La CEM automobile au niveau câblage et masse. Principes physiques 

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Le câblage au sein du véhicule

Types de signaux

De nombreux types de signaux sont transmis au sein des différents faisceaux présents dans les véhicules automobiles.

Signaux de puissance

Alimenter tous les éléments électriques est la fonction première des faisceaux électriques dans l’automobile. Sur beaucoup d’équipements et notamment ceux n’intégrant pas d’intelligence, l’alimentation sert également de signal de commande. Nous pouvons citer l’éclairage du véhicule ou les essuie-glaces où c’est l’alimentation qui sert de validation aux équipements. Cependant, de plus en plus d’équipements faisant partie de cette gamme se trouvent sollicités pour inclure des éléments actifs à base de microprocesseurs. Les lève-vitres de portière en sont un bon exemple. Ceux-ci permettent le contrôle et la mémorisation de position des rétroviseurs. Ils peuvent intégrer également des fonctions d’anti-pincement. Ils deviennent actifs dans l’interprétation des commandes qui leur sont dédiées. Des systèmes aussi simples que l’éclairage possèdent de plus en plus d’asservissement et de contrôle de puissance. La généralisation des phares au xénon sur les modèles haut de gamme en est une des raisons. Le pilotage par l’alimentation tend à disparaître sur ce type d’équipement.
Certains composants ne sont conçus que dans le cadre de la gestion de la puissance : la batterie, l’alternateur, le démarreur. Ils ne sont reliés ensemble que pour véhiculer de la puissance. Le faisceau ainsi constitué transporte des milliers de watts avec des courants crêtes de plusieurs centaines d’ampères. Ce faisceau a l’avantage de ne pas être mélangé avec les autres. Si nous citons le cas des batteries placées à l’arrière du véhicule, ce faisceau fait pratiquement cinq mètres et est souvent le siège de résonances dues aux commutations de courant résultant du fonctionnement du véhicule. Ce faisceau fera l’objet d’une étude plus poussée par la suite.
Certains composants à commande par l’alimentation peuvent se montrer particulièrement agressifs au niveau CEM. Cela peut être illustré par l’évolution de la commande d’allumage qui consiste à alimenter directement des bobines fixées sur les bougies par du “14 volts”. La haute tension est provoquée par l’extinction de l’alimentation par un phénomène proche des alimentations à découpage de type flyback*. Les tensions présentes sur le fil d’alimentation peuvent dépasser les 800 volts à l’ouverture du circuit.
Au niveau des valeurs des tensions, nous devons garder à l’esprit que dans le domaine de l’automobile nous sommes face à des basses tensions, et qu’une application simple comme allumer une ampoule génère très rapidement des courants de plusieurs ampères et qu’un simple autoradio consomme des courants de l’ordre de la dizaine d’ampères. Sur ce dernier, la consommation change brutalement entre l’arrêt et le fonctionnement, puis reste stable. Mais il existe des composants moins neutres en termes de CEM. Par exemple, les moteurs d’essuie-glace consomment entre quelques ampères et plusieurs dizaines d’ampères selon la position des balais sur le pare-brise.
Enfin, la taille des fils est toujours calculée au plus juste afin de répondre au cahier des charges et de limiter au maximum le poids du véhicule. Les notions de courants crêtes, d’échauffement maximum, de courant moyen, de température et d’emplacement prennent tout leur sens quand il s’agit de sélectionner une taille de conducteur électrique. Il est d’autant plus important de réduire au plus juste les câbles en raison des augmentations du prix des matières premières. Le poids, impactant directement la consommation, fait également partie des contraintes qui tendent à obliger les équipementiers à trouver des solutions innovantes pour les faisceaux.

Signaux de commande

Les signaux de commande sont ceux qui véhiculent une information à faible énergie. Si nous reprenons l’exemple précédent concernant les lève-vitres, les interrupteurs qui les alimentaient se trouvent maintenant connectés sur le moteur à des fins de commande. Actuellement cette commande nécessite très peu d’énergie. Le gain quant aux contraintes des contacteurs est évident.
Il est parfois difficile de faire la distinction entre un signal de commande et une alimentation simple. En effet, beaucoup de capteurs présents dans un véhicule sont des systèmes dits en 4-20mA. Ce qui signifie qu’ils n’ont que deux fils qui leur servent d’alimentation et qu’ils fournissent leur information en consommant plus ou moins de courant. Ce type de capteurs est naturellement résistant aux perturbations CEM de par son immunité au mode commun*. Cependant, avec l’augmentation des fréquences perturbatrices, cette immunité est toujours à valider.
Parmi les signaux de commande, les plus évidents sont les bus de communication. Très souvent en courant porteur, ils permettent de faire transiter un grand nombre d’informations entre les différents calculateurs avec un minimum de fils. Le bus CAN* est l’un des plus répandus dans l’automobile. Ce bus fonctionne à l’aide d’une ligne bifilaire et propose des débits de 125kbits/s pour la version standard et de 1Mbits/s pour la version HS (High Speed). Nous pouvons également citer le bus VAN (Vehicle Area Network) qui propose des performances supérieures mais qui est moins usité.
Il existe bien d’autres types de bus, nous pouvons citer par exemple le bus LIN (Local Interconnect Network) qui reprend les grandes lignes du bus CAN mais qui ne se sert que d’un seul fil, le retour s’effectuant par la masse.

