Câblage des véhicules autonomes

Jul 26, 2023

Les constructeurs automobiles et les fournisseurs se bousculent pour développer une technologie de conduite automatisée. Photo avec l'aimable autorisation de Torc Robotics Inc.

Les composants clés qui rendent possible la conduite automatisée comprennent les caméras, le lidar et le radar. Illustration avec l'aimable autorisation de l'Université du Michigan

La demande de faisceaux électriques va croître avec le développement des voitures automatisées. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Delphi Automotive

Des capteurs et des actionneurs situés tout autour des voitures automatisées collectent et partagent en permanence des informations en temps réel. Illustration avec l'aimable autorisation d'Audi AG

L'industrie automobile connaît la plus grande transformation de ses 130 ans d'histoire. Les constructeurs automobiles et les fournisseurs du monde entier se bousculent pour développer des véhicules autonomes. Et, ils subissent une pression croissante de la part d'étrangers allant des géants de la technologie de la Silicon Valley aux entrepreneurs en démarrage.

Pris au milieu de tout le battage entourant la technologie sans conducteur se trouve le bon vieux faisceau de câbles. Les câbles, les fils et les systèmes électriques de nouvelle génération joueront un rôle clé dans le succès et la sécurité des voitures et des camions autonomes. Et la décision d'électrifier de plus en plus les véhicules exercera une nouvelle pression sur les ingénieurs automobiles.

En fait, l'un des plus grands défis à l'adoption des voitures automatisées n'est pas le moteur ou la transmission, c'est le câble et le câblage. En effet, les systèmes électriques émergents devront gérer une énorme quantité de données rapidement et de manière fiable.

Les signaux des capteurs embarqués, d'autres véhicules, des infrastructures routières et des satellites seront diffusés en continu vers un ordinateur haute performance. Cet ordinateur, à son tour, transmettra des signaux aux systèmes de freinage, de direction et autres systèmes de contrôle.

Alors que de puissants systèmes électriques font fonctionner les véhicules, les faisceaux de câbles et de fils deviendront plus importants que jamais.

« Le faisceau de câbles est là pour rester », affirme Don Price, responsable de la recherche collaborative pour le partenariat sur les applications de composants de câblage électrique au United States Council for Automotive Research LLC (USCAR), un consortium technique coopératif qui sert FCA Automotive, Ford Motor Co. et General Motors Co.

"La demande de faisceaux de câbles augmentera avec le développement des voitures automatisées", déclare Price, un ancien ingénieur de Ford. "Ils continueront d'être l'épine dorsale physique de toutes les communications point à point dans la voiture.

"Certaines personnes pensent que ce ne sera pas le cas, à cause de toutes les discussions sur les systèmes sans fil", ajoute Price. "La technologie sans fil ne s'appliquera qu'aux communications à l'extérieur de la voiture, comme les réseaux de véhicule à véhicule."

La course est lancée pour développer une technologie de conduite "automatisée", qui, selon la Society of Automotive Engineers (SAE), est le terme préféré à utiliser - non autonome, sans conducteur ou autonome.

Le mois dernier, la Chambre des représentants des États-Unis a adopté à l'unanimité un projet de loi (HR 3388) qui devrait stimuler le développement des voitures automatisées. La législation historique permettra aux entreprises de déployer ces véhicules sur les routes publiques plus rapidement et empêchera les États de ralentir leur propagation. En vertu du projet de loi, les constructeurs automobiles peuvent ajouter des centaines de milliers de voitures automatisées sur les routes américaines au cours des prochaines années.

Les voitures automatisées ont également occupé le devant de la scène lors du récent salon de l'auto de Francfort, en Allemagne. Audi a dévoilé l'Aicon, tandis que Daimler a montré l'EQ et Renault a déployé le Symbioz. Les trois concept-cars donnent un aperçu de la direction que prendra l'industrie dans un avenir pas trop lointain.

Certains des véhicules les plus intrigants sous les projecteurs à Francfort le mois dernier vantaient des groupes motopropulseurs entièrement électriques. Par exemple, l'Audi Aicon dispose de quatre moteurs électriques et d'un système de charge de 800 volts.

