Surmonter les défis de conception pour une infrastructure de charge de VE rapide et efficace

Les solutions de charge de véhicules électriques (VE) nécessitent une gamme de technologies de conversion de puissance pour soutenir les conceptions à courant alternatif (CA) pour les chargeurs à domicile et au bureau, et les systèmes de charge rapide à courant continu (CC) pour la charge lors de longs trajets routiers. Le point commun entre tous les types de chargeurs de VE est qu'ils requièrent une variété de contacteurs, de relais, de connecteurs et de composants passifs pour prendre en charge les hautes tensions et les forts courants présents, et pour fournir les conceptions compactes et les hauts rendements nécessaires pour soutenir une infrastructure de charge de VE plus rapide, plus sûre, plus compacte, plus efficace et plus flexible.

La conception de chargeurs de VE efficaces et flexibles exige une variété de dispositifs haute tension compacts. Ces dispositifs doivent fournir de faibles résistances électriques avec un fonctionnement fiable et sûr. Dans certains cas, ces dispositifs nécessitent également une longue durée de vie de commutation électrique lorsqu'ils sont exposés à des environnements de fonctionnement difficiles. Certains dispositifs de sécurité, comme les interrupteurs d'arrêt d'urgence, doivent être qualifiés IP67. D'autres, comme les filtres contre les interférences électromagnétiques (EMI), les blocs de jonction et les contacteurs, doivent présenter des certifications de performances internationales spécifiques.

Cet article présente un aperçu des conceptions de chargeurs de VE CA et CC et de certaines normes régionales associées. Il étudie la nécessité de disposer de chargeurs de VE de plus haute puissance et se penche sur l'avenir de la charge extrêmement rapide (XFC). Il conclut par une brève présentation de l'utilisation des contacteurs, des relais, des connecteurs, des résistances de puissance, des commutateurs, des filtres EMI et des systèmes d'interconnexion de blocs de puissance dans les systèmes de charge de VE et fournit des liens vers des exemples de produits de TE Connectivity.

Normes régionales

Il existe un certain nombre de normes qui définissent la charge CA et CC des véhicules électriques. Chaque région a sa propre approche. En Amérique du Nord, la norme SAE J1772 décrit trois niveaux de charge de VE, tandis que la norme CEI 61851 est utilisée en Europe et détaille quatre modes de charge. En Chine, la norme est GB/T 20234 pour la charge CA et CC, tandis qu'au Japon, la norme JARI (Japan Automobile Research Institute) s'applique à la charge CA et la norme CHAdeMO à la charge CC. La charge CA est typiquement utilisée jusqu'à environ 22 kW, tandis que la charge CC délivre plus de puissance. De plus, la charge CA requiert un chargeur embarqué (OBC), tandis que les chargeurs CC se connectent directement au bloc-batterie (Figure 1). Une brève comparaison des normes de charge en Amérique du Nord et en Europe fournit le contexte pour la section suivante sur les conceptions et les cas d'utilisation des chargeurs.

Figure 1 : La charge CA utilise un chargeur embarqué, tandis que la charge CC alimente la batterie directement en énergie. (Source de l'image : TE Connectivity)

L'Amérique du Nord dispose de deux niveaux de charge CA. Le niveau 1 utilise une prise murale pour délivrer jusqu'à 1,9 kW, tandis que le niveau 2 utilise une borne de charge jusqu'à 19,2 kW. Les chargeurs de niveau 1 sont principalement utilisés à domicile, tandis que les chargeurs de niveau 2 se trouvent dans les environnements résidentiels et commerciaux. L'Europe dispose de trois modes de charge CA. Le mode 1 correspond au niveau 1 en Amérique du Nord, tandis que le mode 3 correspond au niveau 2 en Amérique du Nord. L'Europe offre également un type intermédiaire, le mode 2, qui utilise une prise murale comme le mode 1 mais ajoute des circuits de protection au câble de connexion, lui permettant de délivrer deux fois plus de puissance.

La rapidité n'est pas suffisante

Les chargeurs CA rapides, comme ceux de niveau 2 en Amérique du Nord et de mode 3 en Europe, sont plus rapides que les alternatives qui prennent jusqu'à 10 à 12 heures pour charger complètement un véhicule électrique. Mais plusieurs heures peuvent néanmoins être nécessaires pour recharger une batterie à plat par CA rapide, ce qui n'est pas un problème lorsqu'une voiture est stationnée sur le lieu professionnel, à la maison ou ailleurs pendant une période prolongée. Mais cette solution n'est pas encore assez rapide pour réduire de manière significative l'anxiété des conducteurs de véhicules électriques quant à l'autonomie.

