Le 48 volt

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Description détaillée

Dans le contexte actuel de COP21 et de scandales sur les informations “pollutions” des véhicules, il faut souligner que les objectifs CO2 g/km sont de plus en plus drastiques.

Le comité européen de régulation stipule que 95% de la flotte de véhicules d'un constructeur doivent atteindre 95 g/km en 2020 et 100% pour 2021. À l'horizon 2025, pour les CO2, l'objectif actuellement fixé est de 75 g/km.

Pour Frank Briault, ingénieur chez PSA, « ce ne sont pas les augmentations en besoins électriques des équipements qui vont justifier le changement de tension du réseau de bord, mais on accepte de payer pour chaque gramme de CO2 en moins »

De plus, le nouveau parcours d'homologation et les contrôles d'émissions en situation réelle de roulage, vont augmenter la difficulté pour atteindre ces objectifs, encore plus drastiques, et pas seulement pour le CO2, mais aussi pour les NOx, les particules….

De nouveaux systèmes de propulsion plus innovants sont donc nécessaires.

Aussi, l'agenda du 48 V, contrairement au 42 V annoncé dans les années 90, est largement déterminé par la réduction de la consommation et donc des émissions polluantes. Mais il va se généraliser progressivement, alterno-démarreur et direction assistée au début, puis de plus en plus d'équipements (alors qu'avec le 42 V l'objectif était de mieux gérer l'énergie et de tout passer sous 42 V dans le véhicule).

Depuis 2011, Audi, BMW, Daimler, Porsche et Volkswagen se sont réunis pour réaliser une architecture et une base de composants communs pour leurs véhicules sous 48 V. Ils ont créé une impulsion chez leurs fournisseurs et équipementiers (électroniques et autres) pour réaliser des recherches et du développement sur l'architecture 48 V.

Cette tension sera la tension nominale. Elle est 4 fois supérieure à l'actuelle, mais sera toujours inférieure à 60 V qui est la barrière au-dessus de laquelle il y a un danger clair pour la sécurité de manipulation et d'intervention, et qui nécessite donc un personnel habilité.

Ce 48 V sera donc un système additionnel. Mais les systèmes comme les lève-vitres et d'autres équipements resteront encore pour un certain temps en 12 V. Il y aura donc une batterie 12 V en plus d'une batterie Lithium-Ion ou plomb carbone de 48 V pour les équipements qui seront à cette tension.

La grande majorité nomment cette technologie “mild hybrid”, d'autres “micro hybrid” ou encore « super hybride ». Mais cela prête à confusion et n'a d'autre intérêt que de raccorder le consommateur à un marché connu. Il restera cependant le fait que cette technologie a pour objectif d'être beaucoup plus abordable que les « hybrides » actuels.

Quoi qu'il en soit, nous aurons affaire à un véhicule doté d'une architecture électrique et électronique plus complexe car basée sur deux niveaux de tension différents. Et bien qu'il existe un consortium ; le standard d'architecture 12/48 V (basé sur la norme allemande de création initiale) est le LV148.

Quelques exemples:

 

Hyundai Tucson 48V Hybrid:

Source : http://blue.hyundai.be/fr/bienvenue-aux-hybrides/

Avec le HSG (Hybrid Starter Generator) qui inclut un alterno-démarreur hybride couplé à un moteur diesel et une batterie lithium-ion, le poids total n'est que de 20 kg supérieur au modèle équivalent uniquement diesel.

Le concept car Audi RS5 TDI :

Source : http://www.moteurnature.com/actu/uneactu.php?news_id=27557

Il va être la base pour les futurs modèles de série du groupe GAV fondés sur l'architecture 12/48. On peut parler des Audi A6, A7, SQ7, A8, Q8, ou encore Volkswagen T-Roc ou encore la Porsche 911 (2019) ou Cayenne de troisième génération.

Il y aura notamment le « booster électrique » : c'est un compresseur électrique indépendant qui permet d'améliorer les performances à l'accélération.

Il y a également chez PSA : « l'Hybride Eco » (avec Valéo) prévu en 2018-19.

