Belfuse: Comment la recharge bidirectionnelle des véhicules électriques maximise les capacités de la batterie
Poussés par un objectif de zéro émission, de plus en plus de véhicules électriques (VE) prennent la route, chacun équipé d'une batterie rechargeable.
Mais un véhicule électrique ne représente pas seulement un moteur à combustion émetteur de carbone en moins sur la route, c’est aussi une source d’énergie potentielle s’il est équipé d'un dispositif de charge bidirectionnel.
Lorsque l'énergie peut circuler dans les deux sens, un véhicule électrique devient plus qu'un simple véhicule à quatre roues qui déplace des personnes. Il s’agit plutôt d’une source d’énergie pouvant faire partie d'un réseau intelligent afin de contribuer à l’évolution de la demande, alimenter une résidence en cas de panne ou servir d’unité de recharge mobile pour un parc de véhicules commerciaux.
La recharge bidirectionnelle en est encore à ses débuts, mais la technologie est disponible pour équiper à la fois les bornes de recharge et les véhicules électriques eux-mêmes afin de favoriser une distribution plus intelligente de l'électricité dans les villes et de permettre une variété d'applications de recharge industrielle dans l'agriculture, la construction et la logistique.
Encore plus de véhicules électriques signifie encore plus de batteries
Les véhicules électriques représentent de plus en plus de véhicules sur la route et en dehors de la route. Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), les achats mondiaux de véhicules électriques ont atteint 6,6 millions en 2021, contre 3 millions l'année précédente, ce qui représente 9 % du marché. En 2022, les véhicules électriques ont représenté environ 4,5 % de toutes les ventes d’autobus et 1,2 % des ventes de camions dans le monde. La Chine domine le marché depuis de nombreuses années, mais les ventes en Amérique et en Europe augmentent, tout comme le nombre de modèles disponibles.
Modèles actuels et annoncés de véhicules commerciaux zéro émission par type, date de sortie et gamme pour la période 2019-2023 .
L'essor des véhicules électriques a permis la mise en place d’une infrastructure de recharge rapide de plus en plus importante. L’AIE a rapporté que les équipements d’alimentation de véhicules électriques accessibles au public (electric vehicle supply equipment, EVSE) dans le monde approchaient les 1,8 millions de points de recharge en 2021, dont un tiers étaient des stations de recharge rapide. Les installations ont augmenté de manière spectaculaire en 2021 avec l'ajout de près de 500 000 chargeurs, soit plus que le nombre total de chargeurs public disponibles en 2017, tandis que le nombre de chargeurs accessibles au public a augmenté de 37 % en 2021.
Selon l'ICCT, d'ici 2030, les véhicules moyens et lourds devraient augmenter la consommation d'énergie de 140 000 mégawattheures par jour. Une grande partie de cette demande se fera le long du réseau routier national de fret (National Highway Freight Network, NHFN) pour le camionnage longue distance et dans les États qui ont adopté la directive californienne Advanced Clean Trucks (camions propres avancés). Pour atténuer la pression potentielle sur le réseau électrique, la Californie, qui compte environ un million de véhicules électriques en circulation, étudie la manière d'accélérer le passage au véhicule-vers-réseau (vehicle-to-grid, V2G) par le biais de la législation.
Une voie à double sens
Bien que l’on ait beaucoup parlé du potentiel de la recharge V2G, les infrastructures de recharge et les véhicules électriques d'aujourd'hui sont généralement conçus pour aller dans un seul sens : du réseau ou d’une autre source vers le véhicule. Dans un scénario typique de charge de batterie, un convertisseur AC-DC applique une correction du facteur de puissance (power factor correction, PFC) et convertit la tension du réseau AC en une sortie DC haute tension qui alimente l'entrée d'un convertisseur DC-DC isolé. Le convertisseur DC-DC assure une isolation galvanique pour plus de sécurité et convertit la tension d'entrée DC fixe en une sortie à courant constant (CC) ou à tension constante (constant voltage, CV) qui charge la batterie à l'aide d'un système de gestion de batterie (battery management system, BMS).
La recharge bidirectionnelle est une voie à double sens. Plutôt que de simplement prélever de l’électricité du réseau, un véhicule électrique peut la renvoyer. Il y a deux façons générales de récupérer du courant alternatif de la batterie.
- Onduleur séparé
- Conversion bidirectionnelle de l'énergie
Schéma fonctionnel de chargeur bidirectionnel (en haut), schéma fonctionnel d'un onduleur discret + chargeur (en bas).
L'option la plus simple consiste à utiliser un onduleur en parallèle avec le chargeur pour convertir la tension continue de la batterie en une tension de réseau alternative, généralement à l'aide d'un étage DC-DC. Cette méthode prend de la place, ajoute du poids et augmente les coûts, mais elle est plus simple à concevoir et à contrôler.
Pour éviter l'encombrement, le poids et le coût supplémentaires, un véritable chargeur bidirectionnel utilise des topologies de commutation bidirectionnelles avec des commandes numériques complexes pour permettre à chaque étage de conversion de puissance de transférer l'énergie dans l'une ou l'autre direction.
