Quels nouveaux développements technologiques changeront la voie du développement de l'industrie automobile? 5 exemples d'Ed Sperling.
Au cours des derniers mois, une grande partie de l'industrie automobile a commencé à déplacer et à réduire sa production, repoussant le déploiement prévu de véhicules entièrement autonomes et se concentrant sur les sources d'énergie et les technologies utilisées dans les véhicules électriques de prochaine génération.
Pris ensemble, ces changements marquent un départ important pour les constructeurs automobiles traditionnels qui rattrapent des entreprises telles que Tesla, Waymo et NIO. Décidant de ne pas prendre de retard, ils ont commencé à chercher des moyens de combler les lacunes existantes.
Les principaux domaines sont:
- Développement de nouvelles sources de combustible pour l'électrification, y compris les piles à combustible à hydrogène et les hybrides amovibles de piles à combustible à hydrogène.
- Utilisation de nouveaux capteurs et d'autres technologies de faible puissance.
- Développement de batteries à semi-conducteurs.
- Un changement dans l'accent mis sur le traitement supplémentaire dans la voiture.
- Déployer des changements fondamentaux dans les modèles commerciaux.
Tous ces développements nécessitent une augmentation significative du contenu des semi-conducteurs, et cette tendance devrait se poursuivre, car les voitures sont de plus en plus électrifiées à un point tel qu'elles deviennent en fait des superordinateurs sur roues.
Dans un rapport qui vient d'être publié, KPMG a calculé que ces changements pourraient faire passer le marché des semi-conducteurs automobiles d'environ 40 milliards de dollars. Les États-Unis aujourd'hui jusqu'à 150-200 milliards de dollars. Les États-Unis au cours des deux prochaines décennies, et ces chiffres n'incluent pas l'infrastructure V2X ni une augmentation du nombre d'outils et d'équipements de fabrication. ,
Les études les plus récentes montrent que les moteurs électriques dépasseront les moteurs à combustion interne dans une décennie, bien que leur nombre puisse varier selon les régions. Parallèlement à cette commutation, le nombre de microcircuits sera augmenté pour contrôler et surveiller ce qui se passe à l'intérieur du véhicule, ainsi que la façon dont le véhicule interagit avec le monde extérieur. Des modifications seront également apportées au nombre de ces véhicules, à la façon dont cette puissance sera optimisée, distribuée et stockée dans le véhicule, et comment et où les données générées par un nombre croissant de capteurs seront traitées.
«Les entreprises traditionnelles se concentrent désormais sur les logiciels», a déclaré Burkhard Hanke, vice-président de l'automobile pour Synopsys. «Tesla a déclaré il y a plusieurs années que les meilleures solutions ne sont pas utilisées pour les véhicules électriques. Cela va arriver maintenant. "
Le carburant du futur pour les voitures
L'électrification des véhicules devrait concurrencer l'industrie automobile au cours des prochaines décennies. Peu importe que ces voitures utilisent un moteur auxiliaire, une pile à combustible ou fonctionnent à 100% de la batterie, la simplicité, la réactivité et les émissions réduites d'un véhicule électrique sont convaincantes.
Le moteur électrique se compose d'environ 200 pièces contre environ 2000 pour les moteurs à combustion interne, ce qui contribue à réduire considérablement les coûts et à augmenter la fiabilité. À ce stade, presque tous les constructeurs automobiles augmentent le contenu électronique de la voiture, et beaucoup choisissent les moteurs électriques comme unité d'alimentation principale.
Jusqu'à présent, le défi a été d'équilibrer les avantages de l'électrification avec la facilité d'utilisation. L'une des options que les grands constructeurs automobiles citent de plus en plus - à l'exception de Tesla, NIO et d'autres - est l'hydrogène, qui, selon eux, deviendra compétitif avec d'autres sources de carburant au cours de la prochaine décennie. Ils affirment que cela résoudra certains des plus gros problèmes avec les voitures électriques aujourd'hui, par exemple, jusqu'où ils peuvent voyager avec une charge, combien de temps il faut pour les recharger et comment développer une infrastructure de recharge dans les zones moins peuplées.
