Électrifier un mouvement

La société exige des alternatives plus propres et plus silencieuses aux moteurs à essence et diesel, et l’industrie des transports répond à cette demande. Depuis des années, les scientifiques et les ingénieurs mettent au point des moyens plus propres pour faire fonctionner les voitures et les camions. Des carburants de remplacement comme l’éthanol, le biodiesel, le gaz naturel, l’hydrogène et le propane ont été mis au point et utilisés pour déplacer les personnes et les marchandises d’un endroit à l’autre. Et même s’il ne s’agira pas de la seule forme de carburant propre, l’avenir des transports inclura sans aucun doute la propulsion électrique. D’une curiosité, à une rareté, puis à une réalité, les véhicules électriques (VE) sont clairement en passe de devenir une nécessité.

Dans la plupart des environnements urbains, il est impossible de faire une simple course sans voir une voiture électrique branchée sur une borne de recharge publique.  Que ce soit dans un centre commercial, près d’un hôtel ou dans un parking public, il est facile de constater que les bornes de recharge se multiplient. Mais ce que nous voyons aujourd’hui n’est clairement que le début. Aujourd’hui, seulement 2 % des voitures sont électriques rechargeables, et c’est encore moins vrai pour les camions et les bus. Il y a à peine une vingtaine d’années, la nouvelle industrie des véhicules électriques a connu un démarrage rapide et un arrêt apparemment plus rapide. Mais beaucoup de choses ont changé depuis, et on peut affirmer que la propulsion électrique est là pour rester.

Mais qu’en est-il des véhicules destinés aux applications de transport industriel et commercial (TIC) ? Des camions ? Des bus ? Du matériel de construction, agricole et minier ? Ces industries sont sur la bonne voie pour réduire leur consommation de carburant et les émissions grâce à l’électrification, tout en améliorant le rendement et la productivité. Les experts prévoient que d’ici 2040, la plupart des moyens de transport utiliseront des moteurs électriques et/ou des sources de carburant plus propres pour répondre à des normes plus strictes.

La raison de cette période de 20 ans est compliquée. Le paysage se compose de diverses applications et cas d’utilisation qui peuvent ou non être propices à l’électrification des véhicules compte tenu du paysage actuel. Ce paysage est parsemé de réglementations, de législations et d’obstacles sociaux, économiques et techniques qui semblent saper la faisabilité à tout moment. Les infrastructures de réseau électrique alignées sur les besoins de transport commencent tout juste à émerger. Dans le monde entier, les centres-villes proposent l’interdiction totale des véhicules à carburant fossile, tout en s’attendant à ce que les biens et les services soient livrés et fournis. La pollution sonore, en particulier autour des écoles et des hôpitaux, est devenue une préoccupation de plus en plus importante. Ces facteurs, ainsi que la baisse des coûts et l’amélioration de la technologie des batteries, contribuent également à l’émergence de l’électricité comme choix au-delà du centre-ville pour les industries non routière comme l’exploitation minière, la construction et l’agriculture.

Des cas d’utilisation très variés signifient des voies d’électrification diverses pour le transport industriel et commercial. Le paysage des TIC est assez complexe. La transition des moteurs à combustion interne (ICE) « sales » vers des méthodes de propulsion plus propres n’est pas aussi simple que pour les voitures particulières, et l’histoire des voitures particulières elle-même est loin d’être simple. Il existe un grand nombre d’applications et de cas d’utilisation différents, chacun d’entre eux offrant diverses possibilités avec des solutions (optimisées) différentes. La transition vers les groupes motopropulseurs électrifiés sera différente en fonction de l’utilisation du véhicule. Les camions peuvent être utilisés sur de longues distances, pour livrer des marchandises dans tout le pays, ou sur de courtes distances, pour livrer des marchandises et des services localement. Ils peuvent être lourds, transportant des marchandises volumineuses, ou moyens / légers, pour le transport de marchandises plus petites. Les autobus peuvent être des autocars, transportant des personnes sur de longues distances. Il peut également s’agir d’autobus urbains ou scolaires, qui transportent des personnes sur des itinéraires plus courts, bien prescrits, pendant des heures d’exploitation définies. D’autres applications comprennent l’équipement industriel utilisé pour la construction, l’exploitation minière, l’agriculture et la foresterie. Cette grande variété de cas d’utilisation contribue à la complexité de la transition du moteur à combustion interne vers l’électricité.

