Avnet Abacus Focus Magazine no. 39 French edition

Edition 39

Electrification – la révolution en route 4 Les robots débarquent…

UK Edition

11 Quand votre prochain tracteur sera un Tesla

French

18 Les nouveaux horizons du transport ferroviaire

German

Italian

Focus, le magazine trimestriel d’Avnet Abacus, est composé d’articles de fond, de notes consacrées aux technologies, aux nouvelles tendances et aux nouveaux produits, d’informations émanant de la communauté Avnet et d’entretiens avec des leaders de l’industrie.

Avnet Abacus est un distributeur paneuropéen qui s’engage à accompagner ses clients de la conception à la réalisation de leur projet. Notre offre de premier plan représente des fabricants reconnus dans le monde entier et propose un portefeuille de produits complet : solutions d’interconnexion, composants passifs et électromécaniques, alimentations, stockage d’énergie, capteurs et produits de communication sans fil.

Articles Les robots débarquent…

4

Quand votre prochain tracteur sera un Tesla

11

Les nouveaux horizons du transport ferroviaire

18

Actualité 27

Entretien L’innovation dans les batteries intelligentes, élément moteur du marché industriel de l’e-mobilité

Amphenol : Solutions pour les applications signaux et haute puissance

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Hirose : série DF50/DF50A

23

Alimentation Molex :

Nourrir le monde grâce à une agriculture intelligente

Murata : SCHA63T

10 9

Anais Dupont Chiltern Graphics Image Evolution

OMRON : Séries D2JW et G8N

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Bourns : Capteurs de positionnement pour engins mobiles non routiers et industriels

17

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Pour toute question ou commentaire concernant les technologies présentées dans cette édition, ou pour contacter l’un de nos experts techniques : avnet-abacus.eu/ask-an-expert

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Connecteurs

Capteurs

Lauréats 2021 des 5 Star Awards de Harwin

Rédactrice-en-chef Conception Impression

Les technologies de nos fournisseurs

Suivez l’actualité des produits, des technologies et de l’évolution industrielle sur les réseaux sociaux.

Bienvenue dans ce nouveau numéro du magazine Focus, dans lequel nous abordons la question de la transformation majeure des systèmes électriques à laquelle nous assistons dans le secteur du transport.

Une grande part de l’intérêt porté par les médias à l’électrification des systèmes de transport est essentiellement axée sur les véhicules électriques. Ce n’est pourtant là qu’une infime partie de l’évolution à laquelle nous assistons. Les articles de ce numéro portent un regard allant largement au-delà de ce seul aspect des choses, en adoptant différents angles et perspectives. Nous expliquons la dynamique du marché qui conduit l’innovation dans d’autres secteurs, ainsi que les obstacles techniques qu’il faudra surmonter.

Notre premier article s’intéresse à l’arrivée en force des robots. Hagen Götze observe le déploiement des véhicules à guidage automatique (AGV) pour la manutention des matériaux dans les usines intelligentes, avec prise en compte des fonctions logistiques. Il s’intéresse aux capacités avancées des capteurs que requiert la navigation des AGV dans l’usine, et pour éviter les risques de collision avec les personnels. Et il fait le point sur les besoins en communication, traitement et alimentation électrique, synonymes d’efficacité opérationnelle et de réduction de la maintenance.

Rudy Van Parijs President, Avnet Abacus

Les opportunités d’électrification des équipements agricoles et des engins du BTP sont abordées dans notre deuxième article, avec l’arrivée en force prévisible de tracteurs Tesla. Les moteurs diesel actuellement utilisés seront remplacés par des motorisations électriques qui permettront non seulement de réduire le coût énergétique et la pollution sonore, mais aussi d’éviter des émissions dangereuses pour la santé, tout en améliorant la productivité globale. Dans ces secteurs, l’électrification s’accompagnera toutefois de défis qu’il conviendra de relever, notamment la très forte demande d’électricité. Alessandro Mastellari passe en revue les solutions potentielles combinant batteries et supercondensateurs pour délivrer des quantités d’électricité plus importantes.

Le transport ferroviaire demeure vital pour le fret et pour les voyageurs rejoignant quotidiennement leur lieu de travail. Dans ce domaine, cela fait déjà plusieurs années que des initiatives de décarbonation ont été lancées, avec pour résultat une réduction des coûts de carburant et de la pollution atmosphérique. Il reste cependant beaucoup à faire. Dans notre dernier article, qui traite de l’amélioration des lignes ferroviaires, Philip Lechner explore les ressources avancées en matière de stockage de l’énergie et les technologies de conversion DC-DC qui seront nécessaires pour un futur plus vert et plus durable du transport ferroviaire.

Alors que nous poursuivons notre route vers des modes de vie plus durables dans les divers aspects de la société, il est clair que l’industrie des transports a une carte importante à jouer. Nous espérons que ce numéro de Focus vous aidera à imaginer des solutions innovantes pour vos propres projets.

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Les robots débarquent... ...mais encore quelques détails à régler

Les robots industriels peuvent être extrêmement efficaces pour automatiser des processus répétitifs critiques pour l’entreprise et souvent risqués, comme la manutention de lourdes pièces de fonte ou le soudage des structures de la caisse des véhicules sur les lignes de production des constructeurs automobiles. Ils peuvent aussi offrir des avantages notables aux PME ayant besoin de flexibilité au niveau de tâches évolutives orientées vers les processus. Une difficulté surgit toutefois avec les robots industriels… leur utilisation.

Malgré les défis posés, sur lesquels nous reviendrons, l’adoption des robots s’est accélérée au cours des deux dernières années, notamment aux Etats-Unis, où la demande de robots est en forte augmentation avec des entreprises qui investissent largement dans l’automatisation.

Selon The Association for Advancing Automation (A3), les commandes totales de robots aux Etats-Unis ont augmenté de 20 % au premier trimestre 2021 par rapport à la même période en 2020. Les entreprises présentes dans le traitement des métaux ont dépensé 86 % de plus en acquisition de robots, celles actives dans les sciences de la vie et les produits pharmaceutiques ont investi

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72 % de plus. Les entreprises du secteur alimentaire et des biens de grande consommation ont investi 32 % de plus. Le reste des industries non automobiles a investi globalement 12 % en plus. Les chiffres fournis par A3 montrent également que 2020 a été la première année au cours de laquelle les entreprises extérieures au secteur automobile ont dépensé plus en robotique que les constructeurs automobiles eux-mêmes.

Commentant la publication des résultats en mai 2021, Jeff Burnstein, président de A3, a expliqué : « Alors que les avancées acquises dans les technologies robotiques, notamment en termes de facilité d’utilisation et de nouvelles applications demeurent des éléments moteurs pour l’adoption des robots, la pénurie des personnels dans la production, l’entreposage et divers autres secteurs sont des facteurs significatifs expliquant l’expansion actuelle de l’utilisation des robots. Le Covid n’est pas à l’origine du mouvement vers l’automatisation, mais il a sans nul doute accéléré des tendances déjà à l’œuvre. »

Examen des technologies

Hagen Götze Senior Director Marketing, Avnet Abacus

STRATEGIE INDUSTRIE 4.0

LE DEFI DE L’INTEGRATION

L’une des raisons expliquant le hiatus entre notre vision de la valeur des robots industriels et leur utilité réelle est peut-être à trouver dans la stratégie Industrie 4.0 introduite par le gouvernement allemand en 2011.

Industrie 4.0 était censée améliorer la production en jetant une passerelle entre le monde physique des lignes de production et le monde numérique de la planification du travail, de la surveillance des équipements, du contrôle statistique de qualité et de la maintenance prédictive.

L’un des principaux défis liés à l’utilisation des robots industriels concerne leur intégration sur les lignes de production. Les robots industriels sont souvent des machines volumineuses, puissantes et rapides qui doivent être équipées de barrières de sécurité ou de protections permettant de protéger les ouvriers, ce qui perturbe la fluidité des méthodes de travail existantes.

Dans le cadre d’une stratégie Industrie 4.0, les usines devraient évoluer inexorablement vers un statut d’« usines intelligentes », où chaque action physique sur les lignes de production est associée à une capture de données en temps réel, à une analyse avancée et à des demandes d’action traitées par des systèmes basés dans le cloud, par le biais de solides réseaux de communication. Pour beaucoup de gens, cela reste une vision très futuriste. Une étude portant sur l’état et l’avenir de la robotique industrielle, publiée en novembre 2020 par l’Interactive Robotics Group du MIT, a explicité quelques-unes des raisons sous-tendant cette situation.

