Le transport routier représente près d’un cinquième des émissions mondiales de CO2, ce qui fait de l’e-mobilité, qui désigne communément l’utilisation de véhicules électriques à des fins de transport, un environnement technologique stratégique. Les préoccupations liées à l’autonomie constituant l’enjeu majeur dans le domaine de l’électromobilité, les ingénieurs se sont penchés sur les principaux éléments constitutifs de l’infrastructure de recharge des VE : les chargeurs embarqués (OBC), les convertisseurs CC/CC et les chargeurs CC rapides.
Pour commencer, la charge des véhicules constitue l’un des principaux défis de l’e-mobilité, avec le stockage de l’énergie et le coût. Les VE de première génération offraient la forme de recharge la plus lente, avec une puissance de 3,7 kW. Il fallait donc 8 heures minimum pour charger un bloc-batterie de 25 kWh. Toutefois, grâce aux progrès technologiques, la puissance nominale a été portée à 6,6-22 kW pour permettre une recharge rapide en courant alternatif.
Un autre changement notable dans l’infrastructure de recharge des VE concerne l’augmentation de la tension des batteries, qui passe de 400 à 800 V, sous l’impulsion de Porsche, Hyundai et d’autres constructeurs automobiles. En conséquence, la tension du chargeur passe de 500 V à 1 000 V, et les chargeurs commencent à utiliser des composants d’alimentation de 1 200 V.
Dans les conceptions de véhicules électriques et hybrides qui émergent rapidement, les changements ci-dessus auront un impact significatif sur la sélection de composants tels que les IGBT, les drivers de grille haute tension, les redresseurs à superjonction, les MOSFET haute tension et les convertisseurs DC/DC haute tension.
Cet article donne un aperçu des besoins actuels et futurs en matière d’infrastructure de recharge des VE du point de vue des semi-conducteurs de puissance, des microcontrôleurs et des composants de commande.
Chargeur embarqué
Un OBC gère la recharge lorsqu’un VE se connecte à une station de recharge via un câble approprié. Il assure la fonction critique de chargement des batteries à courant continu haute tension des VE à partir d’un réseau électrique d’infrastructure. Il s’agit d’un convertisseur similaire aux inverseurs de traction mais qui fait l’inverse, convertissant le courant alternatif du mur en courant continu pour alimenter la batterie.
L’OBC convertit la tension d’alimentation CA du réseau au niveau de tension continue requis par les batteries des VE. (Source : Wolfspeed)
Une conception OBC comprend deux blocs principaux : un frontal actif (AFE) pour la conversion CA/CC et un convertisseur CC/CC. L’AFE reçoit du réseau une alimentation monophasée ou triphasée et la restitue sous forme de tensions intermédiaires continues, converties à la tension requise pour la charge rapide des batteries des VE.
Le temps de recharge, c’est-à-dire le temps qu’il faut à un VE pour faire le plein, dépend largement de la puissance nominale de l’OBC. Il n’est donc pas surprenant que les OBC soient devenus un champ de bataille crucial en matière de conception pour décider du temps de charge en fonction des spécifications proposées par les équipementiers. Ici, une nouvelle génération de semi-conducteurs de puissance permet une charge beaucoup plus rapide qu’auparavant.
Il existe ensuite des OBC bidirectionnels qui peuvent contribuer à réalimenter le réseau en cas de besoin. Un OBC bidirectionnel, qui transfère efficacement l’énergie dans les deux sens avec un minimum de pertes, peut équilibrer une densité élevée avec un rendement élevé et fournir une vaste plage de tension de sortie en mode charge et décharge.
La recharge bidirectionnelle est précisément ce que son nom indique : l’électricité circule dans les deux sens. (Source : Wallbox)
De la charge en courant alternatif à la charge rapide en courant continu
La plupart des stations de recharge utilisent actuellement le courant alternatif en raison des faibles obstacles techniques, du faible coût et de la forte adaptabilité, notamment dans les zones résidentielles, les bureaux et les commerces. Cependant, à mesure que la technologie de recharge arrive à maturité, les points de recharge efficaces en courant continu deviennent progressivement populaires sur les autoroutes et dans les stations de recharge publiques, où les conducteurs de VE n’ont pas beaucoup de temps pour se recharger.
