Tendances pour le secteur automobile

Voiture connectée

La voiture d’aujourd’hui est en pleine mutation, passant rapidement d’un simple appareil mécanique à un mini centre de données sur roues, grâce aux progrès rapides de l’électronique.

130 ans après la première voiture, la puissance informatique remplace aujourd’hui la puissance en chevaux.

Dans cet article, Chris Martinez et Joern Hoepfner de Tektronix présentent les tendances sous-jacentes à la révolution actuelle en matière d’automobile.

En 130 ans d’histoire, le secteur automobile n’a jamais connu une telle révolution. Face aux tendances d’électrification, d’automatisation, de connectivité et de mobilité, les constructeurs doivent aujourd’hui réévaluer des pratiques et des technologies jusqu’alors incontestées. Le concept même de voiture et aujourd’hui en pleine mutation, passant d’un simple appareil mécanique à un mini centre de données sur roues, grâce aux progrès rapides de l’électronique.

Cependant, les véhicules motorisés s’appuient sur des systèmes de commande électroniques depuis bien plus longtemps qu’on ne le croit. Le premier système d’injection de carburant électronique installé en série équipait 35 véhicules de la gamme Chrysler Electrojector en 1958. Fait intéressant, la plupart de ces modèles pionniers étaient modifiés rétroactivement avec des carburateurs quadruple corps, principalement du fait que ces premiers systèmes électroniques étaient trop lents pour satisfaire aux exigences d’une mesure de carburant « à la volée ».

Les systèmes de gestion de moteur électroniques d’aujourd’hui, bien plus sophistiqués, permettent non seulement de contrôler l’injection de carburant et l’allumage, mais ils sont également capables de modifier le cycle du moteur (Otto, Miller ou Atkinson) et ont même récemment permis aux constructeurs de commercialiser le contrôle très précis du moteur HCCI (allumage par compression d'un mélange homogène).

 

 

Des exigences réseau dictées par les systèmes d’aide à la conduite

Le secteur automobile doit aujourd’hui relever un nouveau défi en matière de systèmes électroniques, dû au développement régulier de l’électrification et des systèmes d’aide à la conduite (ADAS, Advanced Driver Assist Systems) qui s’acheminent rapidement vers un fonctionnement entièrement automatisé de Niveau 5.

Le terme « Automatisation de Niveau 5 » est défini par la norme SAE J3016, qui décrit comme suit les six niveaux d’automatisation :

Battery-lifeSource d’image : ITS International
Niveau 0 : Le conducteur dispose d’un contrôle total sur le véhicule, ce qui comprend la direction, le freinage et l’accélération. Cela correspond au mode de conduite traditionnel.
Niveau 1 : Des composantes mineures de la conduite, telles que le freinage, peuvent être automatiquement prises en charge par la voiture.
Niveau 2 : Au moins deux fonctions sont automatisées, par exemple la direction active (franchissement de ligne) et le régulateur de vitesse. Dans ce mode, le conducteur peut lâcher le volant et les pédales, mais il doit rester vigilant et être prêt à reprendre le contrôle à tout moment.
Niveau 3 : Bien que le conducteur soit toujours présent, il n’a pas à surveiller l’environnement du véhicule avec autant d’attention que dans les niveaux précédents.
Niveau 4 : Selon le ministère américain des transports (DOT, Department of Transportation), les véhicules présentant ce niveau d’automatisation ont été « conçus pour prendre en charge toutes les fonctions de conduite critiques pour la sécurité et surveiller les conditions de route sur la totalité d’un trajet ». Ce mode est réservé à des espaces bien particuliers (géorepérage) et des circonstances spéciales, par exemple les embouteillages ou la conduite sur autoroute. Dans toute autre zone ou circonstance, le véhicule doit être capable d’interrompre le trajet (par ex. en se garant), si le conducteur ne reprend pas le contrôle.
Niveau 5 : À ce niveau d’automatisation, le véhicule est entièrement autonome et ne nécessite aucun volant ni commandes générales permettant à un conducteur humain d’en prendre le contrôle.
D’après Joern Hoepfner, responsable de l’ingénierie applicative chez Tektronix, « nous avons déjà commercialisé des systèmes de Niveau 3 », faisant référence à l’Audi A8 2018, « et des véhicules de Niveau 4 cumulent en ce moment même les kilomètres de test sur des routes publiques, partout dans le monde ».

L’avenir de la voiture repose sur le transfert de données

Dirk Schlesinger, Directeur de la technologie chez TÜV SÜD, un fournisseur international de services de test, d’inspection, d’audit et de certification, a affirmé « la voiture de demain sera un PC sur roues, mais en plus complexe ».

À titre d’exemple, le fonctionnement d’une Ford GT est régi par quelque 100 millions de lignes de code, alors que Windows 10 ne compte que 27 à 50 millions de lignes de code exécutable, atteignant 100 millions de lignes si l’on inclut la carte mère, la carte graphique et les applications de type Office.