Signaux audio

L’évolution des services contenus dans un véhicule a naturellement amené à fournir un espace audio de plus en plus performant. Les haut-parleurs se situent un peu partout dans le véhicule et il est facile de compter plus de six enceintes. Ces équipements demandent de forts courants, et présentent de faibles impédances. La perception audio d’un couplage parasite sur les fils des haut-parleurs ne peut être due qu’à la présence de fils véhiculant de très forts courants à proximité des fils haut parleurs. Par contre, l’étage de sortie de l’amplificateur alimentant ces enceintes doit absolument rejeter toutes les fréquences au-delà de la bande audio pour empêcher tout risque de perturbation par ce passage.
Dans certains cas de dispositifs audio hauts de gamme, certains fils peuvent véhiculer des signaux audios hautes impédances (typiquement 600 ) entre les différents organes acoustiques. Nous pouvons donner comme exemple l’utilisation d’un amplificateur de puissance commandé par l’autoradio et positionné dans le coffre. Ces signaux sont particulièrement sensibles aux perturbations électromagnétiques.

Signaux numériques

Pour permettre l’évolution des services proposés dans les véhicules, des réseaux Ethernet* ou IEEE 1394* sont utilisés dans les véhicules. Ils sont généralement transmis sur paires torsadées blindées. Contrairement aux bus de type CAN*, ils n’ont aucun rôle au niveau d’électronique du moteur et ne sont là que pour les fonctions de confort des usagers.

Signaux hautes fréquences

Tous les signaux permettant de recevoir ou d’échanger des informations passent généralement par des fils coaxiaux. Nous pouvons citer, la radio, le GPS*, le GSM* mais aussi les détecteurs de pression, les systèmes d’ouverture RFid*, les antennes TNT*, les autoradios bluetooth*, le Wi-Fi*. Tous ces signaux ne sont pas forcément directement émis par l’appareil les utilisant, des antennes déportées doivent donc y être connectées. Tous ces signaux ne fonctionnent pas en bande de base, ce qui leur procure une certaine immunité intrinsèque. Cependant, des perturbations en dehors de leur bande de fonctionnement peuvent, bien sûr, provoquer leur dysfonctionnement. Des projets existent afin de limiter l’usage des câbles coaxiaux pour les antennes. En effet, en plus de représenter un surcoût, ces fils sont fragiles et nécessitent des outils spécialisés pour leur implémentation dans les faisceaux.

Signaux optiques

Tout signal numérique peut être véhiculé par fibre optique. Ce mode de transmission reste réservé aux modèles “haut de gamme” à cause du coût prohibitif d’une telle installation. Le seul cas que nous avons rencontré sur un modèle de série est celui d’un système de diagnostic d’airbag.

Signaux mixtes

De par la multitude des fréquences qui peuvent être véhiculées sur un simple fil, il est parfaitement possible de mixer alimentation et données sur un même fil. Le gain en nombre de fils est immédiat. Nous pouvons aisément imaginer n’avoir qu’un seul fil amenant l’énergie sur la platine d’éclairage arrière du véhicule, avec retour par la masse et toutes les commandes passées sur la partie haute du spectre du même fil. C’est une évolution probable des véhicules et il existe déjà des applications amenant ce type de mélange commande et puissance. Malheureusement, l’alimentation est généralement polluée par un grand nombre de consommateurs perturbateurs, et l’usage de ces mêmes fils pour transmettre les commandes ne se fait pas dans des conditions optimales. Il faut savoir garder à l’esprit les risques de défaillance de ce type de système.

Câbles utilisés et architecture

Section

Dans le domaine de l’automobile nous avons fréquemment affaire à des sections de câble de 0,75 mm² ; mais nous pouvons avoir des câbles de section supérieure à 100 mm² pour ceux allant de la batterie à l’ensemble alternateur / démarreur. Ainsi les équipementiers essaient de généraliser l’usage des fils de 0,75 mm², mais la diversité des consommateurs impose toute la gamme de tailles entre les deux extrêmes précédemment cités.
Afin de faire une étude aussi exhaustive que possible nous allons considérer des tailles de câble d’une section allant de 0,2mm² et 176mm² (respectivement de 0,5mm à 15mm de diamètre).
L’épaisseur de l’isolant utilisé pour le câblage est variable selon la marque du véhicule, le courant maximum et la section du fil. Les contraintes de cet isolant sont multiples, telles que la résistance au feu, à la torsion, au frottement et bien sur diélectrique. Une épaisseur de 1mm est prise comme référence.

