Les composants passifs, cruciaux pour la conception des véhicules électriques

L’industrie automobile connaît une évolution sans précédent, puisque les véhicules deviennent de plus en plus connectés, gagnent en autonomie, sont davantage partagés (notamment dans le cadre d’une offre de services) et bien sûr s’orientent vers une propulsion partielle ou totalement électrique. Il s’agit d’une révolution facilitée par le développement rapide de multiples technologies électriques, électroniques et informatiques. Fini l’époque où l’on utilisait un distributeur mécanique pour enflammer le mélange air-carburant dans un moteur à essence, remplacé par des systèmes si complexes qu’il devient raisonnable de considérer les voitures comme des centres de données mobiles.

Des fonctionnalités telles que l’autonomie des véhicules ont tendance à dominer l’attention du public car elles impliquent l’intégration de grandes quantités de puissance de calcul, de multiples flux de données de capteurs et de logiciels complexes. Cependant, les futurs véhicules disposeront également de dizaines, voire de centaines, d’unités de commande électroniques distribuées gérant d’autres fonctions, ainsi que de systèmes de commande complexes. infotainment, de multiples options de connectivité, des commandes de climatisation avancées et des systèmes haute tension pour gérer les moteurs électriques du véhicule.

Alors que le public se concentre sur des caractéristiques intéressantes telles que l’autonomie des véhicules, les concepteurs devront être au moins aussi occupés par des éléments de base comme le choix des composants passifs, notamment les condensateurs, les inductances et les filtres. Par exemple, une voiture à moteur à combustion interne typique peut aujourd'hui utiliser jusqu'à 8.000 1 condensateurs céramiques multicouches (MLCC) dans une grande variété de fonctions (voir Figure 10.000). Certains des véhicules électriques à batterie les plus avancés d’aujourd’hui utilisent plus de XNUMX XNUMX MLCC. Le choix correct de ces composants aura de profondes implications systémiques pour la sécurité et les performances à long terme de ces véhicules.

Figure 1 : Utilisation des MLCC dans les automobiles actuelles et futures.

Les fabricants de condensateurs s'interrogent déjà sur l'impact des tendances automobiles sur leurs gammes de produits. D’une part, ils doivent fabriquer une gamme de pièces de plus en plus diversifiée, souvent selon les normes de qualité automobile, pour répondre aux besoins de l’industrie automobile. D’un autre côté, ils savent que le simple fait d’augmenter le nombre de composants utilisés dans un véhicule augmentera son taux de défaillance. Certains fabricants explorent déjà l’idée d’intégrer plusieurs composants passifs ou de créer des circuits multifonctionnels pour contrer cette tendance. Cependant, des changements technologiques importants, tels que l'introduction de dispositifs semi-conducteurs en carbure de silicium ou en nitrure de gallium dans les circuits de commande de puissance, continueront à nécessiter le développement de nouveaux dispositifs passifs s'adaptant à leurs caractéristiques.

L’impératif de qualité

Le défi le plus important pour les fabricants de composants est peut-être de produire des pièces de qualité et de fiabilité nécessaires pour garantir le fonctionnement sûr à long terme de cette nouvelle génération de véhicules. Un composant passif qui tombe en panne après quatre ans d'utilisation dans un téléphone mobile dont la durée de vie prévue est de cinq ans est une nuisance. Si le même type de panne de l'appareil se produit lorsque la pièce est utilisée dans un véhicule dont la durée de vie prévue est de 20 ans, cela constitue au mieux un inconvénient majeur et au pire un risque pour la sécurité. Atteindre les mêmes performances fonctionnelles et la même densité de stockage de charge que les appareils utilisés dans la technologie grand public la plus avancée, dans des boîtiers de même taille, avec la qualité et la fiabilité nécessaires à une utilisation dans les automobiles, nécessite une recherche constante sur les matériaux, le développement de processus et une cohérence dans la fabrication.

Exigences fonctionnelles spécifiques

Face à ces enjeux, quels sont les besoins fonctionnels spécifiques des appareils qui équiperont les voitures de demain, beaucoup plus connectées, autonomes, partagées et alimentées électriquement ?

Pour commencer avec la connectivité, les constructeurs automobiles envisagent déjà d’utiliser la technologie mobile 5G pour fournir la connectivité dont ils ont besoin, pas seulement pour les services automobiles. infotainment, mais aussi pour les stratégies dites de véhicule à tout (V2X). En fonctionnement V2X, un véhicule se connecte à tout ce qui l'entoure : panneaux de signalisation, passages pour piétons, autres véhicules, etc. – pour collecter les informations contextuelles dont vous avez besoin pour rendre la conduite autonome plus sûre. Si les liens 5G doivent être si importants, ils ne peuvent pas s’appuyer sur une technologie grand public. Au lieu de cela, les fabricants de composants passifs devront développer des versions de qualité automobile des pièces technologiquement avancées utilisées dans les smartphones de nouvelle génération – par exemple, des MLCC haute fréquence destinés à être utilisés dans le réglage des antennes.

Le fabricant de condensateurs Murata développe déjà des technologies de composants et de traitement pour produire de telles pièces avec les niveaux de qualité et de fiabilité nécessaires. Par exemple, elle propose déjà des condensateurs avec un facteur Q élevé pour le réglage, ainsi que des condensateurs à utiliser dans les modules de communication V2X.

