Systèmes électriques de véhicules: architectures décentralisées, de domaine et de zone
Les architectures de véhicules décentralisées traditionnelles constituent jusqu'à 100 unités de contrôle, chacune attribuée une fonction définie, telle que le contrôle de l'unité de commande du moteur (ECU), les airbags, l'ABS / ESP, le système de réglage des sièges ou le climat. Chaque contrôleur fonctionne de manière autonome et communique avec les autres unités de contrôle via une passerelle. Lorsque les caractéristiques du véhicule sont ajoutées ou améliorées, une unité de commande est ajoutée pour chaque nouvelle fonctionnalité. Tous les types de véhicules ont considérablement changé ces dernières années, des véhicules Van Fleet aux bus vers les automobiles, et l'augmentation du nombre de fonctionnalités a considérablement augmenté la teneur en câblage et en interconnexion de chaque véhicule.
Les unités de contrôle d'une architecture de domaine sont organisées en zones fonctionnelles, chacune responsable d'une zone spécifique du véhicule, comme le groupe motopropulseur, le système d'infodivertissement ou les fonctions de sécurité. Un ordinateur haute performance (HPC) distincte effectue le contrôle principal du domaine et coordonne les unités de contrôle dans son domaine. Par exemple, le domaine de sécurité supervise les unités de contrôle pour les systèmes d'aide à la conduite, les systèmes ABS / ESP et de direction. L'architecture de domaine réduit le nombre d'unités de contrôle et réduit la quantité de travail de câblage et d'installation requise par rapport aux architectures décentralisées traditionnelles, réduisant ainsi efficacement le poids et les coûts. Des fonctions supplémentaires peuvent être facilement intégrées dans des mises à niveau ou de nouvelles conceptions.
Dans une architecture régionale, la construction n'est pas basée sur le domaine, mais sur la région locale. Par exemple, plusieurs fonctions sont regroupées dans une zone du véhicule. Des fonctions telles que le système de transmission et d'infodivertissement peuvent être combinées et traitées dans un contrôleur de zone unique. Un HPC central effectue le contrôle primaire des différents contrôleurs de zone, réduisant le nombre d'unités de contrôle et la quantité conséquente de câblage de 50%.
Figure 1: Représentation schématique de l'architecture du système électrique d'un véhicule haute performance. Illustration: EPT GmbH
Exigences de fiabilité et de performance élevées
Les HPC et leurs modules d'interconnexion correspondants doivent être conçus pour les exigences de performance les plus élevées. Par exemple, le traitement des données d'imagerie et de capteurs dans les systèmes de sécurité automatisés de conduite nécessite des taux de transfert de données à grande vitesse et des temps de latence courts. Dans le même temps, la signalisation ne doit en aucun cas échouer en aucun cas. Les taux de transfert de données élevés, rapides et, surtout, fiables - parfois dans des conditions environnementales difficiles - sont les exigences pour les connecteurs de ces systèmes.
La «lisibilité» d'un signal peut être illustrée par un diagramme oculaire, qui montre si les signaux émis dans le récepteur peuvent être attribués de manière unique à l'état numérique 1 ou 0. À cette fin, les signaux sont enregistrés, superposés et affichés avec un oscilloscope via des chemins de transmission définis. De cette façon, les routes de signal peuvent être cartographiées et chevauchées. Selon la théorie, les transitions des états logiques sont infiniment raides et les lignes de signal sont complètement superposées. Les facteurs dérangeants externes et les dommages internes à la paire de signaux aplatissent la hausse du signal tandis que le niveau d'amplitude change.
Fig. 2: Les diagrammes oculaires sont utilisés pour évaluer la qualité du signal aux taux de transmission des données numériques. Illustration: EPT GmbH (Colibri)
Le soi-disant «Patch» peut être vu au centre du diagramme. Il n'est pas possible d'attribuer clairement des signaux dans ce domaine.
Les deux diagrammes oculaires illustrent l'effet de la longueur du câble et de l'impédance en utilisant des connecteurs de bougie Colibri de 16 Go / s et 10 Go / s. Cet exemple illustre comment des améliorations significatives de l'intégrité du signal peuvent être réalisées en développant davantage la conception de contact. En utilisant une longueur de câble plus courte et une impédance de 100 Ω, le diagramme oculaire de la variante Colibri de 16+ Go / s peut être formé beaucoup plus clairement que la variante Colibri de 10 Go / s précédente - les paires de signal peuvent être clairement interprétées.
Figure 3: La conception de contacts optimisée de Colibri permet des débits de données à faible perte et à grande vitesse. Illustration: EPT GmbH (Colibri)
Les signaux à grande vitesse nécessitent une protection spéciale du signal car ils sont particulièrement sensibles aux influences électromagnétiques. Dans ce cas, le connecteur peut agir à la fois comme source et un récepteur d'interférence. Les plaques de blindage protégeront les signaux sensibles contre les influences externes.