Distance vis-à-vis de la masse 4cm 4cm

Les fils sont assemblés en faisceaux à l’aide de différentes techniques, comme un recouvrement par un tissu ou par un revêtement autocollant (cf. Figure I.1), ou encore l’utilisation d’un tube PVC annelé ouvert. Ces faisceaux sont attachés à la masse à l’aide de clips plastiques ou métalliques. Ces méthodes de mise en faisceaux augmentent la distance minimale d’un fil vis-à-vis de la masse. Nous pouvons facilement considérer qu’un fil ne peut pas être à moins de 2mm de la masse, ou d’un de ses congénères. Cette distance vis-à-vis de la masse doit être encore augmentée pour les fils de grosse section qui nécessitent généralement une fixation plus robuste (en raison, entres autres, des vibrations) et généralement plus épaisse. Nous pouvons citer à nouveau le cas du fil liant la batterie au groupe alternateur / démarreur qui est fixé à la tôle à l’aide de clips de 9mm de haut. La Figure I.1 nous montre deux exemples de fixation de faisceaux de petite taille à la masse.

Disposition

Le faisceau est le regroupement de tous les fils allant dans la même direction. Il n’y a aucune raison que tous ces fils aient la même fonction, ni la même section. Cependant les contraintes physiques obligent le faisceau à être le plus petit possible. Si nous ignorons le cas très particulier des faisceaux plats présents dans les pavillons des véhicules automobiles, le faisceau va réduire l’espace entre conducteurs au strict minimum. Dans le cas d’un faisceau de 7 fils de même taille, la configuration qui permet la plus petite section du faisceau est celle représentée Figure I.2.
Si la représentation de 7 fils de même taille ne pose aucun problème, il faut imaginer toutes les possibilités qui peuvent se présenter dans le cas d’un faisceau de cent fils de sections différentes. La Figure I.3 nous présente un faisceau de petite taille typique.
Cependant, la réalisation d’un faisceau est très réglementée, et la position relative de chaque fil varie très peu dans le faisceau. Deux faisceaux venant de la même chaîne de fabrication seront quasiment identiques.

La masse

Après avoir présenté les faisceaux et les fils qui les constituent, nous abordons dans cette partie les éléments constituant les plans de masse et leurs connexions dans le domaine automobile.

Historique (BF / mécanique)

Très rapidement, la carrosserie a fait office de conducteur de retour pour la plupart des équipements présents dans les véhicules automobiles. Quand l’usage du démarreur s’est généralisé, ne mettre qu’un seul conducteur de très forte section pour l’alimenter était très intéressant du point de vue économique. Le démarreur ne fonctionnant que pendant un temps très court, les risques d’interaction avec les autres équipements présents dans le véhicule étaient alors très faibles.
Jusqu’à une période récente, la plupart des équipements fonctionnaient à l’aide d’une commande en tout ou rien, et n’incluaient aucune intelligence. Nous pouvons citer : Les lève-glaces, les essuie-glaces, les phares, les bougies,…etc. La référence (0V en général) ne servant à rien d’autre que de retour de courant, le plus simple pour ne pas avoir de fils inutiles est de se connecter à une référence commune simple et proche : la carrosserie.
Maintenant, les équipements précédemment cités peuvent contenir des microprocesseurs, des capteurs et des éléments de régulation à découpage. L’élément mécanique qu’est le moteur par définition se voit également adjoint d’un calculateur de plus en plus dominateur à la puissance de calcul exponentielle. Par conséquent, relier tous les organes à la même masse facilite le transfert des perturbations d’un équipement à l’autre.
De plus, le domaine de l’automobile doit gérer de fortes contraintes liées à la concurrence qui resserre les prix tout en gardant des performances égales, voire améliorées. Revenir en arrière sur des choix de retour de masse par la carrosserie revient à augmenter d’un facteur trop élevé le coût des véhicules. Un véhicule complètement en dehors des coûts “marché” n’a d’intérêt pour personne.
Différentes stratégies sont alors possibles et chacune amène son lot d’interrogations :
• Faire une évolution partielle des connexions afin de réduire certains types de perturbations
• Quels signaux choisir ?
• Quelles perturbations considérer ?
• Quelle méthode appliquer ?
• Durcir et filtrer les équipements
• Quel niveau appliquer ?
• Quel coût accepter ?
• Quelles normes ou définitions considérer ?
• Avoir une stratégie de gestion des faisceaux
• Comment définir les types de signaux ?
• Quelles règles de câblages ?
L’évolution partielle a été choisie pour les équipements extrêmement sensibles ou aux conséquences de dysfonctionnement engageant la sécurité des usagers. Nous pouvons citer les commandes d’air bag par paire torsadée.
Le durcissement des équipements est lié à la multiplication des tests CEM demandés par les constructeurs, ainsi que de leurs évolutions.
Pour notre part, nous avons fait le choix de comprendre les interactions liées au faisceau et à son parcours sur le plan de masse. En effet, comprendre les phénomènes liés au câblage afin d’en réduire ses conséquences est la solution au rapport coût efficacité optimum.