C'est pourquoi des chargeurs CA de mode 3 haute puissance et des chargeurs CC de niveau 4 ont été développés. La vitesse de charge pour la charge rapide CC dépend de la quantité de courant disponible dans le chargeur et de la tension du bloc-batterie. Les chargeurs rapides CC ont initialement été développés pour des blocs-batteries de 400 V. Pour atteindre 80 % de charge avec un chargeur de 400 V, 200 A, il faut environ 50 minutes. Augmenter le courant à 350 A est un défi, mais cela peut fournir une charge de 80 % à un bloc de 400 V en 29 minutes environ. Bien que l'augmentation du courant réduise le temps de charge nécessaire, il faut aller plus loin pour faire de la charge de VE une alternative efficace en termes de temps par rapport aux autres méthodes de ravitaillement en carburant. L'objectif est un temps de charge de 10 minutes — soit à peu près le temps nécessaire pour remplir le réservoir d'un véhicule à moteur à combustion interne (ICE).

La prochaine phase de charge rapide CC est la charge extrêmement rapide (XFC). Pour atteindre le niveau XFC, la tension des blocs-batteries passe de 400 V à 800 V, avec des blocs de 1 kV à l'horizon. La technologie de chargeur XFC est en cours de développement pour fournir 1 kV à 350 A - 500 A, ramenant les temps de charge à 10 minutes ou moins. Avec les avancées XFC, l'anxiété liée à l'autonomie deviendra obsolète.

En plus de développer la technologie XFC, les concepteurs sont confrontés à la pression d'obtenir des conceptions compactes et des rendements élevés pour permettre une charge de VE plus sûre, plus compacte, plus efficace et plus flexible. Cela nécessite des composants sophistiqués et des conceptions avancées.

Figure 2 : Des composants avancés sont nécessaires pour développer des solutions de charge plus compactes et plus puissantes pour les véhicules électriques. (Source de l'image : TE Connectivity)

S'adapter aux espaces restreints

Les conceptions de chargeurs XFC sont développées à l'aide de semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium (SiC) et en nitrure de gallium (GaN) qui offrent des solutions de conversion de puissance compactes et haut rendement. Cependant, la conversion de puissance ne constitue qu'un élément de la conception des chargeurs de VE.

Les chargeurs de VE nécessitent des connecteurs de cartes et de signaux compacts et robustes pour le contrôle et la surveillance. Ils ont besoin de relais et de contacteurs peu encombrants, capables de gérer les tensions plus élevées associées à des régimes de charge plus rapides. Les résistances de puissance dans les chargeurs de VE requièrent une haute résistance d'isolement, une faible température de surface, d'excellentes performances de coefficient de température de résistance (TCR), la capacité de dissiper une puissance élevée dans un espace limité et une construction ignifuge.

Les alimentations auxiliaires et autres circuits dépendent de filtres contre les interférences électromagnétiques (EMI) compacts pour éliminer les interférences avec la logique de commande et les circuits de surveillance. Des interrupteurs d'arrêt d'urgence avec indice de protection IP65 et une force d'actionnement suffisante pour prévenir toute commutation accidentelle sont nécessaires pour résister aux environnements difficiles.

Chargeurs CA de niveau 2 /mode 3

La liste suivante détaille certains composants clés requis lors de la conception de chargeurs CA de niveau 2 et mode 3. Les numéros de la liste correspondent aux numéros indiqués dans la Figure 3 ci-dessous.

1. Des relais de puissance, comme ceux de la série T92 de TE, sont utilisés comme commutateurs principaux dans les bornes de charge CA. Ces relais bipolaires unidirectionnels (DPST) sont répertoriés jusqu'à 50 A et sont conçus pour une utilisation à des températures extrêmes. Le T92HP7D1X-12 est optimisé pour des performances thermiques supérieures et répertorié pour 50 A et 600 VCA jusqu'à 85°C.
2. Des connecteurs de cartes et de signaux, comme ceux de la série Dynamic Mini de TE, sont requis pour prendre en charge la connectivité de signaux et d'alimentation des circuits imprimés internes. Ces connecteurs sont dotés d'un mécanisme de verrouillage positif audible pour faciliter l'installation et la maintenance sur le terrain. Ils sont répertoriés pour un fonctionnement de -40°C à +125°C pour répondre aux exigences des installations de charge CA. Par exemple, le dispositif 1-2834461-2 dispose de 12 positions sur une ligne médiane de 1,8 mm.
3. Les résistances de puissance sont importantes pour surveiller, gérer et garantir un fonctionnement sûr. Elles doivent présenter une haute résistance d'isolement, de faibles valeurs TCR telles que 300 ppm/°C, une faible augmentation de la température de surface et une construction ignifuge. La série SQ de TE, comme le modèle de 1 Ω ±5 % 5 W SQPW51R0J, convient à une utilisation dans les chargeurs CA.
4. Un interrupteur d'arrêt d'urgence est important pour la sécurité du chargeur CA. TE propose l'interrupteur d'arrêt d'urgence à bouton-poussoir série PBE16, en version lumineuse ou non lumineuse. Ces interrupteurs répondent aux exigences CEI 60947-5-1 et CEI 60947-5-5. Par exemple, le PBES16L1CR est répertorié IP65 avec une force d'actionnement de 20 newtons (N) pour éviter tout actionnement accidentel.
5. Des filtres EMI sont nécessaires pour les alimentations auxiliaires des bornes de charge afin d'éviter les interférences avec le fonctionnement des circuits numériques utilisés pour la surveillance et le contrôle de puissance. Des alimentations auxiliaires sont également requises pour alimenter les semi-conducteurs de puissance dans la section de conversion de puissance. Le 6609065-3 de TE est un filtre EMI monophasé répertorié pour 6 A à 250 VCA et 50 ou 60 Hz.
6. Enfin, des solutions électriques sont nécessaires pour le câblage et l'identification des panneaux afin d'accélérer l'assemblage et la maintenance sur le terrain. Ces étiquettes doivent être faciles à installer et très durables. Par exemple, le PL-027008-2.5-9 de TE est une étiquette adhésive en polyester conçue pour être utilisée dans les armoires électriques telles que les bornes de charge de VE.