"Les véhicules électriques ont une architecture bien adaptée aux applications de conduite automatisée", déclare Nick Smith, directeur du développement commercial chez Mentor Automotive, une division de Siemens qui fournit du matériel et des outils de conception dans les domaines de la connectivité automobile, de l'électrification et de l'architecture des véhicules.

Plus tôt cette année, Mentor a lancé la plate-forme DRS360, qui est un outil de conception de systèmes électriques et électroniques pour les applications de conduite automatisée.

"Les voitures autonomes dépendront d'un réseau complexe de systèmes de sécurité avancés, comprenant des actionneurs, des microprocesseurs et des milliers de capteurs", explique Smith. "Les groupes motopropulseurs électrifiés ajoutent une charge de complexité supplémentaire. Les ingénieurs doivent concevoir des systèmes électriques de voiture automatisés pour les applications à haute tension."

Au cours de la prochaine décennie, de plus en plus de voitures électriques prendront la route. L'alliance Nissan-Renault-Mitsubishi prévoit de lancer 12 véhicules purement électriques d'ici 2022. Volkswagen affirme que les 300 modèles de sa gamme auront des versions électriques d'ici 2030. Et, Volvo dit qu'il cessera de produire des véhicules propulsés par des moteurs à combustion interne d'ici la fin de cette décennie.

De nombreux fournisseurs de niveau 1 se préparent également à l'ère de la voiture automatisée. Ils investissent dans des entreprises spécialisées dans les technologies de nouvelle génération, telles que le lidar, un système de capteurs basé sur la lumière laser qui, en combinaison avec des caméras et un radar, permet une conduite automatisée. Delphi Automotive s'associe à Innoviz Technologies, tandis que Magneti Marelli a récemment acquis une participation dans LeddarTech.

D'autres composants qui feront de la conduite automatisée une réalité comprennent des plates-formes informatiques hautes performances, des systèmes d'actionnement robustes, des caméras thermiques, des capteurs à ultrasons et des capteurs infrarouges.

"La façon dont un véhicule réagit à une situation dépend de ce qu'il voit et entend à travers ses capteurs", explique Glen De Vos, directeur de la technologie chez Delphi Automotive. "Il existe trois types de technologies de perception de base nécessaires : la vision (caméras), le lidar et le radar.

"Chaque capteur a ses points forts", explique De Vos. "Le radar n'est pas affecté par les conditions météorologiques. Le lidar fournit des informations très précises sur la portée et la distance. La vision fournit une précision de classification des objets.

"En combinant les trois, le système peut générer une vue complète de ce qui se trouve autour du véhicule, ajoutant une sécurité et une confiance redondantes", souligne De Vos.

Les ingénieurs automobiles travaillent à atteindre plusieurs niveaux d'autonomie. Leur objectif à long terme est d'aller bien au-delà des véhicules d'aujourd'hui, qui sont équipés de nombreux types de systèmes avancés d'aide à la conduite, tels que le régulateur de vitesse adaptatif, les freins antiblocage et l'avertissement de sortie de voie.

L'étape suivante consiste à permettre aux conducteurs de renoncer au contrôle des fonctions critiques pour la sécurité d'un véhicule, en fonction du trafic et des conditions environnementales.

La SAE a désigné six niveaux de systèmes de conduite automatisés, allant de l'absence d'automatisation (niveau 0) à l'automatisation complète de la conduite (niveau 5).

Le niveau 3 fait référence à une conduite hautement automatisée où le conducteur doit toujours être en mesure de prendre en charge le véhicule sur demande. L'automatisation de niveau 4 signifie qu'une voiture peut gérer elle-même la plupart des situations de conduite. Le Saint Graal est le niveau 5 : une automatisation complète dans n'importe quel type de condition de conduite.

Les constructeurs automobiles se disputent le droit de se vanter. Par exemple, Audi affirme que sa berline de luxe A8 2018 est la première voiture de série au monde à offrir une autonomie de niveau 3. La société prévoit d'avoir une voiture de niveau 4 disponible d'ici 2020.

