Application des thermistances NTC et des unités cristallines dans l'électrification automobile

Avec le développement rapide de l'électrification et de l'intelligence automobile, le rôle des composants électroniques dans les véhicules devient de plus en plus crucial. Parmi eux, les thermistances NTC (thermistances à coefficient de température négatif) et les unités de cristal (cristaux pour dispositifs de synchronisation) jouent un rôle indispensable dans la surveillance de la température et la synchronisation des fréquences, respectivement. Les thermistances NTC sont principalement utilisées dans les systèmes de gestion de batterie (BMS), la gestion thermique des moteurs et de l'électronique de puissance, la protection des systèmes de charge, ainsi que dans le contrôle de la température en cabine, assurant un fonctionnement stable des véhicules dans des conditions de température variées tout en améliorant la sécurité des systèmes et l'efficacité énergétique. En revanche, les unités de cristal fournissent des signaux de fréquence précis pour la communication embarquée (CAN, Ethernet, V2X), les modules radar et caméra pour la conduite autonome, le contrôle de l'électronique de puissance et les systèmes d'infodivertissement, garantissant la synchronisation des données et un fonctionnement fiable entre les systèmes. Cet article explore les applications et le développement des thermistances NTC et des unités de cristal dans l'électrification automobile, ainsi que les solutions associées proposées par Murata.

Les thermistances NTC sont des résistances sensibles aux variations de température, dont la résistance diminue à mesure que la température augmente. Cette caractéristique les rend adaptées à des applications telles que la mesure de température, la compensation et la protection. Les thermistances NTC possèdent une haute sensibilité, leur permettant de réagir rapidement aux variations de température. Elles disposent également d'une large plage de températures, ce qui les rend utilisables dans des environnements à basse et haute température (-50°C à 300°C). Grâce à leur grande stabilité, elles sont idéales pour une utilisation à long terme, offrant une erreur minimale et une taille compacte avec une haute fiabilité, ce qui les rend adaptées aux circuits embarqués et aux applications où l'espace est limité.

Avec l'électrification de l'industrie automobile, les thermistances NTC sont largement utilisées dans la surveillance et la gestion des températures pour garantir la sécurité et le fonctionnement stable des moteurs et des systèmes électroniques. Les thermistances NTC sont principalement appliquées dans les systèmes de gestion de batterie (BMS) pour surveiller la température des packs de batteries lithium dans les véhicules électriques (EVs) et les véhicules hybrides électriques (HEVs). Cela garantit que la batterie fonctionne dans une plage de sécurité, empêchant la surchauffe ou les effets de basse température sur la performance et la durée de vie. De plus, les thermistances NTC peuvent fonctionner conjointement avec les contrôleurs de gestion de batterie (BMC) pour obtenir une compensation thermique précise et une protection contre la surchauffe.

En revanche, les thermistances NTC peuvent être utilisées pour la surveillance de la température dans les moteurs et les onduleurs, en suivant la température des enroulements de moteur et des dispositifs électroniques de puissance (tels que les modules IGBT) pour prévenir les dommages dus à la surchauffe, améliorant ainsi l'efficacité et la durée de vie du système. Les thermistances NTC peuvent également être appliquées à la protection thermique des systèmes de charge. Dans les systèmes de charge rapide en courant continu (DC) et les systèmes de charge lente en courant alternatif (AC), elles surveillent la température des stations de charge et des modules de charge embarqués, évitant les dommages aux circuits dus à la surchauffe et garantissant que les circuits intégrés de gestion d'énergie (PMIC) et les dispositifs de puissance (MOSFETs, IGBTs) fonctionnent dans une plage de température sûre.

Dans les systèmes de climatisation et de confort de l'habitacle, les thermistances NTC sont utilisées dans les systèmes de chauffage des sièges automobiles et HVAC (Chauffage, Ventilation et Climatisation) pour maintenir une température confortable à l'intérieur du véhicule et améliorer l'efficacité énergétique. Pour la gestion thermique des éclairages LED et des dispositifs électroniques, les thermistances NTC sont utilisées dans les phares LED et les écrans de bord pour surveiller la température, évitant ainsi une surchauffe pouvant affecter la luminosité et la durée de vie.

Les thermistances NTC jouent un rôle crucial dans la détection de température, la protection contre la surchauffe et l'optimisation de l'efficacité énergétique dans l'électrification automobile. À mesure que la technologie des véhicules électriques progresse, les thermistances NTC de haute précision, miniaturisées et résistantes aux hautes températures deviendront des composants indispensables dans les systèmes électroniques automobiles.