L'infrastructure de charge et le temps de charge sont deux inconvénients évidents des véhicules électriques avec batterie. Avec des chargeurs insuffisants, les gens peuvent devoir faire la queue pendant de longues périodes. De plus, une personne qui vit dans un appartement, par exemple, peut ne pas avoir accès à une borne de recharge. Et dans les zones sujettes à des pannes de courant, il se peut que l'électricité ne soit pas disponible pour recharger les véhicules en cas d'urgence, ce qui peut mettre la vie en danger en cas d'inondation ou d'incendie.
«La technologie des batteries n'est pas prête pour de longs trajets», a déclaré Luc Gear, analyste technologique chez IDTechEx. «Ce qui freine les voitures électriques, c'est le coût initial des batteries et de l'infrastructure de charge.
Aux États-Unis, environ 50% des véhicules électriques ont été vendus en Californie. Selon nos recherches, en 2028, nous atteindrons le pic des moteurs à combustion interne, puis les ventes chuteront. »Les constructeurs automobiles parient que les piles à combustible à hydrogène seront un élément clé de ce changement. L'idée est de pouvoir pomper de l'essence de type hydrogène à partir de stations-service nouvelles ou existantes avec une infrastructure de stockage et de déplacement d'hydrogène liquéfié. Mais ce n'est pas si simple.
"Avec le FCEV (véhicule électrique à pile à combustible), vous obtenez des performances élevées et une longue portée", a déclaré Monterey Gardiner, responsable de l'hydrogène et de la technologie électronique mobile BMW Group. «Le problème est l'infrastructure supplémentaire d'hydrogène et le coût élevé du système. Maintenant, nous devons produire 500 000 voitures par an pour obtenir un prix compétitif. » BMW prévoit d'introduire une pile à combustible.
«L'hydrogène fait du métal fragile», a déclaré C. Charles Janak, PDG d'Arteris IP. «Il y a trois façons de le stocker. L'un d'eux est cryogénique. La seconde est l'utilisation d'hydrures métalliques. Et le troisième est l'utilisation de matières organiques. Aucun d'entre eux n'est satisfaisant. »
Il n'est pas clair non plus si l'hydrogène sera en concurrence avec des voitures avec une charge de batterie plus rapide avec un kilométrage allant jusqu'à 500 miles. Et si le temps de charge de la batterie peut être réduit à 10 minutes à une distance de 120 miles, pour la plupart des conducteurs, cela suffira pour la plupart des gens.
«Les entreprises européennes ne croient pas qu’elles peuvent gagner de l’argent avec une voiture électrique», a déclaré Tom Wong, directeur marketing de la conception IP chez Cadence. "Mais si vous pouvez réduire considérablement le coût des batteries lithium-ion, elles atteindront le point d'intersection où les voitures électriques deviendront compétitives avec les moteurs à combustion interne."
Une pile à combustible coûte également cher, du moins pour l'instant. L'une des raisons est que cela nécessite du platine, qui est utilisé comme catalyseur. Les recherches actuelles incluent des alliages de platine et de ruthénium pour réduire ce coût. Mais certains de ces coûts peuvent également être compensés par des réductions de métaux précieux dans d'autres domaines.
"Le platine et le palladium sont actuellement utilisés dans les convertisseurs catalytiques pour les moteurs à combustion interne", a déclaré William Crockett, vice-président de Tanaka Kikinzoku. «Aujourd'hui, nous envoyons littéralement des convertisseurs catalytiques au Japon pour recycler ces matériaux. Ce coût est dépensé pour les piles à combustible à hydrogène et les véhicules électriques. »Nouveaux modèles commerciaux, nouvelles approches technologiques
Parallèlement à ces changements, il est reconnu que l'ancienne façon de faire ne fonctionne plus.
Volkswagen a annoncé en juin qu'il développerait lui-même la plupart de ses logiciels, faisant passer sa participation de moins de 10% à plus de 60% d'ici 2025. La société a déclaré qu'elle prévoyait d'utiliser environ 5 000 experts pour créer un système d'exploitation unique sur toutes ses marques.
«Ils voient tous que les améliorations incrémentielles ne suffisent pas», a déclaré David Fritz, directeur principal des voitures autonomes du SoC chez Mentor, une division de Siemens. «Pour concurrencer Tesla, ils ont besoin de différentes méthodologies, outils et architectures.