Les solutions de recharge en courant continu font même leur entrée dans le domaine de la recharge à domicile, offrant de nouvelles possibilités aux utilisateurs, car elles permettent une recharge rapide ainsi qu’une recharge bidirectionnelle. Ces chargeurs contournent l’OBC installé sur les VE et fournissent directement une charge rapide en courant continu à la batterie.
En ce qui concerne la recharge rapide en courant continu, si la norme était autrefois de 150 kW, on assiste aujourd’hui à des capacités de 350 kW et plus. Ces améliorations devraient continuer à accroître la capacité des stations de recharge rapide en courant continu. Par conséquent, les VE se chargeront plus rapidement, ce qui contribuera à faire en sorte que les chargeurs ne soient pas le goulot d’étranglement pour la mise en circulation d’un plus grand nombre de VE. En outre, comme les chargeurs rapides à courant continu permettent des niveaux de puissance plus élevés, les stations de recharge peuvent déployer de nombreux points de charge afin que plusieurs véhicules puissent être rechargés simultanément.
Dans les conceptions de chargeurs rapides à courant continu, la minimisation du temps de charge tout en optimisant l’efficacité du système est un objectif majeur, ce qui fait de la plage de tension et des exigences de charge des considérations de conception clés dans la sélection des composants. En d’autres termes, la densité de puissance et l’efficacité du système sont essentielles pour les composants et les modules de puissance utilisés dans les chargeurs rapides à courant continu.
Prenons l’exemple de WolfPACK, le module d’alimentation de Wolfspeed est construit autour de MOSFETs en carbure de silicium (SiC) de 1 200 V. Tout en servant les applications de chargement rapide des véhicules électriques, il vise à maximiser la densité de puissance et l’efficacité, ainsi qu’à réduire le facteur forme des produits et la complexité de leur conception.
Les dispositifs SiC sont le cœur et l’âme du module de puissance WolfPACK. (Source : Wolfspeed)
En outre, alors que chaque interrupteur a besoin d’un pilote et que chaque pilote doit être contrôlé, les microcontrôleurs jouent un rôle important dans la surveillance de la température et de la tension des conceptions de charge des VE. Ces MCU fonctionnent avec des pilotes de porte et des dispositifs de puissance pour améliorer l’efficacité de la charge.
Chargement ultra-rapide des VE
Il est évident que les stations de recharge pour VE sont désormais un élément essentiel de l’infrastructure de l’e-mobilité. Bien que l’élan soit clairement du côté du SiC, les concepteurs de chargeurs de VE peuvent toujours utiliser des MOSFET au silicium 650 V pour l’étage DC/DC principal plutôt que les coûteux dispositifs SiC 1 200 V pour de nombreuses applications de charge de VE. Il est également important de noter que les IGBT, tels que le IKW75N65EH5XKSA1 d’Infineon, sont toujours en jeu, principalement en raison de leur avantage en termes de coût.
Cependant, les MOSFET SiC 1 200 V, comme le FF8MR12W2M1B11BOMA1 d’Infineon, sont optimisés pour les conceptions de charge des VE. Ajoutez à cela les diodes Schottky à base de SiC, telles que la diode IDWD20G120C5XKSA1, et le SiC est inscrit sur la feuille de route de la conception de l’infrastructure de recharge des VE.
De même, les MOSFET SiC et les diodes Schottky de Wolfspeed, par exemple, C2M0160120D et E3D20065D, respectivement, ont été conçus et optimisés pour les applications haute tension comme la charge des véhicules électriques et les convertisseurs DC/DC. Ces semi-conducteurs de puissance permettent de passer du réseau Supercharger 400 V de Tesla à la mise en œuvre de la recharge rapide 800 V CC dans les véhicules électriques Taycan de Porsche, EV6 de Kia et Hummer de General Motors. Le fabricant de VE de luxe Lucid est même allé au-delà de ce niveau avec son architecture 900-V.
Cette augmentation de la tension des batteries a clairement fait pencher la balance en faveur des composants SiC. Cela démontre également pourquoi l’infrastructure de recharge des VE, en particulier la technologie des chargeurs à courant continu, évolue rapidement.
La plus grande pierre d’achoppement de l’e-mobilité, l’anxiété du conducteur, est intrinsèquement liée à l’infrastructure de recharge des VE. Par conséquent, les innovations en matière de conception dans ce domaine, la charge super rapide des VE se traduisant par un temps de charge plus court, entraîneront inévitablement une augmentation des ventes et de l’adoption des VE. Les composants et les éléments de conception sont là de toute façon.