Solutions complètes de recharge rapide DC haute puissance

La recharge rapide en courant continu (DC) permet de charger les batteries à des niveaux de puissance plus élevés, offrant des avantages tels qu'une vitesse de recharge plus rapide, des pertes réduites et une efficacité accrue. Elle peut accueillir des batteries de grande capacité, améliorant ainsi l'utilité et la commodité des véhicules électriques (VE). Avec la popularité croissante et le développement des véhicules électriques, la recharge rapide en DC est devenue la technologie principale dans les applications actuelles de recharge pour VE, promettant de belles perspectives de marché. Cet article présentera les tendances de développement des applications en recharge DC et les solutions associées introduites par Arrow Electronics en collaboration avec des partenaires tels qu'Infineon, ST et d'autres.

Les perspectives mondiales pour la recharge rapide en courant continu sont prometteuses

Les analyses de marché indiquent qu'à l'horizon 2034, les chargeurs rapides en courant continu représenteront 33 % du marché des stations de recharge publiques. Aux États-Unis, par exemple, la loi bipartite sur les infrastructures comprend un programme national d'infrastructures pour véhicules électriques (NEVI) doté de 5 milliards de dollars sur cinq ans.   En Europe, au Moyen-Orient et en Afrique (EMEA), l'objectif est d'établir 3,5 millions de points de recharge d'ici 2030, avec des investissements approuvés de 15 milliards d'euros pour les infrastructures de carburants alternatifs, y compris des installations de recharge rapide électrique dans le cadre des réseaux transeuropéens.   Dans la région Asie-Pacifique, McKinsey estime qu'en 2030, le marché de l'ASEAN nécessitera 95 000 points de recharge publics AC et 40 000 points de recharge DC, soit une augmentation de 30 fois par rapport aux chiffres actuels, avec la Chine représentant plus de 90 % de cette part de marché.   Les applications de recharge en courant continu couvriront des plages de puissance typiques allant de 50 kW à 350 kW. À l'échelle mondiale, le nombre de chargeurs DC a atteint 868 000 en 2023, soit une hausse de plus de 60 % par rapport aux 330 000 de 2022. Selon la feuille de route pour 2030, les États-Unis devraient compter 500 000 chargeurs rapides, tandis que l'UE comptera 3,5 millions de points de recharge, indiquant un potentiel substantiel de croissance du marché.

