Alimentation en toute sécurité et avec facilité : l’art de la conception des chargeurs de véhicules électriques

Alors que nous recherchons des modes de transport plus durables, les avantages des véhicules électriques (VE) deviennent de plus en plus évidents.

Le succès des véhicules électriques dépend en grande partie de la garantie que leurs conducteurs pourront les recharger de manière pratique, soit à domicile, soit sur des bornes de recharge dans les villes et les stations de recharge. La conception des chargeurs de VE doit donc prendre en compte leur emplacement, leur utilisation, la durée et les tensions de charge, la convivialité, la sécurité, les communications et la sécurité.

Où recharge-t-on les véhicules électriques ?

Les véhicules électriques sont rechargés sur deux types de sites. Le premier est un chargeur à destination, généralement situé dans des installations telles qu’un parking, un centre commercial, un endroit au centre-ville ou à domicile. Ceux-ci utilisent des chargeurs AC lents.

L’autre est un chargeur en route, souvent situé dans les stations-service le long de l’autoroute. Ceux-ci utilisent des chargeurs DC rapides à haute puissance qui peuvent fournir des temps de charge accélérés.

Normes et vitesses de charge

Il existe trois types principaux de chargeurs :

• Chargeurs rapides
• Chargeurs très rapides
• Points à domicile

Chargeurs rapides

La plupart des chargeurs publics installés sont des « chargeurs rapides », essentiellement une prise murale ou un poteau avec une paire de prises. La charge peut prendre plusieurs heures sur des « chargeurs rapides », mais de nombreux conducteurs de véhicules électriques nécessitent souvent simplement une charge « complémentaire » et peuvent se brancher pendant environ une heure. De ce fait, l’occupation de ces chargeurs est d’une durée imprévisible. Une certaine souplesse d’utilisation est nécessaire.

Chargeurs très rapides

Étant donné que les chargeurs très rapides fournissent une charge à un courant plus élevé, ils chargeront donc un véhicule plus rapidement que les « chargeurs rapides », fournissant environ 80 % de la charge dont la voiture a besoin au cours des 30 à 40 premières minutes. Cependant, en raison de la chimie de la batterie, ils ne peuvent pas charger complètement une voiture à ce même taux élevé. Même s’il est tout de même possible de charger complètement la voiture sur un « chargeur très rapide », plus d’une heure sera nécessaire. Il s’agit donc d’une utilisation inefficace d’un « chargeur très rapide » qui est déconseillée. Ils sont également plus chers et nécessitent une connexion électrique de plus grande capacité. Avec un câble intégré au chargeur, ils ressemblent en apparence aux pompes à essence classiques.

Recharge à domicile

Les chargeurs domestiques sont généralement utilisés hors route dans les allées et les garages domestiques. La recharge s’effectue souvent la nuit en utilisant l’électricité en dehors des heures de pointe. Certains utilisent des câbles captifs, tandis que d’autres utilisent essentiellement le câble portable du véhicule. La recharge au travail peut être entreprise de différentes manières, bien que de nombreuses entreprises installent des chargeurs domestiques ou rapides.

Types de connecteur

Les câbles de recharge de voiture possèdent généralement deux connecteurs, l’un qui se branche sur la prise du véhicule et l’autre sur la borne de recharge elle-même. Les véhicules électriques disposeront soit d’une prise de type 1 ou de type 2 pour une charge lente/rapide, soit d’un connecteur CHAdeMO ou CCS pour une charge DC très rapide.

La plupart des bornes de recharge lentes/rapides possèdent une prise de type 2, tandis que toutes les bornes de recharge rapide DC ont un câble attaché avec principalement un connecteur CHAdeMO et un connecteur CCS. La plupart des conducteurs de véhicules électriques achèteront un câble de charge portable correspondant à la prise de type 1 ou de type 2 de leur véhicule pour leur permettre des recharges sur les réseaux publics.

Il existe actuellement huit normes de connecteurs différentes en cours d’utilisation, à travers les types AC et DC, qui varient d’une marque à l’autre et d’une région à l’autre.

Composants d’une station de charge de VE

Figure 1 : Composants d’un chargeur de VE typique – source TTI

Une borne de recharge pour VE comprendra généralement un chargeur de véhicule électrique, un réseau électrique, un compteur, un contrôleur d’énergie, une plateforme logicielle, le centre d’exploitation du réseau, un stockage d’énergie et plusieurs autres composants pertinents. Ces derniers comprendront des interfaces utilisateur, une connectivité réseau et des composants pour administrer la gestion des charges et la facturation.

