Les fabricants de camions cherchent à augmenter la tension des systèmes électriques

Ces temps-ci, les ingénieurs électriques sont comme des enfants dans un bac à sable. La transition vers une architecture de véhicule de 48 volts représente un potentiel quasi infini d’amélioration de l’efficacité et de la fonctionnalité des composants électriques. C’est presque comme si on partait de zéro – de plus d’une façon.

Il y a moins d’un an, Craig Jacobs, directeur de l’ingénierie et de la gestion des programmes chez Eaton, avait ceci à dire à propos de la transition de l’architecture actuelle 12 volts vers 24 ou 48 volts : «Je ne pense pas que l’industrie ait convergé sur 24 ou 48 volts à ce stade. Il y a deux ou trois camps différents à ce sujet. Les supporters du 24 volts pointent vers l’Europe, où les systèmes 24 volts sont utilisés. Il existe donc déjà une certaine normalisation et les composants sont facilement disponibles. Le camp du 48 volts croit que si nous voulons faire un changement, il faut y aller jusqu’au bout.»

M. Jacobs a également souligné que les systèmes 24 volts pourraient nous faire gagner 10 ou 15 ans, mais nous serions alors de nouveau confrontés à un mur, avec un potentiel d’expansion limité. Passer directement à 48 volts nous laisserait plus de temps avant de voir la nécessité de mettre à jour à nouveau», a-t-il dit. «Cela donne également beaucoup plus de flexibilité aux fabricants dans la conception de leurs véhicules.»

Cette année, dans le cadre de la rencontre annuelle du Technology and Maintenance Council de l’ATA, il y avait une table ronde examinant les avantages et les défis liés à la conversion de systèmes de véhicule 12 volts à des systèmes 48 volts. La liste est longue des deux côtés.

Jim Bevan, responsable de l’ingénierie eMobility chez Daimler Trucks North America, a déclaré que le passage à 48 volts offrirait toutes sortes de possibilités que nous considérons en ce moment peu pratiques ou irréalisables, comme un moteur sans aucune courroie.

«Avec 48 volts, nous avons simplement plus de puissance avec laquelle nous pouvons faire plus de choses», a-t-il expliqué. «Lorsque vous commencez à retirer les systèmes auxiliaires du moteur, vous pourriez potentiellement les mettre en mode entièrement variable pour qu’ils puissent toujours être dans leur position idéale d’efficacité, là où vous obtenez le moins de pertes. Nous avons des systèmes 12 volts sur les camions depuis si longtemps que nous sommes à l’aise avec ce que cette configuration peut faire. Mais si vous commencez à parler de 48 volts et que vous avez plus de puissance, et plus de capacité de puissance, vous pouvez commencer à envisager de manière vraiment réaliste l’électrification de différents systèmes – la climatisation par exemple.»

En augmentant la tension du système de 12 à 48 volts, on ouvre la porte à toutes sortes de nouvelles fonctionnalités embarquées. Parmi les plus évidentes, on trouve les nombreux composants et systèmes du moteur qui pourraient être entraînés électriquement plutôt qu’avec une courroie reliée au moteur, comme des compresseurs, des ventilateurs, des pompes à huile et à eau, etc. Outre les gains d’efficacité mentionnés par M. Bevan, le fait d’embarquer de tels composants éliminerait la nécessité de les positionner près de l’avant du moteur pour permettre l’accès au train d’engrenages.

Comme l’a souligné M. Jacobs : «Si vous retirez une grande partie de ces éléments de l’avant du moteur, les fabricants d’équipement disposeront d’une plus grande liberté pour redessiner l’avant du camion que jamais auparavant».

M. Bevan a également évoqué le potentiel d’hybridation légère de certains systèmes d’entraînement sur les poids lourds, à la manière des systèmes proposés actuellement par Hyliion.

«En repensant certains composants comme que le démarreur, l’alternateur et la transmission, des possibilités d’intégration s’ouvrent. Par exemple, l’alternateur et le démarreur pourraient devenir le même dispositif et être intégrés à la transmission», a-t-il expliqué. «Cela pourrait aussi être un volant moteur complet remplacé par un moteur/générateur électrique qui pourrait ajouter de la puissance d’assistance à la transmission sur demande, ou réduire la charge sur l’alternateur en récupérant l’énergie de l’élan du véhicule lors de la conduite en roue libre, de la descente ou du freinage.»

