Types de recharge de véhicules électriques et topologies courantes

Les besoins en recharge de véhicules électriques en forte croissance - À mesure que les tendances vers l'électrification et la décarbonation continuent d'évoluer à l'échelle mondiale, la demande pour les véhicules électriques (VE) devrait également croître à un taux de croissance annuel composé (CAGR) de 10 %. D'ici la fin de 2025, près de 50 millions de véhicules électriques devraient circuler sur les routes, ce qui nécessite de manière urgente davantage de stations de recharge et des vitesses de recharge plus rapides pour les véhicules électriques. Cet article vous présentera les types de recharge pour véhicules électriques ainsi que les topologies courantes, accompagnés de solutions pertinentes proposées par Wolfspeed. Pour une plongée approfondie dans le sujet, veuillez consulter la note d'application de Wolfspeed : PRD-08367: EV Charging Power Topologies Design Guidebook | Wolfspeed.

Avec l'augmentation des véhicules électriques sur les routes, la demande en électricité nécessaire pour les recharger augmente également à un rythme exponentiel. On estime qu'environ 230 TWh d'énergie seront nécessaires en 2030 pour recharger ces véhicules, contre une demande de 11 TWh aujourd'hui. Pour répondre à ce grand nombre de voitures et à la demande d'électricité correspondante, près de 30 millions de chargeurs seront requis. Bien que la majorité des chargeurs seront installés dans des domiciles personnels, plus de 1,2 million de chargeurs publics devront être installés pour alimenter les véhicules électriques en déplacement.

Les chargeurs domestiques utilisent généralement l'alimentation CA courante et facilement disponible. En revanche, les bornes de recharge publiques sont conçues pour offrir une expérience de recharge rapide et fiable, similaire au ravitaillement d'un véhicule à moteur thermique (ICE) traditionnel. Cela signifie que les bornes de recharge rapide publiques doivent disposer d'une capacité de livraison d'énergie suffisante (jusqu'à 600 kW) pour recharger complètement les véhicules électriques en moins de 15 minutes. Cela n'est possible qu'avec une recharge en courant continu.

Types de recharge

La recharge en courant alternatif (AC) fait référence à la recharge utilisant l'alimentation électrique normale disponible dans une maison typique, qui se présente sous forme de courant alternatif (AC), d'où son nom. Ce type de recharge nécessite un chargeur embarqué (OBC) dans le véhicule électrique (VE) qui convertit l'énergie de l'AC en courant continu (DC), nécessaire pour recharger la batterie avec de l'AC.

Niveau 1 AC

Il s'agit du chargeur le plus basique qui reçoit 120-240Vac (13-16A) du réseau et le fournit ensuite au véhicule électrique via un câble de charge. C'est le type de chargeur le plus lent, mais il est également le plus portable et peut être branché presque partout. La plupart des modèles sont généralement évalués jusqu'à 1 kW.

Niveau 2 CA

Un chargeur AC de niveau 2 utilise toujours l'alimentation électrique 120-240Vac facilement disponible. La principale différence est qu'il est conçu pour un courant plus élevé (32-40A). Ces chargeurs AC sont généralement installés de façon permanente dans les maisons et sur des poteaux dans les espaces publics. Ils sont généralement évalués jusqu'à 11-22 kW.

Recharge CC

Pour réduire les temps de charge des véhicules électriques, la seule solution est la charge en courant continu. Les chargeurs en courant continu fournissent directement de l'énergie à la batterie du véhicule électrique en contournant le chargeur embarqué du véhicule.

Chargeur DC niveau 2 / Niveau 2+ / Borne murale DC

Pour des niveaux de puissance autour de 20-25kW, une solution courante serait appelée un chargeur DC de « niveau 2 », bien qu'il n'existe pas de convention de dénomination officielle. Ceux-ci peuvent être trouvés dans des emplacements résidentiels et commerciaux.   La principale différence par rapport à la charge AC est qu'il y a un bloc convertisseur de puissance intégré supplémentaire qui effectue la rectification de AC à DC (par exemple, « AFE » - active front end). Ensuite, ce courant DC est transmis à la voiture via un câble de charge pour recharger la batterie. En fonction de la sélection des dispositifs de puissance, il peut également fournir une fonctionnalité bidirectionnelle.

Recharge rapide DC de niveau 3 (DCFC)/ rapide / superchargeurs

Les chargeurs CC de niveau 3 sont souvent appelés chargeurs rapides CC (DCFCs) ou superchargeurs. Les niveaux de puissance pour ce type de chargeur peuvent facilement varier de 50 kW à 1 MW. Ces chargeurs sont composés de plusieurs blocs de puissance de 20, 30, 50, 60 kW ou même plus élevés pour atteindre le niveau de puissance souhaité. En fonction de leur capacité, ces chargeurs rapides peuvent recharger une batterie typique de VE en moins de 20 minutes.

Normes de charge

Tout comme nous avons différents niveaux de chargeur pour différencier les niveaux de puissance, il existe également différentes normes pour les connecteurs utilisés.

Topologies AC-DC courantes

Pour la conversion d'énergie AC/DC, des topologies monophasées et triphasées peuvent être utilisées. Les topologies monophasées sont les plus courantes pour la recharge domestique ou lorsque les niveaux de puissance sont inférieurs à 6,6 kW, tandis que les topologies triphasées conviennent mieux aux blocs de recharge de puissance plus élevée (>11 kW) :

Pour en savoir plus sur chaque circuit de topologie, les composants recommandés et les conceptions de référence, veuillez consulter la note d'application de Wolfspeed :  PRD-08367: EV Charging Power Topologies Design Guidebook | Wolfspeed.

Topologies courantes d'alimentation DC/DC

Après avoir converti l'alimentation CA en une tension de bus CC typique de 400 V à 800 V, nous pouvons maintenant la convertir à la tension nécessaire pour charger les batteries des VE. Différentes topologies DC/DC abordées ci-dessous peuvent aider à y parvenir :

Pour des informations sur chaque circuit topologique, les composants recommandés et les conceptions de référence, veuillez consulter la note d'application de Wolfspeed : PRD-08367 : EV Charging Power Topologies Design Guidebook | Wolfspeed.

Résumé

Dans le domaine en constante évolution de la recharge des véhicules électriques, il existe une forte demande pour des solutions à plus haute puissance et à plus haute densité afin de réduire le temps de recharge par rapport aux véhicules à moteur à combustion interne typiques, ce qui reste un goulot d'étranglement répandu. Cela a conduit à une adoption accrue de topologies multi-niveaux innovantes pour répondre à ces besoins en puissance, nécessitant des batteries capables de soutenir le réseau lors des périodes de forte demande quand elles ne sont pas utilisées, ainsi que des topologies prenant en charge l’alimentation bidirectionnelle.   Ces deux exigences renforcent encore davantage la nécessité de disposer de commutateurs semi-conducteurs d'alimentation plus efficaces. Les dispositifs en carbure de silicium de Wolfspeed sont parfaitement adaptés pour répondre à ces besoins de nouvelle génération. Visitez le site web de Wolfspeed pour découvrir les offres de produits, les conceptions de référence et les outils d'assistance à la conception dont vous avez besoin pour commencer votre propre parcours de conception de chargeur pour véhicule électrique.