Dans la grande histoire des moyens de locomotion des êtres humains, les véhicules électriques (VE) sont un développement relativement récent. Les VE et la technologie de recharge des VE ont évolué parallèlement, pour l’essentiel. Toutefois, pour que les VE se généralisent véritablement, la technologie de recharge doit gagner en rapidité. Cet article se penche sur les éléments constitutifs du matériel de recharge pour VE et montre comment les nouvelles solutions de STMicro peuvent contribuer à la prochaine génération d’innovations.
Comprendre la technologie de charge des véhicules électriques à batterie
À l’aube d’une nouvelle décennie, les ingénieurs en conception automobile se trouvent à un confluent de technologies très intéressant. La technologie des batteries a atteint le stade où les véhicules électriques peuvent être développés avec des quantités significatives d’énergie stockée pour amener les occupants du véhicule d’un point A à un point B, tout en offrant une expérience de conduite à la fois palpitante et familière. Parallèlement, la technologie des semi-conducteurs offre des niveaux de précision de mesure toujours plus élevés, intégrés dans les systèmes de gestion des batteries (BMS) actuels, tandis que la technologie de commutation nouvelle génération nous permet d’atteindre les derniers points de pourcentage d’amélioration de l’efficacité dans les systèmes de conversion d’énergie lorsque l’énergie est acheminée vers les pneus lors de la conduite, et vers la batterie lors de la charge. Cela garantit que plus d’énergie est utilisée de manière utile, comme jamais auparavant.
Malgré l’augmentation de la capacité des batteries à mesure que les véhicules électriques à batterie (BEV) arrivent à maturité, l’anxiété liée à l’autonomie reste le principal obstacle à leur adoption, selon les gestionnaires de flotte britanniques. 80 % déclarent qu’il s’agit de leur principale préoccupation, ce qui les conduit à n’envisager les BEV que pour certains conducteurs au sein de leur flotte. En outre, 41 % ont déclaré que l’infrastructure de recharge était un obstacle à l’adoption, bien que seulement 3 % des recharges aient lieu sur la route (contre 60 % sur le lieu de travail et 30 % à la maison).
Cependant, les conversations avec les utilisateurs réels révèlent une image différente. Les conducteurs décrivent les longs trajets qu’ils effectuent entre les villes à bord de leur BEV sans être plus inquiets d’arriver à destination qu’ils ne l’auraient été dans un véhicule à moteur à combustion interne (MCI). Les réseaux de stations de recharge à grande vitesse garantissent qu’une partie importante de la batterie peut être rechargée en un temps raisonnable, compatible avec le temps de remplissage des stations-service utilisant un chargeur CC ultrarapide. Et, bien sûr, les constructeurs automobiles intègrent des planificateurs de voyage dans leurs systèmes de navigation qui garantissent que le temps et l’emplacement nécessaires pour la recharge sont pris en compte dans l’itinéraire choisi et la durée du voyage.
L’état de la recharge des BEV
Comme nous l’avons déjà souligné, de nombreux BEV sont rechargés lorsqu’ils sont garés et que leurs propriétaires sont à la maison ou au travail. Ainsi, la charge peut se faire sans contrainte de temps, ce qui signifie que la prise de courant alternatif standard peut être utilisée pour charger le véhicule (figure 1). Les solutions de recharge de ce type relèvent du niveau 1 de la classification des équipements d’alimentation des véhicules électriques (EVSE) de la Society of Automotive Engineers (SAE). La solution consiste en un convertisseur CA/CC intégré au véhicule, qui garantit que la tension CC correcte est générée pour charger la batterie, tout en surveillant les défauts pour protéger le véhicule. Ces convertisseurs sont communément appelés chargeurs embarqués (OBC). Cela suppose un courant alternatif monophasé de 120 VCA capable de fournir jusqu’à 16 A (<2 kw). dans="" l’hypothèse="" d’une="" prise="" domestique,="" cela="" signifie="" qu’une="" batterie="" de="" 35 kwh="" nécessiterait="" bien="" plus="" d’une="" demi-journée="" pour="" être="" complètement="" rechargée="" à="" partir="" d’une="" batterie="">
Figure 1 : Les options de recharge des HEV et BEV rechargeables sont réparties entre les chargeurs embarqués à courant alternatif et les chargeurs hors-bord à courant continu.