Les robots industriels peuvent être difficiles à programmer : l’industrie manque d’un langage commun permettant de programmer le mouvement des robots.

Chaque fabricant prévoit généralement sa propre interface utilisateur, et même les contrôleurs manuels sont différents. La programmation des robots est donc un travail de spécialiste souvent externalisé et confié à des intégrateurs tiers, dont le travail est souvent plus coûteux que le robot lui-même. S’il s’avère que la fonction programmée doit être modifiée, en raison par exemple du remplacement d’une pièce, il est possible que l’entreprise concernée soit à nouveau contrainte de faire appel aux intégrateurs pour procéder à l’ajustement nécessaire.

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Les robots débarquent...

Examen des technologies Certains professionnels ont même envisagé de proposer une offre de « robots comme service » afin de permettre aux entreprises de s’épargner le cassetête de leur remise en service.

LE DEFI DE L’USINE INTELLIGENTE Même les entreprises qui adoptent des robots industriels peuvent se montrer sceptiques à l’égard d’autres volets stratégiques de l’ « usine intelligente », comme l’Internet industriel des objets (IIoT), en raison des inquiétudes associées à l’indispensable confidentialité, à la sécurité et au contrôle des données. Les usines qui adoptent l’IIoT pour surveiller les lignes de production robotiques doivent mettre en œuvre un réseau de communication extrêmement robuste afin de connecter tous les capteurs et actionneurs distribués. Par exemple, quand la société Ocado, spécialisée dans l’automatisation des procédés de livraison de produits d’épicerie et du traitement des commandes a voulu s’équiper en communications pour ses vastes entrepôts robotisés, elle a dû installer un réseau 4G privé.

Des interrogations sont également soulevées à propos de l’utilisation du cloud computing pour collecter, stocker, nettoyer et analyser les données d’une usine intelligente. La promesse du cloud computing réside dans sa capacité à fournir une puissance de traitement à la demande, à l’instar d’un service public.

La réalité est que les systèmes du cloud peuvent présenter des difficultés critiques pour la mission considérée, lorsqu’ils sont utilisés pour gérer une ligne de production.

La vrai difficulté cependant réside dans le fait que collecter un grand nombre

de données n’a pas grand-chose à voir avec la création de données exploitables.

La direction de l’entreprise peut à juste titre s’inquiéter du coût de mise en œuvre des infrastructures nécessaires pour transformer un robot autonome en élément intégral d’une usine intelligente, et s’interroger sur la viabilité financière de l’opération : « Où se trouve vraiment mon retour sur investissement ? » L’ALTERNATIVE COBOT L’une des alternatives est le robot collaboratif – autrement dit, le cobot –, qui permet aux personnels et aux robots de travailler plus étroitement ensemble sans mettre en péril la sécurité des ouvriers.

Les cobots ont souvent des bras robotiques plus petits et plus légers, conçus pour traiter et manipuler des masses moins importantes. De surcroît, ils se déplacent plus lentement que les robots autonomes. Nombre de ces bras robotiques intègrent des systèmes de capteurs afin de stopper leur mouvement s’ils rencontrent un obstacle, objet ou être humain. Il peut s’agir de sondes de contact passives, de rideaux de sécurité laser ou lumineux, de capteurs de proximité installés dans la zone de travail, voire de peaux électroniques capacitives.

Cette approche, utilisée notamment par Bosch Rexroth avec ses robots collaboratifs APAS qui servent d’assistants de production, permet de détecter un être humain dans la zone de travail, sans aucun contact, et de ralentir ou de stopper complètement l’opération en cours. Les critères de sécurité applicables aux robots collaboratifs sont définis par la norme ISO/TS 15066.

« Certains professionnels ont même envisagé de proposer une offre de « robots comme service », afin de permettre aux entreprises de s’épargner le casse-tête de leur remise en service. »

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Examen des technologies

Cobot aidant un opérateur sur une ligne d’assemblage pour augmenter la productivité.

Les cobots présentent des difficultés de programmation similaires à celles des robots de grandes dimensions, mais leur taille plus réduite et leur plus grande accessibilité permettent de mieux se familiariser avec leur fonctionnement et de les adapter plus rapidement à de nouvelles tâches.

VEHICULES A GUIDAGE AUTOMATIQUE Les véhicules à guidage automatique (AGV) constituent un sous-ensemble important de la robotique, capables de naviguer dans les travées d’une usine afin de déplacer des matériels de façon autonome, en utilisant des capteurs pour trouver leur chemin et éviter les obstacles.

La bonne nouvelle dans ce domaine, c’est que les travaux menés sur le développement des véhicules autonomes permettent de faire avancer rapidement les connaissances et l’état de l’art sur des concepts clés tels que la localisation simultanée et le mapping, et encourage le développement de technologies de capteurs plus sophistiquées, comme les capteurs de mesure du temps de vol et les LiDAR. La mauvaise nouvelle, c’est que l’absence de standards rend plus difficile la gestion d’une flotte de véhicules à guidage automatique par les multiples fabricants au sein d’un groupe.

TECHNOLOGIES HABILITANTES Comme l’illustre l’exemple des véhicules à guidage automatique, l’une des technologies clés de la robotique du futur s’appuiera sur des standards adoptant une approche commune à l’égard des problématiques de développement – programmation, communications et collaboration dans l’espace de travail commun.

Des efforts sont déjà mis en œuvre pour y parvenir – le ROS (Robot Operating System) open source est un ensemble d’outils, de bibliothèques et de conventions, particulièrement populaire auprès des individus et du monde académique, pour créer des comportements complexes et robustes sur une large variété de plateformes robotiques.

Pourquoi un tel engouement pour le ROS ?

La justification fournie est la suivante : « Parce que la création d’un logiciel de robotique polyvalent et robuste s’avère difficile. Dans la perspective du robot, les problèmes qui semblent triviaux pour un être humain varient souvent très largement entre les instances des tâches et des environnements. Il est si difficile de s’attaquer à ces variations qu’aucun individu, laboratoire ou institution ne peut espérer y parvenir sans aide extérieure.

Le ROS a donc été élaboré à partir d’une page blanche afin d’encourager le développement collaboratif d’un logiciel de robotique. »

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Les robots débarquent...

Examen des technologies

« L’autre grande catégorie de technologie habilitante concerne les capteurs, capables d’exécuter de nombreuses tâches, depuis la surveillance des batteries d’un véhicule à guidage automatique jusqu’au micropositionnement du manipulateur robot pour saisir un composant avec une précision extrême. » Capteur OMRON EMC B5L

L’autre grande catégorie de technologie habilitante concerne les capteurs, capables d’exécuter de nombreuses tâches, depuis la surveillance des batteries d’un véhicule à guidage automatique jusqu’au micro- positionnement du manipulateur robot pour saisir un composant avec une précision extrême. Ces capteurs doivent être robustes, extrêmement précis, avec une longue durée de vie opérationnelle, et être capables de produire des résultats dans des conditions environnementales qui évoluent rapidement.

Par exemple, les auteurs du rapport du MIT ont constaté que certains systèmes de vision sophistiqués pour les robots fonctionnaient correctement en conditions de laboratoire mais s’avéraient défaillants lorsqu’ils étaient confrontés aux différents types d’éclairage d’une ligne de production réelle.

L’une des réponses possibles à cette problématique pourrait être l’utilisation de capteurs infrarouges de mesure du temps de vol, tels que le modèle B5L OMRON EMC (ci-dessus) pour mesurer les distances jusqu’aux objets afin de créer des modèles 3D de leur position dans l’espace. Le capteur est conçu pour rejeter les effets des divers éclairages ambiants, et est protégé contre les interférences mutuelles, afin que 17 unités (au maximum) puissent partager un environnement de travail.

Comme précédemment expliqué, même les meilleurs capteurs ne sont viables que s’ils sont étayés par une infrastructure de communication, de calcul et de prise de décision capable d’absorber, d’analyser et d’agir suffisamment rapidement pour offrir un avantage pratique dans la façon d’opérer du robot.

Conclusion La robotique industrielle offre un long historique d’applications ayant largement démontré leur utilité, notamment dans l’industrie automobile. Mais elle reste confrontée à quelques problématiques pour l’heure incontournables, comme la compréhension de la position des objets dans l’espace, et leur programmation pour manipuler ces objets à distance. Bien qu’il existe des chemins et des stratégies laissant augurer de plus larges applications pour la robotique, parvenir à concrétiser ces opportunités nécessitera d’abord de régler un certain nombre de détails sur de multiples fronts.