Stockage d’énergie pour la recharge des véhicules électriques

Le système de stockage d’énergie d’une borne de recharge pour VE se compose de trois unités principales : la batterie, le système de conversion d’énergie et le logiciel.

Les batteries sont principalement des batteries lithium-ion, composées de cellules et d’un système de gestion des batteries (SGB) pour contrôler la charge et la décharge, tandis que le système de conversion de puissance se compose d’un onduleur et d’un boîtier, et d’un système de CVC pour maintenir la batterie à une température spécifique.

Le logiciel de recharge de véhicules électriques aide à connecter et à surveiller le chargeur, facilite la détection automatique des pannes, fournit un affichage en temps réel du compteur, gère la facturation et les paiements, effectue un suivi des coûts et gère les utilisateurs, entre autres.

Composants de sécurité

La sécurité est d’une importance primordiale pour les utilisateurs de chargeurs de VE, d’autant plus que beaucoup n’auront pas fait l’expérience de tensions aussi élevées. Les chargeurs de VE typiques d’aujourd’hui fournissent une alimentation DC de 400 V à 1 000 V, ce qui peut présenter des menaces pour la sécurité à la fois en raison d’un choc électrique (généralement à la suite d’un défaut à la terre) et d’une surintensité.

Un dispositif de protection contre les défauts à la terre utilise un transformateur de courant sur les conducteurs de phase. Cela garantit que tout le courant provenant de la source revient sur les mêmes conducteurs. Un défaut à la terre dans le système renverra le courant par ce chemin. Une protection contre les défauts à la terre est également requise du côté de la sortie pour éviter que les conducteurs ne touchent un embout potentiellement sous tension. Ceci est réalisé à l’aide d’un moniteur de défaut à la terre DC pour détecter une fuite à la terre et couper l’alimentation instantanément.

Les bornes de recharge pour véhicules électriques ont besoin de hautes tensions pour répondre aux demandes actuelles et au nombre de véhicules qui les utilisent, mais permettre à cette puissance de dépasser les niveaux normaux peut avoir de nombreuses conséquences indésirables : surchauffe des systèmes, isolation endommagée et même blessures ou décès des utilisateurs.

La solution consiste à sélectionner les fusibles en fonction de leur pouvoir de coupure, ainsi que leur calibre en fonction du courant de fonctionnement normal et de leur courbe temps-courant. De tels fusibles limiteurs de courant fonctionnent rapidement en cas de surintensité avec une forte valeur.

La protection contre les surintensités est particulièrement importante pour les semi-conducteurs sensibles aux menaces électriques. Ces semi-conducteurs sont typiquement à base de silicium et de carbure de silicium. Bien que les fusibles conventionnels suffisent à protéger la plupart d’entre eux, des fusibles DC haute vitesse spéciaux sont nécessaires pour protéger les dispositifs à semi-conducteurs de puissance tels que les MOSFET et les IGBT utilisés dans les convertisseurs de puissance.

Conversion de puissance

La conversion de puissance est un élément crucial dans les systèmes de charge rapide DC. La minimisation des pertes lors de la conversion d’énergie garantit que la quantité d’énergie maximale est transmise aux batteries du véhicule, ce qui contribue également à réduire l’accumulation de chaleur dans les systèmes.

Les dispositifs à semi-conducteurs de puissance convertissent le courant alternatif en courant continu nécessaire aux batteries du véhicule. Les dispositifs à semi-conducteurs contrôlent la charge par commutation, ce qui entraîne inévitablement des pertes de puissance sous forme de chaleur.

Pour relever ce défi, les convertisseurs de puissance avancés reposent de plus en plus sur la technologie du carbure de silicium (SiC) et du nitrure de gallium (GaN). Les deux technologies importantes dans ce domaine sont le SiC (carbure de silicium) et le GaN (nitrure de gallium).

Le SiC est un semi-conducteur composé de silicium et de carbure. Les semi-conducteurs de puissance SiC peuvent être utilisés avec des tensions de dispositifs de puissance beaucoup plus élevées que le silicium traditionnel, allant de 600 V à des milliers de volts. La technologie est généralement utilisée dans les applications à haute puissance et offre des pertes de commutation plus faibles et un coût moindre.

