Denis Lachapelle, Ing.

Cysca Technologies

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1 Introduction

Aujourd'hui, les voitures, camions et équipements lourds intègrent de nombreux sous-systèmes électroniques, tels que les contrôleurs de moteur à combustion, de moteur électrique et de transmission. L'électronique et les semi-conducteurs sont devenus si essentiels que le gouvernement américain a mis en place un programme de relocalisation de la fabrication de microcircuits et de renforcement de la chaîne d'approvisionnement. Suite à l'échec de la chaîne d'approvisionnement causé par la COVID-19, les États-Unis ont adopté en 2022 le "CHIPS and Science Act (CHIPS)", qui générera plus de 600 milliards USD d'investissements entre 2022 et 2032. Cette loi couvre non seulement la fabrication des semi-conducteurs, mais aussi plusieurs domaines adjacents tels que la recherche et développement (R&D), le développement de la main-d'œuvre, la sécurité de la chaîne d'approvisionnement, le leadership technologique, la sécurité économique et nationale, les partenariats public-privés, les incitations et subventions, ainsi que la collaboration internationale.

Comme illustré dans la figure suivante, publiée par Deloitte, la proportion de l'électronique dans les véhicules est en constante augmentation, passant de quelques pourcents dans les années 70 à près de 50 % prévu en 2030.

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Tout cela pour dire que l'électronique représente une part importante du coût total d'un véhicule. Comme nous le verrons dans les pages suivantes, les véhicules contiennent de nombreux composants électroniques variés. Cet article présente les principaux circuits ou modules électroniques trouvés dans les véhicules, explore les technologies associées et donne un aperçu des normes et exigences de sécurité, mettant en évidence l'importance cruciale de l'électronique dans la fabrication automobile.
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2 Catégories

Il existe plusieurs types de systèmes électroniques dans les véhicules, classés en six catégories :

1. Contrôleurs
2. Capteurs
3. Actionneurs
4. Réseaux de communication
5. Composants d'interface utilisateur
6. Spécifiques aux véhicules électriques

2.1 Contrôleurs

Les contrôleurs sont fabriqués avec un microcontrôleur (MCU) et de nombreux autres composants permettant d'interfacer les capteurs, les actionneurs et de communiquer avec d'autres contrôleurs situés dans le véhicule. Dans les véhicules très simples, il peut n'y avoir qu'un seul contrôleur gérant toutes les fonctions nécessaires, tandis que dans les véhicules plus complexes, chaque contrôleur a une tâche spécifique. Voici une liste de contrôleurs trouvés dans divers types et classes de véhicules : ECU (Engine Control Unit), TCU (Transmission Control Unit), BCM (Body Control Module), VCU (Vehicle Control Unit), BMS (Battery Management System), ABS (Anti-lock Braking System), ESC (Electronic Stability Control), ADAS (Advanced Driver Assistance Systems), TPMS (Tire Pressure Monitoring System), EPS (Electric Power Steering), etc.Selon ARM, les véhicules modernes et haut de gamme intègrent plus de 100 microcontrôleurs.2.2 Capteurs2.2.1 Capteurs de moteur thermique et électrique

• Capteur de débit massique d'air (Mass Air Flow : MAF) : mesure la quantité d'air entrant dans le moteur pour optimiser le mélange air-carburant.
• Capteur de pression absolue du collecteur (Manifold Absolute Pressure : MAP) : mesure la pression dans le collecteur d'admission pour déterminer la densité de l'air.
• Capteur d'oxygène (O2) : surveille le niveau d'oxygène dans les gaz d'échappement pour optimiser l'efficacité énergétique et réduire les émissions.
• Capteur de position du vilebrequin : surveille la position angulaire et la vitesse de rotation du vilebrequin pour contrôler le calage de l'allumage et l'injection de carburant.
• Capteur de position de l'arbre à cames : surveille la position de l'arbre à cames pour assurer le bon fonctionnement des soupapes du moteur.

2.2.2 Pour le contrôle de la transmission

• Capteur de température du fluide de transmission : Surveille la température du fluide de transmission afin d'éviter la surchauffe.
• Capteur de pression du fluide de transmission : Surveille la pression du fluide de transmission.
• Capteur de vitesse de transmission : Mesure la vitesse de rotation angulaire des engrenages d'entrée, de sortie et internes.