Les solutions de niveau 2 utilisent des alimentations biphasées de 240 VCA qui peuvent fournir jusqu’à 80 A (< 20 kw).="" elles="" nécessitent="" l’accès="" à="" des="" stations="" de="" recharge="" dédiées,="" mais="" réduisent="" les="" temps="" de="" charge="" à="" environ="" six="">
Pour fournir des niveaux de puissance supérieurs, il faut passer à la charge en courant continu. Dans ce cas, le courant alternatif entrant est converti en courant continu dans une solution permanente, connue sous le nom de pile de charge et dont la conception est similaire à celle d’une pompe à carburant, fournissant jusqu’à 1 000 VCC à 400 A (400 kW au maximum). À ces niveaux de puissance, la capacité du système de batterie à accepter la charge disponible devient le facteur limitant. Ainsi, une voiture familiale de taille moyenne pourrait se charger à 50 kW et gagner 90 miles (144 km) par demi-heure.
Toutes ces approches normalisées sont couvertes par les normes SAE J1772 « SAE Electric Vehicle and Plug-in Hybrid Electric Vehicle Conductive Charge Coupler » et SAE J3068 « Electric Vehicle Power Transfer System Using a Three-Phase Capable Coupler » qui couvrent le marché nord-américain. Celles-ci définissent également le « J Plug », le connecteur électrique utilisé sur ce marché.
Bien entendu, les fournisseurs de solutions de recharge préféreraient disposer d’une spécification unique pour concevoir, construire et tester les chargeurs de BEV. Cela devrait couvrir non seulement les tensions et les puissances prises en charge, mais aussi les connecteurs et les interfaces de communication permettant de détecter les besoins du véhicule en matière de batterie et de prendre en charge la facturation.
Pour répondre à ce besoin, les approches de charge en courant continu et en courant alternatif sont incluses dans la spécification du système de charge combiné (CSS) du groupe CharIN e. V., une norme ouverte encourageant un système de charge universel à l’échelle mondiale. Elle intègre toutes les normes existantes, celles mentionnées ci-dessus ainsi que les normes CEI 61851 et CEI 62196. Cela a également conduit à la normalisation des connecteurs utilisés. L’Amérique du Nord s’est ralliée au système de type 1 et Combo 1, tandis que l’Europe a choisi le type 2 et Combo 2, la fiche/prise assurant respectivement la prise en charge du courant alternatif seulement et du courant alternatif/continu.
Le CSS est toujours activement développé, l’organisation s’intéressant à des sujets tels que la recharge sans fil, la recharge à haute puissance pour les véhicules commerciaux (HPCCV) et les dispositifs de connexion automatisés (ACD) pour les solutions de connexion sous la carrosserie.
D’autres régions et fournisseurs ont adopté des approches différentes. Les équipementiers automobiles japonais ont défini leur système CHAdeMO, tandis que le système GB/T est couramment utilisé en Chine. Certains constructeurs automobiles ont leur propre système.
Mise en œuvre d’une charge CC rapide
Pour que la recharge de nos BEV soit aussi fluide et simple que celle de nos véhicules actuels, les chargeurs rapides à courant continu doivent fournir des quantités importantes d’énergie. Pour ce faire, ils doivent également être équipés de sources d’alimentation triphasées appropriées. Il est probable que cette catégorie de chargeurs BEV les plus performants sera installée dans les stations-service des autoroutes, afin de fournir l’appoint de charge rapide nécessaire sur les longs trajets. Les BEV les plus performants sur le marché aujourd’hui sont capables d’atteindre 80 % de leur charge à l’aide d’un chargeur à courant continu de 150 kW en seulement 33 minutes (autonomie maximale de 420 km) et, avec une limite supérieure de 350 kW définie pour ce type de chargeur, il existe encore un potentiel d’obtenir des vitesses encore plus rapides.
À ces niveaux de puissance, l’efficacité sera essentielle et les défis à relever ne doivent pas être sous-estimés. Les pertes seront importantes non seulement dans le système électrique, mais aussi dans le câble entre la pile de recharge et le véhicule. Il faudra peut-être même prévoir un refroidissement liquide entre le chargeur et la prise, ce qui devra être pris en compte dans la conception globale.
Les chargeurs rapides à courant continu sont généralement mis en œuvre de l’une des deux manières suivantes, toutes deux utilisant un étage CA/CC suivi d’un convertisseur CC/CC. La première prend le courant alternatif triphasé entrant et le convertit en une tension continue fixe, d’environ 800 V, l’étage du convertisseur CC/CC réglant la sortie pour qu’elle corresponde aux besoins de la batterie intégrée dans le véhicule. Dans la seconde approche, l’étage CA/CC négocie la tension requise par le véhicule, générant une sortie CC variable qui est utilisée par le convertisseur CC/CC (figure 2). Aucune des deux approches n’est considérée comme offrant un avantage clair par rapport à l’autre ; c’est plutôt la mise en œuvre de chaque étape, en particulier en se concentrant sur la plus grande efficacité, qui s’avère déterminante. L’unité de charge complète sera composée de plusieurs sous-unités qui, combinées, fourniront la puissance de charge souhaitée. Cela facilite la construction, garantit que la pile de chargement continue de fonctionner si l’une des sous-unités tombe en panne, et simplifie les réparations et les mises à niveau.