D'autres constructeurs automobiles adoptent une approche plus prudente. Par exemple, Honda a l'intention de mettre sur le marché des véhicules capables de rouler sur des autoroutes de niveau 3 d'ici 2020. Elle ne s'attend pas à ce que des voitures de niveau 4 soient prêtes avant 2025.

Selon le Center for Automotive Research, la plupart des véhicules de niveau 5 seront disponibles dans le commerce d'ici 2030, environ 10 ans après la première mise en circulation des véhicules de niveau 4.

Certaines prédictions sont encore plus audacieuses. RethinkX, un groupe de réflexion de la Silicon Valley, prédit que "l'une des perturbations des transports les plus rapides, les plus profondes et les plus importantes de l'histoire" se produira au cours de la prochaine décennie. Cependant, la réalité qui donne à réfléchir est que de nombreux obstacles réglementaires, juridiques et d'infrastructure doivent encore rattraper la technologie de conduite automatisée.

Peu importe quand les voitures automatisées commenceront à être produites en série, une chose est certaine : la connectivité électrique sera essentielle. Les ingénieurs automobiles doivent d'abord trouver un moyen de faire fonctionner parfaitement tous les composants dans une architecture capable de gérer des charges électriques beaucoup plus lourdes.

"Les systèmes de niveau 5 nécessiteront au moins 40 à 50 téraflops de puissance de calcul, soit 20 fois ce que les véhicules d'aujourd'hui ont", a déclaré De Vos. "D'ici quelques années, nous devrons faire circuler l'information 10 fois plus vite qu'aujourd'hui. Il va y avoir une transformation majeure, qui se traduira par un faisceau de câbles plus complexe."

"Les capteurs nécessaires à la conduite automatisée nécessitent une résolution beaucoup plus élevée et fournissent beaucoup plus de données", ajoute Sam Abuelsamid, analyste principal chez Navigant Research. "Par exemple, un capteur de vitesse de roue utilisé pour les freins antiblocage fournit un seul point de données numériques avec une résolution maximale de 256 bits. D'autre part, un capteur lidar fournit généralement 300 000 points ou plus par seconde.

"La fiabilité du signal pour les véhicules automatisés est également beaucoup plus cruciale", explique Abuelsamid. "Avec les systèmes traditionnels, si une connexion électrique échoue, le sous-système peut être désactivé, mais le conducteur a toujours le contrôle total. Dans une voiture automatisée, cela peut ne plus être vrai s'il n'y a pas de commandes pour les occupants humains.

"Alors que nous évoluons vers des véhicules automatisés, nous aurons besoin de beaucoup plus de bande passante de données au sein du réseau du véhicule, ce qui nécessitera probablement une connectivité Ethernet", prévient Abuelsamid. "Le câblage et les connexions devront être soit beaucoup plus robustes et fiables, soit avoir une redondance supplémentaire."

"En raison de toutes les vitesses de données plus rapides et des bandes passantes plus élevées, davantage de câbles coaxiaux et de câbles à paires torsadées seront utilisés dans les voitures automatisées", déclare Price d'USCAR. "Certaines estimations demandent plus de 40 fils coaxiaux par véhicule uniquement pour une utilisation avec des antennes, des caméras et des connexions Ethernet. Cela nécessitera un énorme changement dans le processus d'assemblage."

Le câblage à paires torsadées non blindées présente l'avantage de fournir une résistance à la conductivité électromagnétique sans blindage coûteux et lourd.

"Il permet un rayon de courbure plus serré pour une meilleure gestion des câbles dans les systèmes à haute densité", explique Pete Doyon, vice-président de la gestion des produits chez Schleuniger Inc., qui fournit des équipements de traitement de câbles à de nombreuses entreprises développant des systèmes de conduite automatisés, y compris de nouveaux acteurs tels que comme Uber.

"La conception à paire torsadée aide également à réduire considérablement les problèmes de terminaison", ajoute Doyon. "Les câbles sont intrinsèquement équilibrés et offrent une meilleure fiabilité mécanique que les produits à paires parallèles."