2.2.3 Pour la sécurité

• Capteur du système de freinage antiblocage (Anti-lock Braking System : ABS) : Surveille la vitesse des roues afin de prévenir leur blocage lors du freinage.
• Capteur du contrôle électronique de stabilité (Electronic Stability Control : ESC) : Détecte une perte d’adhérence ou un dérapage et aide à maintenir la stabilité du véhicule.
• Capteur d’airbag : Détecte l'impact d'une collision et déclenche le déploiement de l'airbag.
• Capteur du système de surveillance de la pression des pneus (Tire Pressure Monitoring System : TPMS) : Surveille la pression des pneus et alerte le conducteur en cas de pression insuffisante.

2.2.4 Capteurs environnementaux et de confort

• Capteur de température ambiante : Mesure la température extérieure pour le système de climatisation et d'autres systèmes.
• Capteur de température de l'habitacle : Surveille la température à l'intérieur du véhicule pour le contrôle du climat.
• Capteur d'humidité : Mesure le niveau d'humidité à l'intérieur du véhicule pour le système de climatisation.
• Capteur de pluie : Détecte la présence de pluie sur le pare-brise et active automatiquement les essuie-glaces.
• Capteur de luminosité : Mesure l'intensité de la lumière du soleil pour le contrôle du climat et l'ajustement des phares.

2.2.5 Capteurs de position et de distance

• Accéléromètre : Mesure les forces d'accélération pour assister divers systèmes de contrôle.
• Gyroscope : Mesure la vitesse angulaire afin d’aider au contrôle de la stabilité.
• Capteur radar : Utilisé dans le régulateur de vitesse adaptatif et les systèmes d’évitement des collisions pour détecter les objets devant le véhicule.
• Capteur Lidar : Utilise la lumière laser pour mesurer les distances et détecter les objets autour du véhicule.
• Capteur ultrasonique : Utilisé dans les systèmes d’assistance au stationnement pour détecter les objets proches du véhicule.

2.2.6 Capteurs du système avancé d’aide à la conduite (Advanced Driver Assistance System - ADAS)

• Capteur d’alerte de collision frontale (Forward Collision Warning - FCW) : Détecte les collisions potentielles à l'avant et avertit le conducteur.
• Capteur d’alerte de sortie de voie (Lane Departure Warning  - LDW) : Surveille le marquage des voies et alerte le conducteur si le véhicule dévie de sa trajectoire.
• Capteur de détection des angles morts : Détecte les véhicules situés dans les angles morts du conducteur et émet des avertissements.
• Capteur du régulateur de vitesse adaptatif (Adaptive Cruise Control  - ACC) : Maintient une vitesse et une distance définies par rapport au véhicule qui précède.
• Capteur d’assistance au stationnement : Aide au stationnement en détectant les obstacles et en guidant le conducteur.

2.2.7 Autres capteurs

• Capteur de niveau de carburant : Mesure la quantité de carburant dans le réservoir, qu'il s'agisse d'huile, d'essence, de liquide de refroidissement, de lave-glace, de liquide de frein, etc.
• Capteur d'occupation des sièges : Détecte si un siège est occupé afin de contrôler le déploiement des airbags et l’alerte de ceinture de sécurité.
• Capteur de position des pédales : Mesure la position de la pédale d'accélérateur ou de frein.

2.3 Actionneurs

2.3.1 Actionneurs du moteur et du groupe motopropulseur

• Injecteurs de carburant : Injectent des quantités précises de carburant dans les chambres de combustion du moteur.
• Actionneur de papillon des gaz : Contrôle la position du papillon des gaz pour réguler la puissance et la vitesse du moteur.
• Actionneur de distribution à calage variable (Variable Valve Timing  - VVT) : Ajuste le calage des soupapes d’admission et d’échappement pour optimiser les performances et l'efficacité.
• Actionneur de soupape (Exhaust Gas Recirculation – EGR) Recirculation des gaz d’échappement : Régule le débit des gaz d'échappement renvoyés vers le collecteur d'admission pour réduire les émissions.
• Actionneur de soupape de décharge du turbocompresseur : Contrôle la soupape de décharge du turbocompresseur pour gérer la pression de suralimentation.
• Soupape de contrôle du ralenti (Idle Air Control  - IAC) : Régule le flux d'air vers le moteur au ralenti pour maintenir une vitesse de ralenti stable.