Figures 4 et 5: Interférence du signal lors de l'utilisation de connecteurs blindés (en haut) et non blindés (en bas)
Le connecteur peut être décrit en considérant les conditions électriques en fonction de la source et du puits, et l'inductance de couplage LK est utilisée comme paramètre EMC. Henry (H) est utilisé pour exprimer cette valeur. Cela s'applique à l'immunité et aux émissions d'interférence. Si la tension induite (UIND), la tension du générateur (UGEN) et la constante du générateur (KGEN) sont connues, la formule suivante peut être utilisée pour déterminer l'inductance de couplage maximale spécifique (L) pour l'application:
Le couplage de l'inductance aide également l'utilisateur à définir le connecteur approprié pour ses exigences EMC et aide à éviter les tests d'essais et d'erreurs coûteux et sensibles au temps. Un exemple est le suivant: à 4,4 kV, déterminez l'inductance de couplage maximale spécifique au cas pour les signaux HDMI à 47 picohyen (pH). Si cette valeur est plus élevée, le signal ne peut plus être transmis sans interférence.
Figure 6: Versions non blindées (à gauche) et protégées (à droite) du connecteur.
Les influences électromagnétiques peuvent compromettre la transmission de signaux à grande vitesse. Les connecteurs, en particulier dans les applications de véhicules hautes performances, sont exposés à des conditions environnementales extrêmes telles que les vibrations et les chocs. Les connecteurs doivent être particulièrement robustes pour assurer une transmission de signal ininterrompue même dans des environnements sévères. Les principaux facteurs décisifs dans ce contexte sont la conception de contacts, les systèmes de contact et la technologie de terminaison.
Conception de contact stratégique pour la fiabilité dans des environnements difficiles
Les connecteurs conventionnels en deux pièces ont un contact masculin et un femelle. Cependant, en cas de chocs forts, le connecteur masculin peut se désengager du connecteur féminin. Pour éviter cette rupture de contact, un connecteur féminin double face peut être utilisé pour fournir une redondance et ainsi augmenter la fiabilité du contact, car le deuxième contact féminin garantit que le signal est toujours transmis par au moins un contact (figure 5).
Non (à gauche) et (à droite) contacts féminins double face exposés au choc.
Les connecteurs avec des systèmes de terminaux «non sexistes» sont plus robustes. La fonctionnalité spéciale ici est que la paire de connecteurs - fiche et socket - a la même géométrie de contact. Par conséquent, les deux ont des contacts féminins et masculins. En conséquence, chaque broche est contactée par deux contacts féminins et la prise et la prise sont verrouillées et ne peuvent pas être soulevées les unes des autres. Le connecteur féminin double face assure toujours au moins un contact lorsqu'il est soumis à des charges mécaniques, tandis que la géométrie entrelacée dans le système de contact neutre garantit que le signal est toujours transmis par les deux contacts. Ce degré élevé de redondance atteint donc une fiabilité maximale de contact (Fig. 5).
Figure 7: Section transversale d'un connecteur Zero8 montrant le système terminal neutre entre les sexes.
Afin d'obtenir une connexion durable entre le PCB et le connecteur, nous recommandons l'utilisation de la technologie de montage de surface (SMT) comme technique de terminaison. La pâte de soudure est utilisée pour souder le connecteur à la surface de connexion désignée du PCB: les coussinets de soudure. La soudure est d'abord fondue puis durcie dans un soi-disant four de reflux. SMT permet d'établir une connexion stable entre le connecteur et le PCB. Cependant, un certain nombre de critères doivent être remplis pour y parvenir. Tout d'abord, le rapport correct des broches, des coussinets et de la pâte doit être maintenu afin de créer des joints de soudure conformes à l'IPC A-610. C'est le seul moyen d'obtenir une connexion de haute qualité selon l'IPC classe 3, ce qui signifie qu'il convient à l'électronique automobile de haute performance. Cette classe stipule que les défaillances de transmission du signal ne doivent pas se produire. La connexion optimale de la soudure peut être reconnue par la formation uniforme de la face de la lune incurvée. La circonférence entière du contact doit être fermée avec une soudure de courbe de lune afin d'obtenir la meilleure force de rétention possible sur le PCB. (Figure 7).
Figure 8: Formation uniforme de la face de lune incurvée autour du pied de soudure
Les pieds de contact doivent être coplanaires pour une excellente connexion. Cette coplanarité est vérifiée par un processus entièrement automatisé.
À première vue, le rôle des connecteurs dans les systèmes de véhicules à haute performance peut sembler s'évanouir dans l'obscurité en raison de la réduction du nombre d'unités de contrôle. Cependant, un examen plus approfondi révèle que c'est précisément en raison de ce passage au traitement centralisé des données via HPC que leur rôle devient de plus en plus important. La fiabilité de la transmission du signal n'a jamais été aussi importante.