Presque toutes les entreprises automobiles en sont arrivées au point de se rendre compte qu’elles ne peuvent pas continuer à faire de même. Mais le gros problème est de savoir comment faire ce saut dans la technologie et les compétences. C'est le modèle qu'Apple a appliqué pour la première fois lorsque vous apportez au travail tout ce qui peut vous distinguer. "
Janak d'Arteris IP est d'accord. «Les niveaux 1 deviennent du silicium orienté logiciel ou ont un long avenir.»
Nouvelle technologie
Cependant, tous ces changements ont déclenché une renaissance de l'innovation. L'un de ces développements implique l'intégration de capteurs, grâce à quoi une logique est ajoutée au niveau du capteur afin que le traitement puisse être effectué au niveau de la source de données plutôt qu'au niveau central.
"L'un des nouveaux capteurs est le capteur d'inertie", a déclaré Fritz. «Lorsque vous serrez les freins, vous vous attendez à ce que la voiture freine à une certaine distance sur une pente. Mais ce n'est pas toujours exact. Si vous pouvez mieux comprendre cette distance, vous ne pouvez appliquer le freinage que lorsque vous en avez besoin, économiser de l'énergie et restaurer l'énergie. »
Cela présente d'autres avantages. Lors d'un traitement local, la quantité de données qui doit être envoyée au cerveau central de la voiture réduit considérablement le temps nécessaire pour prendre une décision. Cela réduit les exigences de câblage, le poids total du véhicule et améliore la plage de charge.
Le département d'ingénierie des systèmes adaptatifs de Fraunhofer a introduit un capteur d'image qui stocke et traite uniquement les données importantes dans l'image, pas l'image entière. Cela donne les mêmes avantages dans les caméras où la plus grande quantité de données est collectée aujourd'hui.
Une autre approche consiste à étendre les technologies existantes pour réduire le nombre de composants et de systèmes qui sont finalement nécessaires à la conduite autonome. Par exemple, le LiDAR a été amélioré pour fonctionner dans plus de conditions météorologiques que par le passé, et il peut désormais également mesurer la vitesse et classer les objets.
La même approche est utilisée pour augmenter l'efficacité énergétique dans un véhicule, et cela est particulièrement évident lorsque vous essayez d'utiliser des moteurs de roue ou de moyeu. Ainsi, au lieu d'un seul moteur conduisant un véhicule, il y aurait deux ou quatre moteurs.
L'idée des moteurs de moyeu existe depuis environ un siècle, et le gros problème est la masse non suspendue - cette partie du véhicule qui n'est pas supportée par la suspension. L'utilisation de cette approche nécessite des changements dans la conception du véhicule, car cela peut affecter la conduite et la maniabilité globales. Mais ce travail présente de grands avantages. Les moteurs sont de plus petite taille et ils sont connectés directement à la roue, ce qui signifie moins d'énergie est nécessaire pour faire avancer la voiture, plus de possibilités d'utilisation directe de l'énergie pour le mouvement et moins de poids.
Il semble qu'au moins certains des problèmes précédents ont été résolus. Hyundai MOBIS Ahn a déclaré que le développement était en cours depuis 2011 et que la technologie devrait être commercialisée au cours des prochaines années. Mais il existe des versions hybrides de cette approche, comme le concept-car Citroën avec deux moteurs 19_19, introduit plus tôt cette année, qui peut parcourir 800 km (497 miles) sur une charge et recharger 80% en 20 minutes.
Fig. 1: Concept car Citroën 19_19 avec pneus développé en collaboration avec Goodyear lors de la conférence VivaTech en début d'année. Le moyeu central sur roues reste immobile.Batteries nouvelle génération
Un gros problème avec l'électrification est le stockage d'énergie dans un véhicule. Les batteries au lithium-ion sont chères, lourdes et instables. La technologie de mise à l'échelle comprend plus de batteries, plus de poids et plus de problèmes potentiels.
C'est là que les batteries à semi-conducteurs s'adaptent. Basés sur des électrodes solides et des électrolytes, ils sont beaucoup plus faciles à manipuler sans crainte d'incendie.
Un certain nombre de projets de recherche sur les batteries à semi-conducteurs sont actuellement en cours, comme la batterie au lithium à semi-conducteurs développée par l'Université Deakin en Australie.
Les problèmes qui n'ont pas encore été résolus sont une diminution de la conductivité électrique, en particulier par temps froid, par rapport aux électrolytes liquides. On s'est également demandé si le lithium suffisait à alimenter tous les véhicules électriques.
