Les véhicules électriques (VE) existent depuis aussi longtemps que les véhicules à essence, mais cela ne fait que quelques années que leurs progrès pour remplacer les véhicules traditionnels deviennent notables. Des efforts sont déployés pour rendre les véhicules électriques prédominants sur les routes dès que possible. L’UE a spécifiquement imposé l’interdiction des véhicules à combustion interne d’ici 2035, ce qui montre le sérieux de ses intentions. Stimulée par des progrès technologiques considérables et une aide gouvernementale significative, la demande en véhicules électriques devrait monter en flèche. Ce mode de transport tendant à devenir majoritaire, il est désormais crucial pour l’économie mondiale d’améliorer l’autonomie des batteries et la vitesse de charge. L’évolution des systèmes de charge des VE nécessitera également des progrès dans divers domaines, notamment la gestion thermique.
Chargeurs de VE CA/CC
La croissance des besoins de chargeurs plus rapides fait apparaître des changements d’approche notables. L’un d’eux est la tendance à se tourner vers les chargeurs CC. Tous les systèmes de batteries fonctionnent avec de l’électricité CC, mais la principale différence réside dans l’endroit où la puissance du courant est rectifiée pour passer de CA en CC. Les chargeurs CA traditionnels, couramment utilisés dans les environnements résidentiels ou commerciaux, agissent comme des connecteurs qui régulent et contrôlent le flux d’alimentation CA vers le véhicule, mais ils permettent ensuite d’effectuer la rectification à bord du VE lui-même. Les chargeurs CC, quant à eux, effectuent la rectification en externe dans une unité de charge stationnaire, en fournissant une alimentation CC haute tension directement au véhicule. Ce changement élimine de nombreuses contraintes de poids et de taille en relocalisant le matériel de conditionnement du courant à l’extérieur du VE, le circuit de charge n’étant pas un dispositif mobile ni une partie intégrante du véhicule.
Figure 1 : Les chargeurs CC sont nettement plus rapides, mais plus complexes et génèrent davantage de chaleur (source de l’image : CUI Devices)
Ces contraintes supprimées, les chargeurs CC peuvent être plus complexes et utiliser davantage de composants de grande taille, ce qui améliore leur débit actuel et leur tension de fonctionnement. Néanmoins, ces chargeurs, qui consomment plus d’énergie, génèrent une chaleur importante. Alors que les filtres et les résistances contribuent à générer de la chaleur, le principal dissipateur thermique des systèmes de charge des VE est le transistor bipolaire à barrière isolée (IGBT), un dispositif semiconducteur de plus en plus utilisé au cours des dernières décennies. Le refroidissement efficace des IGBT constitue un défi important dans les systèmes de charge de VE.
Générateurs de chaleur à semiconducteurs et solutions de gestion thermique
L’IGBT, hybride de transistor à effet de champ (FET) et de transistor bipolaire à jonction (BJT), est fortement privilégié dans les applications à haute puissance comme les chargeurs de VE. La construction des IGBT les rend capables de résister à des tensions élevées, tout en présentant une faible résistance à l’état passant, des commutations de vitesse rapides et une remarquable robustesse thermique. Toutefois, même s’ils peuvent survivre à de hautes températures (170 degrés Celsius, contre seulement 105 °C pour la plupart des unités de traitement centrales des ordinateurs modernes), sans refroidissement approprié, ils peuvent facilement dépasser 170 °C. Leur utilisation dans la plupart des circuits de charge implique des commutations fréquentes des IGBT, ce qui génère une chaleur considérable. En effet, le défi thermique actuel est lié à l’augmentation exponentielle de la dissipation thermique des IGBT, de 1,2 kW il y a trente ans à 12,5 kW aujourd’hui, avec de nouvelles hausses prévues. Comme vous pouvez le voir sur ce graphique, l’augmentation de la puissance par centimètre carré de surface a été spectaculaire et peut être comparée à la puissance relativement faible des processeurs modernes à 0,18 kW, soit seulement 7 kW par centimètre carré.
Figure 2 : La densité de puissance des IGBT a augmenté à pas de géant (source de l’image : CUI Devices)
Le refroidissement efficace des IGBT est favorisé par deux facteurs : leur surface plus large et leur capacité à fonctionner à des températures plus élevées. Cette plus grande surface les rend plus adaptés à l’une des solutions de gestion thermique les plus fiables disponibles : une combinaison de dissipateurs thermiques et d’air pulsé. Les dissipateurs thermiques réduisent considérablement la résistance thermique entre l’IGBT et l’air ambiant, tandis que l’air pulsé fourni par un ventilateur, contrairement à la convection naturelle, réduit encore la résistance thermique. Dans certains cas, le refroidissement liquide est envisagé et, même si les options de refroidissement liquide peuvent réduire encore la résistance thermique, leur coût et leur complexité supérieurs rendent la solution du refroidissement direct avec des dissipateurs thermiques et des ventilateurs plus souhaitable. Les recherches les plus actives menées par les ingénieurs thermiques portent sur l’amélioration des technologies de refroidissement par air pour les IGBT. En fait, chez CUI Devices, nous avons développé des dissipateurs thermiques qui mesurent au maximum 950 x 350 x 75 mm, conçus spécifiquement pour relever les défis thermiques des applications de charge de VE.