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Murata SCHA63T

Murata GYROSCOPE AXE XYZ, 6 DEGRES DE LIBERTE (6-DOF) ET ACCELEROMETRE AXE XYZ AVEC INTERFACE NUMERIQUE SPI

APPLICATIONS

Le modèle SCHA63T est destiné aux applications à haut niveau de performance, avec des exigences environnementales drastiques.

Murata propose un capteur inertiel basé sur un MEMS, avec interface numérique SPI (Serial Peripheral Interface) pour le contrôle des machines industrielles de haute précision et la prise en charge du positionnement GNSS (Global Navigation Satellite System). Un accéléromètre mesure l’angle d’inclinaison par rapport au centre de la Terre, et un gyroscope mesure la vitesse de variation de l’angle. Ce produit offre le plus haut niveau de performance disponible au niveau des composants, avec des paramètres clés tels que la stabilité du biais gyroscopique et la densité de bruit.

Types d’applications : • Unités de mesure inertielle (IMU) • Navigation et positionnement • Commande et guidage des machines • Inclinaison dynamique • Commande robotique et drones

CARACTERISTIQUES

TYPE DE PRODUIT SCHA63T-K03

Ω XYZ

ACC XYZ

±300 °/s

±6g

DIMENSIONS 19,71 x 12,15 x 4,6MM Gyro channel average X, Y, Z, temperature +23°C Variance d’Allan Allan deviation (°/h) Moyenne canal gyro, X,Y,Z, température +23°C 1000 Ecart-type d’Allan (°/h)

+3 sigma average X, Y, Z +3 sigma moyenne X, Y, Z

1000 Ecart-type Allan d’Allan deviation (°/h) [°/h]

• Composant 6-DOF en boîtier unique • Etalonnage sur axe transversal permettant une erreur d’orthogonalité supérieure à 0,14° • Instabilité de polarisation gyroscopique jusqu’à 1°/h • Densité de bruit gyroscopique 0,0015°/s/√Hz • Décalage et sensibilité stables dans l’ensemble de la plage de température • Excellentes performances de linéarité et de vibrations • Fonctions avancées d’autodiagnostic • Plage de mesures angulaires ±300°/s • Plage de mesure d’accélération ±6g • Température de fonctionnement −40°C ~ +110°C • Tension d’alimentation 3,0V ~ 3,6V • Dimensions avec boîtier SOIC robuste conforme à la RoHS : 19,71 mm (L) x 12,15 mm (W) x 4,6 mm (H), 32 broches • Adapté aux applications critiques pour la sécurité

100 100 10 10 1 1 0.1 0.01 0.1 0.01

1

10

100

1000

10000

1

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Tau [sec.] 100

1000

10000

Tau (sec.)

CARACTERISTIQUES DE MESURES

Ω XYZ

ACC XYZ

±300°/s

±6g

13, 20, 46 or 300Hz

13, 20, 46 or 300Hz

80LSB/°/s

4905LSB/g

Dépendance à l’offset de température

(XY) ±0.65°/s (Z) ±0.85°/s

±7.3mg

Densité de bruit (Typ. filtre 13 Hz)

0.0015 °/s/ √Hz

59.5mg/√Hz

Sortie gyro avec vibrations appliquées pendant la conduite Gyro output when vibration 30 applied during driving

Z-Gyro, nouvelle génération Z-Gyro, génération précédente Z-Gyro, new generation Z-Gyro, previous generation

25 30

Filtre Low Pass sélectionnable par l’utilisateur Sensibilité (Typ)

25 20 15 20 GyroSortie output gyro (dps) (dps)

Portée

15 10 5 10 5 0

Ancienne gén : 40 ms x 8 dps > 0,32° erreur de cap

-5 0

Nouvelle : aucune dérive Old gen:gén 40ms x 8dps> 0.32˚ heading error

-5 -10 -15 -10 -15

New gen: No drift 0.9

0.95

1

0.9

0.95

1

1.05 1.05 (s) Temps

1.1

1.15

1.2

1.1

1.15

1.2

Plus d’informations sur avnet-abacus.eu/murata

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NOURRIR LE MONDE GRÂCE A UNE AGRICULTURE INTELLIGENTE Le monde agricole est aujourd’hui confronté à une série impressionnante de défis, avec une population mondiale qui devrait atteindre près de 10 milliards d’êtres humains d’ici à la moitié du XXIe siècle.

L’agriculture doit lutter pour conserver des terres, alors que l’augmentation de la population se traduit par une urbanisation accrue et que la quête de sources d’énergie renouvelables verra des terres agricoles occupées par les infrastructures nécessaires aux énergies solaire et éolienne.

PRODUIRE PLUS AVEC MOINS Les agriculteurs cherchent donc les moyens d’accroître la production alimentaire, avec pourtant moins de terres cultivables et moins de ressources. L’agriculture a toujours été un secteur d’activité innovant, et les agriculteurs ne sont jamais les derniers à adopter les technologies les plus récentes. La nécessité de produire plus pour une population en constante augmentation s’appuie notamment sur les derniers développements en termes de communications haut débit, qui offrent des solutions nouvelles aux agriculteurs.

LES DERNIERES TECHNOLOGIES L’introduction des réseaux 5G offre un potentiel considérable à ce secteur d’activité. Les capacités de la 5G constituent en effet un puissant outil au service de l’agriculture. La 5G vient non seulement concurrencer la vitesse des alternatives câblées, mais elle est aussi en mesure de connecter des zones rurales qui n’avaient traditionnellement pas accès aux liaisons à haut débit.

L’EXPLOITATION INTELLIGENTE Ces nouvelles capacités de communication ont permis la création d’une agriculture de précision – ou agriculture intelligente. Les communications 5G assurent une connectivité sur les grandes superficies couvertes par les exploitations agricoles intelligentes, permettant ainsi d’intégrer en un réseau unifié les espaces les plus éloignés. Ce réseau intègre les technologies les plus récentes en matière de capteurs, de calculateurs et de connectivité, et utilise les données pour permettre aux agriculteurs de maximiser leur rendement. Les données collectées sont utilisées pour décider de la stratégie à mettre en œuvre. L’étude des conditions du sol, ou la surveillance de la santé du cheptel, permettent à l’agriculteur de gérer au mieux l’utilisation des ressources pour assurer le meilleur niveau de productivité. Les nouvelles technologies sont donc vitales pour gérer ces informations. L’électronique moderne permet de réduire la taille des équipements, de réduire les coûts de production et d’optimiser la consommation électrique.

Elle permet aussi de déployer des capteurs et des systèmes connectés dans les endroits les plus reculés.

UN ENVIRONNEMENT RUDE Ces nouvelles technologies seront utilisées dans différentes applications, y compris avec les capteurs statiques et les machines lourdes les plus récentes. L’agriculture est une activité qui se déroule souvent dans un environnement difficile et les équipements doivent pouvoir résister aux conditions météorologiques extrêmes. Compte tenu des amplitudes thermiques, de l’humidité, et d’une exposition prolongée au rayonnement solaire, les équipements agricoles doivent être conçus avec le plus grand soin.

COMMUNICATIONS RF Les communications par radiofréquences se trouvent au cœur même d’un grand nombre de ces innovations. A l’ère des technologies numériques, il est facile d’oublier que les systèmes sans fil dépendent encore des émetteurs et récepteurs à radiofréquence pour communiquer. Les équipements les plus récents étant capables de délivrer des données avec des débits et des volumes proprement stupéfiants, les concepteurs doivent pouvoir disposer de connecteurs RF à haute performance.

L’AVANTAGE MOLEX Molex bénéficie de nombreuses décennies d’expérience dans l’élaboration de solutions complètes pour les applications RF. Embrassant la technologie 5G la plus récente, et conçus pour offrir un haut niveau d’intégration du signal, les câbles et les connecteurs Molex sont disponibles pour des fréquences allant jusqu’à 65 GHz, même dans les conditions difficiles que l’on rencontre dans le secteur agricole. En partenariat avec l’approche globale d’Avnet, Molex est un leader de l’innovation au sein de l’agriculture intelligente, fournissant des solutions de connectivité aux agriculteurs d’aujourd’hui et de demain.

