Comment alimenter le réseau basse puissance d'un véhicule hors route électrique à partir de la batterie de traction

Le monde entier est captivé par les véhicules électriques (VE) lancés par les principaux constructeurs automobiles. Cet engouement est dû en partie à une publicité astucieuse, mais aussi au fait que ces voitures sont des exemples impressionnants d'ingénierie contemporaine. Pendant ce temps, une énorme flotte mondiale de héros électriques méconnus poursuit tranquillement ses activités.

Ces véhicules hors route (VHR) soutiennent l'économie mondiale : ils circulent dans les entrepôts, les usines, les aéroports, sur les quais et dans bien d'autres endroits où il faut déplacer des marchandises, des bagages et des personnes. Même si un chariot élévateur électrique poussiéreux opérant dans les coins les plus sombres d'un entrepôt n'est pas aussi glamour qu'un VE élégant et sportif roulant à vive allure sur l'autoroute, il joue un rôle tout aussi important (Figure 1). Et les défis de conception des VHR sont tout aussi difficiles, si ce n'est plus, que ceux rencontrés lors du développement de véhicules routiers.

Figure 1 : Les VHR électriques comme les chariots élévateurs présentent d'incroyables défis de conception. (Source de l'image : Komatsu)

Pas de système universel

L'une des principales tendances dans le secteur des VE routiers est l'abandon des batteries de traction de 400 volts (V) au profit de systèmes 800 V. Il s'agit d'une décision technique judicieuse, car la tension plus élevée réduit le courant requis pour fournir la même puissance aux moteurs de traction. Cela réduit ainsi la dissipation de puissance, ce qui permet d'utiliser des câbles plus légers et des moteurs plus petits tout en maintenant le même niveau de performances. Il y a quelques compromis à faire, comme des exigences plus élevées en matière d'isolement de tension, mais le passage à 800 V est une bonne chose dans l'ensemble.

Si une alimentation de 800 V est idéale pour transporter quatre personnes sur des centaines de kilomètres aux vitesses en vigueur sur l'autoroute, elle n'est pas nécessaire pour un chariot élévateur électrique qui passe sa vie à rouler au pas dans un entrepôt quelques heures par jour, ni pour un chariot à bagages transportant les bagages des voyageurs jusqu'aux pistes. C'est une bonne nouvelle pour le concepteur de VHR électriques, car trouver de la place sur un véhicule compact pour les 200 cellules lithium-ion (Li-ion) qui composent une batterie nominale de 800 V serait un véritable défi.

Au lieu de cela, les VHR électriques utilisent des batteries de traction plus petites. Selon l'application, les tensions de traction courantes pour les VHR sont de 24 V, 36 V, 48 V, 80 V, 96 V et 120 V. Cependant, même si les tensions de traction peuvent varier, la plupart des VHR ont en commun un réseau basse tension de 12 V pour alimenter des éléments comme les phares, les essuie-glaces, le klaxon et les ventilateurs.

Éliminer la batterie 12 V

Les VE routiers sont généralement équipés d'une batterie plomb/acide conventionnelle de 12 V pour alimenter leurs réseaux basse tension, même si les batteries de 48 V sont également de plus en plus populaires. Cette solution est judicieuse, car elle permet d'isoler physiquement le côté traction haute tension du réseau basse tension. Cela signifie également que les fonctions auxiliaires comme la direction à assistance électrique ou les sièges chauffants n'ont pas besoin de puiser de l'énergie directement dans la batterie de traction et n'ont donc pas d'impact sur l'autonomie puisque la batterie basse tension est chargée par le freinage régénératif.

Même s'il est possible d'ajouter une batterie de 12 V à un VHR, ce n'est pas la meilleure solution dans de nombreux cas. La batterie prend de la place, augmente le poids, le coût et la complexité, et le freinage régénératif est souvent minime dans les applications VHR pour la maintenir chargée. Dans de nombreux cas, les concepteurs choisissent de puiser directement dans la batterie de traction du VHR pour alimenter le réseau basse tension. Et comme l'autonomie est moins importante pour ces machines que pour les VE routiers, la consommation de la batterie de traction n'est pas aussi préoccupante.

