Solutions de chargement DC pour l'infrastructure intelligente de véhicules électriques à batterie (BEV)

Pour lutter contre le réchauffement climatique et le changement climatique, de nombreux pays ont fixé un objectif de zéro émission nette de dioxyde de carbone d'ici 2050. Pour atteindre cet objectif, il est essentiel de réduire les émissions du secteur des transports, qui est très énergivore. La transition vers les véhicules électriques (VE) joue un rôle crucial dans cet effort. Cet article présente les tendances de développement de l'industrie des VE et les solutions de recharge DC pour l'infrastructure intelligente des véhicules électriques à batterie (BEV) proposées par Murata.

Pour atteindre l'objectif de zéro émission nette de carbone d'ici 2050, de nombreux pays et régions ont fixé des objectifs politiques pour mettre fin à la vente de nouveaux véhicules à moteur à combustion interne (ICE) d'ici 2035. De tels changements politiques poussent l'ensemble de l'industrie automobile à intensifier ses efforts pour réduire les émissions de transport. De plus, selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), presque tous les véhicules de passagers et commerciaux sur la route d'ici 2050 devraient être des véhicules électriques ou à pile à combustible.

De plus, l'industrie automobile cherche à participer à l'initiative Science-Based Targets, qui vise à offrir une voie claire vers la décarbonisation et la durabilité. De telles initiatives aident à établir des objectifs communs de réduction des émissions non seulement au sein des entreprises individuelles, mais aussi dans l'ensemble de l'industrie.

Porté par les demandes sociétales et les initiatives industrielles menées par les fabricants d'équipement d'origine (OEM), le développement de nouvelles infrastructures progresse également. Avec l'adoption croissante des véhicules électriques à batterie (BEV) et des véhicules à émission zéro (ZEV), la demande de chargeurs à courant continu pour soutenir ces véhicules augmente. Cette tendance devrait se poursuivre, nécessitant des solutions de charge diversifiées et le développement d'infrastructures.

La technologie de charge rapide CC haute puissance joue un rôle essentiel dans le soutien de l'adoption généralisée des véhicules électriques (VE). Actuellement, certains chargeurs rapides CC peuvent délivrer plus de 350 kW, permettant à de nombreux VEB de se recharger jusqu'à 80% en environ 30 à 45 minutes. Cette capacité de charge rapide améliore considérablement la commodité, en particulier pour les longs trajets, et réduit l'"anxiété de l'autonomie" - les préoccupations concernant l'autonomie de conduite - rendant ainsi plus facile pour les consommateurs de choisir des VE. De plus, il est prévu que d'ici 2030, environ 50% des VEB produits auront la capacité de charge rapide de 200 kW. Cette avancée devrait stimuler la demande accrue pour une infrastructure de charge haute puissance, augmentant ainsi le taux d'adoption global des VE sur le marché.

De plus, certains modèles haut de gamme seront capables d'une charge de pointe dépassant 300 kW, permettant une charge efficace et rapide tout en répondant aux attentes des clients en matière de haute performance. Ces tendances technologiques soulignent l'impact significatif et l'évolution des chargeurs rapides DC haute puissance sur le marché plus large des véhicules électriques (VE).

En ce qui concerne la conception des stations de recharge, la tendance évolue vers le déplacement de l'unité centrale de conversion d'énergie loin des bornes de recharge. Cette approche sépare l'unité de conversion d'énergie de l'unité de recharge, améliorant ainsi la flexibilité de distribution d'énergie et réduisant l'empreinte globale de l'installation.

Les chargeurs DC multipoints peuvent répartir la puissance de sortie disponible entre les chargeurs, permettant à un seul chargeur de charger deux véhicules ou plus simultanément. Récemment, de nombreux fabricants ont commencé à proposer des chargeurs DC avec deux sorties DC ou plus. Cette tendance gagne en popularité grâce à ses avantages dans les applications commerciales telles que les voitures de location, les taxis et les bus, où la demande augmente. La charge simultanée de deux véhicules (technologie de répartition de la puissance) permet une distribution efficace de l'énergie pour répondre à une forte demande. De plus, ces avancées technologiques devraient nécessiter une technologie de communication sans fil haute précision et à haute vitesse.

Pour construire une société décarbonée durable et inciter l'ensemble de l'industrie à répondre avec urgence et responsabilité, Murata a désigné "la création d'une société décarbonée" comme une question clé et a établi des objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) pour ses opérations commerciales.

De plus, Murata accélère ses efforts de décarbonisation à travers l'ensemble de sa chaîne de valeur, visant à atteindre la neutralité carbone dans sa chaîne d'approvisionnement d'ici 2050 et RE100 d'ici 2035. Murata collabore également avec les parties prenantes pour contribuer activement aux efforts mondiaux de mitigation du changement climatique. En particulier dans le secteur de la mobilité, qui représente 25 % de ses ventes, la promotion des véhicules zéro émission, centrée sur les BEV, est jugée cruciale. Murata se concentre sur les systèmes de recharge rapide comme un domaine clé, stimulant l'innovation technologique et la création de valeur pour soutenir la transition vers des modèles commerciaux décarbonisés.