Figure 3 : Composants clés nécessaires pour les chargeurs CA de niveau 2 et mode 3. (Source de l'image : TE Connectivity)

Charge CC rapide et XFC

D'un point de vue général, les types de composants requis pour les chargeurs CA de niveau 2 et mode 3 semblent similaires à ceux utilisés dans les chargeurs CC rapides. Il existe cependant des différences subtiles et évidentes entre les deux.

Les bornes de charge CA utilisent généralement des relais pour le contrôle de la puissance, tandis que les chargeurs CC nécessitent des contacteurs. Bien que les relais et les contacteurs soient des commutateurs utilisant une basse tension telle que 12 VCC pour commuter un circuit à tension plus élevée, les dispositifs utilisent différentes structures de contact optimisées pour différents niveaux de tension et de courant. Les relais sont généralement répertoriés pour jusqu'à 600 V, tandis que les contacteurs sont répertoriés pour 800 V et plus. De plus, les relais sont généralement limités à des dizaines d'ampères, tandis que les contacteurs peuvent commuter des centaines d'ampères. Par exemple, le contacteur EV200AAANA de TE est répertorié pour 900 V et 500 A, et convient aux chargeurs CC rapides.

Les connecteurs de signaux et les résistances de puissance utilisés dans les chargeurs CC ne sont pas les mêmes que ceux utilisés dans les conceptions CA. Les chargeurs CC impliquent un contrôle plus complexe, par exemple les communications avec le bloc-batterie du VE, ce qui n'est pas le cas dans les conceptions CA. Les chargeurs CA et CC bénéficient de l'utilisation de connecteurs carte-à-carte à pas fin avec une ligne médiane de 1,00 mm x 1,00 mm, mais les chargeurs CC peuvent nécessiter un nombre de broches plus élevé, comme le 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP à 30 positions.

De plus, les niveaux de puissance plus élevés des chargeurs CC peuvent bénéficier de résistances de puissance en boîtier aluminium comme la série HS de TE. Ces résistances bobinées sont très stables et peuvent dissiper une haute puissance dans un espace restreint avec une température de surface relativement faible. Par exemple, le HSA1010RJ est répertorié pour 10 Ω ±5 % et 10 W. Les autres modèles de la série sont répertoriés pour jusqu'à 82 kΩ et jusqu'à 300 W.

Le même type d'interrupteur d'arrêt d'urgence peut souvent être utilisé pour les chargeurs CA et CC, mais dans le cas des filtres EMI, les chargeurs CC peuvent nécessiter des filtres plus grands ou plus de filtres selon la conception.

Une autre différence entre les chargeurs CA et CC est que les chargeurs CC nécessitent des blocs de jonction de puissance tels que les blocs de puissance compacts ENTRELEC de TE pour la distribution de puissance interne. Le CBS50-2P est répertorié pour 150 A et 1 kV.

Figure 4 : Les chargeurs CC rapides nécessitent bon nombre des mêmes composants que les chargeurs CA de niveau 2 et mode 3, mais il existe également quelques différences subtiles. (Source de l'image : TE Connectivity)

Conclusion

Des chargeurs de VE avancés sont essentiels pour réduire l'anxiété liée à l'autonomie et permettre le déploiement à grande échelle des véhicules électriques. Ces chargeurs avancés doivent utiliser des tensions et des courants plus élevés pour réduire les temps de charge à environ 10 minutes, et rendre la durée de charge des véhicules électriques comparable aux temps de ravitaillement en carburant des véhicules à moteur à combustion interne. Comme illustré, les concepteurs ont besoin d'une grande variété de composants compacts, efficaces et robustes pour les chargeurs rapides CA et CC et les futures générations de conceptions XFC.