Figure 2 : Architecture d’un chargeur rapide à courant continu, avec une liaison à courant continu à tension fixe ou variable
Une gamme de topologies offrant un rendement supérieur peut être envisagée pour l’étage AC/DC, mais le redresseur de Vienne pour le redressement et la correction du facteur de puissance (PFC) est un concurrent de poids. Il peut également générer une tension de sortie variable si nécessaire. La conception est robuste, même dans des conditions de défaillance, capable de maintenir sa sortie même en cas de perte d’une phase. En cas de défaillance du circuit de commande de commutation, il n’y a pas non plus de risque de court-circuit. La conception à modulation de largeur d’impulsion (MLI) à trois niveaux peut être mise en œuvre avec deux diodes sur le chemin d’entrée (type 1) ou une seule diode (type 2).
L’approche de type 1 ne nécessite que des dispositifs de 650 V, ce qui se traduit par un coût global inférieur pour les commutateurs sélectionnés mais, en raison des deux diodes dans le chemin principal du courant, l’efficacité maximale possible est affectée. En comparaison, la conception de type 2 peut atteindre des rendements plus élevés grâce à sa conception à diode unique, mais elle exige l’utilisation de diodes capables de supporter 1 200 V (figure 3). Cela peut obliger à choisir la technologie du carbure de silicium (SiC), ce qui aura un impact sur le coût global.
Figure 3 : Le redresseur de Vienne est réputé pour son rendement élevé et sa robustesse en tant que PFC et redresseur de courant alternatif
Dans la conception de type 2, une diode telle que la STBR6012W est tout à fait appropriée. Ce dispositif en silicium (Si) supporte une tension répétitive inverse (VRRM) de 1 200 V et un courant direct moyen (IF(AV)) de 60 A. Fourni dans un boîtier ECOPACK™ pour répondre aux exigences environnementales, le schéma DO-247 est facile à intégrer dans les conceptions à refroidissement passif et actif. La diode Schottky de puissance SiC STPSC40H12C de 1 200 V pourrait également être envisagée. Logé dans un boîtier TO-247 LL, il fournit une FI(AV) de 2 x 20 A. Grâce à la stabilité du SiC en température, ses caractéristiques de commutation restent remarquablement constantes tandis que la capacité de surtension avant élevée est idéale pendant les phases transitoires.
Les commutateurs peuvent être mis en œuvre en utilisant la série HB d’IGBT à grande vitesse (STGW40H65DFB-4) qui permet une commutation plus rapide grâce à une broche Kelvin qui sépare le chemin d’alimentation et le signal de commande. Il est également possible d’utiliser des MOSFET de puissance de 650 V de la série M5 utilisant la technologie MDmesh™. Ce processus vertical innovant réduit la résistance à l’enclenchement, ce qui est idéal pour les puissances élevées et les rendements élevés recherchés ici. Enfin, les MOSFET de puissance SiC 650 V, tels que le SCTW90N65G2V-4, avec leur RDS(on) de 18mΩ, peuvent confortablement supporter 90 A de courant de drain à 100 °C.
Ces options peuvent offrir des rendements de pointe allant jusqu’à 99,4 % à des fréquences de commutation de 20 kHz (simulées à 125 °C, pertes de semi-conducteurs uniquement), dépassant légèrement l’approche du type 1 de Vienne grâce à la diode unique dans le chemin de courant principal (figure 4).
Figure 4 : Les simulations démontrent que les MOSFET SiC offrent le rendement le plus élevé dans la conception de type 2 de Vienne.
D’autres approches incluent l’utilisation de trois boosters PFC monophasés, ou une conception PFC de type Totem Pole (Figure 5). Le booster monophasé est élégant dans sa simplicité et est capable d’atteindre un rendement >98 % à 1 200 W pour une entrée de 230 VCA. Le courant alternatif entrant est redressé à l’aide d’un redresseur (STBRxx12W) ou de thyristors (SCR), alimentant un commutateur, une inductance et une diode. Les MOSFET SiC et les diodes constituent la combinaison optimale, car elles fournissent la tension de fonctionnement de 1 200 V nécessaire pour les tensions de liaison DC élevées impliquées. Le contrôle peut être mis en œuvre à l’aide d’un contrôleur PFC en mode courant continu (STNRGPF01) ou, si une plus grande intelligence est requise, à l’aide d’un microcontrôleur STM32.