Avec l'avancement de la conduite autonome et de la technologie IoT sur le marché automobile, le nombre de composants électroniques installés continue d'augmenter, entraînant une densité plus élevée des cartes de circuits imprimés. De plus, à mesure que les dispositifs ADAS/TELEMATICS deviennent plus fonctionnels, le problème de génération de chaleur dû à la charge accrue des composants électroniques s'est aggravé. Par conséquent, la demande de détection de surchauffe et de surveillance de la température continue de croître.

Murata a introduit une série de thermistances NTC, tirant parti de son expertise de longue date en technologie de processus pour développer la série NCU, dotée du format hautement fiable 0603M (0,6 x 0,3 x 0,3 mm). Comparé aux modèles précédents (format 1005M), ces thermistances ont vu leur volume réduit d'environ 80 % et leur surface de montage réduite d'environ 70 %. En répondant rapidement aux demandes du marché, Murata contribue davantage aux besoins de haute fiabilité tels que le montage haute densité et la miniaturisation.

Les thermistances NTC de type CMS de la série NCU sont conçues pour des applications de détection de température automobile, offrant une haute fiabilité pour répondre aux exigences strictes du marché automobile. Elles permettent la détection et la compensation de température sur une large plage de températures.

La série NCU comprend la série NCU03, qui propose des gammes de produits pour les applications standard et automobiles. Les modèles de qualité automobile peuvent être utilisés dans les groupes motopropulseurs automobiles et les équipements de sécurité. La série NCU03 mesure 0,6 x 0,3 mm (0,2 x 0,1 pouces) et offre une valeur de résistance de 10 kΩ à 25°C avec une tolérance de ±1 %. La série NCU15, mesurant 1,0 x 0,5 mm (0,4 x 0,2 pouces), propose une large gamme de variations de produits avec des valeurs de résistance (25°C) allant de 33 kΩ à 470 kΩ et des tolérances allant de ±1 % à ±5 %. De même, la série NCU18, mesurant 1,6 x 0,8 mm (0,6 x 0,3 pouces), offre des variations de produits diverses avec des valeurs de résistance (25°C) allant de 10 kΩ à 470 kΩ et des tolérances de ±0,5 % à ±5 %, répondant à une grande variété de besoins d'application.

Murata présente sa dernière série de thermistances NTC, la série FTI, conçue pour fournir des solutions innovantes de détection de température pour les applications automobiles, en particulier dans les modules de puissance. Ce thermistor avancé de type puce est moulé en résine, offrant une isolation électrique tout en garantissant des performances élevées dans des conditions de température extrêmes.

La série FTI offre une opération fiable sur une large plage de températures allant de -55°C à 175°C, ce qui la rend idéale pour les applications exigeantes à proximité des MOSFET SiC et des modules IGBT. Équipés d'électrodes supérieures permettant la connexion directe des fils, ces thermistances peuvent être montées près des dispositifs semi-conducteurs de puissance, améliorant significativement l'exactitude de la réponse thermique. De plus, le moulage en résine assure une isolation électrique entre le substrat et les composants internes, permettant une intégration sécurisée sur des électrodes haute tension aux côtés des semi-conducteurs de puissance.

Une unité de cristal (Timing Device Crystal) est un composant qui fournit un signal de fréquence stable (Clock), principalement utilisé comme référence temporelle et pour le contrôle de la synchronisation dans les circuits électroniques. Les fonctions principales d’une unité de cristal incluent une haute stabilité, lui permettant de fournir des fréquences précises et stables afin d’assurer un fonctionnement correct du système de circuit. Elle présente également une faible consommation d’énergie, ce qui la rend adaptée aux applications alimentées par batterie en raison de ses faibles besoins énergétiques. De plus, elle offre une résistance aux interférences, ce qui lui permet de maintenir une fréquence d’oscillation fiable sous diverses conditions environnementales, la rendant ainsi adaptée aux environnements difficiles tels que les applications automobiles. En outre, elle peut fournir une compensation de température, car certaines unités de cristal (comme les TCXO, Oscillateurs à Cristal Compensés en Température) peuvent offrir une meilleure stabilité de fréquence sur une large plage de températures.

Avec l'avancement rapide des technologies d'électronique automobile et d'électrification, les unités de cristaux sont devenues l’un des composants essentiels des systèmes électroniques automobiles. Leurs principaux domaines d'application incluent les systèmes de communication et de mise en réseau automobiles, tels que CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network) et Ethernet. Ces protocoles de communication embarqués nécessitent des signaux de fréquence précis afin d'assurer la stabilité et la synchronisation de la transmission des données. De plus, les technologies telles que la communication 5G V2X (Vehicle-to-Everything) nécessitent des sources de référence de fréquence à très faible gigue et haute stabilité pour prendre en charge les applications de mise en réseau des véhicules à grande vitesse.