"Nous ne pensons pas qu'il y ait suffisamment de lithium sur la planète pour 1 billion d'appareils IoT plus des batteries de voiture", a déclaré Eric Hennenhofer, vice-président de la recherche chez Arm. "Une quantité importante doit être reçue de la collecte des déchets."
Actuellement, l'industrie travaille pour y arriver. Parallèlement à cela, le traitement du lithium est attendu à mesure que la demande augmente, bien que cela puisse se poursuivre pendant des années.
"La principale source de lithium est en Australie", a déclaré Crockett de Tanaki. «La production de l'année dernière s'est élevée à plus de 20 tonnes. Il y a aussi une mine de lithium au Nevada (à environ 200 miles de la Tesla Battery Factory), et encore plus de lithium au Chili, en Argentine et en Bolivie, connus sous le nom de «triangle du lithium». La Chine a investi 4 milliards de dollars dans une opération d'achat d'actions pour entrer dans le triangle du lithium pour ses véhicules électriques. Mais vous voyez également comment des entreprises telles que BMW, Volkswagen et les constructeurs automobiles japonais investissent dans la technologie des batteries à semi-conducteurs. Un certain nombre de produits chimiques différents sont en cours de développement. »
Ce qui rend cela si important, c'est que la technologie à semi-conducteurs est plus modulaire, évolutive et plus petite. Elle utilise une conception prismatique plutôt qu'un cylindre, dure plus longtemps et se charge plus rapidement. Ils sont également plus faciles à remplacer, a déclaré Crockett.
Plus de traitement des données automobiles
Un autre grand changement est le traitement des données. Il y a quelques années, le consensus général était que la 5G serait tellement omniprésente que les données de tous les véhicules pourraient être envoyées dans les deux sens à une vitesse suffisante pour éliminer le besoin de traitement à bord.
Cela s'est avéré intenable pour plusieurs raisons.
Premièrement, les signaux dans le spectre des ondes millimétriques pour les signaux 5G sont très sensibles au bruit et se désintègrent rapidement.
Deuxièmement, il y a trop de données à envoyer dans les deux sens, et même dans les meilleures circonstances, la communication prend trop de temps pour éviter les obstacles sur la route.
Et troisièmement, le coût de construction et d'entretien d'un réseau de répéteurs sera excessivement élevé pour des milliers de kilomètres de routes.
«La 5G est une amélioration, mais pas suffisante pour décharger l'informatique, en particulier dans la bande des moins de 6 GHz », a déclaré Scott Jones, responsable de la technologie des semi-conducteurs chez KPMG. "En fait, l'une des raisons pour lesquelles les possibilités de contenu semi-conducteur sont si élevées est que la 5G n'est pas assez bonne."
C'est un facteur clé pour limiter la conduite autonome. La quantité de puissance de calcul nécessaire pour résoudre toutes les interactions possibles et les cas complexes est énorme et trop coûteuse pour être intégrée dans une voiture aujourd'hui. Les évaluations actuelles se situent quelque part dans la fourchette de trois superordinateurs.
Le deuxième facteur est associé à la taille et au coût énormes des ressources informatiques nécessaires pour résoudre tous les cas angulaires potentiels et interagir avec des véhicules autonomes et conduits par des personnes, ainsi que des piétons, des cyclistes, des conditions météorologiques défavorables, des nids-de-poule, des changements de voie, etc.
«Tous les prototypes sont des troncs remplis de centres de données», a déclaré Robert Day, directeur des solutions automobiles chez Arm. «Ils ne peuvent pas être déployés. Ils sont trop gros, trop énergivores et trop chers. Nous sommes requis des puces de serveur de l'entreprise qui fournissent les mêmes performances pour une petite fraction du coût avec des performances thermiques améliorées. On nous interroge également sur les processeurs hautes performances avec sécurité fonctionnelle intégrée, ce qui est nouveau. Une autre nouveauté est le Consortium of Autonomous Vehicles. Une partie de la charte de l'AVCC est le déploiement de masse au cours de la période 2025, bien que l'autonomie complète le sera beaucoup plus tard. Mais ce qui est nouveau ici, ils ont décidé qu'ils n'allaient pas se différencier avec cette technologie. »
Fig. 2: quantité de contenu et valeur de semi-conducteur à chaque niveau de contrôle. Source: KPMGCela représente un changement de cap important, car les entreprises considèrent l'autonomie comme une caractéristique. Lorsque tout le monde travaille ensemble, cela devient la norme du niveau de base et pénètre rapidement sur le marché. Cela, à son tour, crée une demande beaucoup plus grande pour tous les types d'électronique.
