Technologies clés et solutions de base pour la mise en œuvre de systèmes automobiles de contrôle électronique

Depuis longtemps, l'industrie automobile est dominée par l'ingénierie mécanique et hydraulique. Des systèmes de suspension et de refroidissement aux moteurs et systèmes de contrôle, la grande majorité des systèmes de véhicules utilisent un contrôle et un fonctionnement mécaniques et hydrauliques. Cependant, cette situation est en train de changer : guidés par les tendances de l'intelligence automobile, de l'électrification et des réglementations sur les émissions, les concepteurs automobiles révolutionnent le domaine automobile en transformant les systèmes mécaniques-hydrauliques en systèmes électromécaniques. L'industrie automobile met de plus en plus l'accent sur le développement de systèmes de "X-by-Wire" de nouvelle génération, qui peuvent offrir un soutien supérieur pour les fonctions automobiles émergentes par rapport aux systèmes mécaniques-hydrauliques traditionnels. Cet article présente les technologies clés essentielles des systèmes automobiles by-wire et les solutions connexes lancées par Melexis.

La conception automobile évolue vers l'électrification et l'intelligence

Bien que la conception automobile ait traditionnellement été dominée par le contrôle mécanique, avec les tendances de développement de l'électrification et de l'intelligence automobiles, les composants électroniques sont de plus en plus intégrés dans les systèmes de conception automobile. Bien que des composants électroniques aient été introduits dans les automobiles depuis les années 1930, ils étaient principalement utilisés dans les démarreurs de moteur, l'éclairage et les radios en option, et les caractéristiques mécaniques globales des automobiles n'ont pas changé. Cependant, au cours des dernières décennies, le champ d'application des systèmes électroniques dans les automobiles n'a cessé de s'étendre. De nombreuses pompes mécaniques et systèmes de contrôle par vide ont été remplacés par des solénoïdes, des relais à semi-conducteurs et des piézocéramiques.   D'un autre côté, les capteurs et affichages électroniques ont depuis longtemps remplacé les systèmes de rétroaction mécanique, tels que les jauges mécaniques. Néanmoins, dans des fonctions de base telles que la direction et le freinage, les systèmes mécaniques et hydrauliques dominent toujours, les composants électroniques ne jouant qu'un rôle de soutien. Cette transformation vise à améliorer la fonctionnalité et la sécurité, à accroître la précision, à simplifier l'intégration, à réduire la complexité globale du système, ainsi qu'à diminuer les émissions et la consommation d'énergie.   Les systèmes by-wire représentent un autre changement majeur dans les systèmes de contrôle automobile. Les systèmes by-wire remplacent les liaisons mécaniques traditionnelles par des mécanismes de contrôle électronique. Cela marque un changement significatif dans la conception et le fonctionnement automobile, où des fonctions de base telles que l'accélérateur, le freinage et la direction ne dépendent plus de connexions physiques comme les colonnes de direction, câbles ou conduites hydrauliques. À la place, des capteurs, des actionneurs électriques et des unités de contrôle gèrent ces fonctions.   En prenant l'exemple du throttle-by-wire, il utilise des capteurs de position pour mesurer la position de la pédale d'accélérateur et transmet des signaux au calculateur de gestion moteur (ECU) pour un ajustement électronique de la puissance, remplaçant ainsi la connexion mécanique entre la pédale d'accélérateur et le papillon des gaz. Bien que l'absence de connexion mécanique puisse susciter des inquiétudes pour certains, ce concept a été validé avec succès.

Les systèmes by-wire offrent de nombreux avantages en termes de contrôle, d'efficacité, de fonctionnalités de sécurité, etc.

Les systèmes by-wire offrent de nombreux avantages, notamment un contrôle plus précis, une efficacité accrue, des fonctionnalités de sécurité améliorées et une compatibilité avec les technologies émergentes telles que la conduite autonome. Cependant, ils rencontrent également des défis uniques, tels que la garantie de la fiabilité et le respect des exigences avancées d'intégration et de redondance. Bien que l'exploitation by-wire soit déjà courante dans l'automobile, avec le contrôle électronique utilisé dans les systèmes d'accélérateur, de moteur et certains systèmes de transmission, la transformation de deux principaux systèmes de véhicules a été relativement lente : les systèmes de freinage et de direction. Cependant, cette situation évolue rapidement.   Les systèmes de freinage by-wire utilisent des capteurs pour surveiller la position ou la pression de la pédale de frein et contrôlent la force de freinage en actionnant des actionneurs de frein électro-hydrauliques ou électromécaniques (étriers de frein). Les systèmes de freinage by-wire permettent une intégration transparente des systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) et des fonctions de conduite autonome, tout en favorisant le freinage régénératif dans les véhicules électriques (VE). Cette fonction permet au moteur de la chaîne de traction du véhicule de générer une force de freinage, inversant le flux de courant pour recharger le pack de batteries lors de la décélération.   Les systèmes de direction by-wire suppriment complètement la colonne de direction mécanique qui relie directement le volant aux roues. À la place, le système s'appuie sur des capteurs électroniques pour identifier les entrées de direction et les communiquer aux actionneurs qui entraînent les roues. Par rapport aux systèmes de direction mécanique traditionnels, les systèmes de direction by-wire offrent de nombreux avantages. Ils simplifient l'intégration de fonctions avancées (comme l'assistance au maintien de voie, l'évitement de collisions, les rapports de direction variables et les capacités de conduite autonome), tout en allégeant certaines contraintes d'empaquetage et en rendant possible l'application de moteurs dans les roues (ce qui est difficile à réaliser avec une crémaillère de direction typique). De plus, en éliminant le besoin d'une colonne de direction physique, les systèmes de direction by-wire ouvrent de nouvelles voies pour un design innovant des véhicules, élargissant l'espace intérieur et les possibilités de conception.