Plus d’informations sur avnet-abacus.eu/molex Molex est une marque déposée de Molex, LLC aux Etats-Unis. Elle peut également être enregistrée dans d’autres pays.

Toutes les autres marques commerciales mentionnées dans le présent document appartiennent à leurs propriétaires respectifs.

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© 2021 Molex

Quand votre prochain tracteur sera un Tesla

Image ref: https://www.deere.co.uk/ en/agriculture/future-of-farming/

Examen des technologies

Alessandro Mastellari Technical Specialist Wireless & Sensors, Avnet Abacus

« La promesse de réduction des coûts énergétiques, d’augmentation de la productivité et de la fiabilité, mais aussi la nécessité de réduire les émissions, conduisent à une innovation rapide dans le domaine des engins mobiles non routiers. » L’industrie automobile s’achemine rapidement vers les véhicules électriques. Mais une autre catégorie de véhicules est également mûre pour l’électrification : les « engins mobiles non routiers » comme les désignent les régulateurs. Cette catégorie inclut les tracteurs et divers autres équipements agricoles ; les équipements de maintenance pour le parc municipal et immobilier

; les équipements de manutention et de transport de matériels et de marchandises ; les machines pour la construction, la sylviculture et l’extraction minière.

L’électrification de ces véhicules, machines et équipements pose un vrai défi, dans la mesure où ils présentent des cycles de travail plus variés que les véhicules électriques routiers, avec des contraintes

mécaniques plus complexes, et qu’ils nécessitent souvent une puissance électrique beaucoup plus importante que les voitures de sport les plus rapides. Pour autant, la promesse de réduction des coûts énergétiques, d’augmentation de la productivité et de la fiabilité, mais aussi la nécessité de réduire les émissions, conduisent à une innovation rapide dans le domaine des engins mobiles non routiers.

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Quand votre prochain tracteur sera un Tesla Examen des technologies

La pollution et l’impératif climatique L’UE a commencé à réguler les émissions des engins mobiles non routiers en 1997, s’attaquant d’abord à la pollution provoquée par les outils de jardin à moteur thermique, les machines agricoles, les trains, les bateaux de navigation intérieure et les engins de chantier. La législation antipollution de l’UE a depuis évolué, et sa forme la plus récente – baptisée Stage V –, stipule que les équipements vendus doivent désormais produire 97 % de particules en moins que les équipements similaires fabriqués avant 1997, et 94 % de protoxyde d’azote et d’émissions d’hydrocarbures en moins.

Le respect de ces normes signifie que les engins mobiles non routiers devront être équipés de technologies permettant de réduire les émissions polluantes, comme les catalyseurs d’oxydation pour moteurs diesel, les filtres à particules, les dispositifs de recyclage des gaz d’échappement et les systèmes d’injection common rail. Les moteurs de plus de 56 kW devront eux aussi être équipés de modules de réduction catalytique sélective pour réduire les émissions de protoxyde d’azote.

Ces systèmes seront complexes à mettre en œuvre et pourront induire une possible limitation des capacités, et donc de l’utilité, des véhicules sur lesquels ils seront installés. Certains observateurs notent également que, dans la mesure où les réglementations n’adressent pas explicitement les émissions de dioxyde de carbone, il pourrait y avoir des compromis peu favorables pour la santé, entre réduction des polluants atmosphériques et minimisation des émissions de gaz à effet de serre pendant le processus de conception des véhicules.

Le rythme auquel les réglementations seront appliquées signifie également que les moteurs de certains engins mobiles non routiers particulièrement polluants pourraient rester en service jusque dans les années 2030.

Opportunités d’électrification de l’agriculture L’une des réponses à ces exigences réglementaires est l’électrification des

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équipements agricoles. Un article de 2017 pour Rural Engineering, rédigé par une équipe de l’université fédérale de Lavras (UFLA), au Brésil, a fait le point sur les recherches dans ce domaine, et sur ce qu’il sera nécessaire de mettre en œuvre pour y parvenir.

D’après les auteurs, les tracteurs ayant parfois besoin d’offrir des niveaux de couple très importants, notamment lorsqu’ils utilisent des accessoires tels que les charrues, leurs spécifications de base sont souvent surévaluées pour les tâches quotidiennes. Ce qui réduit d’autant leur efficacité au quotidien – et ce qui les rend plus difficiles à électrifier.

Il doit toutefois être possible de construire des tracteurs plus petits, capables d’opérer pendant une journée de travail de huit heures, à partir d’une seule charge de batterie. Le passage du moteur thermique au moteur électrique donnera également aux concepteurs la possibilité de modifier le système de transmission du tracteur. Une première étape serait la mise en œuvre de systèmes hybrides légers, avec lesquels un moteur électrique peut fournir une traction à faible vitesse et contribuer à délivrer un couple additionnel lorsque le moteur thermique le nécessite.

La question est également posée de l’installation dans ces véhicules de supercondensateurs, parallèlement à des batteries rechargeables, afin de fournir pendant une courte période un haut niveau de courant lorsque le moteur électrique a besoin de délivrer un couple très important. Cette approche comporte toutefois des inconvénients, compte tenu notamment de la relativement faible densité énergétique des supercondensateurs, de leurs dimensions et de leur coût. En revanche, leur aptitude à stocker et à décharger l’énergie devrait permettre de réduire la contrainte imposée aux batteries, prolongeant ainsi leur durée de vie opérationnelle.

En termes d’électrification, les engins agricoles sont confrontés aux mêmes problématiques énergétiques et économiques que l’industrie automobile.

Et il reste un défi à évoquer : la capacité

à fournir des niveaux importants de puissance de charge dans un environnement rural. La réponse évidente – mais coûteuse – consiste à utiliser des panneaux photovoltaïques et des batteries de stockage afin d’établir des réserves d’énergie pendant la journée, qui seront ensuite utilisées pour recharger les batteries des véhicules pendant la nuit.

Cela demanderait toutefois des contrôleurs sophistiqués pour bénéficier au maximum de l’énergie solaire, ainsi qu’une électronique de puissance efficace pour charger les batteries des véhicules.

Une expérience hybride Une équipe de l’université de Padoue, en Italie, et l’équipementier agricole Carraro Agritalia, ont lancé en 2019 une étude de faisabilité portant sur des versions électriques des petits tracteurs utilisés dans les vergers et les vignes. L’une des raisons de cette étude étant que les systèmes additionnels de contrôle des émissions réclamés par la réglementation Stage V pour les engins mobiles non routiers pourraient occuper tellement d’espace que même les petits tracteurs ne pourraient pas travailler dans les rangées étroites des vergers.

L’équipe a opté pour une architecture hybride légère, de manière à ce que le tracteur puisse répondre à la diversité des charges de travail, allant des conditions peu exigeantes jusqu’aux besoins plus intensifs. L’équipe à revu la conception de base d’un tracteur à moteur thermique 82 kW, en réduisant la puissance à 56 kW et en ajoutant un moteur électrique de 20 kW. Les deux groupes moteurs sont reliés en parallèle par un groupe hybride, avec débrayage additionnel, pour que le moteur thermique puisse être découplé et permettre de travailler uniquement avec la puissance électrique. L’étude montre

qu’en mode de fonctionnement hybride, le moteur électrique peut compenser les pertes de couple dues à la réduction de puissance du moteur thermique. L’équipe a également constaté que le moteur électrique pouvait être utilisé seul pour des tâches légères, y compris la traction d’une remorque lourde à vitesse faible mais constante, pendant la période des récoltes ou des vendanges.

Examen des technologies

Les chercheurs italiens ont proposé une conception de moteur électrique adapté à leur concept hybride, et ils ont noté que le circuit du contrôleur du moteur aurait à gérer les courants élevés nécessaires pour délivrer un couple maximum, et assurer la dynamique des demandes de service pour un couple instantané.

Carraro Agritalia développe maintenant les travaux sur lesquels a planché l’équipe universitaire. Sa page Web présente un tracteur équipé d’un groupe propulseur hybride léger qui utilise un moteur thermique 55 kW, un moteur électrique 20 kW et un pack de batteries 25 kWh LiFePO4. Le passage à une motorisation thermique plus petite évite d’avoir à installer le convertisseur catalytique supplémentaire requis par la réglementation Stage V pour les plus gros moteurs, d’où un gain d’espace et une réduction des coûts.