"Il s'agit d'une révolution dans la pensée des constructeurs automobiles des trois grands (Volkswagen, Toyota et Hyundai)", a déclaré Synopsys Hunk.
«La question est de savoir s'il y a suffisamment de talent pour faire ce travail. Le plus gros problème est que le processus de réflexion est différent. Cela prendra du temps. La question est de savoir qui peut déplacer l'attention sur la pile matérielle et logicielle et l'augmenter. Ceci est une nouvelle bataille. Les Big Three disposent de ressources financières suffisantes pour investir dans cela, et il y a de nombreux clients partout dans le monde, sans parler de nombreux employés dont le travail dépend de ce travail. Mais cela ne se fera pas du jour au lendemain.Transport en tant que service
Un autre grand changement concerne l'utilisation des véhicules. La plupart des analystes estiment qu'il existe d'importantes opportunités de modes de propriété et d'utilisation différents.«Nous constatons que pour les voyages très spécifiques que les gens effectuent, il existe d'énormes possibilités de mobilité en tant que service», a déclaré KPMG Jones. «Cela signifie que les véhicules seront utilisés à des distances de 50 000 à 60 000 milles par an. Ainsi, même si la voiture coûte 120 000 $, vous gagnerez en trois ans si elle passe 50 000 miles par an. Nous constatons également un réel intérêt dans ce domaine dans le domaine des pensions. C'est une énorme opportunité, même à basse vitesse de 30 mph. "Gear IDTechEx est d'accord, notant que cela aura un impact important sur les modèles d'utilisation des voitures. «L'essor du transport indépendant dans la ville commence en 2025», a-t-il déclaré. «Mais il faudra un certain temps pour commencer en raison de la réduction des subventions gouvernementales et du relâchement des restrictions du gouvernement américain sur les voitures. Les subventions prendront fin en Chine et en Norvège l'année prochaine. »Les subventions soutiennent depuis longtemps l'énergie verte. Mais à mesure que les coûts augmentent et que de nouvelles réglementations sont introduites en 2021, telles que de nouvelles normes d'émission strictes en Europe de 95 g CO2 / km, la norme actuelle est de 130 g / km, et la nouvelle norme entrera en vigueur à partir de 2020 années - ce qui peut contribuer à accroître la mobilité en tant que service. Il sera difficile pour les moteurs à combustion interne de respecter ces normes, et posséder une voiture électrique est moins pratique pour les personnes qui n'ont pas d'espace pour recharger leur voiture.Cependant, c'est une vision différente des ventes de voitures, et cela nécessite un modèle de comportement différent."Vous devriez considérer les voitures de la prochaine génération comme un plan d'étage", a déclaré Fritz de Mentor. «C'est une autre façon de résoudre le problème. Vous concevez donc pour le niveau 5 et vous y arrivez une étape à la fois. Il semble que de nombreuses entreprises se soient égarées. »Conclusion
Tous ces changements soulèvent des questions sur l'apparence des constructeurs automobiles dans dix ans. Les entreprises de niveau 1 ou d'électronique deviendront-elles des constructeurs automobiles, ou les géants de l'automobile deviendront-ils des fabricants de puces et développeront-ils leurs propres puces? Pour le moment, personne ne connaît la réponse. Bien que Tesla et les nouvelles startups BEV puissent avoir le leadership aujourd'hui, rien ne garantit que tout restera le même. En fait, les futurs géants de l'automobile d'aujourd'hui ne ressemblent peut-être pas à des constructeurs automobiles, mais à des entreprises de fabrication d'électronique.Cependant, il est clair que l'industrie des semi-conducteurs bénéficiera de plus d'électronique, de services et d'outils pour créer ces puces et systèmes. L'industrie de l'électronique automobile fournit d'autres parties de la structure tout au long de la chaîne de production, ce qui devrait entraîner un boom qui durera des décennies.PS - Un autre moyen de sortir de la crise de l'introduction des véhicules électriques, je l'ai décrit plus haut dans l'article "Les voitures électriques sont-elles tirées vers le bas de la société automobile?"