Il existe de plusieurs voies sur la route de l’électrification. Non seulement les cas d’utilisation des véhicules et des équipements lourds sont complexes et variés, mais il en va de même des architectures de véhicules en cours de développement pour permettre un transport plus propre pour ces applications. Les camions et les machines d’aujourd’hui sont généralement propulsés par des moteurs à combustion interne qui entraînent deux ou plusieurs roues par l’intermédiaire d’une transmission.

Ils utilisent principalement de l’essence, du carburant diesel ou, dans certains cas, du gaz naturel comprimé (GNC). Bien que les fabricants aient pris des mesures pour améliorer la consommation de carburant et réduire les émissions, notamment l’introduction d’approches hybrides légères à 48 V, il leur reste encore beaucoup de travail à faire. La législation et l’interdiction de plus en plus large du diesel renforcent la nécessité de réduire les émissions. En conséquence, les constructeurs automobiles accélèrent le développement de solutions autres que les moteurs à combustion interne et se concentrent davantage sur les architectures intégrant des moteurs électriques. Les approches qu’ils poursuivent activement peuvent être résumées en quatre catégories :

Alors, quelles applications seront les plus susceptibles d’adopter à court terme l’une des architectures de véhicule électrique ? Le calendrier de déploiement variera en fonction de l’application et du cas d’utilisation. Les autobus de Shenzhen, en Chine, par exemple, sont aujourd’hui essentiellement composés à 100 % de VEB. Ces véhicules ont pu effectuer la transition très rapidement.

La domination durable de la Chine. Il faudra peut-être attendre 10, voire 20 ans, pour qu’un grand pourcentage de poids lourds transportant des marchandises d’un continent à l’autre et d’un pays à l’autre puissent passer au tout électrique, en raison de l’absence d’infrastructures de recharge adaptées. De nombreux constructeurs ont fait la démonstration de camions électriques et certains ont également annoncé des dates de production de ces véhicules dans les prochaines années. Toutefois, avant que l’adoption ne soit généralisée, l’infrastructure de recharge ou de ravitaillement en hydrogène devra être plus largement disponible.

Les bus scolaires, quant à eux, ne sont utilisés qu’un petit pourcentage de la journée et empruntent des itinéraires bien définis. Ce type de cas d’utilisation facilite la mise en œuvre d’une infrastructure de recharge, qu’elle soit enfichable, sans fil ou par pantographe, ce qui en fait d’excellents candidats pour passer rapidement du diesel à l’électrique. De même, l’équipement de construction peut être déplacé sur le chantier, puis laissé sur place pendant des jours, le temps de terminer le travail. Il peut être utilisé pendant la moitié de la journée, puis rechargé la nuit si une borne de recharge appropriée est mise à disposition. Ou, dans le cas d’une exploitation minière, qui opère 24 heures sur 24, une approche entièrement électrique peut fonctionner en continu sans qu’il soit nécessaire de purifier régulièrement l’air.

Les exploitants miniers réalisent des économies substantielles sur le diesel, le propane et l’électricité tout en permettant une exploitation plus silencieuse et un environnement de travail plus sûr. Ils réalisent également des gains de productivité, grâce au temps de fonctionnement accru des solutions électriques par rapport aux solutions traditionnelles à moteur à combustion interne, qui comportent plus de composants et des coûts de maintenance plus élevés. Qu’il s’agisse d’un camion, d’un autobus ou d’un équipement industriel, le cas d’utilisation peut dicter le rythme d’adoption de l’électricité. Mais chaque fois que l’électricité est choisie, qu’il s’agisse d’un véhicule entièrement électrique ou hybride, cela confirme que l’électrification des véhicules pour le secteur des TIC n’est pas près de disparaître.

La connectivité pour l’électrification des groupes motopropulseurs dans le transport industriel et commercial exige des solutions fiables, renforcées et innovantes. Les véhicules et les machines de transport industriels et commerciaux sont en train de devenir entièrement électriques. De nombreux facteurs conduisent la société à abandonner les moteurs à combustion interne autonomes pour la propulsion au profit de solutions hybrides légères et complètes, et à des architectures intelligentes de groupes motopropulseurs entièrement électrifiés. Et bien que des défis sociétaux existent et soient en cours de résolution, des défis techniques doivent également être surmontés. Les applications TIC exigent une puissance extrêmement élevée ET un fonctionnement sans faille dans des environnements très difficiles où la défaillance n’est pas envisageable. Il est indispensable de garantir des solutions de connectivité renforcées pour ce secteur essentiel afin de répondre à la demande mondiale.