Le nitrure de gallium (GaN) est un semi-conducteur très dur et mécaniquement stable. Un GaNFET offrira une résistance à la coupure beaucoup plus élevée, une vitesse de commutation plus rapide, une conductivité thermique plus élevée et une résistance plus faible que les équivalents à base de silicium.

En plus de supporter des tensions beaucoup plus élevées que le silicium, sa commutation à grande vitesse le rend également particulièrement adapté à la gestion des batteries dans les véhicules électriques.

Aspects ergonomiques

L’un des principaux aspects de la conception des chargeurs de VE est leur facilité d’utilisation. Pour s’assurer que les VE atteignent le nombre de ventes nécessaires afin de maintenir un marché viable, les utilisateurs doivent être sûrs que les chargeurs sont faciles à utiliser et que leurs données sont sécurisées.

Cela englobe divers aspects. L’une des principales considérations concerne les câbles et les prises. Ceux-ci doivent avoir une poignée avec une prise à la conception ergonomique, avec une résistance minimale lorsqu’un utilisateur doit étendre et manipuler le câble. Les câbles doivent également avoir une longueur appropriée pour atteindre les prises sur différents modèles de véhicules.

Parmi les autres considérations, on trouve la hauteur et l’emplacement du point de charge et des câbles pour assurer une manipulation sûre par tous les utilisateurs, un éclairage suffisant pour permettre une utilisation nocturne, des options de paiement adaptées au marché choisi, des structures de tarification simples et un accès ouvert sans besoin d’un abonnement ou d’un processus d’inscription.

Communications et connectivité

Des communications simples, fiables et sécurisées avec la borne de recharge sont essentielles à la fois pour la gestion de la charge et la précision de la facturation.

Les points de charge génèrent de nombreuses données, qui peuvent inclure l’identifiant du point de charge, l’heure et la date de branchement, l’heure et la date de débranchement et l’énergie totale consommée en kilowattheures.

Des informations sur le conducteur telles que le mode de paiement, le numéro de compte et le montant dépensé pour la session de recharge seront également enregistrées. Des données peuvent également être nécessaires pour permettre la « recharge intelligente », où le chargeur communique avec la voiture, l’installation de recharge et le service public d’électricité pour optimiser la recharge et éviter la nécessité de mises à niveau coûteuses de l’approvisionnement.

Différents protocoles sont utilisés pour l’échange de données. Le protocole de communication le plus élémentaire utilisé dans les systèmes de charge AC de types 1 et 2 entre le chargeur et le véhicule est la norme CEI 61851 qui fournit des informations, par exemple, sur le démarrage et l’arrêt de la charge et le courant consommé par la voiture.

OCPP est une norme mondiale pour la communication du chargeur avec un back-office. Créée par l’Open Charge Alliance (OCA), la spécification comporte à la fois des fonctionnalités obligatoires et facultatives, allant du contrôle de base du chargeur à la sécurité de haut niveau et aux réserves.

En raison de cette masse de données, il est indispensable d’obtenir une connectivité excellente et fiable : entre les bornes de recharge des véhicules électriques, avec l’utilisateur et avec Internet.

Il existe ici trois options principales : version câblée, Wi-Fi ou cellulaire.

Les méthodes câblées ont la vitesse, la capacité et la fiabilité nécessaires pour gérer les échanges de données nécessaires, mais la quantité de câblage nécessaire pour connecter des charters potentiellement répandus pourrait rendre la méthode peu pratique.

Le Wi-Fi est une autre option. Bien qu’il évite un câblage étendu, le Wi-Fi présente des vulnérabilités aux pannes de courant, aux interférences radio et aux attaques malveillantes.

Le cellulaire permet à chaque borne de recharge d’accéder aux réseaux de téléphonie mobile. Offrant une couverture complète, une grande fiabilité et une sécurité robuste, le cellulaire est une solution idéale pour connecter des bornes de recharge.

Conclusion

Le nombre de chargeurs de VE est appelé à croître de manière significative, mais ils doivent répondre à certains critères s’ils veulent avoir la confiance des opérateurs de bornes de recharge et des utilisateurs. En tenant compte des besoins de sécurité, d’efficacité, de convivialité et de connectivité, ainsi que d’une facturation précise, les concepteurs de chargeurs de VE peuvent assurer le succès de leurs produits et contribuer à la croissance du marché global des VE.