Analyse de l'architecture de charge des véhicules électriques et des solutions de protection de sécurité

Le marché mondial des applications de recharge pour véhicules électriques connaît une croissance exponentielle

Pour soutenir les objectifs de neutralité carbone environnementale de divers gouvernements, le marché mondial des applications de recharge de véhicules électriques connaît actuellement une croissance exponentielle, avec une augmentation prévue de 33 % pour les chargeurs de 250 kW et 350 kW. Les applications de recharge de véhicules électriques ont des exigences techniques spécifiques, telles que le besoin d'une très faible capacité d'isolation, généralement inférieure à 5 pF, de préférence 3 pF. De plus, les conceptions doivent prendre en compte les exigences d'immunité aux transitoires en mode commun (CMTI). Avec l'augmentation continue de la fréquence de commutation, la nouvelle génération de carbure de silicium (SiC) nécessite désormais des niveaux plus élevés d'immunité au dV/dt. En termes de décharge partielle, le SiC doit être capable de supporter 1200 V, et certaines applications peuvent même augmenter jusqu'à 1500 V.

De plus, avec l'adoption généralisée des véhicules électriques, la technologie de charge rapide s'est considérablement améliorée. Par exemple, la technologie de charge rapide en courant continu (DCFC) peut recharger complètement une batterie en peu de temps, améliorant ainsi la commodité et l'expérience utilisateur.

Par conséquent, la recherche et l'application de technologies de batteries à haute efficacité sont cruciales. Par exemple, l'émergence de nouvelles technologies de batteries telles que les batteries lithium-ion et les batteries à l'état solide a considérablement amélioré la densité énergétique et l'efficacité de charge/décharge.

Pour attirer davantage de consommateurs à acheter des véhicules électriques et saisir les opportunités du marché des stations de recharge, les gouvernements et les entreprises augmentent les investissements dans les infrastructures de recharge. Cela inclut l'extension du nombre de stations de recharge et de bornes de recharge pour répondre à la demande croissante de véhicules électriques. De plus, l'application de systèmes de gestion intelligente de la recharge se généralise, permettant d'optimiser l'efficacité de la recharge et d'assurer une gestion intelligente des équipements de recharge.

Avec le développement et l'application des énergies renouvelables, les systèmes de recharge pour véhicules électriques commencent également à intégrer des sources d'énergie renouvelables, telles que les stations de recharge solaires et les installations de recharge par énergie éolienne, réduisant ainsi davantage les émissions de carbone liées au processus de recharge. De plus, la technologie de recharge sans fil constitue une orientation importante pour le futur. Grâce aux capteurs et aux champs électromagnétiques, il est possible de recharger les véhicules électriques sans les brancher, améliorant ainsi la commodité pour l'utilisateur et la sécurité de la recharge.

Une architecture de recharge pour véhicules électriques complète garantit une recharge rapide et sûre

L'architecture technologique pour la recharge des véhicules électriques comprend plusieurs composants et technologies clés, notamment le chargeur, le système de contrôle de la recharge, l'interface de recharge, le réseau de recharge et les systèmes intelligents, ainsi que la protection de sécurité pour l'équipement de recharge. Ces composants fonctionnent ensemble pour garantir que la recharge des véhicules électriques soit efficace, performante et sûre.

Le chargeur est l'appareil qui convertit l'alimentation CA en alimentation CC pour charger la batterie du véhicule électrique. Les types de chargeurs incluent les chargeurs domestiques, les stations de recharge publiques, les chargeurs rapides et les chargeurs embarqués. Les chargeurs domestiques sont généralement utilisés dans les résidences ou sur les lieux de travail avec des niveaux de puissance inférieurs et des vitesses de recharge plus lentes. Les stations de recharge publiques sont situées dans des lieux publics ou des zones commerciales pour une utilisation générale. Les chargeurs rapides offrent des puissances de sortie plus élevées, permettant une charge rapide pour améliorer l'efficacité et la commodité. Les chargeurs embarqués sont installés à l'intérieur des véhicules pour charger la batterie ou les dispositifs électroniques internes.

Le système de contrôle de charge gère le courant et la tension pendant le processus de charge pour garantir une charge sécurisée et le fonctionnement normal de la batterie du véhicule électrique. Il surveille la température, la tension et le courant de la batterie et ajuste le taux de charge selon les besoins pour éviter une surcharge ou une décharge.