Murata aborde activement les problèmes sociaux dans ses processus commerciaux en se basant sur la matérialité, en se concentrant sur la technologie de miniaturisation et le développement de produits respectueux de l'environnement. Notamment, le développement de condensateurs céramiques multicouches (MLCCs) a été reconnu pour améliorer la commodité des produits clients et promouvoir l'utilisation durable des ressources grâce à des technologies légères et compactes. En outre, Murata a introduit des emballages écologiques et des systèmes de recyclage, en mettant en œuvre des mesures multifacettes pour réduire l'impact environnemental.

Comme les chargeurs DC nécessitent une puissance de sortie plus élevée pour répondre aux exigences de charge rapide, les MLCC pour circuits de charge rapide sont essentiels. Murata propose une gamme de MLCC capables de gérer une puissance de sortie élevée, avec des points forts particuliers dans les circuits AC-DC et DC-DC.

Le marché des appareils de chargeur DC pour véhicules électriques connaît une transformation significative en raison du passage aux technologies en carbure de silicium (SiC) et en nitrure de gallium (GaN). En 2023, le marché des appareils de chargeur DC pour véhicules électriques, incluant des composants discrets et des modules, était évalué à 330 millions de dollars et devrait atteindre 810 millions de dollars d'ici 2029, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 17,8 %.

La technologie SiC, en particulier, gagne rapidement du terrain, positionnant l'infrastructure de charge DC pour VE comme une application clé stimulant la demande de wafers SiC dans les années à venir. Le marché des dispositifs MOSFET SiC devrait croître à un TCAC élevé de 40,3 % de 2023 à 2029, atteignant une taille de marché de 295 millions de dollars. Cette croissance est alimentée par une demande croissante dans le segment des chargeurs ultra-rapides (350 kW et plus), où une haute puissance de sortie et une conversion énergétique efficace sont cruciales. De plus, de nombreux fabricants font progresser des conceptions modulaires utilisant des modules de 30 à 40 kW, qui sont également déployés dans des stations de charge ultra-rapides à grande échelle.

Pendant ce temps, la technologie GaN attire l'attention pour ses vitesses de commutation élevées et son efficacité, ce qui la rend prometteuse pour certains chargeurs DC basse consommation et applications spécialisées. Cependant, la technologie GaN en est encore à ses premiers stades, et des défis tels que la réduction des coûts et l'amélioration de la fiabilité doivent être relevés pour une adoption à grande échelle. Néanmoins, la R&D future devrait stimuler une croissance supplémentaire dans ce domaine.

Les semi-conducteurs de puissance utilisés dans les chargeurs DC pour véhicules électriques actuels passent du Si MOSFET/Si IGBT au SiC MOSFET/GaN, poussés par la demande de puissance de sortie plus rapide et plus élevée. Ce changement est dû à l'efficacité supérieure de conversion de puissance du SiC et du GaN, qui réduit les pertes d'énergie, raccourcit le temps de charge et diminue les coûts. Ces matériaux peuvent également fonctionner dans des environnements à haute température, réduisant les besoins de refroidissement et permettant la miniaturisation et des économies de coûts. De plus, ils prennent en charge une conversion de puissance plus rapide, améliorant la performance des systèmes de charge rapide, et leurs capacités de commutation à haute vitesse permettent des conceptions plus compactes et légères, contribuant à des solutions économes en espace. Les composants évoluent également vers des tensions plus élevées, une taille plus réduite et une meilleure résistance à la chaleur.

Alors que les spécifications des semi-conducteurs passent de Si MOSFET/Si IGBT à SiC MOSFET/GaN, les MLCC sont utilisés dans des domaines où ils n'étaient pas utilisés auparavant. La gamme de MLCC de Murata contribue à la haute tension, à la miniaturisation et à la résistance à la chaleur. Comme avec les conceptions traditionnelles (Si MOSFET/Si IGBT), les points forts de Murata restent dans les circuits AC-DC et DC-DC.