Les systèmes de freinage et de direction "secs" éliminent les émissions associées et les besoins de maintenance

D'autre part, comme les systèmes hydrauliques sont sensibles à la contamination et aux fuites de liquide, ils nécessitent un entretien régulier et un remplacement du liquide pour garantir un fonctionnement sûr. L'application de systèmes de freinage et de direction by-wire combinée à des actionneurs purement électromécaniques peut éliminer complètement l'assistance hydraulique. Cela représente un nouveau paradigme dans l'industrie automobile, permettant des systèmes de freinage et de direction "à sec", réduisant la quantité de liquide dans le véhicule et éliminant ainsi les émissions et les besoins d'entretien associés.   La technologie brake-by-wire permet une application et un relâchement plus rapides du couple de freinage. Combinée à des capteurs de vitesse précis et des systèmes d'intelligence automobile, elle peut minimiser les émissions d'usure des freins et des pneus de plusieurs manières : maximiser l'utilisation du freinage régénératif, optimiser le couple de freinage pour minimiser l'usure des pneus et éviter complètement l'utilisation simultanée de l'accélérateur et des freins.   Dans les systèmes critiques pour la sécurité, les composants électroniques doivent répondre à plusieurs exigences techniques clés. Ces composants doivent posséder une précision inhérente, une fiabilité et la capacité de résister à des conditions difficiles dans les véhicules, telles que les vibrations, les fluctuations de température et les interférences électromagnétiques (EMI). Les capteurs doivent également être faciles à intégrer et capables de fonctionner en collaboration avec d'autres types de capteurs, car la redondance hétérogène est devenue un élément central de l'architecture de sécurité fonctionnelle pour les systèmes by-wire afin d'assurer un fonctionnement en toute sécurité.   Comparé à un système de freinage conventionnel, un système brake-by-wire nécessite une détection dans plus de zones et une redondance plus élevée à chaque point du système car ils n'ont pas de secours mécanique. Pour garantir un fonctionnement sûr, plusieurs canaux de détection sont généralement déployés, ce qui rend l'intégration des capteurs et la flexibilité des considérations clés pour les ingénieurs dans leurs conceptions. Le contrôle du système et le retour d'information sont collectés via des capteurs de position et de force de pédale de frein, ainsi que des capteurs supplémentaires installés sur les étriers et les circuits de liquide de frein. Étant donné les plages de température, les vibrations et les défis liés au bruit (EMI) dans ces zones du véhicule, la précision et la fiabilité des capteurs sont cruciales à chaque point du système, nécessitant le déploiement de capteurs redondants de haute qualité.   Dans un système steer-by-wire, des capteurs supplémentaires sont nécessaires pour suivre la position de la crémaillère et vérifier que son mouvement correspond à la demande indiquée par le capteur d'angle de direction. De même, la fiabilité est primordiale, c'est pourquoi plusieurs technologies de détection sont déployées pour atteindre un fonctionnement de système redondant hétérogène.