Le déploiement exact et l’évolution précise des diverses approches de l’architecture des groupes motopropulseurs pour les véhicules utilitaires lourds ne sont pas clairs. La diversité des applications, des réglementations et des défis industriels (sociétaux, économiques et techniques) contribue au manque de clarté du secteur. Et bien que le calendrier soit incertain, ce que nous savons avec un haut degré de certitude, c’est que les véhicules utiliseront des architectures hybrides ou des groupes motopropulseurs entièrement électriques.

Nous devons être capables de gérer intelligemment le transfert de puissance, en traitant les problèmes de chaleur, d’arc électrique et de sécurité. L’un des défis les plus pressants de l’industrie est de trouver la meilleure façon de répondre aux exigences de compatibilité électromagnétique (CEM) des clients. Il s’agit notamment de l’immunité aux radiofréquences (RFI) et aux interférences électromagnétiques (EMI) et de la minimisation des émissions rayonnées. Ceci est particulièrement important pour les systèmes haute puissance en courant alternatif en raison des caractéristiques sinusoïdales de la puissance. Mais c’est également vrai pour les systèmes à courant continu, où le blindage d’un câble électrique peut subir des courants induits jusqu’à 35 % du niveau de courant de la ligne électrique principale. Pour un système de propulsion électrifié, par exemple, cela peut correspondre à plusieurs centaines d’ampères en fonction de la demande de puissance du système. Les fabricants de véhicules et de systèmes auront besoin de technologies d’embout innovantes, rentables et efficaces, pour garantir une faible résistance et une corrosion minimale entre le maillage du blindage et la ligne électrique.

Solutions de connectivité pour le stockage de l’énergie. Tout dépend de l’autonomie d’un camion ou d’un bus, ainsi que du temps de fonctionnement et des exigences de charge d’un équipement lourd. Tous ces éléments dépendent de la quantité d’énergie qui peut être stockée dans les batteries ou générée par les piles à combustible. Les batteries de véhicules électriques sont assez complexes compte tenu de leurs tensions de fonctionnement et de leur courant. Pour compliquer les choses, les blocs-batteries doivent s’adapter aux dimensions du véhicule et fonctionner en toute sécurité dans un environnement extrêmement difficile. Grâce à la demande d’un nombre croissant d’appareils alimentés par batterie et de technologies à énergie verte, d’énormes investissements sont réalisés pour améliorer considérablement la technologie des batteries afin de stocker efficacement l’énergie nécessaire au fonctionnement des véhicules et des équipements de manière rentable. Les défis sont de le faire en toute sécurité, de manière fiable et dans de petits formats. La déconnexion de la batterie et les systèmes de déconnexion électrique constituent une grande partie de l’équation de la sécurité. Tous ces facteurs font qu’il est nécessaire de disposer de systèmes de connexion et de terminaux très fiables et flexibles dans les solutions de connectivité cellule-cellule et module-module qui permettent l’évolutivité des batteries. Pour limiter la taille, des sous-ensembles dotés de capacités de détection intégrées sont en cours de développement pour permettre un contrôle intelligent de la gestion des batteries (état de charge et intégrité). Les fabricants de véhicules et d’équipements TIC, ainsi que les fournisseurs de systèmes ont besoin de solutions technologiques d’interconnexion miniaturisées et conformes. Ainsi, la production de petits blocs renforcés pour les batteries de grande capacité sera plus facile.

Solutions de connectivité pour les moteurs électriques à propulsion et à commande contrôlées. La maximisation de l’autonomie sur une seule charge est essentielle. Nous avons déjà abordé la moitié du défi, à savoir la capacité des batteries. La deuxième partie, tout aussi importante, de ce problème est le fonctionnement efficace du véhicule ou des machines. Le contrôle intelligent du moteur électrique (qui n’est ni trop ni pas assez sollicité) et le freinage régénératif (qui récupère et stocke l’énergie lors du ralentissement du véhicule) sont des approches essentielles pour un fonctionnement économe en énergie.