Les systèmes 12 volts sont là pour rester

Mais il y a des obstacles pratiques à toute cette ingénierie créative; le système électrique de base du véhicule. De toute évidence, l’architecture électrique de base dans la cabine et l’interface tracteur-remorque devront rester à 12 volts, mais Jeff Williams, ingénieur principal en électronique de puissance chez Volvo Trucks, affirme que l’industrie a identifié six autres points d’interface sur le camion où plusieurs tensions devront être prises en compte, y compris l’accès à la batterie/au système de charge et l’interface équipementier.

«Le nombre de remorques dépasse de beaucoup celui des unités motorisées au pays, et elles ont également une durée de vie plus longue», a indiqué M. Williams. «Le connecteur J-560 a bien servi l’industrie depuis plus de 60 ans, même après l’ajout de la technologie ABS. Je crois que nous devrons soutenir les systèmes 12 volts essentiellement pour toujours; ce ne sera pas un événement par étapes ni un événement précipité où soudainement, nous nous retrouvons à produire des véhicules multi-tension et 12 volts. Nous devrons pouvoir soutenir les remorques 12 volts et les modifications de carrosserie dans un avenir prévisible.»

A ce stade, les systèmes de démarrage et de charge 24 volts sont courants en Europe, et assez facilement intégrés dans un véhicule moderne avec une architecture 48 volts. M. Williams a parlé de plusieurs dispositifs qui devront être intégrés pour réduire ou augmenter efficacement la tension selon les besoins, comme des égaliseurs, qui ne sont en réalité que des «convertisseurs CC/CC sophistiqués». De telles technologies éliminent le besoin de commutateurs en série/parallèles désuets et problématiques lorsqu’on intègre des systèmes de démarrage et de charge 24 volts.

En ce qui concerne les batteries elles-mêmes, la batterie du groupe 31 n’est pas en train de disparaître, mais nous verrons probablement différentes chimies et configurations de batterie, notamment des connexions en série plutôt que des connexions en parallèle, pour obtenir une tension maximale de 24 ou 48 volts.

Il reste à voir quels systèmes embarqués dans le camion atteindront 24 volts et lesquels seront de 48, mais l’augmentation de la tension présente de nombreux avantages en termes de conception. Cela peut sembler contre-intuitif pour ceux qui ne connaissent pas les principes de base de l’électricité, mais des câbles plus fins et des composants plus petits peuvent être utilisés avec une tension de 48 volts au lieu de 12. Lorsque vous doublez la tension, vous réduisez le courant de moitié, ce qui permet d’obtenir un diamètre de fil plus petit. Si vous quadruplez la tension, vous divisez le courant par quatre, etc.

Par exemple, avec des bobines plus minces dans les démarreurs et les alternateurs, vous pouvez rendre l’ensemble complet physiquement plus petit et plus léger. En conséquence, vous obtenez la même puissance de sortie d’un moteur plus petit, ou une puissance de sortie supplémentaire si vous conservez la taille de l’unité.

«Dans le cas d’un démarreur 24 volts, vous pouvez passer à la taille de pièce inférieure, ce qui permet d’économiser de l’espace avec l’installation ainsi qu’un peu de cuivre, d’acier et d’aluminium», d’expliquer M. Williams. «Ou, si vous gardez une pièce de la même taille mais que vous la bourrez avec des bobines 24 volts, vous pouvez obtenir quelques chevaux supplémentaires de puissance de démarrage. Dans la plupart des cas, les moteurs conçus pour des tensions plus élevées sont plus efficaces d’un point de vue électrique, ce qui favorise l’économie de carburant à long terme.»

Toutes ces discussions sur la transition soulèvent la question suivante : comment allons-nous normaliser tout cela? Ce ne serait pas la première fois que nous verrions un ou deux fabricants d’équipement ou fournisseurs majeurs s’engager seuls sur une voie particulière, laissant aux flottes le soin de composer avec les incohérences. Cette fois, la Society of Automotive Engineers et le TMC s’impliquent très tôt pour rester en avance sur ce changement assez important.

«La SAE et le TMC étudient déjà cette question par le biais des Comités SAE Truck and Bus Electrical Systems et du groupe de travail S.1 du TMC, ainsi qu’avec des fabricants d’équipement et des fournisseurs», a déclaré le paneliste Fred Kelley, directeur de l’ingénierie chez Prestolite Wire et président des Comités SAE Truck and Bus Electrical Systems. «Il y a déjà eu beaucoup de discussions et la SAE a récemment créé un groupe de travail appelé Multi-voltage Taskforce pour identifier ce qui manquait et recommander des solutions pour aller de l’avant.»