De plus, les tensions plus faibles de la batterie de traction des VHR signifient que les réglementations relatives à l'isolement entre les circuits de traction et les circuits basse consommation sont moins strictes.

Des modules CC/CC robustes font l'affaire

L'alimentation d'un réseau basse tension à partir de la batterie de traction nécessite un convertisseur CC/CC pour abaisser la tension à 12 V. Le convertisseur doit être efficace pour réduire l'énergie puisée dans la batterie de traction et résoudre les problèmes de gestion thermique, suffisamment compact pour tenir dans l'espace disponible dans un petit VHR et suffisamment robuste pour fonctionner de manière fiable dans des conditions difficiles.

Les modules d'alimentation prêts à l'emploi série RMOD de RECOM conviennent parfaitement (Figure 2). Ces modules sont conçus pour générer une faible tension à partir de la batterie de traction d'un véhicule et sont disponibles dans des versions de 400 watts (W) et 600 W. Les modules sont étanches à la poussière et à l'eau selon IP69K, et sont certifiés EN60068 pour la résistance aux cycles de température, aux chocs et à l'endurance, aux cycles d'humidité et de chaleur, aux vibrations, aux chocs mécaniques et au brouillard salin. Ils sont également isolés pour 2,5 kilovolts (kV) CC et sont certifiés CEI/EN/UL/CSA 62368-1.

Figure 2 : Les modules CC/CC RMOD de RECOM sont des solutions robustes pour alimenter les réseaux basse tension à partir de batteries de traction. (Source de l'image : RECOM)

Le module RMOD400-28-13SW de la ligne 400 W peut accepter une tension d'entrée CC de 16,8 V à 56 V et produire 30,8 ampères (A) à 13 V. Il mesure 203,2 millimètres (mm) x 115,06 mm x 60,96 mm et offre un rendement de 85 %. La Figure 3 montre les courbes de rendement du module pour une gamme de tensions. Il existe également une version avec une sortie de 24 V (RMOD400-60-24SW).

Figure 3 : Courbes de rendement du module CC/CC RMOD400-28-13SW pour une gamme de tensions d'entrée. (Source de l'image : RECOM)

Le module RMOD600-80-13SEW de 600 W a une plage de tensions d'entrée CC de 33,6 V à 125 V et produit 46,2 A à 13 V. Le module fait la même taille et offre le même rendement que la version de 400 W. La Figure 4 montre la dissipation de puissance du module en fonction de la charge. Le module nécessite une gestion thermique appropriée pour réguler sa température à des charges de sortie élevées.

Figure 4 : Courbes de dissipation de puissance du module CC/CC RMOD600-80-13SEW. (Source de l'image : RECOM)

Se débarrasser de la chaleur

Grâce à leur boîtier étanche à l'eau et à la poussière, les dispositifs peuvent être connectés au châssis du VHR et fonctionner de manière fiable dans les conditions les plus défavorables. Les modules doivent être montés sur une pastille thermique, puis sur un élément du châssis pouvant servir de dissipateur thermique. Le module peut être utilisé dans des applications fermées à pleine charge, à condition que le refroidissement soit suffisant pour maintenir la température du socle en dessous de 70°C.

Plusieurs modules peuvent fonctionner en parallèle, à condition qu'ils aient la même tension de sortie nominale. Toutefois, comme il n'y a pas de partage actif du courant, le concepteur doit être conscient que les unités connectées en parallèle peuvent contribuer différemment au courant de charge total (Figure 5).

Figure 5 : Le fonctionnement en parallèle des convertisseurs CC/CC RMOD de RECOM est possible, à condition qu'ils aient la même tension de sortie nominale. (Source de l'image : RECOM)

Conclusion

Les concepteurs de VHR peuvent éviter d'avoir recours à une batterie basse tension supplémentaire en alimentant le réseau basse tension utilisé pour les systèmes auxiliaires du véhicule à partir de la batterie de traction. Les modules CC/CC RMOD de RECOM offrent une solution plug-and-play spécialement conçue à cet effet. Les modules acceptent une vaste plage de tensions d'entrée de la batterie de traction tout en fournissant des sorties 13 V régulées et à faible ondulation pour les systèmes auxiliaires.