"Les voitures automatisées ajouteront également à la complexité globale des faisceaux de câbles", souligne Doyon. "La quantité de données qui va être générée sera phénoménale pour que les systèmes informatiques embarqués puissent prendre des décisions de vie ou de mort en une fraction de seconde. Les câbles de données et de signaux deviendront une pièce plus critique du puzzle."

Selon Doyon, de nombreux appareils nécessiteront plus d'un fil. Ils seront connectés avec des câbles multiconducteurs en raison des exigences de sortie. Cela augmentera la taille et le poids globaux des faisceaux de câbles.

"Au lieu d'avoir une douzaine de faisceaux plus petits qui se branchent tous ensemble, l'industrie automobile utilise maintenant des faisceaux beaucoup plus gros", explique Doyon. "Les faisceaux très larges réduisent le nombre de connecteurs et de bornes nécessaires."

Avec les systèmes de conduite automatisés, l'échec n'est pas une option. Un composant qui cesse de fonctionner ou fonctionne par intermittence peut provoquer un accident mortel. En conséquence, les premières générations de voitures automatisées seront dotées de systèmes redondants.

« De cette façon, une panne ne causera pas d'incident catastrophique », dit Doyon. "Cependant, cela signifie également qu'il y aura plus de fils et de circuits électriques, ce qui créera des problèmes de poids et d'espace."

"Le poids et l'espace d'installation sont les exigences les plus importantes de nos clients", déclare Bernd Buhmann, vice-président senior du marketing chez Leoni AG, un fournisseur leader de faisceaux de câbles automobiles. "Pour les voitures autonomes, il est plus critique de limiter le poids et l'espace nécessaires afin d'intégrer toutes les nouvelles fonctionnalités.

"Les voitures autonomes génèrent plus de données et ont besoin de plus de données", explique Buhmann. "La voiture doit être capable de réagir sur ces sujets. Ces voitures ont besoin d'alimentations électriques redondantes et doivent connecter beaucoup plus de capteurs à l'intérieur du véhicule.

"Pour la distribution de données et d'énergie, des dispositifs plus intelligents sont nécessaires, utilisant de nouveaux composants électroniques pour fusionner et commuter l'alimentation", ajoute Buhmann. "Les méthodes de calcul des taux de défaillance pour les applications critiques pour la sécurité ne sont pas encore en place et doivent être développées."

"Aujourd'hui, beaucoup de fils utilisés pour les applications automobiles sont de calibre 26", explique Doyon. "Beaucoup de gens sont à l'aise pour couper, dénuder et sertir cette taille de fil. Mais nous commençons maintenant à voir plus d'intérêt pour les fils de calibre 28 plus petits, en particulier pour les applications de signaux et de données.

"Malheureusement, les petites bornes ne sont pas encore disponibles pour les applications automobiles impliquant des fils de cette taille", souligne Doyon. "Vous devez plier l'extrémité du fil en deux pour obtenir plus de section transversale afin qu'il puisse tenir dans un terminal plus grand."

Alors que les voitures automatisées commencent à émerger, il y aura également une demande croissante de fil d'aluminium pour résoudre les problèmes d'allègement.

"De nombreux constructeurs automobiles sont déjà passés à l'aluminium pour les gros câbles utilisés avec les batteries et d'autres applications nécessitant un calibre supérieur à 10", déclare Doyon. "Cependant, les petits calibres de fil d'aluminium présentent de nombreux défis, tels que des problèmes de fragilité et d'oxydation après le dénudage de l'isolant.

"L'aluminium est très doux, ductile et malléable", ajoute Doyon. "Il a tendance à se détendre, ce qui le rend difficile à traiter.

"Mais, il y a beaucoup d'efforts de R&D en cours dans l'industrie automobile", note Doyon. "Nous travaillons actuellement avec de nombreux fournisseurs de faisceaux de câbles pour faire de l'aluminium une option viable à utiliser dans les voitures automatisées."