Ou encore chez Renault : un système « mild-hybride » basé sur l'architecture 48 V sur le Grand Scénic, le premier équipé de cette technologie chez Renault, nommé "hybrid assist".

Suzuki depuis la Baleno, déploie son système avec la swift et Ignis. Chez Mercedes, La classe S et E depuis 2017 utilisent également cette technologie.

Volvo déploie également sa gamme en mild hybride 48V, tout comme BMW qui d'ici 2021 verra sa gamme déployée en mild  hybride 12V ou 48V.

Les constructeurs Audi, BMW, Daimler, Porsche et Volkswagen ont validé l'incorporation d'éléments communs dans le réseau électrique de leurs véhicules.

On peut citer :

 

• La structure de la section 48 V
• Le connecteur de charge pour tous les types de véhicules (électriques et hybrides)
• Les interfaces CAN

 

La norme LV-148 VDA (pour « Verband der Automobilindustrie », Fédération de l'Industrie Automobile) fournit l'approche pour réaliser des structures de 48 V avec récupération d'énergie, sans dépasser les 60 V.

Le prototype Tucson de Hyundai a été développé autour d'un moteur 2.0l diesel de 136 ch, avec boîte manuelle. La puissance a gagné 14 ch (10%) : elle est passée à 150 ch. Les émissions de CO2 sont de 109 g/km.

Ce véhicule comprend un alterno-démarreur hybride HSG (qui a remplacé le démarreur conventionnel), un inverseur et un convertisseur basse-tension DC/DC (pour convertir les 12/48 V).

Le fait d'avoir une augmentation de la tension entraîne de fait une réduction de la taille des fils électriques. On peut ainsi gagner du poids de ce côté-là.

À ce jour, au cœur du concept du 48 V on trouve un alterno-démarreur entraîné par courroie (solution la plus courante). On trouvera progressivement d'autres consommateurs sous 48 V, mais l'objectif est d'alimenter d'abord les gros consommateurs (direction assistée et autres) sous cette tension, et d'avoir une récupération d'énergie, au freinage (cinétique), et par les gaz d'échappement (thermique). À l'avenir, le marché de l'automobile et les constructeurs n'auront plus qu'un pas à faire pour produire le moteur « sans courroies ». Il est ainsi possible de réaliser des compresseurs de climatisation, des pompes à eau, d'huile, etc., directement pilotés par des moteurs électriques internes sous 48 V… D'ailleurs les systèmes qui sortent depuis 2017 se voient équipés, selon les technologies, les modèles et les constructeurs, de plusieurs éléments de puissance sous capot moteur fonctionnant déjà en 48V.

Source: Continental

Pour information, les systèmes Stop Start sous 12 V actuels ont atteint leurs limites. Il faut 10 à 15 kW, soit 1000 A en mild-hybride, et des sections de câble de 10 à 15 mm… donc pas réalisable sous ce niveau de tension.

La norme LV-148 stipule de ne pas dépasser 54 V et 150 A en phase de récupération d'énergie (niveaux maximum, phase de recharge batterie) et 38 V et 180 A en phase de décharge batterie (démarrage moteur ou assistance de conduite).

Pour Valéo, l'hybride4all est la prochaine étape de l'alterno-démarreur et il sera sous 48 V.

Il dispose d'une batterie plus petite et un coût réduit de ¾ par rapport aux hybrides classiques et un gain proche de 80% de ce qu'ils sont capables de réaliser.

Par exemple, il aura une puissance entre 12 et 15 kW, capable d'entraîner le véhicule à lui seul dans certaines situations de roulage !

 

Les équipementiers qui ont développé ce type de système sont : Continental, Delphi, Bosch et Valéo.

Quelques points sur les batteries:

Voici une batterie 48 V lithium-ion de JC développée pour un prototype qu'ils ont nommé « micro-hybride ».

Source : http://automotivedigest.com/2013/05/micro-hybrids-could-help-grow-hybrid-sales-in-next-couple-of-years/

Voici un exemple de pack batterie développé par Samsung sur une base LiOn :

Il faut savoir que la technologie LiOn n'est pas la seule solution envisagée pour les batteries.