2.3.2 Actionneurs de transmission

• Électrovannes de changement de vitesse : Contrôlent le flux de fluide de transmission pour engager différents rapports dans une transmission automatique.
• Électrovanne d'embrayage du convertisseur de couple : Contrôle le verrouillage et le déverrouillage du convertisseur de couple afin d'améliorer l'efficacité énergétique et de réduire la chaleur.

2.3.3 Actionneurs environnementaux et de confort

• Actionneur de porte de mélange du système HVAC : Contrôle la porte de mélange pour ajuster l’air chaud et froid afin de maintenir la température souhaitée dans l’habitacle.
• Actionneur de porte de mode du système HVAC : Dirige le flux d’air vers différentes bouches d’aération (ex. : plancher, niveau intermédiaire, désembuage).
• Actionneur de porte de recirculation du système HVAC : Bascule entre l’air recirculé et l’air extérieur pour le système de climatisation.
• Actionneurs de vitres électriques : Permettent de monter et descendre les vitres.
• Actionneurs de verrouillage centralisé : Verrouillent et déverrouillent les portes.
• Actionneur de toit ouvrant : Ouvre et ferme le toit ouvrant.

2.3.4 Actionneurs du système avancé d’aide à la conduite (Advanced Driver Assistance System - ADAS)

• Actionneur du régulateur de vitesse adaptatif (Adaptive Cruise Control - ACC) : Ajuste l’accélération et le freinage pour maintenir une vitesse et une distance définies par rapport au véhicule qui précède.
• Actionneur d’assistance au maintien de voie : Applique une correction de direction pour aider le véhicule à rester dans les marquages de la voie.
• Actionneur d’assistance au stationnement : Contrôle la direction, l’accélération et le freinage lors des manœuvres de stationnement automatisées.

2.3.5 Actionneurs d’éclairage et de signalisation

• Actionneurs de phares : Ajustent l’angle et l’intensité des phares (ex. : phares adaptatifs, assistance aux feux de route).
• Actionneurs de clignotants : Activent les feux de signalisation.

2.3.6 Autres actionneurs

• Pompe à carburant : Transfère le carburant du réservoir vers le moteur.
• Actionneurs d'étrier de frein : Appliquent une pression sur les plaquettes de frein pour ralentir ou arrêter le véhicule (dans le cas des systèmes de freinage électroniques ou hybrides).
• Actionneur de frein de stationnement électronique : Active et relâche le frein de stationnement de manière électronique.
• Actionneurs de réglage des sièges : Permettent d’avancer, reculer, monter, descendre le siège et d’ajuster l’inclinaison du dossier.
• Actionneurs de réglage des rétroviseurs : Ajustent la position des rétroviseurs latéraux.
• Actionneurs d’essuie-glaces : Contrôlent le mouvement des essuie-glaces.
• Actionneur de l'affichage tête haute (Head-Up Display - HUD) : Ajuste la position et la mise au point de l'affichage tête haute.

2.4 Réseaux de communication

• CAN (Controller Area Network) est généralement utilisé pour les communications entre les contrôleurs.
• LIN (Local Interconnect Network) est utilisé pour contrôler des périphériques tels que les vitres électriques, les rétroviseurs et les sièges.
• FlexRay, qui offre des créneaux temporels déterministes, est utilisé pour les fonctions critiques en temps réel comme le drive-by-wire, la suspension active, le système de freinage et le régulateur de vitesse adaptatif.
• Certaines variantes d’Ethernet, comme 100BASE-T1, sont également utilisées dans l'automobile pour des communications à plus haute vitesse, notamment pour les nouveaux contrôleurs et les systèmes d’info divertissement (par exemple, la transmission vidéo).