Figure 3 : Les dissipateurs thermiques et les ventilateurs représentent une solution efficace de gestion de la chaleur pour les IGBT (source de l’image : CUI Devices)
Placement des composants et de la surveillance thermique
L’efficacité des systèmes de refroidissement est déterminée par le placement stratégique des composants en vue d’optimiser le flux d’air et la distribution de chaleur. Un espacement inadéquat entre les composants restreint la circulation de l’air et limite la taille des dissipateurs thermiques pouvant être utilisés. Par conséquent, les composants critiques générant de la chaleur doivent être stratégiquement positionnés au sein du système afin de faciliter un refroidissement global efficace. Bien qu’il soit important de se concentrer sur les composants qui génèrent le plus de chaleur, il faut que l’ensemble du système soit pris en compte dans l’analyse, notamment parce que, comme les IGBT, de nombreux dispositifs semiconducteurs de support ne peuvent survivre à des températures extrêmement élevées.
De même, le placement des capteurs thermiques est crucial pour une gestion thermique efficace. Dans les grands systèmes tels que les chargeurs CC pour VE, la surveillance de la température en temps réel est vivement conseillée, car elle permet une gestion thermique active. Les ajustements automatiques des mécanismes de refroidissement tels que la vitesse du ventilateur ou même la limitation de la puissance du chargeur sont tous basés sur des relevés de température qui optimisent les performances et évitent la surchauffe. Cependant, la précision de ces ajustements dépend de la qualité des données fournies par des capteurs de température placés de manière appropriée.
Facteurs externes et environnementaux
Les bornes de charge de VE mobiles sont souvent installées à l’extérieur. Par conséquent, elles doivent être conçues pour gérer des conditions environnementales diverses. Des boîtiers résistants aux intempéries offrant une ventilation adéquate pour optimiser le refroidissement, tout en assurant la protection contre des éléments tels que la pluie et les températures extrêmes, sont essentiels pour protéger les bornes de charge des conditions thermiques sous-optimales. Un autre facteur à prendre en compte est le chauffage solaire dû aux rayons du soleil qui frappent les boîtiers des chargeurs. C’est un problème important car il augmente considérablement les températures ambiantes internes. Heureusement, un ombrage efficace avec une circulation d’air adéquate entre l’ombrage et l’unité de charge permettent de réduire considérablement la température ambiante du chargeur et constituent un moyen relativement simple de résoudre le problème.
Figure 4 : Protéger les chargeurs des rayons du soleil directs est un moyen peu coûteux et efficace de contrôler les températures (source de l’image : CUI Devices)
Ce que l’avenir nous réserve
Ces dernières années, l’adoption des véhicules électriques a bondi au niveau mondial, et la demande continue d’augmenter au rythme des progrès technologiques. À mesure que les VE se généralisent sur les routes, l’augmentation concomitante des infrastructures de charge est inévitable. Comme l’a montré le passé, il est important d’investir dans les infrastructures à l’avance, car il peut être difficile de les mettre à jour à l’avenir. On s’attend non seulement à une croissance du nombre de VE et de chargeurs, mais également à une amélioration continue des technologies qui les sous-tendent. Compte tenu des augmentations potentielles de puissance et de capacité de charge, de l’évolution des normes logicielles et matérielles et de l’anticipation des changements imprévus, les systèmes de gestion thermique doivent s’adapter à l’évolution des demandes au fil du temps. Grâce à une conception appropriée de chargeurs de haute qualité, efficaces, facilement actualisables et économes en énergie, la solution aux besoins de charge de VE ne vaudra pas seulement pour aujourd’hui, mais aussi pour les années à venir.
Les chargeurs de véhicules électriques présentent les mêmes problèmes fondamentaux de gestion thermique que d’autres dispositifs électroniques denses à haute puissance. La densité de puissance élevée des IGBT et les exigences croissantes qui leur sont imposées présentent des défis uniques. Pour soutenir la croissance constante des vitesses de charge et des capacités des batteries, il est nécessaire d'améliorer les conceptions de chargeurs pour les rendre plus sûres et efficaces. Dans ce but, les ingénieurs en électricité et les ingénieurs en gestion thermique doivent faire preuve d’innovation. La gamme de composants de gestion thermique de CUI Devices, ainsi que ses services de conception thermique de pointe sont là pour s’attaquer de front à ces défis !