L'interface de charge est le point de connexion entre le véhicule électrique et l'équipement de charge, généralement situé sur la carrosserie du véhicule ou le port de charge. Les interfaces de charge courantes comprennent Type 1, Type 2, CHAdeMO, CCS, et d'autres normes, qui peuvent varier selon la région et le type de véhicule.

Le réseau de recharge comprend des stations de recharge, des points de recharge et des systèmes de gestion de recharge, formant l'infrastructure de recharge complète. Les systèmes intelligents utilisent la connectivité internet, des logiciels et des capteurs pour permettre une gestion intelligente, une surveillance à distance et des services aux utilisateurs, améliorant l'efficacité et la commodité du système de recharge.

Les équipements de charge sont généralement dotés de fonctionnalités de protection de sécurité, telles que la protection contre les surintensités, la protection contre les surtensions et la protection contre les surchauffes, pour garantir la sécurité et la fiabilité pendant le processus de charge. Les systèmes de charge pour véhicules électriques intègrent souvent des conceptions pour l'étanchéité, la résistance à la poussière et la prévention des incendies afin de répondre à des exigences variées dans différents environnements et scénarios.

Ces composants et technologies constituent collectivement l'architecture technique pour la recharge des véhicules électriques, offrant l'infrastructure et les garanties de sécurité nécessaires pour la recharge des VE. 

Garantir la sécurité et la fiabilité de la recharge des véhicules électriques est important

Au cours du processus de charge, plusieurs aspects critiques de l'architecture de sécurité et de protection doivent être pris en compte et traités, notamment la sécurité des équipements de charge, la protection de la batterie, la conception de prévention des incendies et des explosions, les méthodes de charge appropriées, l'environnement de charge et les procédures opérationnelles, afin de garantir la sécurité et la fiabilité du processus de charge.

Concernant la sécurité des équipements de charge, il est essentiel d'utiliser des dispositifs de charge qualifiés et certifiés, en évitant les équipements endommagés ou non autorisés afin de garantir la sécurité du processus de charge. Des inspections régulières et un entretien des équipements de charge sont également cruciaux pour assurer leur bon fonctionnement et leurs performances de sécurité, comme vérifier l'état des stations de charge, des câbles de charge et des interfaces.

La protection de sécurité des batteries est également primordiale. Pendant le processus de charge, il est important de s'assurer que la température et la tension de la batterie restent dans des plages sûres, en évitant la surchauffe, le refroidissement excessif, la surcharge ou la décharge excessive. L'utilisation d'équipements de charge dotés de systèmes de gestion de batteries (BMS) est essentielle, car ils peuvent surveiller et réguler le courant et la tension pendant la charge, garantissant ainsi la sécurité et la longévité de la batterie.

De plus, les équipements de recharge doivent intégrer des conceptions de prévention des incendies et des explosions, telles que des dispositifs de protection contre les courts-circuits, les surcharges et les surtensions, afin de réduire les risques d'incendies et d'explosions. L'utilisation de matériaux résistants au feu et antidéflagrants ainsi que de conceptions structurelles renforce également la sécurité et la fiabilité des équipements de recharge.

En outre, il est crucial de choisir la méthode de charge appropriée et l'équipement de charge en fonction du modèle et des spécifications du véhicule électrique afin d'éviter les problèmes de sécurité causés par des méthodes de charge inappropriées. Il convient d'éviter la charge à grande vitesse sur une longue durée ou une décharge excessive pour garantir la sécurité et la longévité de la batterie.

Lors du processus de charge, il est important de s'assurer que l'équipement de charge et la batterie se trouvent dans un environnement sûr, en évitant les conditions humides, les températures élevées ou la charge dans des zones présentant des risques d'explosion. Lors de l'utilisation de l'équipement de charge, il est essentiel de rester concentré et de suivre les consignes opérationnelles pour éviter les dangers liés à des erreurs de manipulation ou une utilisation incorrecte.