Solutions complètes pour chargeur de véhicule électrique 30kW

eInfochips, une filiale de Arrow, est optimiste quant au développement du marché de la recharge rapide en courant continu (DC) et a lancé une solution clé en main pour un chargeur de véhicule électrique de 30 kW. Le design du chargeur rapide DC de eInfochips est un chargeur DC intelligent, connecté et prêt pour l'avenir.   Le chargeur DC de eInfochips est équipé d'un écran HMI de 10 pouces (luminosité de 1000 nits) capable d'émettre des notifications via des LED et un haut-parleur. Les LED peuvent indiquer l’état d’alimentation, les défauts et le statut de la charge, et il comprend une sortie haut-parleur de 3 W pour les notifications aux utilisateurs. La gestion à distance est activée grâce à EVWER (propriété intellectuelle de eInfochips). Le chargeur supporte les standards de charge CCS1/CCS2, intègre un compteur d'énergie ultra-compact et est compatible avec les normes OCPP 1.6J/ISO15118 pour les applications de recharge intelligente/V2G. Il inclut des protections intégrées contre les surtensions, les surintensités, les surtensions transitoires et d'autres mécanismes de sécurité système, avec une puissance nominale de 30 kW/60 A.   Le chargeur DC de eInfochips est modulaire, composé de modules de puissance et d'unités SECC. Il prend en charge des protections d'entrée telles que les surtensions/sous-tensions, les surchauffes, les surintensités, les défauts à la terre, les dispositifs RCD/CCID, les courts-circuits, les surtensions et l'arrêt d'urgence. Les protections de sortie incluent la surchauffe, les surintensités, la haute tension DC (entrée/sortie), l'isolation galvanique et les risques de choc électrique (moniteur d'isolation DC). Il dispose d'interfaces réseau Ethernet Gigabit et Wi-Fi, supporte la communication réseau OCPP 1.6J, ISO15118, IEC 61851-23, -24 pour les communications véhicules, et les interfaces de charge CCS1/CCS2 avec des capacités de mesure d'énergie.   Cette solution complète de recharge pour véhicules électriques inclut le développement de plateformes logicielles/numériques cloud-agnostiques (Azure, AWS, GCP), l'implémentation de fonctions avancées de charge, des notifications, alertes push, rapports et tableaux de bord, ainsi que des capacités d'agrégation et d'analyse de données. Elle passe par des tests de pré-conformité et de certification (CE, FCC, UL, RoHS, REACH), supporte les tests fonctionnels, EDVT, tests thermiques, tests mécaniques incluant IP67, chocs, lavage sous pression et rayonnement UV, et comprend l'assurance qualité et l'automatisation des tests.   En outre, cette solution de recharge pour véhicules électriques prend également en charge le développement d'applications mobiles/WebApp, basé sur une plateforme web multi-tenant permettant le développement d'applications mobiles multiplateformes Android/iOS. Elle inclut une conception full-stack, UI/UX, des analyses d’applications et un support multi-langue. En termes de développement de firmware, elle prend en charge le développement/la personnalisation/le test de BSP pour des systèmes d'exploitation comme Linux, RTOS et Android, activant les applications firmware, les mises à jour OTA, la cybersécurité, les pilotes de périphériques, HAL, les middleware et les bibliothèques.   La solution offre également des solutions clé en main de Fabrication en tant que Service (MaaS), en assistant dans la conception pour la fabrication/assemblage, la navigation dans la chaîne d'approvisionnement des composants, et l'accès à plus de 15 sous-traitants. La conception matérielle est conforme aux normes OCPP pour les chargeurs de véhicules électriques, prenant en charge la conception intégrée, industrielle, mécanique, ainsi que les composants/BOM, l'architecture, les schémas de PCB, la disposition, l'intégrité du signal, la mise en service des cartes, la conception de prototypes, DFA/DFM, et d'autres ressources. Elle propose également des services de gestion, tels que la gestion du cycle de vie des produits, la modernisation des actifs hérités, le support L1/L2/L3, un NOC 24h/24 et 7j/7, la gestion des SLA, DevOps/CloudOps, etc.

Prise en charge des solutions de charge en courant continu pour batteries haute puissance de plus de 1200V