Mais ce n’est pas uniquement la puissance de calcul qui impose de repenser les systèmes électroniques. En effet, un véhicule automatisé peut être équipé de 50 capteurs différents, dans 15 groupes de capteurs générant environ 4 000 gigaoctets ou 4 téraoctets de données par jour :

  • Les caméras génèrent 20 à 60 Mo/s.
  • Les radars nécessitent plus de 10 ko/s.
  • Le sonar 10 à 100 ko/s.
  • Le GPS fonctionne à 50 ko/s.
  • Le laser de localisation (LIDAR) entre 10 et 70 Mo/s.

Et toutes ces données doivent être communiquées via un réseau, qui est de type CAN (Controller Area Network) depuis 1986. À l’origine, le bus CAN avait été conçu pour transmettre le flux de commande entre les ECU d’un véhicule, à des débits de bus maximum d’environ 1 Mbps et des charges de paquets de données jusqu’à 8 octets.

Pour suivre le rythme de cette importante croissance des données, la technologie CAN a subi des modifications de protocole pour devenir CAN FD (Flexible Data Rate, débit de données flexible) avec un débit maximum augmenté à 15 Mbps, et une charge améliorée à 64 octets environ.

À ces débits, le réseau CAN ne peut toujours pas supporter les systèmes d’imagerie de type LIDAR et les caméras. En outre, les calculateurs doivent transférer davantage de données entre les ECU, afin de coordonner les différents sous-systèmes. Cela impose aux concepteurs de réseaux automobiles de réévaluer non seulement la vitesse, mais également l’architecture.

Pour prendre en charge ces systèmes lourds en données, le secteur automobile a mis au point plusieurs alternatives :

  • Dirigé initialement au secteur du multimédia, le consortium MOST (Media Oriented Systems Transport) basé à Karlsruhe, en Allemagne, a créé le MOST150, un système capable de transmettre des données à 150 Mbps. Cette bande passante supplémentaire fait également du MOST150 le système idéal pour les technologies d’aide à la conduite, telles que l’avertisseur de franchissement de ligne, les systèmes de caméra et le régulateur de vitesse.
  • Autre système qui n’a pas non plus été développé explicitement pour les applications automobiles : la LVDS (signalisation différentielle à basse tension). Celle-ci offre une norme de signalisation haute vitesse, avec une bande passante jusqu’à 655 Mbps, qui utilise une paire torsadée de câbles de cuivre. Cette vitesse élevée fait de la signalisation LVDS une option attractive pour les fabricants de caméras automobiles.
  • Plus récemment, des constructeurs ont adapté Ethernet comme solution pour le secteur automobile capable de délivrer une bande passante hautes performances, alliée à une paire torsadée de câbles non blindés de faible coût. Cette technologie a été spécialement travaillée pour satisfaire aux exigences strictes des équipements de véhicule, pour le secteur automobile, et optimisée pour de multiples applications de bord. Cette technologie qualifiée pour les applications automobiles est capable de délivrer une bande passante hautes performances de 100 Mbps.

La majorité des conceptions de voiture incluent plusieurs de ces normes de bus, et plus encore suivant le sous-système concerné. FlexRay offre d’excellentes caractéristiques de temps et de latence, ce qui en fait l’outil idéal pour les applications de conduite programmable où les performances déterministes sont critiques. SENT peut être utilisé pour la communication avec les capteurs. Et il est probable que les technologies CAN et LIN continueront à servir dans les applications où leur fiabilité éprouvée est plus précieuse que la vitesse. Nombre d’ECU servent non seulement de contrôleurs mais aussi de passerelles réseau.

Puisque les véhicules hautement automatisés et connectés reposeront sur plus d’un type d’architecture réseau, les concepteurs sont dans l’obligation de tester et de dépanner de multiples technologies de réseau simultanément. Et si ces technologies sembleraient plus à leur place dans un centre de données IT, au sein d’un véhicule automobile, elles doivent fonctionner sans défaut à des plages de températures et d’humidité très étendues, supporter des chocs et des vibrations, et garantir la compatibilité électromagnétique avec d’autres modules et l’environnement dans son ensemble.