Ce haut degré de contrôle s’accompagne d’un niveau élevé de solutions électroniques intégrées. En outre, les constructeurs automobiles cherchent des moyens d’intégrer de plus en plus de données extérieures dans le véhicule pour en améliorer le rendement. D’où la nécessité d’une nouvelle série de capteurs pour permettre le contrôle des véhicules électriques et assurer une gestion et un contrôle optimisés de l’énergie. Ce haut degré de contrôle s’accompagne d’un haut niveau de solutions électroniques intégrées, minimisant la taille (et le poids) tout en maximisant la flexibilité de conception pour nos clients. Les nouvelles architectures de véhicules électriques ont besoin d’un composant unique qui combine la détection, la communication et le traitement intelligents des données, ainsi qu’une connexion renforcée, le tout dans un seul et même boîtier. Ces architectures nécessitent des actionneurs et des modules de distribution de puissance renforcés qui peuvent être utilisés pour commuter diverses charges, tout en contrôlant et en minimisant le gaspillage d’énergie. Elles ont également besoin d’une connectivité de données à haut débit, avec ou sans fil, permettant des communications de véhicule à véhicule et de véhicule à infrastructure et un contrôle intelligent du véhicule.

Solutions de connectivité haute tension pour les environnements difficiles où la défaillance n’est pas envisageable. Un camion, un bus ou un engin de terrassement électrique sera soumis à des conditions de fonctionnement beaucoup plus exigeantes que des voitures électriques. La pluie, la neige, la poussière, le soleil du désert, le froid arctique, les routes accidentées et autres conditions pénibles ne doivent pas arrêter la mission en cours. La commutation haute tension peut provoquer des interférences électromagnétiques (EMI) et perturber les communications et les signaux sur les circuits basse tension. Pour un téléphone ou un ordinateur portable, une panne est un terrible désagrément. La défaillance d’un véhicule ou d’une pièce d’équipement lourd peut entraîner une perte de productivité, ce qui a un impact sur l’entreprise, ou, dans le pire des cas, peut causer des blessures graves ou la mort. Il est donc essentiel de garantir un fonctionnement sûr. La charge, l’entretien et l’atténuation des accidents doivent tous être effectués de manière sûre. La complexité des architectures et des principes de fonctionnement de base des véhicules électriques est plus proche de celle des avions, des réseaux d’énergie et des appareils électroniques grand public que de celle des véhicules à moteur à combustion interne. Il est essentiel que les industries des TIC collaborent avec des entreprises d’autres secteurs afin d’apporter à leurs clients de nouvelles solutions spécifiques aux applications. Les spécialistes des matériaux et les physiciens de contact doivent collaborer afin de créer des solutions innovantes, viables et renforcées pour le marché en pleine croissance des véhicules électriques, où une connexion de charge enfichable connaîtra des milliers de cycles d’accouplement au cours de sa durée de vie. Les techniques d’essai et de validation seront poussées jusqu’à des limites physiques et de sécurité habituellement réservées aux applications aérospatiales et industrielles. Les complexités supplémentaires, tant pour la fabrication que pour les services sur site, rendent nécessaire le développement d’outils et de méthodologies innovants.

Notre équipe d’ingénieurs et de scientifiques collabore étroitement avec nos clients pour assurer leur succès en fournissant des solutions renforcées adaptées à leurs besoins spécifiques et à l’architecture de leur véhicule. Nous tirons parti de notre vaste savoir-faire dans l’ensemble de notre activité. Nous disposons d’une solide gamme de connecteurs, contacteurs, capteurs, relais, unités de distribution de puissance (PDU) et de solutions sans fil au service de plusieurs industries. Nos produits pour la mobilité hybride et électrique sont utilisés dans les véhicules électriques depuis leurs débuts. Nous tirons parti de notre présence mondiale pour nous assurer que nous disposons de capacités de conception et de prototypage là où nos clients conçoivent leurs produits. Nous investissons massivement dans la recherche-développement, en cherchant à résoudre les défis de l’industrie avant qu’ils ne deviennent des problèmes. Nos ingénieurs et scientifiques participent activement à divers comités de normalisation et consortiums industriels. Nous disposons d’un vaste réseau de laboratoires d’essai et de validation dans le monde entier pour nous assurer que nous pouvons répondre aux spécifications de nos clients.