En décembre 2018, le groupe a créé une feuille de route décrivant les étapes requises pour aller de l’avant et identifiant les normes devant être mises à jour, révisées, laissées telles quelles ou créées.

«Nous avons identifié huit normes SAE qui devront rester des normes 12 volts, y compris la SAE J-560 [interface de remorque]», de poursuivre M. Kelley. «Ce travail nous a également permis d’identifier 16 normes actuelles qui devront être examinées et révisées afin de garantir leur conformité aux systèmes 12 volts et aux systèmes haute tension/multi-tension. Nous avons également constaté que nous aurions besoin de 10 nouvelles normes concernant les systèmes multi-tension.»

Problème dans l’atelier?

Problème n’est peut-être pas le bon mot, mais les changements dans l’atelier, par exemple les procédures, les outils utilisés et à la manière dont les pièces sont identifiées et répertoriées, seront importants, selon le panliste Bruce Purkey, fondateur et ingénieur en chef en chef de Purkey’s Fleet Electric.

«Il y aura de véritables défis pour notre industrie. Nous pouvons le faire, mais est-ce que ça va être facile? Non», a-t-il dit. «L’une des choses que vous devrez examiner, c’est votre inventaire de pièces. Qu’en est-il de ces disjoncteurs, relais et fusibles auxquels vous ne pensez même plus? Eh bien, attendez que quelqu’un insère un relais 4 volts dans une prise 48 volts. Vous aurez droit à une exclamation et à de nuage de fumée. Les pièces 12 volts ne fonctionneront pas avec les systèmes 48 volts. Nous devons commencer à penser à nous préparer pour cette transition.»

M. Purkey a mentionné l’étiquetage et l’identification des pièces en fonction de la tension, possiblement avec un code couleur ou des zones de stockage séparées pour éviter toute confusion. Il a parlé de la nécessité de développer et d’acquérir les outils appropriés pour travailler sur des systèmes haute tension, en insistant particulièrement sur la réparation du filage de base.

«La réparation des fils va devenir critique», a-t-il déclaré. «On m’a dit qu’au fur et à mesure que nous allons passer de 12 à 48 volts, la corrosion sera multipliée par 10. Donc, si vous ne pouvez pas entretenir le câblage maintenant, que ferez-vous avec un système haute tension? Je me rends régulièrement dans des ateliers où je vois des techniciens utiliser ces connecteurs bout-à-bout en plastique dur. Comment pouvez-vous les sceller?»

«Ce sont les petites choses qui vont faire toute la différence, comme demander aux techniciens d’avoir leur propre pince à sertir et à dénuder. Cela ne fonctionnera plus. Si vous voulez une uniformité dans les processus de réparation, la flotte devra fournir les outils appropriés et insister pour que les techniciens les utilisent et suivent les procédures.»

Beaucoup de choses vont changer pour les techniciens, y compris le besoin de formation supplémentaire pour des tâches aussi élémentaires que la lecture de schémas de câblage pour comprendre les nouveaux appareils tels que les égaliseurs et les analyseurs de systèmes électriques plus avancés, toujours selon M. Purkey.

«Il y a eu de grands changements dans le passé. Je me souviens des commandes électroniques. Tout le monde se plaignait, mais devinez quoi : nous avons obtenu l’économie de carburant que nous voulions, alors nous avons fait avec», a-t-il ajouté. «Vous souvenez-vous quand nous sommes passés de l’impérial au métrique? Cela n’a pas changé la façon dont nous serrons les boulons, n’est-ce pas? Nous avions simplement des outils différents, et c’est ce qui va se passer cette fois-ci.»

La migration vers des systèmes multi-tension a déjà commencé dans le secteur des voitures de tourisme, et les camions lourds ne seront pas loin derrière. Qu’il s’agisse d’hybridation légère ou de composants sans courroie comme les compresseurs d’air et les ventilateurs de refroidissement, les moteurs 48 volts rendront cela possible.

«C’est très excitant de penser à ce que nous pouvons faire si nous commençons à ajouter de la puissance supplémentaire et, par le fait même, des capacités supplémentaires», de conclure Jim Bevan. «Quelles choses auxquelles nous n’avons pas encore pensé nous sera-t-il possible de réaliser? Comment cela peut-il avoir des répercussions et améliorer l’efficacité et la conception du véhicule, l’utilisation? Comment cela peut-il être intégré dans les flottes du point de vue des équipementiers? Quels systèmes existants pourraient également être électrifiés?

C’est un tout nouveau monde de possibilités qui s’offre.