Le groupe hybride de la société Carraro utilise également une transmission full powershift, basée sur un convertisseur de couple eTCH90 Long Drop, conçu pour être utilisé dans une large gamme de véhicules hybrides et tout-électrique.

Carraro explique que son système hybride permettra de réduire la consommation de carburant et les émissions polluantes, de diminuer les coûts de maintenance grâce à la moindre utilisation du moteur thermique, et de réduire le bruit et les vibrations.

« La question est également posée de l’installation dans ces véhicules de supercondensateurs, parallèlement à des batteries rechargeables, afin de fournir pendant une courte période un haut niveau de courant lorsque le moteur électrique a besoin de délivrer un couple très important. »

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Examen des technologies

« Carraro explique que son système hybride permettra de réduire la consommation de carburant et les émissions polluantes, de diminuer les coûts de maintenance grâce à la moindre utilisation du moteur thermique, et de réduire le bruit et les vibrations. »

Quand votre prochain tracteur sera un Tesla Au-delà d’une agriculture passée à l’électrique Le tracteur constitue un bon exemple de l’évolution de la situation dans d’autres segments du marché des engins mobiles non routiers, avec des innovations induites à la fois par les opportunités et par la réglementation. Par exemple, certains fabricants d’équipements pour le BTP se tournent vers l’électricité dans la mesure où certaines villes se déclarent zones exemptes d’émissions, où les équipements traditionnels n’ont donc plus leur place.

Nombre de fabricants commencent leur parcours en remplaçant les moteurs thermiques par des moteurs électriques, ou en développant des versions hybrides de leurs engins les plus compacts. De nombreux innovateurs sont également confrontés à la rapidité de changement des cycles de travail des engins mobiles non routiers.

Une excavatrice peut rejoindre un chantier en consommant peu d’électricité, avant d’en utiliser beaucoup pour soulever et déplacer des matériaux, puis restocker de l’électricité quand son godet est repositionné en position de repos. L’excavatrice peut aussi avoir à fournir de la puissance mécanique pour actionner des équipements auxiliaires et des pompes de commande d’hydraulique, chacun ayant ses propres cycles de travail. La complexité de cycles combinés rend

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plus difficile le dimensionnement correct des unités d’alimentation pour offrir la puissance et le couple nécessaires aux tâches à accomplir, et pour contrôler le système résultant en obtenant une efficacité optimale.

Le défi que constitue le stockage de l’énergie pour les véhicules électriques mène à d’importantes innovations au niveau de l’architecture des équipements. Certains fabricants construisent par exemple des équipements avec des packs de batteries remplaçables à chaud.

D’autres envisagent l’intégration de solutions de stockage de l’énergie, en ajoutant à leur concept des surcondensateurs et des accumulateurs hydrauliques.

Il convient également de se rappeler qu’il existe une classe complète d’engins mobiles non routiers, tels que les chargeuses articulées utilisées pour l’extraction souterraine et éviter de polluer l’air ambiant, qui sont connectés en permanence au réseau électrique ou qui travaillent avec une combinaison de réseau et de batteries afin d’offrir une plus grande souplesse d’utilisation.

Un changement dans les pratiques de travail pourrait être nécessaire avec des engins de ce type, mais cela offre toutefois une liberté conceptuelle nouvelle pour tous ceux qui sont prêts à tirer parti de l’électrification comme opportunité de repenser radicalement leur offre.

Examen des technologies

Un article publié en 2021 dans le périodique Energies met en lumière d’importantes innovations dans d’autres domaines d’application des engins mobiles non routiers, avec notamment les balayeuses urbaines, les camions à ordures, les chariots-élévateurs lourds, les excavatrices, les rouleaux compresseurs, les pelles industrielles et les

chariots tracteurs, entre autres. Bien que l’électrification complète pose un véritable défi dans de nombreux cas, ce sursaut d’innovations et l’opportunité d’utiliser cette dynamique pour repenser l’offre de produits, devraient se traduire par une extension rapide de l’électrification au-delà des seuls véhicules routiers.

« Bien que l’électrification complète pose un véritable défi dans de nombreux cas, ce sursaut d’innovations et l’opportunité d’utiliser cette dynamique pour repenser l’offre de produits, devraient se traduire par une extension rapide de l’électrification au-delà des seuls véhicules routiers.

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OMRON D2JW microrupteur subminiature étanche

OMRON

Le microrupteur subminiature étanche OMRON D2JW est équipé d’un contact crossbar en alliage d’or et d’un ressort hélicoïdal. Ce produit offre une longue durée de vie et un haut niveau de fiabilité du contact, dans une large gamme de température opérationnelle (-40°C à +85°C).

Niveau de protection conforme à la norme d’étanchéité JIS et IEC IP67 (à l’exclusion des terminaux dans les modèles qui en sont dotés).

Le microrupteur D2JW est parfaitement adapté aux applications nécessitant un haut niveau de précision dans le temps, comme les machines industrielles et l’Internet des objets industriels.

CARACTERISTIQUES • Etanchéité conforme à JIS et IEC IP67 (à l’exclusion des terminaux) • Large gamme de température (-40°C à +85°C) • Contact Crossbar en alliage d’or, avec ressort hélicoïdal. Durabilité et fiabilité.

APPLICATIONS • Machines industrielles • IoT industriel

OMRON D2JW microrupteur subminiature étanche

Relais OMRON G8N PCB pour l’automobile OMRON G8N, relais PCB subminiature pour l’industrie automobile.

Très compact (largeur 7,2 mm), il permet des conceptions à haute densité. Malgré ses faibles dimensions il assure des commutations à puissance élevée grâce à la qualité du contact et à ses performances de dissipation thermique. Ce relais offre une durée de vie d’environ 100 000 opérations à 14 Vdc/25 A (verrouillage moteur).

Le relais G8N est idéal pour les applications de contrôle des moteurs DC dans l’automobile (moteur de verrouillage de porte, moteur de lève-vitre, commande essuie-glaces, etc.) et commande des éclairages intermittents (indicateurs de direction ou warnings).

CARACTERISTIQUES • Extrême compacité (7,2mm) permettant une conception à haute densité • Commutation haute puissance • Environ 100 000 opérations à 14 Vdc/25A (verrouillage moteur) APPLICATIONS • Commande des moteurs DC pour l’automobile (moteur de verrouillage des portes, moteur des lève-vitres, commande des essuie-glaces, etc.)

• Commande des indicateurs de direction ou feux de détresse

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Relais OMRON G8N PCB pour l’automobile

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Capteurs de positionnement pour engins mobiles non routiers et industriels Spécialiste des configurations personnalisées. Sorties multiples, haute précision et haute fiabilité.

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Les nouveaux horizons du transport ferroviaire

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« Pour les ingénieurs, la complexité du marché ferroviaire global, et la grande diversité des technologies de mise en œuvre, signifient qu’il y aura des opportunités d’innovation pour accroître son efficacité et réduire les émissions au cours des prochaines décennies. »

Examen des technologies

Philip Lechner Technicial Specialist Power, Avnet Abacus

La pression qui s’exerce désormais pour décarboner l’économie mondiale affecte chaque aspect de notre vie quotidienne, qu’il s’agisse de notre alimentation ou de la manière dont nous voyageons. Cette nécessité est source d’innovations dans l’ensemble du secteur des transports, notamment le ferroviaire. Bien qu’étant en soi l’un des moyens de transport les moins polluants en équivalent CO2 par passager/km, le ferroviaire est si largement utilisé que son impact global en devient toutefois significatif.

Pour les ingénieurs, la complexité du marché ferroviaire global, et la grande diversité des technologies de mise en œuvre, signifient qu’il y aura des opportunités d’innovation pour accroître son efficacité et réduire les émissions au cours des prochaines décennies.

L’impératif de décarbonation Pourquoi la décarbonation du transport ferroviaire estelle si importante ? En Grande-Bretagne, selon l’Office of Rail and Road, en 2019-2020 les trains de voyageurs ont consommé 4 186 millions de kWh, en augmentation de 5,3 % sur la période 2018-2019, et 476 millions de litres de carburant diesel, en hausse de 1,5 % sur cette même période. Cette tendance haussière s’est accompagnée d’une augmentation du nombre de passagers, ce qui a entraîné de manière concomitante une diminution de 35,1 g des émissions par passager/km, soit 4,9 % de moins qu’en 2018-2019. Les émissions combinées en équivalent CO2 pour les trains de voyageurs à alimentation électrique et diesel se sont élevées à 2 400 ktonnes, en diminution de 2,7 % sur la période 2018-2019.