Plus exigeant au niveau du contrôle, le Totem Pole PFC nécessite un microcontrôleur, en particulier lors de la mise en œuvre d’un MOSFET ou d’un SCR au lieu de simples diodes. Le MCU (STM32 ou SPC58) peut être couplé à un STGAP2S, un driver de porte simple rail-torail capable de supporter 4 A avec un temps de propagation de 80 ns, permettant une grande précision de contrôle PWM. Il offre également une fonction de serrage de Miller pour éviter les pointes de grille lors des commutations rapides.
Figure 5 : Les approches alternatives pour l’étage AC/DC comprennent le Booster PFC (gauche) et les variations du Totem Pole PFC (droite - SCR sans relais)
L’étape CC/CC
La tension du lien CC est transmise à l’étage CC/CC. Une approche possible est l’utilisation d’un convertisseur LLC résonant. La mise en œuvre supplémentaire de la commutation à tension nulle (ZVS) contribue à leur efficacité supérieure connue et ils offrent une densité de puissance élevée. Cette approche prend en charge une alimentation variable en courant continu et intègre l’une des inductances du côté primaire dans le transformateur qui fournit également une isolation galvanique. À partir de là, il est possible d’atteindre des tensions de batterie typiques de l’ordre de 200 à 500 V.
On peut également envisager un pont actif double (DAB) avec un système LLC bidirectionnel. De plus en plus, la technologie Vehicle-to-Grid (V2G) ou Vehicle-to-Building (V2B) est présentée comme un moyen d’utiliser la masse en attente des batteries des BEV pour compléter le réseau électrique pendant les périodes d’utilisation maximale ou les moments de coupure de courant. Cette topologie est plus logique pour les chargeurs CC de moyenne puissance qui chargent les BEV dans les parkings au cours de la journée.
Les MCU (STM32 ou SPC58) et les dispositifs de commande isolés mentionnés précédemment sont également bien adaptés au contrôle du système et à la commande des interrupteurs. Grâce à leur faible RDS(on), les MOSFET SiC, 600 V ou 1 200 V selon la tension de sortie visée, se prêtent à cet étage CC/CC, étant robustes et adaptés aux conceptions compactes. Le LLC résonant peut alors utiliser soit des diodes SiC 1 200 V dans une configuration ZVS, soit des diodes de récupération douces et ultrarapides 600 V telles que la STTH30RQ06 qui offre une capacité de température de jonction élevée et un faible courant inverse ainsi qu’une faible résistance thermique.
STMicroelectronics développe une carte d’évaluation de chargeur de 7 kW qui peut être empilée avec deux autres cartes de la même conception pour démontrer une solution de charge en courant continu de 21 kW (figure 6). Cette conception particulière est basée sur un PFC totem-pôle entrelacé, utilisant des MOSFET SiC, et un convertisseur DC/DC LLC en pont complet entrelacé, utilisant des MOSFET silicium à super-jonction 650 V (Figure 7). Ce chargement à bord étant l’une des applications ciblées, la carte utilise un microcontrôleur SPC58 N Line qualifié pour l’automobile. Conçu pour répondre au niveau de sécurité ASIL-D, ce qui le rend idéal pour les applications BEV, il prend en charge une large gamme d’interfaces de réseau automobile. Le module de sécurité matériel (HSM) embarqué pourrait également être utilisé pour assurer la protection et la sécurité des mises à jour OTA (Over-the-Air) ou même du système de facturation pour les piles de recharge.
Figure 6 : Le module de chargeur embarqué de 7 kW démontre la capacité des technologies SiC et silicium MOSFET, driver, thyristor et microcontrôleur SPC58.
Figure 7 : Schéma de la conception du chargeur embarqué de 7 kW, y compris le PFC et le FB LLC entrelacé
Les BEV arrivent à maturité, mais fait encore l’objet de réticences de la part des consommateurs en raison du manque perçu d’infrastructures et de temps de charge. Des organisations telles que CharIN rassemblent des experts du secteur pour veiller à ce que des normes soient définies et que le plus grand nombre possible de pays y adhèrent. Cela permet de s’assurer que la taille du marché des solutions de recharge pour BEV est suffisante pour réaliser des économies d’échelle. Simultanément, les progrès réalisés dans la conception des MOSFET, ainsi que l’introduction du SiC pour les commutateurs et les diodes, permettent aux ingénieurs de concevoir et de mettre en œuvre les solutions de charge rapide en courant continu dont l’industrie automobile a besoin, tout en garantissant les niveaux d’efficacité les plus élevés possibles qui répondent à des spécifications exigeantes. Des partenaires tels que STMicroelectronics fournissent non seulement l’électronique de pointe nécessaires, mais aussi, grâce à leurs cartes d’évaluation, le savoir-faire et les connaissances techniques indispensables à cette technologie automobile passionnante.