2.5 Composants de l'interface utilisateur

• Tableaux de bord : Composés principalement d’écrans LCD (Liquid Crystal Display) et LED (Light Emitting Diode), tous pilotés par un microcontrôleur (MCU).
• Affichages tête haute (HUD) : Utilisent des dispositifs spéciaux pour projeter des informations sur une partie réfléchissante du pare-brise. Une des technologies utilisées est celle des micro-miroirs numériques (DMD - Digital Micromirror Device), qui repose sur un réseau de millions de petits miroirs pivotant pour réfléchir ou non un rayon lumineux.

2.6 Spécifique aux véhicules électriques

• Capteurs de tension : Utilisés pour mesurer la tension aux bornes de sortie de la batterie, ainsi que la tension des cellules individuelles.
• Capteurs de courant : Permettent de mesurer le courant aux bornes de sortie de la batterie, ainsi que le courant des chaînes de cellules en parallèle.
• Capteurs d’angle du rotor : Détectent l’angle du rotor, une information essentielle pour le contrôleur du moteur électrique afin d’assurer un pilotage optimal du moteur.
• Détecteur d’impact de batterie : Permet de détecter les impacts qui peuvent réduire la durée de vie de la batterie ou la rendre défectueuse, ce qui pourrait entraîner des dysfonctionnements ou des risques tels qu’un incendie. Certains impacts seront simplement enregistrés pour estimer le vieillissement de la batterie, tandis que des impacts plus importants peuvent déclencher une alerte demandant au conducteur de faire inspecter le véhicule.

3 Technologies

3.1.1 Semi-conducteurs

• Microcontrôleurs (MCU) : Utilisés pour le contrôle en temps réel, la lecture de musique et de vidéos. Tous les contrôleurs d’un véhicule contiennent un ou plusieurs microcontrôleurs.
• Circuits d’interface (ICs) : Incluent des interfaces telles que CAN BUS, LIN, Ethernet, LVDS, principalement utilisées pour la communication entre contrôleurs et le contrôle de périphériques comme les vitres et les serrures de porte.
• MOSFET en carbure de silicium (SiC Power MOSFET) : Technologie clé pour le développement de convertisseurs à haut rendement utilisant des topologies résonantes. Ces convertisseurs sont présents dans:
  • Les chargeurs de batterie embarqués, qui permettent aux voitures de se recharger sur une prise secteur domestique en courant alternatif.
  • Les onduleurs, qui convertissent la tension continue de la batterie de traction en courant alternatif triphasé pour les moteurs électriques.
  • Les convertisseurs DC-DC, qui convertissent la tension continue de la batterie de traction en tension plus faible pour les accessoires (12V ou 24V). La tension de la batterie de traction varie généralement entre 400V et 900V.
• Circuits de gestion de batterie (BMS ICs) : Circuits intégrés spécialisés dans la surveillance et l’équilibrage des cellules d’une batterie.
• Convertisseurs de données (Data Converter ICs) : Incluent des convertisseurs analogique-numérique (ADC) pour numériser les signaux de capteurs de tension, de courant, de température et de vidéo, ainsi que des convertisseurs numérique-analogique (DAC) permettant aux MCU de générer des signaux pour contrôler la vitesse du moteur, l’intensité lumineuse, etc.
• Circuits intégrés pour projecteurs numériques (DLP ICs) : Produits par Texas Instruments, ces circuits sont utilisés dans les affichages tête haute (HUD). Ils fonctionnent avec des micro-miroirs, chacun pivotant en temps réel pour refléter la lumière et former une image.
• Circuits intégrés de pilotage moteur (Motor Driver ICs) : Utilisés pour actionner les moteurs des sièges, des vitres électriques, etc.
• Circuits intégrés de connectivité sans fil : Permettent la connexion via Bluetooth, Wi-Fi, GPS, etc.
• Circuits intégrés radar monopuces : Intègrent un radar utilisé pour l’assistance au stationnement et les indicateurs d’alerte.
• Capteurs à effet Hall (Hall Effect Sensor ICs) : Comptent les dents d’un engrenage métallique pour mesurer la vitesse et la position. Ils peuvent également détecter la présence d’un verrouillage à des fins de sécurité.
• Capteurs de champ magnétique (Magnetic Field Sensor ICs) : Mesurent le champ magnétique terrestre afin de déterminer l’orientation du véhicule par rapport au pôle nord.