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Les nouveaux horizons du transport ferroviaire Examen des technologies

Ce qui frappe quand on observe ces chiffres, c’est l’impact qu’une amélioration de 1 % dans l’efficacité de conversion de l’énergie en passagers/km peut avoir, en permettant d’économiser près de 4,2 millions de kWh, près de 5 millions de litres de diesel, et 2,4 ktonnes d’émissions en équivalent CO2.

L’un des principaux moyens d’atteindre des gains d’efficacité de cet ordre, au moins à l’échelle macro-économique, passe par l’électrification du transport ferroviaire en Grande-Bretagne. Dans son plan de 2020 visant à la décarbonation de la traction ferroviaire dans le pays, l’organisme Network Rail, qui gère les infrastructures ferroviaires en Grande-Bretagne, explique que sur les 15 400 km de lignes non électrifiées à la date de l’étude, 11 700 km devraient être électrifiées.

Sur la portion restante, 900 km devraient être desservis par des trains alimentés à l’hydrogène, et 400 km par des trains alimentés par batteries. La meilleure technologie pour les 2 400 km de lignes restantes reste à finaliser, mais le rapport de Network Rail suggère d’électrifier encore 1 340 km de lignes, de choisir l’hydrogène pour 400 km supplémentaires, et des trains alimentés par batteries pour 400 autres km. Un choix technologique reste à faire pour les 260 km restants.

Si ce plan est mis en œuvre, jusqu’à 96 % des passagers/km seront desservis par la traction électrique, et 4 % par l’hydrogène et par des batteries. Pour le transport du fret, environ 90 % des kilomètres de fret seront couverts par l’électricité, le reste utilisant le carburant diesel ou d’autres formes de traction.

Etablir la jonction avec les batteries L’électrification complète du réseau ferroviaire britannique nécessitera plusieurs décennies, au cours desquelles les opérateurs ferroviaires devront travailler avec des réseaux partiellement électrifiés. L’un des moyens d’y parvenir consistera à utiliser des trains équipés entièrement ou partiellement de batteries – une idée qui a déjà suscité l’intérêt de jeunes pousses et de constructeurs ferroviaires déjà établis.

Vivarail, une start-up récemment créée et basée à Southam (Warwickshire), a développé un train alimenté par batteries pouvant être utilisé pour des services métropolitains, des services de banlieue et régionaux. Il est mis en œuvre par un ensemble de technologies avec lesquelles Vivarail estime pouvoir construire de nouveaux trains alimentés par batteries, convertir les trains diesel existants, ou ajouter des batteries à des trains à alimentation électrique afin d’augmenter leur rayon d’action. Vivarail a déjà des trains en service, opérant sur batteries ou en mode hybride, et l’une des variantes offre une autonomie de 60 miles (100 km) uniquement sur batteries. Vivarail a également construit un système de charge comprenant un groupe de batteries dont la charge de maintien est assurée par le réseau ou par une électricité verte, et un système de connexion par patin et rail sous la rame. La jeune société argue que ce système est capable de recharger les batteries d’un train en seulement dix minutes.

Hitachi Rail développe des trains à traction électrique capables d’utiliser le courant provenant de caténaires, à la fois pour assurer la traction nécessaire et pour charger les batteries, avant de basculer vers un fonctionnement uniquement basé sur batteries dans les zones où il n’est pas possible ou rentable d’installer les infrastructures nécessaires aux caténaires. La société japonaise suggère également d’utiliser des batteries pour remplacer certaines des unités d’alimentation diesel sur ses trains inter-cités actuels ou futurs, réduisant ainsi jusqu’à 30 % les coûts de carburant et permettant aux trains de pénétrer en mode batterie dans les stations non électrifiées, créant une expérience passager plus écologique et plus silencieuse.

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Hitachi ABB Power Grids soutient l’initiative de Hitachi Rail en fournissant des sous-stations de charge modulaires et conteneurisées pouvant être distribuées sur des itinéraires très fréquentés, afin d’assurer des capacités de charge régulières.

La société utilise déjà une approche similaire pour les bus électriques, par exemple sur l’itinéraire qui relie l’aéroport de Genève aux faubourgs de la grande cité suisse. Dans ce cas précis, la société a installé des stations de charge « flash » sur 13 des 50 arrêts de bus. Lorsqu’un bus électrique se présente à un arrêt équipé d’un système de charge, il se connecte à un portique pour bénéficier d’une charge de 600 kW pendant 20 secondes. CAF Power & Automation a développé et installé un système similaire à Séville (Espagne), avec des trams à charge rapide via un pantographe qui se connecte à un système de charge, pendant que le tram demeure immobile au terminus.

Examen des technologies

Pour le transport ferroviaire, un système similaire sera alimenté à partir du réseau national, avec conversion du courant en 25 kV, avant d’être fourni à une petite section des caténaires via lesquels le train peut obtenir une charge flash à haute puissance pendant quelques secondes.

Le défi de la conversion A l’instar de nombreuses solutions en matière d’e-mobilité, l’efficacité avec laquelle l’alimentation électrique est convertie en différentes formes au niveau des trains à traction électrique sera un élément critique pour réduire les effets sur la planète. Si l’on considère que l’énergie pour un réseau ferroviaire électrique peut être distribuée à 400 kW depuis une centrale, et que les passagers comptent pouvoir recharger leur smartphone depuis le port USB 5V mis à leur disposition à bord, il existe potentiellement de nombreux points de conversion dissipatifs entre les deux niveaux de tension.

Cette problématique ne concerne pas uniquement la traction ferroviaire électrique. Les fabricants de convertisseurs DC-DC et les entreprises spécialisées dans les semiconducteurs, qui fournissent aux opérateurs des dispositifs de commutation, développent constamment leurs circuits et leurs architectures afin de parvenir à plus grande efficacité de conversion. Ce qui rend cette tâche plus difficile pour les entreprises desservant le secteur ferroviaire, c’est l’environnement contraignant dans lequel elles doivent travailler, et la nécessité de très longues durées de vie opérationnelles.

L’électronique destinée aux applications ferroviaires doit être capable de survivre à des environnements qui l’exposent à la pollution, aux brouillards salins, à de larges variations thermiques (-40 à +85°C) et à un haut niveau d’hygrométrie – sans même parler des chocs et des vibrations. Elle doit également résister au feu et à la fumée et être protégée contre les coupures intempestives, les variations et les inversions de polarité.

« A l’instar de nombreuses solutions d’e-mobilité, l’efficacité avec laquelle l’alimentation électrique est convertie en différentes formes pour les trains à traction électrique sera un élément critique pour réduire les effets sur la planète. »

Nombre de ces exigences sont définies par des normes très strictes, qui peuvent être respectées uniquement grâce à la qualité de l’ingénierie mise en œuvre, associée à des tests de grande ampleur au niveau électrique et environnemental.

Les applications pour les convertisseurs DC-DC destinés à l’industrie ferroviaire ont tendance à être divisées entre les utilisations destinées aux voies et celles qui sont embarquées.

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Examen des technologies

« Le véritable défi pour les ingénieurs qui s’efforcent de réduire l’empreinte carbone des transports sera l’exploration des diverses options de conception permettant de concrétiser ce type d’avantage systémique. »

Les nouveaux horizons du transport ferroviaire

Les utilisations au niveau des voies ferrées incluent notamment les systèmes de contrôle de la signalisation et les infrastructures destinées aux communications. Les applications embarquées peuvent inclure le contrôle de la traction, du freinage et des systèmes de lubrification ; les systèmes de sécurité tels que le contrôle des portes, le contrôle incendie, la signalisation et les systèmes vidéo ; ainsi que les fonctionnalités relatives au confort des passagers, comme l’éclairage, les systèmes de divertissement de bord, le chauffage et la ventilation.

Les modules de conversion DC-DC basse tension embarqués sont souvent enrobés, afin de les protéger de la poussière et de l’humidité. Ils peuvent également être dotés d’un dissipateur thermique intégré pour évacuer l’énergie thermique en excès dans le circuit de conversion, et permettre un refroidissement efficace.

Ils existent dans des formats standard largement utilisés dans l’industrie ferroviaire, comme les quart, demi- ou huitième de briques, selon la terminologie consacrée.