Avec l'augmentation des tensions des batteries des véhicules électriques de 400V à 800V, la tension nominale des dispositifs de puissance augmente également à 1200V et au-delà pour réduire la masse des fils de cuivre et améliorer la densité de puissance. Pour répondre à cette demande, Infineon a introduit l’EVAL-FFXMR20KM1HDR CoolSiC™; MOSFET 2kV 62 mm SiC MOS Module Demi-Pont Carte d’Évaluation, qui est une carte de pilotage conçue pour contrôler des modules de 62 mm dans une configuration demi-pont en utilisant la dernière technologie CoolSiC™ MOSFET d’Infineon. Elle intègre le driver compact 1ED3890MC12M et des dispositifs d'étage boost pour améliorer la puissance de sortie du driver avec fiabilité et contrôle rapide.   Cette carte d’évaluation de module demi-pont dispose d’un module de 62 mm, 2kV, avec la technologie CoolSiC™ Trench MOSFET pour une commande de grille optimisée avec des connexions de grille séparées source et sink. Elle utilise le circuit intégré driver 1ED3890MC12M ou 1ED3890MU12M (X3 digital) avec bus I2C pour le réglage des paramètres et prend en charge la protection contre sous-tension (UVLO) au niveau matériel. Un bon design PCB peut limiter l'échauffement du PCB pendant le fonctionnement, avec des fonctionnalités comme le Turn-off à deux niveaux (TLTO) avec pentes ajustables, temps de plateau et niveau de plateau ajustables, et empêchant les ajustements de tension négative allant de -5V à 0V. Les tests de ce dispositif sont prêts à l’emploi avec une solution plug-and-play, offrant des avantages tels que des ajustements de tension positive élevée pour des fréquences de commutation élevées, avec un design PCB pour limiter l'échauffement du PCB pendant le fonctionnement, adapté aux applications de recharge de véhicules électriques, photovoltaïques et alimentations sans interruption (UPS), entre autres.   Le EiceDRIVER™ 1ED38x0Mc12M Enhanced utilisé dans cette carte d’évaluation est un driver de grille isolé monocanal de 5,7 kV (rms) configuré via I2C, adapté pour DESAT, soft-off, UVLO, pince Miller et option de turn-off à deux niveaux. Ce driver de grille est compatible avec les IGBT, SiC et Si MOSFET de 650 V, 1200 V, 1700 V et 2300 V.   Le driver de grille supporte une tension maximale absolue d’alimentation de sortie de 40 V et des courants de sortie crête typiques de ±3 A, ±6 A et ±9 A pour le sourcing et le sinking, adaptés au hard-switching ou à l’option de turn-off à deux niveaux et à la pince Miller active. Le bus I2C est utilisé pour la configuration des paramètres et la lecture des registres d’état, prenant en charge une détection précise et ajustable du VCEsat compensée en température (DESAT) avec sorties de défaut et extinction douce ajustable de l'IGBT après détection de désaturation. Ce dispositif est capable de fonctionner à des températures ambiantes élevées allant jusqu'à 125 °C, avec un arrêt en cas de surchauffe à 160 °C (±10 °C).   Ce driver de grille prend en charge une correspondance étroite des délais de propagation IC-to-IC (tPDD, max = 30 ns), avec une protection contre la sous-tension sur les côtés entrée et sortie et une fonction d’arrêt actif. Le comparateur ADC intégré peut générer un comportement de retour d'information ou d'arrêt en cas de défaut configurable, avec une immunité élevée aux transitoires de mode commun (CMTI) de 200 kV/μs. Il est conditionné dans un boîtier compact DSO-16 à pas fin avec une grande distance de cheminement (supérieure à 8 mm) et est certifié pour répondre aux exigences des applications industrielles conformément aux certifications de sécurité UL 1577 et VDE 0884-11.

Solution tout-en-un pour module d'alimentation de chargeur de véhicule électrique de 30 kW