Convertisseur DC-DC de commande de grille pour les chargeurs de véhicules électriques

Murata a introduit une gamme de convertisseurs DC-DC de commande de grille spécialement conçus pour les circuits de commande de grille, souvent utilisés dans les solutions d'énergie renouvelable, de contrôle de mouvement, de mobilité et de santé. Ces produits se distinguent par une capacité d'isolation ultra-faible de 3pF, des tensions de sortie doubles optimisées pour les commandes de grille IGBT/SiC et MOS, avec une tension DC link maximale de 3KV. Ils offrent une fiabilité élevée contre les décharges partielles et une forte immunité aux interférences dv/dt, jusqu'à 80kV/µS à 1.6kV. Les principaux produits adaptés aux applications de recharge de véhicules électriques incluent les séries MGJ1 SIP, MGJ2B, MGJ1/MGJ2, MGJ3/MGJ6, NXE et NXJ.

Les nouvelles séries de convertisseurs DC-DC MGJ1 SIP et MGJ2B de Murata sont idéales pour alimenter les circuits de pilotage de grille "high-side" et "low-side" pour les IGBT/MOSFET, SiC et GaN dans les circuits en pont. Le choix de tensions de sortie asymétriques permet d’obtenir des niveaux de pilotage optimaux, ce qui se traduit par une efficacité système optimale et un contrôle EMI. Les séries MGJ1 SIP et MGJ2B se distinguent par leur capacité à répondre aux exigences élevées d’isolation et de dv/dt courantes dans les circuits en pont utilisés dans les entraînements moteurs et les onduleurs. Leurs températures de fonctionnement élevées et leur structure robuste offrent une durée de vie prolongée et une fiabilité accrue.

Les séries MGJ1 SIP et MGJ2B offrent toutes deux une tension d'isolation continue de 2,4 kV, ainsi que des distances de fuite et d'isolement de 6 mm. La tension de sortie optimisée est conçue pour répondre aux exigences des dispositifs IGBT/SiC et MOSFET de pointe. La série MGJ1 SIP prend en charge une isolation renforcée évaluée à 300 Vrms avec une puissance de 1 W, tandis que la série MGJ2B prend en charge une isolation renforcée évaluée à 300 Vrms avec une puissance de 2 W.

Les séries MGJ1 SIP et MGJ2B offrent des tensions de sortie bipolaires optimisées pour les pilotes de grille IGBT/MOSFET, SiC et GaN. L'isolation renforcée est conforme à l'approbation UL62368-1, bien que la conformité aux normes telles que ANSI/AAMI ES60601-1, 1 MOPP/2 MOOP, soit encore en attente. La série MGJ1 SIP est soumise à des tests de résistance avec une tension d'isolation de 5,2 kVDC, tandis que la série MGJ2B est testée à une tension d'isolation de 5,4 kVDC. Les deux séries présentent une capacitance d'isolation ultra-faible et prennent en charge des tensions d'entrée de 5V, 12V, 15V et 24V.

La série MGJ1 SIP offre des options de sortie telles que +6V/-3V, +15V/-3V, +15V/-5V, +15V/-9V, +18V/-2.5V et +20V/-5V. La série MGJ2B propose des options de sortie incluant +15V/-3V, +15V/-5V, +15V/-8.7V, +15V/-15V, +17V/-9V, +18V/-2.5V, +18V/-5V3, +20V/-3.5V et +20V/-5V. Les deux séries fonctionnent à des températures allant jusqu'à 105°C, avec une immunité aux transitoires en mode commun (CMTI) dépassant 200kV/µS. Elles prennent également en charge une tension continue de tenue de barrière de 2.4kVDC et présentent des caractéristiques de performance de décharge partielle, en utilisant des facteurs de forme de boîtier SIP.

Conclusion

La sécurité de la recharge des véhicules électriques est un aspect crucial pour garantir le fonctionnement normal des véhicules électriques et la sécurité des utilisateurs. Cela nécessite une prise en compte globale de la sécurité des équipements de recharge, de la gestion des batteries, de la conception pour la prévention des incendies et des explosions, ainsi que des opérations de recharge correctes. Une prise en charge efficace de ces aspects peut améliorer la sécurité et la fiabilité du processus de recharge. L'architecture et le système de protection pour la sécurité de la recharge des véhicules électriques décrits dans cet article peuvent être mis en œuvre à l'aide d'une série de convertisseurs DC-DC de Murata.