Le passage au carbure de silicium La plupart des modules de commande pour la traction ferroviaire haute tension s’appuient sur les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) au silicium, sur les diodes et les MOSFET. Mais compte tenu de l’importance croissante d’une énergie efficace, certains fabricants expérimentent l’utilisation de dispositifs en carbure de silicium (SiC). Ces dispositifs offrent une commutation plus rapide que leurs homologues en silicium, ce qui signifie que les parties résonantes des circuits de conversion de puissance, comme les bobines, peuvent être plus petites. Ils peuvent également fonctionner à des températures qui détruiraient un dispositif au silicium, leur permettant d’accueillir des puissances plus importantes ou d’avoir moins besoin d’un refroidissement.

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Basée à San Sebastian, au pays basque espagnol, la société CAF Power & Automation développe un système de traction électrique qui utilise des dispositifs SiC qui, selon elle, pourrait assurer des économies d’énergie allant jusqu’à 15 %, comparées aux approches conventionnelles. Le constructeur de trains collabore avec le centre technologique IKERLAN et avec Euskotren, un opérateur local de transport public, pour développer et tester cette technologie.

Selon CAF Power & Automation, l’utilisation du carbure de silicium permettra de réduire de 70 % les pertes au niveau de la seule conversion de traction, et autorisera des vitesses de commutation élevées, synonymes d’efficacité accrue. Cela permettra également de supporter des températures de fonctionnement beaucoup plus élevées que le silicium, avec une capacité de dissipation thermique plus rapide, dans la mesure où la conductivité thermique est trois fois supérieure à celle du silicium. Cette approche permet de simplifier le régime de refroidissement, contribuant à réduire de 25 % le volume et la masse de la solution de traction.

Résultat ? Des trains plus silencieux, et un confort passagers amélioré.

Ces travaux de développement ont commencé en 2016, dans le cadre du projet de recherche européen Horizon 2020 financé par l’UE. La version précédente du système de traction utilisait un inverseur IGBT silicium et des diodes SiC, démontrant que des technologies nouvelles peuvent être mises en œuvre de manière incrémentielle et contribuer à améliorer l’efficacité de l’industrie ferroviaire.

L’innovation dans l’industrie ferroviaire devrait connaître de nombreux exemples de ce type d’opportunités d’optimisation systémique, grâce auxquelles l’amélioration d’aspects apparemment mineurs dans la conception d’un train conduira à des avantages dans d’autres domaines. Le véritable défi pour les ingénieurs qui s’efforcent de réduire l’empreinte carbone des transports sera l’exploration des diverses options de conception permettant de concrétiser ce type d’avantage systémique.

Série Hirose DF50/DF50A, connecteur fil-à-carte, pas 1mm, avec verrouillage robuste Ce connecteur robuste et compact est conçu avec des contacts de surface et un pas de 1 mm permettant d’économiser un espace maximum sur la carte, et réduisant ainsi la surface de montage nécessaire.

Les applications sont ici nombreuses : affichages LCD, réseaux LAN sans fil ; contrôleurs industriels ; bureautique ; systèmes de navigation et audio pour véhicules ; TPV ; téléphones fixes et systèmes de divertissement embarqués.

En outre, l’action du verrou métallique s’accompagne d’un « clic » tactile positif et clairement identifiable, au fil de la répétition des connexions. Cela permet de s’assurer que le connecteur est complètement engagé, garantissant ainsi une connexion électrique et mécanique fiable. Le verrou est situé au centre du connecteur pour éviter toute action asymétrique et, au-delà, un mauvais positionnement des câbles.

CARACTERISTIQUES • Pas : 1mm • Courant nominal : 1A • Tension nominale : 100 V AC/DC • Température de fonctionnement : -35° à +85°C • Position des contacts : 2 à 16 (DF50A rangée unique) - 7, 9, 11, 13, 14, 15 (DF50A type vertical uniquement) • Position des contacts : 20, 30, 40, 50 (DF50 double rangée) • Cycles de connexion-déconnexion : 30 • Terminaison AWG : 26 à 32 • Conformité directive RoHS

Des versions équipées d’une rangée simple ou double sont disponibles avec des variantes verticales et horizontales afin d’offrir une plus grande souplesse dans la conception.

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Examen des technologies

L’innovation dans les batteries intelligentes, élément moteur du marché industriel de l’e-mobilité L’e-mobilité offre des opportunités d’avenir, non seulement pour un transport individuel et public plus propre, mais aussi pour une multitude d’applications industrielles telles que les robots mobiles, les véhicules à guidage automatique et les drones. Hagen Götze, directeur commercial senior d’Avnet Abacus, s’entretient ici avec Marc Eichhorn, directeur commercial Produits en charge des batteries, à propos des derniers développements intervenus dans ce domaine, et des opportunités offertes dans les diverses applications. vie sont nettement plus importants, avec un poids moindre.

Un circuit de protection est bien sûr obligatoire, bien que des fonctionnalités intelligentes, telles que la communication et la gestion des systèmes soient généralement intégrées.

HG : Quelles sont les meilleures technologies au lithium pour l’e-mobilité ?

Hagen Götze : Nous recevons un nombre croissant de demandes de la part de clients ayant des applications imminentes sur de nombreux marchés – automatisation des entrepôts, agriculture intelligente, tondeuses à gazon industrielles, exploration sous-marine, etc. Cette augmentation des demandes est généralement due à la nécessité de chaînes logistiques plus efficaces, d’une plus grande productivité et de problématiques environnementales.

La pandémie de Covid a également focalisé l’attention sur les besoins croissants d’automatisation.

Marc Eichhorn : Pour ce qui concerne en particulier l’automatisation des entrepôts, le marché des véhicules à guidage automatique devrait enregistrer une envolée d’au moins 31 % en taux de croissance annuel composé (CAGR) au cours des cinq prochaines années – à plus de 13 milliards de dollars US (environ 11,5 milliards d’euros). Avec les dernières technologies de connectivité et la capacité à stocker et analyser le big data, ces véhicules offrent de formidables opportunités pour rationnaliser et optimiser les processus. Il y a eu, de surcroît, des avancées importantes dans la technologie des batteries, qui permettent d’améliorer le rapport coût-efficacité et leur facilité d’utilisation.

ME : Il y a deux technologies lithium principales pour ces applications : l’oxyde de lithium-nickel-manganèse- cobalt (NMC) est également largement utilisé pour les équipements grand public et pour les outils électriques, et d’autre part le lithium-fer-phosphate (LiFePO4). La technologie NMC offre la densité énergétique la plus importante des deux, mais les batteries LiFePO4 peuvent offrir une durée de vie quatre à dix fois supérieure. Le choix dépend donc des priorités en termes de performances.

HG : Quels autres facteurs faut-il prendre en compte ?

ME : Qu’il s’agisse d’une batterie commerciale standard, ou d’une conception customisée, le choix peut avoir un effet majeur sur les résultats du projet. Une batterie customisée peut être conçue pour fournir une tension spécifique ou se conformer à certaines configurations physiques ou dimensions particulières. En revanche, il y a des coûts d’ingénierie non récurrents et des coûts d’agrément du produit à prendre en compte. En outre, l’ensemble du processus peut aussi constituer une sorte de détournement de l’attention pour l’équipe de conception. Si l’expertise de votre société concerne, par exemple, l’agriculture de précision ou la gestion des matériaux, vous aurez à cœur de vous concentrer sur vos compétences propres ou sur ce qui fait votre spécificité sur le marché et qui différencie vos produits de la concurrence.

HG : Les batteries plomb-acide ont la plupart du temps été choisies pour équiper une large variété de petits véhicules électriques, comme les voiturettes de golf et les chariots élévateurs. Qu’est-ce qui change aujourd’hui ?

HG : Une batterie commerciale standard est donc probablement celle qui sera commercialisée le plus rapidement et qui engendrera aussi plus rapidement des revenus, en offrant également le meilleur rapport coûtefficacité ?

ME : L’option plomb-acide a été largement essayée et testée, et elle donne satisfaction encore aujourd’hui dans de nombreux cas. En particulier, son coût est inférieur à celui d’alternatives telles que les batteries au lithium, et ces batteries sont thermiquement stables. En revanche, pour de nouvelles applications, ou pour une électrification initiale, le lithium est généralement la meilleure solution et permet une enveloppe opérationnelle plus large, avec un coût de propriété moins élevé. La densité énergétique et le cycle de

ME : Dans la plupart des cas, en effet. Et l’on est également en mesure d’obtenir immédiatement des échantillons du stock et un chargeur associé qui est tout de suite opérationnel. Il convient d’ailleurs de noter que Varta a récemment introduit deux gammes de batteries commerciales qui répondent très bien aux besoins des nouvelles applications de l’e-mobilité.