Dans les applications ADAS (Systèmes avancés d'aide à la conduite) et de conduite autonome, les systèmes radar et LiDAR nécessitent des fréquences de haute précision pour synchroniser le traitement des données, améliorant ainsi la portée et la résolution de détection. Les caméras et les unités de traitement d'image (ISP, processeur de signal d'image) requièrent également des fréquences stables afin d'assurer la synchronisation des données d'image et des unités de contrôle du véhicule (ECU).

Pour les systèmes de gestion de batterie et les systèmes de contrôle de l'électronique de puissance, les systèmes de gestion de batterie (BMS) nécessitent un contrôle précis des fréquences pour surveiller et gérer l'état de charge et de décharge des batteries, assurant ainsi la sécurité et la longévité des batteries. Dans le contrôle des moteurs et des onduleurs, des fréquences fiables sont essentielles pour garantir un fonctionnement synchronisé des composants électroniques de puissance (tels que les IGBTs et les MOSFETs), améliorant l'efficacité énergétique et réduisant les interférences électromagnétiques (EMI).

D'un autre côté, dans les systèmes d’infodivertissement embarqué (In-Vehicle Infotainment - IVI), les systèmes de navigation embarqués (GPS/GNSS) nécessitent une synchronisation de fréquence de haute précision pour garantir une précision de positionnement. Les tableaux de bord numériques et les écrans embarqués nécessitent des fréquences stables pour maintenir des visuels fluides et une synchronisation des données.

Dans la gestion de la recharge des véhicules électriques (EV), les systèmes de recharge rapide en courant continu et sans fil nécessitent également une synchronisation précise de la fréquence pour la transmission de puissance et les protocoles de communication (tels que la communication par ligne de courant, PLC), garantissant des processus de recharge efficaces et sûrs.

Les unités de cristal jouent un rôle crucial dans les applications d'électrification automobile, notamment la communication embarquée, la conduite autonome, la gestion des batteries, l'infodivertissement et le contrôle de la charge. Alors que les technologies des véhicules électriques et de la conduite intelligente continuent de se développer, la demande pour des unités de cristal à haute stabilité, résistantes aux hautes températures et aux vibrations continuera de croître.

Les unités de cristal exploitent l'effet piézoélectrique des cristaux pour générer des fréquences spécifiques. Elles sont indispensables pour fournir des signaux d'horloge dans les CI et LSI, offrant une grande stabilité de fréquence, sans nécessité de réglage, et un format compact. Aujourd'hui, les résonateurs à cristal sont largement utilisés dans les communications satellites et mobiles, ainsi que dans l'automobile, les télévisions, les ordinateurs et les lecteurs DVD, répondant à des exigences d'applications variées.

Les unités cristallines CERALOCK de Murata utilisent une technologie d'emballage unique, offrant une qualité supérieure, une capacité de production en masse et une rentabilité exceptionnelle. Les unités cristallines automobiles de Murata répondent aux exigences des normes de communication embarquées de nouvelle génération telles que Ethernet/FlexRay, en prenant en charge des capacités de charge (Cs) de 6 pF, 8 pF et 10 pF. La gamme de produits comprend également des options à niveau de pilotage élevé (600 μW) et des modèles certifiés pour +125°C/+150°C.

Pour l'Ethernet automobile (PHY), les unités de cristal de Murata prennent en charge les normes ±85 ppm, tandis que pour FlexRay, elles prennent en charge les normes ±250 ppm. Elles sont conformes aux normes de fiabilité automobile (AEC-Q200) et subissent des tests rigoureux tels que le stockage à haute température (+125°C, 1000 heures), les cycles de température (-55°C à +125°C, 1000 cycles), les tests d'humidité (+85°C, 85% HR, DC 6V, 1000 heures) et les tests de charge à haute température (+125°C, DC 6V, 1000 heures).

Les unités de cristal de Murata présentent un emballage compact et haute fiabilité, adapté à la miniaturisation des ECU. Par exemple, les tailles de 2,5 x 2,0 mm et 2,0 x 1,6 mm offrent une réduction de plus de 60 % par rapport aux tailles de 3,2 x 2,5 mm. Les résonateurs CERALOCK offrent également une excellente résistance mécanique et climatique, y compris une résistance aux chocs et aux chutes.

De plus, Murata utilise une technologie de détection des particules unique pendant la production pour identifier et éliminer les unités défectueuses pouvant altérer les performances des unités. La conception facilite également l'inspection optique automatique (AOI), avec des formes d'électrodes en coin qui améliorent la visibilité du filet de soudure.

La gamme de cristaux automobiles de Murata comprend les séries XRCGE_M_F, XRCGB_F_C, XRCGE_F_A, XRCGA_F_A et XRCGB_F_A, répondant à diverses applications automobiles.