ST propose également une solution complète de chargeur de véhicule électrique de 30 kW, comprenant la référence de conception de redresseur PFC Vienna 30 kW avec contrôle numérique - STDES-30KWVRECT. Cette référence de conception est adaptée aux applications de redresseur haute puissance à trois phases à entrée active (AFE) basées sur la topologie Vienna à trois niveaux, introduisant une solution numérique complète pour la gestion de la puissance.   Utilisant les SCTWA90N65G2V-4 et STPSC40H12C, la plateforme atteint une efficacité maximale de plus de 98,5%. Elle emploie le microcontrôleur mixte haute performance STM32G474RE pour un contrôle numérique complet, permettant une gestion avancée du facteur de puissance, de la tension continue (DC) et des procédures de démarrage progressif. Le STDES-30KWVRECT atteint une faible distorsion harmonique totale (THD inférieure à 5% à pleine charge) et un facteur de puissance élevé (supérieur à 0,99 à pleine charge), tout en offrant une régulation du courant en mode conduction continue (CCM) avec une large bande passante.   Cette référence de conception comprend un convertisseur de puissance AC-DC à trois niveaux et trois phases, prenant en charge une tension DC nominale de 800 V et une tension AC nominale de 400 V avec une puissance maximale de 30 kW, un facteur de puissance supérieur à 0,99, un contrôle des courants d'appel, et un démarrage progressif avec un THD inférieur à 5% en fonctionnement nominal.   Dans la section de puissance basée sur des MOSFETs SiC et diodes SiC, elle prend en charge un fonctionnement à haute fréquence à 70 kHz, atteignant une efficacité supérieure à 98,5%. Des MOSFETs SiC en parallèle permettent une puissance plus élevée avec un partage de courant équilibré, réduisant le poids et la taille des composants passifs.   La section de contrôle basée sur le microcontrôleur STM32G474RE inclut des interfaces de contrôle et de surveillance telles que SWD-UART, I²C et DAC, ainsi qu'un connecteur d'alimentation numérique à 64 broches. Des indicateurs LED servent d'interface utilisateur, et quatre amplificateurs opérationnels haute performance intégrés offrent des fonctionnalités supplémentaires.   En outre, ST a présenté un convertisseur DC-DC SiC MOSFET de 30 kW utilisant le STM32G4, adapté aux chargeurs de véhicules électriques. Ce module de charge DC contrôlé numériquement, la référence de conception LLC triphasée 30 kW (STDES-30KWLLC), a une puissance de sortie nominale de 30 kW, fonctionne à une fréquence de commutation de 100-300 kHz, et prend en charge des tensions d'entrée DC de 650 VDC – 850 VDC et des tensions de sortie DC de 200 VDC – 1000 VDC. Il atteint une efficacité de pointe supérieure à 98% et intègre le microcontrôleur 32 bits haute performance STM32G474. Fonctionnant en mode PFM, il propose des protections d’entrée comme la protection contre les sous-tensions (UVP), les surtensions (OVP) et les surintensités (OCP), avec un support de sortie pour les fonctions de protection contre les surtensions (OVP) et les surintensités (OCP).   Ce convertisseur, basé sur des dispositifs SiC 1200 V et des hautes fréquences de commutation, atteint une efficacité supérieure en utilisant moins de MOSFETs SiC et peut obtenir une puissance plus élevée grâce à un seul convertisseur LLC avec une large plage et une tension de sortie élevée.   Une autre solution proposée par ST est le redresseur Vienna triphasé 30 kW pour les stations de recharge de véhicules électriques. Il accepte des tensions d'entrée triphasées de 345 VAC à 460 VAC à des fréquences comprises entre 47 Hz et 63 Hz, avec un courant d'entrée maximum de 55 ARMS. La tension de sortie DC est de 800 VDC, la puissance de sortie nominale est de 30 kW, et il fonctionne à une fréquence de commutation de 70 kHz avec une efficacité de pointe supérieure à 98,7%. En fonctionnement à pleine charge, le facteur de puissance est de 0,99, le THD est inférieur à 5%, et il intègre le microcontrôleur 32 bits haute performance STM32G474. Ce redresseur Vienna triphasé 30 kW, basé sur des dispositifs SiC, atteint une efficacité élevée, un THD extrêmement faible (distorsion harmonique totale) et une complexité de conception réduite.   Également disponible, le convertisseur LLC parallèle triphasé de 60 kW avec contrôle numérique pour les applications de réchauffement. Il fonctionne avec des tensions d'entrée DC de 650 VDC – 850 VDC et des tensions de sortie DC de 200 VDC – 1000 VDC, atteignant une puissance de sortie nominale de 60 kW avec une efficacité de pointe supérieure à 98%. Comme les autres, il intègre le microcontrôleur 32 bits haute performance STM32G474 et est une solution basée sur des dispositifs SiC, offrant une efficacité élevée tandis que le LLC parallèle utilise moins de MOSFETs SiC pour des applications de puissance plus élevée avec une large plage et une tension de sortie élevée.   Les solutions de ST basées sur le STM32G4 et le SiC contribueront à des chargeurs de véhicules électriques haute performance, y compris des solutions complètes pour PFC et DCDC pour atteindre des puissances élevées. Elles fournissent également aux clients des composants avancés (SiC MOSFETs, diodes SiC, STGAP, STM32). La solution triphasée 30 kW atteint une efficacité de pointe de 98% à 160 kHz et 700 Vout en conditions de demi-charge.

Conclusion

La recharge rapide en courant continu devient de plus en plus importante et évolue rapidement dans les applications de véhicules électriques, jouant un rôle essentiel dans la technologie moderne des véhicules électriques. Les systèmes de recharge rapide en courant continu peuvent fournir une puissance de charge plus élevée aux batteries et les charger plus rapidement par rapport à la recharge en courant alternatif. Cette avancée offre un soutien crucial à la prolifération et au développement des véhicules électriques, améliorant l'expérience utilisateur globale et leur facilité d'utilisation. Les solutions décrites dans cet article accéléreront le processus de conception de produits de recharge rapide en courant continu pour les clients. Pour obtenir de plus amples informations sur ces technologies, veuillez contacter Arrow directement afin d'explorer plus de détails techniques et discuter de la manière dont ces solutions peuvent être intégrées dans vos projets.