Il existe de nombreux autres types de circuits intégrés utilisés dans les véhicules, notamment :

• Capteurs d’angle
• Capteurs de lumière
• Capteurs de température
• Capteurs d’humidité
• Amplificateurs audio
• Circuits de gestion de l’énergie
• Circuits d’horloge et de synchronisation
• Circuits logiques
• Circuits de commutation et multiplexeurs

3.1.2 Batterie

• Batterie au plomb-acide : Ce type de batterie est de loin le plus courant dans les véhicules conventionnels, fournissant 12V ou 24V pour démarrer le véhicule, alimenter de nombreux contrôleurs et capteurs, ainsi que les accessoires électriques.
• Batterie Lithium-Ion : Aujourd’hui, c’est le type de batterie le plus utilisé dans les véhicules électriques. Toutefois, d’autres technologies existent, telles que Nickel-Metal Hydride (NiMH), Lithium-Ion Polymère, Lithium-Soufre, Sodium-Ion, etc. Il est possible que la technologie Lithium-Ion soit remplacée par une nouvelle innovation dans un avenir proche.
• Ultracondensateurs : Bien qu’ils ne soient pas des batteries à proprement parler, ils sont souvent connectés en parallèle avec la batterie pour fournir une capacité de pic de courant élevée lors des phases d’accélération et de freinage. Cela permet de réduire la sollicitation de la batterie, car les ultracondensateurs ont une impédance beaucoup plus faible que les batteries.

4 Environnement, sécurité et normes

Le marché automobile est réglementé par de nombreuses agences et normes. En voici quelques-unes :Canada

• Normes de sécurité des véhicules automobiles du Canada (CMVSS - Canadian Motor Vehicle Safety Standards)
• Loi canadienne sur la protection de l’environnement (CEPA - Canadian Environmental Protection Act)
• Consommation moyenne de carburant des entreprises (CAFC - Corporate Average Fuel Consumption)

États-Unis

• Administration nationale de la sécurité du trafic routier (NHTSA - National Highway Traffic Safety Administration)
• Normes fédérales de sécurité des véhicules automobiles (FMVSS - Federal Motor Vehicle Safety Standards)
• Agence de protection de l’environnement (EPA - Environmental Protection Agency)
• Consommation moyenne de carburant des entreprises (CAFE - Corporate Average Fuel Economy)
• Administration fédérale de la sécurité des transporteurs routiers (FMCSA - Federal Motor Carrier Safety Administration)

Normes internationales Une norme de sécurité devient de plus en plus importante, car elle guide non seulement le produit final, mais aussi les processus de développement, incluant les aspects systèmes, matériaux et logiciels. Il s’agit de la norme ISO 26262, intitulée « Véhicules routiers – Sécurité fonctionnelle ». Le Conseil de l’électronique automobile (Automotive Electronics Council - AEC) se concentre spécifiquement sur la fiabilité et les méthodes de test des composants électroniques automobiles. De nombreux circuits intégrés (ICs) sont qualifiés selon AEC-Q100, tandis que les composants passifs sont certifiés AEC-Q200, ce qui garantit leur conformité aux exigences de l’industrie automobile.

5 Conclusion

L’électronique, incluant les semi-conducteurs, les composants passifs et les circuits imprimés, joue un rôle majeur dans l’automobile et représente une part importante des coûts de production. Selon plusieurs sources, plus d’un millier de circuits intégrés (ICs) sont présents dans une voiture.Avec un tel nombre de composants électroniques, la fiabilité est devenue un enjeu crucial pour garantir la sécurité et la robustesse des véhicules. Des normes comme AEC-Q100 et ISO 26262 ont été mises en place pour répondre à ces défis.Enfin, il est essentiel de souligner que chaque microcontrôleur (MCU) intégré dans un véhicule exécute son propre logiciel. Aujourd’hui, électronique et logiciels sont devenus indissociables dans l’industrie automobile.