Descriptions physiques

Equipotentielle

Lorsque deux équipements ne doivent communiquer que par une seule ligne de données, il leur faut une tension servant de référence. Dans le cas de l’automobile, c’est très souvent la masse métallique la plus proche qui sert de référence ; elle est souvent nommée « équipotentielle ». Ce terme reste dans cette application assez mal utilisé, puisqu’on ne peut pas garantir facilement que deux points d’un plan de masse sont au même potentiel compte tenu des courants véhiculés. Cependant sur des zones de plan de masse où les courants véhiculés sont faibles, nous pouvons considérer que nous avons affaire à une zone équipotentielle.

Terre

Les symboles et sont associés généralement aux connexions dites « de terre ». Ce sont des bornes qui doivent normalement être reliées à une tige métallique enfoncée dans le sol et qui permettent de proposer un écoulement prioritaire au courant perturbateur de type foudre. Nous trouvons souvent ces bornes sur les équipements des véhicules automobiles tels que l’autoradio. Il s’agit d’un abus de langage pour désigner la masse du véhicule.

Epaisseur de peau

Couramment, cette appellation regroupe tous les phénomènes liés aux champs électromagnétiques créés dans les conducteurs par les courants. Cette notion prend toute son importance sur des conducteurs de larges dimensions, comme les plans de masse, où les courants sont susceptibles de circuler sur l’ensemble du plan.
Plusieurs définitions peuvent être prises pour ce terme. L’épaisseur de peau est une grandeur physique qui trouve son origine dans la résolution des équations de Maxwell pour des situations simples. Elle caractérise la profondeur de pénétration d’une onde dans un matériau conducteur. La Figure I.4 montre la décroissance de l’amplitude d’une onde transmise dans un milieu conducteur. Nous voyons apparaître la distance typique appelée épaisseur de peau du matériau. L’équation (I-1) donne la formule de l’épaisseur de peau. Le Tableau I-1 en donne quelques valeurs selon le matériau et la fréquence de l’onde.

Table des matières

INTRODUCTION
1. Contexte
2. Objectif
3. Outils de caractérisation
4. Organisation
Liste des publications liées à la thèse
Chapitre I : La CEM automobile au niveau câblage et masse. Principes physiques 
1. Introduction
2. Le câblage au sein du véhicule
2.1 Types de signaux
2.2 Câbles utilisés et architecture
3. La masse
3.1 Historique (BF / mécanique)
3.2 Descriptions physiques
3.3 Liaisons de masse
4. Les couplages entre fils
4.1 Couplages capacitifs
4.2 Couplages inductifs
4.3 Couplages par impédance commune
5. Conclusion
Chapitre II : Méthodologie développée
1. Méthode PEEC générale
1.1 Introduction
1.2 Généralité
1.3 Les éléments partiels
1.4 Construction du circuit équivalent
2. Code développé
2.1 Synoptique général
2.2 Maillage
2.3 Maillage manuel / Maillage automatique
2.4 Optimisation des calculs
2.5 Caractéristiques du code
2.6 Interface
3. Validations sur cas test
3.1 Cas test 1 : grillage (étude préliminaire)
3.2 Cas test 1 : Grillage
3.3 Cas test 2 : Plan de masse
3.4 Conclusion
4. Evolution possible
4.1 Résistance statique
4.2 Chemins
4.3 Capacité
5. Conclusion
Chapitre III : Mise en œuvre : Application automobile
1. Introduction
2. Mesures fréquentielles
2.1 Méthodologie
2.2 Résultats bruts
2.3 Détermination des corrections de mesures
2.4 Mesures corrigées
3. Validation des simulations
3.1 Modèle inductif par la méthode PEEC
3.2 Modèle inductif simplifié
3.3 Modèle capacitif
3.4 Bilan simulations / mesures fréquentielles
4. Applications des simulations
5. Etudes des éléments de terminaison
5.1 BSM
5.2 Batterie
5.3 Alternateur
6. Simulations temporelles
6.1 Application sur le modèle existant
6.2 Application sur modèles en développement
7. Préconisations
8. Conclusion

Télécharger le rapport complet