Perturbations RF par conduction, rayonnées et intentionnelles

L’utilisation d’un tel nombre d’appareils embarqués et la transmission d’informations vitales sur l’ensemble du véhicule a eu clairement pour effet d’augmenter la complexité des processus de test nécessaires au débogage et à la vérification des conceptions. L’augmentation des débits de données a également entraîné une augmentation des parasites potentiels pouvant affecter le système. Avec des systèmes d’allumage au très fort potentiel de génération d’étincelles, le secteur automobile connaît bien les problématiques de compatibilité électromagnétique.
« Les données vont avoir une importance capitale dans cette nouvelle donne », affirme Chris Martinez, planificateur stratégique chez Tektronix. « Et que dire des transmissions V2V et V2I. Imaginez qu’à l’approche d’une intersection votre véhicule ait la capacité de dialoguer avec cette intersection, voire même avec un autre véhicule », poursuit Chris Martinez.
Le volume des composants électroniques et la nature critique des données circulant au sein du véhicule font de la compatibilité électromagnétique une problématique plus complexe et essentielle que jamais. En outre, les constructeurs équipent déjà leurs véhicules de communications GSM, 3G, 4G, Wi-Fi et Bluetooth, tout en planifiant d’intégrer des technologies de diffusion de pointe dans les applications de sécurité critiques exigeant des temps de réponse ultra courts.
Selon Chris Martinez, « les transmissions RF sans fil sont une vraie préoccupation aujourd’hui, car comment faire en cas d’interférence ? Le composant concerné peut cesser de fonctionner, avec des conséquences catastrophiques. » Il estime que des tests approfondis seront nécessaires pour faire face à ce problème, « et pas seulement pour tester les composants électroniques, mais isoler complètement le véhicule dans une pièce de façon périodique », conclut-il.

Une mobilité partagée imposant de nouvelles normes et de nouveaux tests

Autre défi que doit relever ce secteur en pleine évolution, celui de la mobilité, où les modes de déplacement tels que le covoiturage ou les services de transport urbains jouent un rôle croissant dans le choix des consommateurs. Dans ce modèle, des entreprises telles que Uber, Lyft, Didi (Chine) et NuTonomy (Asie du Sud-Est) proposeront aux usagers des véhicules autonomes de Niveau 4, voire de Niveau 5, dans le cadre de services de taxi.

Cette évolution vers davantage de mobilité ouvre une porte aux équipementiers, qui pourront devenir fournisseurs de matériel pour les fournisseurs de services émergents à la demande. Une opportunité que Volvo a saisie en devenant le premier constructeur à signer un accord avec Uber pour la fourniture de 24 000 XC90 équipés de technologies de conduite autonomes centrales, dont la société de service avait besoin pour développer ses propres fonctionnalités de conduite autonome.
En tant que plate-forme standard automatisée, Volvo envisage de proposer ces mêmes véhicules à d’autres sociétés de services de transport similaires, qui pourront les personnaliser en fonction de leurs besoins. Cette tendance à la personnalisation lourde s’accompagne du risque que les équipements matériels, les logiciels ou les réseaux de communication ne soient pas toujours compatibles, ce qui imposerait au bout du compte la création de nouvelles normes et de nouveaux tests pour garantir l’intégrité du véhicule.
Et alors que les modèles de covoiturage, de connectivité et d’automatisation à la demande refaçonneront le secteur du transport, la gestion de l’alimentation jouera un rôle croissant dans la prise en charge des nombreux systèmes embarqués. Ces véhicules pourront utiliser des systèmes bitension, comme sur les véhicules électriques hybrides légers 48/12 volts qui commencent à arriver sur le marché ou sur les systèmes haute tension/12 volts des véhicules hybrides.

Une gestion de l’énergie électrique qui renforce la voiture intelligente

L’électrification des systèmes de traction fait couler beaucoup d’encre, et à juste titre. On parle cependant moins du système de distribution électrique des composants électroniques. Dans notre scénario, le réseau 12 V gérera les charges traditionnelles (éclairage, allumage, systèmes audios et de divertissement, et modules électroniques), tandis que les systèmes à plus haute tension prendront en charge les systèmes de châssis actifs, les compresseurs de climatisation, les freins à récupération et l’assistance de couple.

Et face à des constructeurs qui cherchent à améliorer les performances, réduire les coûts et optimiser l’encapsulation des composants électroniques de puissance, les avancées autour de semiconducteurs de puissance en nitrure de gallium (GaN) et carbure de silicium (SiC) ont ouvert de nouvelles portes. Par exemple, dans les convertisseurs DC/ DC, la vitesse de commutation accrue permise par ces technologies à large bande réduit la taille des inducteurs, des transformateurs, des condensateurs, et plus généralement la taille et le poids des composants. Et ce tout en offrant une efficacité de conversion proche de 100 %.

À nouveau, ces systèmes sembleraient plus à leur place dans le secteur de l’informatique de pointe que chez les constructeurs automobiles, et ils devront faire l’objet d’un déploiement progressif de nouvelles normes et procédures de test pour en garantir la sécurité et les performances fonctionnelles.

Ainsi, les publicités de voiture en 2030 ne baseront probablement pas leur argumentaire sur les chevaux du moteur, mais plus vraisemblablement sur la puissance de calcul de processus baptisés Xeon, Snapdragon ou Drive PX, mais un important travail de préparation est encore nécessaire pour arriver à ce résultat. Non seulement pour mettre au point et affiner ces technologies, mais également pour garantir que les systèmes seront testés correctement et de façon approfondie.

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