Capteurs magnétiques et inductifs de pointe pour les systèmes by-wire

Melexis entretient une relation de coopération à long terme avec l'industrie automobile et fournit depuis longtemps diverses technologies de détection. Sa gamme de produits comprend des capteurs magnétiques et inductifs de pointe conçus spécifiquement pour les systèmes by-wire de nouvelle génération. Les capteurs magnétiques de Melexis, tels que les MLX90423, MLX90424 et MLX90427, utilisent la technologie propriétaire Triaxis® de Melexis et sont conçus pour des applications automobiles avancées de freinage-by-wire et direction-by-wire. Contrairement aux capteurs Hall conventionnels qui ne détectent que la densité de flux magnétique perpendiculaire à la surface de l'élément Hall, les capteurs Triaxis® peuvent détecter les trois composants du flux magnétique (XYZ) grâce au concentrateur magnétique intégré (IMC). Cette technologie permet aux capteurs de décoder précisément la position absolue de tout aimant en mouvement, qu'il s'agisse d'un déplacement rotatif ou linéaire.   Les capteurs Triaxis® de Melexis, tels que les MLX90423 et MLX90427, sont conformes à la norme ISO 26262 ASIL-C et peuvent résister à des champs parasites jusqu'à 5 mT, ce qui en fait un excellent choix pour les véhicules électriques ou les systèmes proches d'autres capteurs magnétiques. Ils sont également disponibles en boîtier TSSOP-16 Dual-Die, offrant une redondance intégrée supplémentaire et permettant la mise en œuvre de systèmes ASIL-D. Les produits comme le MLX90424 intègrent deux capteurs Triaxis® MLX90423 et un capteur de déclenchement à faible consommation et de réveil MLX92292 dans un seul boîtier, offrant la solution de détection ultime pour les applications de freinage-by-wire.   En plus des éléments de détection, les capteurs Triaxis® offrent une gamme de fonctionnalités clés conçues pour simplifier davantage le développement des systèmes by-wire avancés. Plusieurs modes de sortie (Analogique, SPI, PWM et SENT, y compris la fonction SPC dans les puces comme MLX90377 et MLX90376) prennent en charge les applications avec des architectures de bus à capteurs multiples et garantissent la compatibilité avec différentes configurations de systèmes, permettant une intégration fluide dans diverses plateformes automobiles.   De plus, en incluant une passerelle (broche d'entrée) dans des puces comme le MLX90372, le capteur peut intégrer des signaux provenant de sources externes telles que des capteurs de pression, des résistances de détection de force, ou des capteurs de température NTC. Cette fonctionnalité améliore les possibilités d'intégration, réduit le nombre de fils et simplifie la conception du système.   Par ailleurs, les puces de détection inductive de Melexis (telles que le MLX90513) sont immunisées contre les champs magnétiques parasites (ISO 11452-8), ce qui leur permet d'être déployées dans des environnements à fort brouillage électromagnétique (EMI) et d'être utilisées en combinaison avec des capteurs magnétiques comme les MLX90423 ou MLX90427. Cela les rend idéales pour les configurations hétérogènes requises par les systèmes by-wire critiques pour la sécurité.   Le MLX90513 est conçu pour des applications automobiles et industrielles, tirant parti de plus de 15 ans d'expérience de Melexis dans les capteurs inductifs. C'est une interface robuste capable de détecter la position absolue des mouvements rotatifs et linéaires. Les capteurs inductifs fonctionnent par couplage inductif entre une bobine émettrice, une pièce cible, et trois bobines réceptrices. Lorsque l'oscillateur LC intégré génère un champ électromagnétique à travers la bobine émettrice, ce champ induit une tension dans les trois bobines réceptrices qui dépend de l'angle de la pièce cible (rotor).   L'unité de traitement de signal interne du MLX90513 capture et traite ces trois signaux, fournissant des informations de position précises avec une erreur maximale de ±0,1 % de l'échelle complète. Les bobines réceptrices sont positionnées les unes par rapport aux autres en fonction du nombre de pôles sur la pièce cible métallique (rotor) au-dessus d'elles. Typiquement, ces bobines sont des pistes sur un circuit imprimé, facilitant une conception personnalisée et une intégration élégante dans les systèmes de freinage-by-wire et direction-by-wire.   Similaire aux capteurs magnétiques, le MLX90513 est également conforme à la norme ISO 26262 ASIL-C et offre quatre modes de sortie (SENT/SPC, PWM, et Analogique) pour s'adapter aux configurations de bus à capteurs multiples et promouvoir une intégration fluide avec les plateformes automobiles.   Les capteurs de Melexis offrent une précision inégalée, une large plage de température de fonctionnement (-40°C à 160°C), et une excellente immunité aux interférences électromagnétiques et aux champs magnétiques parasites, garantissant d'excellentes performances même dans les environnements automobiles les plus exigeants. Au-delà des capacités techniques, les solutions de Melexis simplifient la conception de systèmes complexes grâce à des fonctionnalités telles que la redondance intégrée (par exemple, boîtier TSSOP-16 Dual-Die pour systèmes ASIL-D), plusieurs modes de sortie (Analogique, SPI, PWM, SENT, SPC), et la possibilité d'intégrer des signaux externes via des broches d'entrée. Cette approche holistique permet aux équipementiers automobiles et aux fournisseurs de rang 1 de simplifier les cycles de développement et de réduire la complexité et le coût global du système.

Conclusion

L'industrie automobile traverse des changements profonds, avec les technologies steer-by-wire et brake-by-wire devenant les pierres angulaires des véhicules de nouvelle génération. Ces systèmes critiques pour la sécurité offrent des avantages significatifs par rapport aux configurations mécaniques et hydrauliques traditionnelles, permettant une fonctionnalité améliorée, un contrôle supérieur, et faisant des pas importants vers un avenir de la mobilité plus durable, plus propre et plus intelligent. Cependant, la mise en œuvre réussie de ces systèmes avancés repose sur des solutions de détection extrêmement précises, fiables et intégrées intelligemment. Les capteurs magnétiques Melexis Triaxis® et les capteurs inductifs immunisés contre les champs parasites présentés dans cet article sont conçus pour répondre aux exigences strictes des applications automobiles by-wire. Ces capteurs de position de haute qualité ne sont pas seulement des composants ; ils sont des éléments clés garantissant la sécurité, la performance et le design innovant des véhicules futurs.