie. De plus, ils disposent jusqu'à 6 Mo de mémoire flash intégrée et 800 Ko de SRAM. Le microcontrôleur est doté de processus de cybersécurité certifiés ISO/SAE 21434 et de développement conformes aux normes de sécurité fonctionnelle ISO 26262.

Lorsqu'il est combiné avec le FS26 Safety System Basis Chip (SBC) de NXP et le GD3162 High-Voltage Isolated Gate Driver de NXP, un S32K39 MCU peut servir de solution d’onduleur de traction double pour les applications ASIL D. Le FS26 SBC alimente le système et garantit une surveillance de sécurité isolée, tandis que le pilote de grille GD3162 fournit une force de grille dynamique ajustable pour s'adapter à différentes conditions de conduite et applique un temps mort PWM, réduisant les pertes de commutation et améliorant l'efficacité. De plus, il existe des mécanismes de protection contre les erreurs réactifs, et NXP propose des échantillons d'ingénierie, des cartes d'évaluation, ainsi qu'une gamme complète de supports logiciels et d'outils.

Les puces de base pour systèmes de sécurité automobile de la série FS26 offrent plusieurs options d'alimentation, prenant en charge les microcontrôleurs de sécurité d'entrée et de gamme moyenne tels que la série S32K3. Les dispositifs FS26 prennent également en charge d'autres microcontrôleurs destinés aux applications d'électrification automobile, notamment la chaîne de traction, le châssis, la sécurité fonctionnelle et les applications de passerelle d'entrée de gamme.

Le FS26 dispose de multiples régulateurs à découpage et régulateurs de tension LDO pour alimenter les microcontrôleurs, capteurs, circuits intégrés périphériques et interfaces de communication. Il offre des références de tension haute précision pour le système et des tensions de référence pour deux régulateurs à suivi de tension indépendants. De plus, diverses fonctionnalités sont disponibles pour le contrôle et le diagnostic du système, telles que des multiplexeurs analogiques, GPIO, événements de réveil d'E/S sélectionnables, minuteries de longue durée ou communication SPI.

Le FS26 est conforme à la norme ISO 26262, couvrant les niveaux d'intégrité de sécurité ASIL B et ASIL D. Il dispose de plusieurs sorties de sécurité intégrée et fait partie intégrante de la partition des systèmes orientés sécurité, avec la surveillance des défauts latents à la demande la plus récente.

La famille SPC560, introduite par ST, est une série de microcontrôleurs automobiles 32 bits System-on-Chip (SoC), représentant la dernière avancée dans les contrôleurs d'applications automobiles intégrées. Elle fait partie de la gamme en expansion de produits centrés sur l'automobile, visant à répondre aux applications de châssis, en particulier les systèmes de direction assistée hydraulique électrique (EHPS) et de direction assistée électrique (EPS), ainsi qu'aux applications d'airbags de sécurité.

Le STDRIVE601 est un dispositif haute tension fabriqué à l'aide de la technologie hors ligne BCD6s. C'est une solution monopuces avec trois pilotes de porte à demi-pont, adaptée aux MOSFETs de puissance à canal N ou aux IGBTs dans des applications triphasées. Toutes les sorties du dispositif peuvent absorber et fournir des courants de 350 mA et 200 mA respectivement, avec des fonctions d'interverrouillage et de temps mort pour éviter la conduction croisée.

Le dispositif comprend des broches d'entrée dédiées pour chaque sortie et une broche d'arrêt. Ses entrées logiques sont compatibles avec CMOS/TTL et fonctionnent à des tensions aussi basses que 3,3 V, permettant une interface facile avec les dispositifs de contrôle. Un délai apparié entre les sections côté bas et côté haut garantit l'absence de distorsion des cycles et permet une opération à haute fréquence.

Intégré dans le STDRIVE601, un comparateur avec la fonctionnalité avancée Smart Shutdown (SmartSD) est directement intégré au dispositif. Cette fonctionnalité garantit une prévention rapide et efficace des événements de défaut tels que les surintensités et les surchauffes. Une protection UVLO dédiée pour les sections de commande côté bas et pour chaque section de commande côté haut empêche les interrupteurs de puissance de fonctionner dans des conditions inefficaces ou dangereuses. Le STDRIVE601 intègre une diode bootstrap, et toutes les fonctionnalités intégrées de ce CI simplifient la conception des cartes électroniques d'application, les rendant plus compactes et plus simples, et réduisant la nomenclature globale. Le dispositif est encapsulé dans un boîtier SO-28, le rendant adapté à des applications telles que les entraînements de moteurs triphasés et les onduleurs.

Mise en œuvre logicielle : Le contrôle orienté champ (FOC), ou contrôle vectoriel, est une technique de contrôle à fréquence variable du stator dans un entraînement de moteur BLDC triphasé utilisant deux composantes orthogonales. L'une définit le flux magnétique généré par le stator, tandis que l'autre correspond au couple déterminé par la vitesse du moteur en fonction de la position du rotor.

Les véhicules électriques, y compris les voitures et les deux-roues, recherchent continuellement des technologies de batteries de plus grande capacité, à recharge plus rapide et de plus longue durée pour améliorer l'autonomie et la commodité d'utilisation. Ils évoluent également vers une intelligence et une sécurité accrues, tout en mettant l'accent sur des innovations technologiques continues en matière d'efficacité énergétique et de réduction des émissions de carbone. Ces avancées offrent des opportunités significatives de développement du marché. Les solutions d'électrification discutées dans cet article peuvent aider les fabricants à accélérer le développement de produits connexes. Pour plus d'informations, n'hésitez pas à contacter Arrow Electronics directement.