Selon l'European Advanced Lead-Acid Battery Consortium (EALABC) (ou Consortium Européen sur les batteries plomb améliorées) une batterie plomb-carbone 48 V est déjà au point.

Les avantages sont :

 

• Utilisation de matériaux recyclables.
• Ne requiert pas de terres rares.
• Les batteries sur cette technologie sont capables de fonctionner sous un SoC de 30 à 70% et des puissances de 12.5 kW (en sachant que les niveaux de tension peuvent osciller entre 38 et 54 V sur le réseau 48 V).
• Fonctionnement jusqu'à -30°C (-22°F), alors que c'est impossible pour les Li-On.
• Pas de systèmes de gestion interne de pack batterie (nécessaires pour les liOn).
• Pas de refroidissement (nécessaire pour les LiOn).

Les plaques négatives de ces batteries incorporent du carbone et sont capables d'absorber ou de délivrer de forts courants de pointe.

Cependant, les évolutions sur les technologies Lithium, donnent toujours un net avantage aux technologies basées dessus. On peut citer les technologies Lithium Nickel Manganese Oxide (NMC) ou Lithium Fer Phosphate (LFP), qui sont les principales technologies déployées dans les batteries 48V fabriquées et mis en oeuvre dans les applications.

On peut citer par exemple la dernière génération de batterie développée par Bosch: pack 48V, 12s1p de 8Ah, cellules NMC/Graphite, avec une puissance de charge de 13kW et de décharge de 11kW et un poids de moins de 7kg.

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Méthodes et pratiques

Opérateur service rapide : remplacement de courroie.

Mécanicien automobile : remplacement de courroie et de machine tournante.

Respecter le kilométrage et  la tension préconisés par le constructeur pour remplacer la courroie.

Électricien et électronicien automobile : tous types de réparation.

Dépose et repose de pièces.

Respecter les procédures des constructeurs lors du remplacement des éléments de la réparation des faisceaux.

Utiliser l'outil de diagnostic pour diagnostiquer et paramétrer le système.

Vérifier toujours que la fonction est inhibée avant de réaliser des travaux sur le compartiment moteur ! (Sauf si c'est ce système que vous diagnostiquez, etc.)

Étant donné les conditions de fonctionnement et d'activation/désactivation de ces systèmes, il faut vérifier tous les paramètres de tension et les valeurs dans l'outil de diagnostic lorsqu'un client se plaint du non-fonctionnement de son système ! En effet, cela peut être dû à un problème électrique ou tout simplement à une condition normale de fonctionnement que le client ne connaît pas !

Les défauts enregistrés entraînent le plus souvent l'arrêt de la fonction.

Les niveaux de tension et la capacité de batterie n'imposent pas d'habilitation pour travailler sur cette technologie ou sur les éléments qui seraient alimentés en 48V (pompe à eau, compresseur, E-boost, etc). Cependant, certains constructeurs comme Renault, ont obligé leur réseau à être habilité pour intervenir sur le système.

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Impact sur les compétences en atelier

Les personnels techniciens doivent être en mesure :

- d'identifier les différents niveaux d'hybridation
- d'exploiter les outils de mesure et de contrôle sur les systèmes techniques hybrides.
- d"interpréter les paramètres des systèmes de gestion de la batterie, de l'alterno-démarreur et du convertisseur DC/DC.
- d'identifier les technologies stop start
- de réaliser des paramétrages, initialisations sur les gestions d'énergie complexes
- d'appréhender les architectures à deux niveaux de tension

Les personnels non techniciens doivent être en mesure :

- d'identifier les différents niveaux d'hybridation
- d'identifier les technologies stop start
- de réaliser des paramétrages, initialisations sur les gestions d'énergie complexes
- d'appréhender les architectures à deux niveaux de tension
- de réaliser les dépose/pose des pièces

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Exemple d’outillage approprié

Outil de diagnostic
Appareil de mesure de tension de courroie.