En termes d'autonomie des véhicules, le défi ici est de contribuer à garantir que les systèmes informatiques très complexes qui rendent la conduite autonome possible peuvent fonctionner de manière cohérente, quel que soit l'état du véhicule, et que les données qu'ils doivent ingérer à partir de plusieurs capteurs embarqués ne deviennent pas corrompu dans la transmission à travers l'environnement électriquement bruyant de la voiture.

Des MLCC à haute capacité seront nécessaires pour aider à piloter les circuits de commande de l'alimentation électrique, ainsi qu'à des fins de découplage dans les circuits de puissance eux-mêmes. La demande pour ces pièces est susceptible d'augmenter à mesure que la consommation d'énergie augmente et que les constructeurs automobiles introduisent une plus grande redondance dans les systèmes critiques pour la sécurité, tels que les alimentations électriques pour les systèmes d'autonomie des véhicules.

Figure 2 : Utilisation des MLCC dans les systèmes d'autonomie des véhicules.

Cela augmentera également probablement la demande de MLCC miniatures à haute capacité de qualité automobile, dotés d'une faible inductance série équivalente, afin de réduire le nombre de composants MLCC nécessaires à la périphérie des circuits intégrés de contrôle de puissance.

L’émergence des clubs automobiles urbains nous montre que les gens ont compris qu’ils n’ont pas besoin de posséder un véhicule pour l’utiliser. C'est bon pour l'environnement, car cela permet une utilisation plus efficace des matériaux incorporés, mais cela impose de nouvelles exigences aux fabricants de composants.

Les véhicules partagés de cette manière auront un cycle de service beaucoup plus élevé que les voitures individuelles, de sorte que les fabricants de composants devront répondre à des normes de fiabilité beaucoup plus rigoureuses pour résister à une utilisation aussi intensive. Cela pourrait signifier que les fabricants de composants devront mettre en œuvre des conceptions plus conservatrices pour atteindre la fiabilité requise. Si les clients souhaitent des niveaux élevés de fiabilité ainsi que des dimensions compactes et des capacités élevées, les fabricants devront développer de nouvelles technologies pour y parvenir.

Enfin, l’électrification des véhicules change déjà très rapidement le secteur. Un changement important, du point de vue d'un fournisseur de composants, concerne la tension de fonctionnement des systèmes électriques des voitures. De nombreuses entreprises utilisent depuis des décennies des systèmes électriques 12 V CC pour leurs voitures à moteur à combustion interne. Aujourd’hui, en l’espace de quelques années, l’électrification des véhicules augmente les tensions de fonctionnement à 48 V CC (pour certains hybrides) et même à 800 V CC pour certaines supercars.

Les avantages des tensions de fonctionnement plus élevées incluent une charge plus rapide avec des chargeurs compatibles et des goulottes de câbles moins coûteuses que celles qui seraient nécessaires pour transmettre la même quantité d'énergie à des tensions plus faibles. Le défi pour les fabricants de composants est de fabriquer des pièces capables de supporter ces hautes tensions, avec les marges de sécurité supplémentaires exigées par de nombreux clients et avec les mêmes caractéristiques de qualité et de fiabilité que celles attendues par l'industrie automobile à des tensions plus basses.

Relever le défi du véhicule électrique

Des entreprises comme Murata développent déjà leurs connaissances du marché interne, leurs technologies de matériaux et de processus, ainsi que leurs réseaux de fabrication pour fournir les pièces nécessaires au marché des véhicules électriques.

Le fabricant de condensateurs se concentre sur deux approches principales pour améliorer ses pièces. La première consiste à trouver des moyens d’atomiser les matériaux qui composent le matériau diélectrique et les électrodes de vos MLCC. La seconde consiste à accroître leur uniformité globale et l’uniformité de la façon dont ils sont dispersés pour répondre aux exigences de qualité automobile. Cela implique de développer de nouveaux matériaux et de trouver de nouvelles façons de les mouler, de les stratifier et de les traiter pour obtenir des pièces présentant des capacités élevées et des tolérances de tension élevées.

Figure 3 : Technologies permettant de produire des MLCC à haute capacité et haute fiabilité.

Un défi supplémentaire pour les fabricants de composants passifs desservant le marché automobile est que les constructeurs automobiles sont des clients particulièrement exigeants qui attendent de leurs fournisseurs qu'ils respectent leurs normes exclusives, certifient leurs usines selon des normes externes, permettent aux clients d'évaluer les usines de manière indépendante et s'engagent ensuite sur des durées de vie très longues des produits. . Il s'agit d'un défi de taille pour la plupart des fabricants de composants.

Murata fabrique ses MLCC automobiles dans une « usine mère » dans la ville d'Izumo, dans la préfecture de Shimane, depuis 1983. L'usine est certifiée selon la norme IATF16949 pour les systèmes de gestion de la qualité dans l'industrie automobile et fabrique les produits technologiques les plus récents de l'entreprise. Murata possède une usine à l'extérieur de Manille, aux Philippines, pour les composants automobiles en grande quantité. Il est également en train d'établir une fabrication de composants automobiles à Fukui Murata Manufacturing et Murata Electronics Singapore afin que leur production puisse remplacer celle des deux premières usines si elles ne peuvent pas produire de produit.

Après avoir mis en place ces installations et plans de continuité des activités pour garantir l'approvisionnement constant dont les clients du secteur automobile ont besoin, le fabricant de composants encourage désormais ses clients à qualifier les usines à leur propre satisfaction afin de protéger et d'optimiser leurs chaînes d'approvisionnement mondiales dans un moment d'incertitude croissante sur les conditions mondiales. commerce.