Les architectures courantes de convertisseurs DC-DC comprennent trois types : les convertisseurs en pont complet, les convertisseurs en demi-pont et les convertisseurs résonants. Les solutions de Murata répondent à ces conceptions de circuits et offrent une gamme de produits qui supporte des tensions élevées, avec une expansion continue en cours. Cela inclut des condensateurs d'amortissement (Classe 2) tels que la série GRM (évaluée jusqu'à 1 250 V), la série GR3 (tolérance de courant d'ondulation élevée), la série KRM (terminée en métal avec GRM), la série KR3 (terminée en métal avec GR3), et la série RDE (revêtue d'époxy avec plomb), ainsi que des condensateurs d'amortissement et résonants comme la série GRM (évaluée jusqu'à 1 kV avec des caractéristiques C0G et U2J) et la série KRM (évaluée jusqu'à 1 kV avec des caractéristiques C0G et U2J). Par exemple, pour atteindre la compacité dans les modules de chargeurs DC à espace réduit, les MLCC sont parfois utilisés comme condensateurs résonants au lieu de condensateurs à film (les condensateurs résonants sont recommandés dans les circuits LLC).

Pour permettre une surveillance à distance rapide des opérations des stations de recharge rapide, il est devenu essentiel d'équiper les chargeurs de modules de connectivité. Les technologies les plus couramment utilisées sont le Wi-Fi™ et le Bluetooth®, qui permettent aux appareils de se connecter directement à Internet, ce qui en fait les solutions sans fil les plus flexibles pour les produits IoT. Ces technologies offrent des avantages tels qu'un temps de mise sur le marché plus rapide, des performances et une fiabilité élevées, un support FAE local et global, des garanties de longévité, ainsi qu'un support RF et de certification.

Les modules de connectivité sans fil de Murata prennent en charge Wi-Fi4, Wi-Fi5, et Wi-Fi6/Bluetooth, sont certifiés par FCC/ISED et Japon, et fournissent des rapports de test CE. Ils peuvent être intégrés dans des plateformes Linux ou RTOS et sont utilisés dans les applications de recharge CC pour le suivi en temps réel de l'état de charge, les mises à jour logicielles, l'intégration avec les applications pour smartphones, et le dépannage à distance.

Pour étendre la portée et la distance de transmission du Wi-Fi™, la technologie Wi-Fi HaLow™ a été développée. Wi-Fi HaLow™ est une norme de communication sans fil longue portée basée sur Wi-Fi/IP, standardisée sous la désignation "IEEE 802.11ah", capable de communiquer sur une vaste zone de plus de 1 kilomètre. Avec une bande passante de 4 MHz (SISO), Wi-Fi HaLow™ atteint théoriquement des vitesses de transmission de données de plusieurs Mbps, le rendant adapté pour le streaming vidéo et audio.

Le Wi-Fi HaLow est optimisé pour l'IoT et les appareils intelligents, offrant une communication longue portée et une faible consommation d'énergie adaptée au fonctionnement sur batterie. Il fonctionne dans la bande des 900 MHz, offrant une portée de communication de plusieurs centaines de mètres - bien supérieure aux bandes traditionnelles Wi-Fi de 2,4 GHz ou 5 GHz - et élimine le besoin de services d'opérateurs télécoms, réduisant ainsi les coûts. Comparé aux LPWA traditionnels, le Wi-Fi HaLow offre un débit plus élevé, prenant en charge la transmission de données de grande capacité à des vitesses allant jusqu'à plusieurs Mbps (largeur de bande de 4 MHz, SISO). Il offre également une prise en charge IP native, permettant une connexion directe aux réseaux IP comme le Wi-Fi traditionnel, et prend en charge les derniers protocoles de sécurité tels que le WPA3. Les applications incluent les appareils IoT, les bâtiments intelligents, l'agriculture intelligente, et les usines intelligentes.

Murata a développé deux modules Wi-Fi HaLow : Type 2HL version à faible puissance de transmission pour SKU global et Type 2HK pour une puissance de transmission plus élevée autorisée en NA et APAC, à l'exclusion du Japon, fonctionnant dans la fréquence sub-1 GHz (bande non licenciée) avec plusieurs modes d'économie d'énergie pour les appareils et prenant en charge les derniers mécanismes de sécurité Wi-Fi. Dans les applications de charge DC, telles que l'installation de chargeurs dans de grands parkings où la portée du Wi-Fi traditionnel est insuffisante, le Wi-Fi HaLow peut servir d'alternative.

Avec l'adoption rapide des véhicules électriques à batterie, la construction d'une infrastructure intelligente est devenue essentielle pour stimuler le développement de l'industrie de haute qualité. Les solutions de recharge DC, avec leurs avantages d'efficacité élevée, de réponse rapide et d'intelligence, deviennent de plus en plus une partie vitale du futur système énergétique de transport. Les systèmes de recharge DC pour infrastructures intelligentes non seulement améliorent l'expérience de recharge et l'efficacité opérationnelle, mais s'intègrent également profondément aux technologies de gestion de l'énergie et de planification intelligente, soutenant les villes dans l'atteinte d'un développement vert, bas en carbone et durable. Les lignes de produits de connectivité MLCC et Wi-Fi HaLow de Murata joueront des rôles significatifs dans les solutions de recharge DC, faisant progresser encore la transformation intelligente et numérique de la mobilité électrique.