Ces gammes spécifiques aux applications (ASB) sont disponibles en versions Li-ion et LiFePO4, avec le choix offert entre une tension nominale 24 V et 48 V. La gamme Easy Block

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LiFePO4 propose des batteries offrant une capacité jusqu’à 14,5 kWh et environ 10 000 cycles.

La seconde ligne de batteries, baptisée Easy Blade, bénéficie de la meilleure densité énergétique qu’offre la technologie Li-ion pour délivrer jusqu’à 37,5 kWh de capacité, avec environ 1 200 cycles.

Application type pour les modules de batteries Varta ASB

Examen des technologies

HG : Que pouvez-vous nous dire de plus ?

ME : Dans la mesure où il s’agit de lignes de produits commerciales, elles sont équipées de fonctionnalités de sécurité intégrées et sont pré-certifiées conformément aux normes IEC 62133-2:2017 et UN38.3. Les cellules qui composent ces lignes de batteries sont testées selon la norme UL 1642. Les batteries sont livrées prêtes à communiquer avec le chargeur, via le standard CANOpen qui simplifie la conception.

HG : Et le chargeur ?

ME : VARTA s’est rapproché de Delta-Q pour s’occuper de ce point particulier et ils ont proposé une solution évolutive basée sur une conception de chargeur fourni pré-chargé avec un firmware, qui permet d’aligner jusqu’à six unités pour répondre à une grande diversité de besoins en termes de puissance. Cela signifie que les clients peuvent obtenir un chargeur clés en main, livré dès le lendemain, si nécessaire. A l’instar des batteries, le chargeur est certifié selon les standards de sécurité en vigueur, notamment UL 1564 et EN 60335.

HG : Comment se comportent les chargeurs sur le terrain ?

ME : Les batteries intelligentes comme VARTA ASB permettent la surveillance à distance et la maintenance prédictive, et nous pouvons assurer le support via nos solutions Avnet IoTConnect dans le cloud. Cela permettra également de générer de nouveaux modèles économiques, du type « Batterie comme Service ».

HG : Un projet d’électrification complet va bien au-delà de la seule question des batteries. Comment Avnet Abacus peut-il aider les clients à trouver une solution viable ?

ME : Les défis clés en matière de conception des systèmes portent notamment sur la commutation de puissance et sur l’isolation autour de la batterie, mais aussi sur la simplicité et la robustesse des connexions pour le signal et pour la puissance. AVX, un autre de nos fournisseurs, propose une solution de commutation à semiconducteurs pour les applications jusqu’à 48 V, qui s’associe parfaitement aux modèles VARTA ASB. Les commutateurs sont situés entre le système de gestion de la batterie, le véhicule et le chargeur, afin d’assurer la protection requise et la déconnexion électronique de la batterie en toute sécurité, si nécessaire.

Ces commutateurs offrent une protection beaucoup plus rapide que les relais mécaniques conventionnels, et peuvent accueillir des fonctionnalités intelligentes telles que le pré-chargement. Ils peuvent aussi être jusqu’à 85 % plus légers, offrir une durée de vie beaucoup plus longue, et ils fonctionnent de manière silencieuse.

HG : Vous parlez de la qualité des connexions pour le signal et la puissance ?

ME : En effet. Les modules utilisés pour la permutation des batteries, comme la série BSM d’Amphenol, permettent de relever ce défi. Les fonctionnalités intelligentes des batteries lithium nécessitent des connexions pour la puissance et le

signal. Le regroupement des deux au niveau d’un même connecteur permet d’économiser du temps, en évitant la répétition des actions de connexion-déconnexion. La série BSM offre une auto-correction des écarts de positionnement jusqu’à ±2mm sur les axes X et Y et jusqu’à ±5mm sur l’axe Z afin de permettre une connexion sûre et rapide. Ces produits sont disponibles dans différentes puissances nominales, jusqu’à 600 Vdc et 100 A. HG : Le rythme de développement des technologies de batteries est généralement perçu comme très lent. Quelles sont les nouveautés éventuelles sur le marché susceptibles de faire un peu bouger les lignes ?

ME : Vous avez raison, la progression semble parfois stagner complètement, bien qu’il y ait toujours des améliorations et des optimisations qui permettent de tirer quelques avantages de ce dont nous disposons déjà. Varta a lancé une nouvelle gamme de batteries Li-ion qui répondent à la nécessité de rechargement rapide, ce qui est important notamment pour la e-mobilité. Ces cellules, baptisées V4Drive, sont des cellules de type 21700 (diamètre 21 mm et hauteur 70 mm) qui peuvent être rechargées en moins de six minutes, tout en conservant une température inférieure à 35°C, avec un cycle stable. Elles sont conçues pour absorber efficacement l’énergie régénérative et offrir d’excellentes performances à basse température. Au moins une marque prestigieuse de véhicules travaille actuellement avec Varta pour assurer la conception de ces cellules et en équiper des véhicules de nouvelle génération. Elles s’avèrent également idéales pour les applications telles que les outils électriques et les appareils électriques sans fil.

HG : Et Avnet Abacus peut aider les clients à tirer profit de ces technologies ?

ME : Effectivement, nous sommes prêts à fournir les lignes de produits ASB et les chargeurs associés, et nos ingénieurs travaillent aux côtés de nos clients et avec Varta pour répondre aux exigences conceptuelles. Il existe une importante documentation de référence, dont un manuel technique et un guide de conception des chargeurs, disponibles sans aucun engagement de la part du client. Pour les batteries V4Drive, la production va monter en puissance en 2022 afin de répondre à la demande des clients clés. La disponibilité sur le marché grand public est prévue pour 2023.

HG : Cela donne effectivement pas mal de pistes de réflexion pour les futurs projets d’e-mobilité. Merci Marc, d’avoir partagé avec nous ce tour d’horizon très complet.

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Les Master Class Avnet Abacus Six observateurs et acteurs majeurs du marché de l’alimentation électrique analysent les derniers développements survenus dans ce secteur.

Pour visionner toutes les sessions à la demande, consultez avnet-abacus.eu/power-masterclasses

Lauréats 2021 des 5 Star Awards Harwin

Actualité

José Ramón Blázquez, Account Manager, et Dieter Kuhn, Senior Field Application Engineer, Interconnect & Electromechanical, Avnet Abacus, ont reçu le 5 Star Awards 2021 attribué par Harwin pour leur contribution exceptionnelle au succès de la ligne de produits Harwin.

Ce Prix est décerné aux personnes et aux entreprises dont la contribution exceptionnelle a permis de faire progresser notablement l’attractivité commerciale de la technologie d’interconnexion Harwin, créant de nombreuses opportunités pour des applications nouvelles et sur de nouveaux territoires.

« L’attribution des ces Awards permet de souligner le travail exceptionnel accompli par nos partenaires. Dans une période qui s’est avérée particulièrement difficile pour les chaînes d’approvisionnement dans le monde, la réactivité du réseau de distribution et la proximité avec les clients sont plus importants que jamais », explique Andrew McQuilken, Chief Revenue Officer, Harwin.

De g. à dr. : José Ramón Blázquez, Avnet Abacus, Eneko Ansoleaga, Manager Business Development, Europe du Sud, Harwin ; et Dieter Kuhn, Avnet Abacus

José Ramón a joué un rôle clé pour assurer la réussite des produits Harwin sur différents marchés, et notamment dans le domaine très dynamique des véhicules électriques. Dieter Kuhn a pour sa part largement contribué à assurer le support technique nécessaire à différents projets clients de premier plan.

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Engineers’ Insight : le blog Avnet Abacus

Relever les défis conceptuels Engineers’ Insight, le blog d’Avnet Abacus, vous aide à relever les défis clés dans l’éventail des marchés et des technologies que nous servons.

Qu’il s’agisse de phénomènes tels que la résistance série équivalente dans les condensateurs électrolytiques, ou d’échanger entre spécialistes à propos des meilleures approches en matière de nouvelles technologies sans fil, ou de vous fournir des guides et des manuels qui faciliteront l’élaboration de solutions efficaces pour vos applications, ce blog est écrit par des ingénieurs, pour les ingénieurs.

A découvrir sur :

avnet-abacus.eu/engineers-insight