Conversion AC-DC et PFC
Toutes les topologies de convertisseurs de puissance ne sont pas capables d'assurer un transfert de puissance bidirectionnel. Une raison évidente est l'utilisation de ponts redresseurs dans l'étage AC-DC, qui ne font passer le courant que dans un seul sens. Ceux-ci sont souvent utilisés pour les chargeurs de faible puissance et suivis d'un convertisseur boost avec PFC, en raison de leur coût et de leur simplicité. Cependant, ils sont peu efficaces et fonctionnent mal en parallèle, ce qui rend la gestion thermique difficile à des niveaux de puissance élevés.
Des topologies dites sans pont suppriment le pont redresseur pour améliorer l'efficacité. Ces convertisseurs sont plus complexes, car les simples diodes sont remplacées par des commutateurs actifs et certaines topologies sont capables d'un flux d'énergie bidirectionnel. L'exemple le plus simple est peut-être la topologie PFC totem-pole sans pont qui remplace essentiellement les diodes de redressement en pont par des commutateurs bidirectionnels actifs.
Boost PFC (à gauche), PFC totem-pole sans pont (à droite).
Dans le sens AC-DC, cette topologie ressemble à un convertisseur boost pour convertir l'entrée AC en sortie DC, tout en adaptant le courant d'entrée à la tension du PFC. Dans le sens DC-AC, la tension continue est découpée et filtrée en une tension alternative.
D'autres topologies bidirectionnelles existent et sont sélectionnées en fonction du coût, de la densité de puissance, de l'efficacité et de la complexité. L'efficacité est importante pour minimiser les déchets et maximiser l'utilisation et la durée de vie de la batterie.
Conversion DC-DC bidirectionnelle
L’étage DC-DC est conceptuellement plus simple car il effectue une conversion DC-DC quel que soit le sens du courant. Comme dans le cas du convertisseur AC-DC, les redresseurs doivent être remplacés par des commutateurs actifs pour permettre un flux d'énergie bidirectionnel. Vous devez également être en mesure de contrôler activement les commutateurs des côtés entrée et sortie, ce qui est compliqué par la présence de l'isolation. Une topologie courante pour cet étage est connue sous le nom de convertisseur à double pont (Dual Active Bridge, DAB). Ce convertisseur contient un pont complet actif de chaque côté de la barrière d'isolation. Les topologies résonantes sont souvent utilisées pour minimiser les pertes de commutation, réduire la taille et optimiser le rendement. Le convertisseur LLC unidirectionnel typique (inductance-inductance-condensateur) devient un convertisseur DAB CLLC (capacité-inductance-inductance-capacité) pour les applications bidirectionnelles.
Convertisseur à double pont actif (en haut), convertisseur à double pont actif CLLC (en bas).
V2X : Vehicle to Everything, un véhicule pour tout
Que le chargeur intègre des topologies bidirectionnelles ou un onduleur séparé et encombrant, la possibilité d'exporter de l'énergie d'une batterie de véhicule électrique présente de nombreux avantages. Ces avantages couvrent toute une gamme d'applications, dont beaucoup ont reçu une variante de l'appellation V2X. Celles-ci incluent:
- V2G – Vehicle to grid (Véhicule vers le réseau)
- V2B – Vehicle to building (Véhicule vers le bâtiment)
- V2H – Vehicle to home (Véhicule vers le domicile)
- V2E – Vehicle equipment (Équipement du véhicule)
- V2V – Vehicle to vehicle (Véhicule à véhicule)
L'avantage le plus évident de la recharge bidirectionnelle est que les véhicules électriques pourraient être utilisés dans un modèle V2G pour alimenter le réseau électrique. De par leur conception, la plupart des réseaux électriques ne disposent pas d’un stockage intégré important. L’électricité produite est consommée immédiatement ou perdue, ce qui conduit à des estimations complexes de la demande afin de fournir suffisamment d’énergie sans gaspillage excessif. Lorsqu'il s'agit de produire de l'énergie renouvelable, comme l'énergie éolienne ou solaire, la demande peut dépasser la capacité pendant certaines périodes, comme durant la nuit pour l'énergie solaire.
En utilisant les batteries de véhicules électriques pour le stockage, les réseaux électriques peuvent maximiser l’énergie générée par les énergies renouvelables en stockant l’énergie excédentaire pour l’utiliser lorsque la production est inférieure à la demande. La batterie étant plus proche de la charge, elle peut contribuer à fournir un courant transitoire à la charge pour maintenir la stabilité du réseau. Les batteries pourraient essentiellement agir comme des condensateurs, en fournissant localement les besoins énergétiques en période de pointe, ce qui permettrait de réduire la tension sur les lignes de distribution et les transformateurs ainsi que les fluctuations de tension.
Les situations d’urgence constituent un autre argument de poids en faveur de l'utilisation des véhicules électriques pour fournir de l’électricité au réseau. En cas de panne de courant, les véhicules de la ville pourraient maintenir en fonctionnement les équipements essentiels des bâtiments (V2B) et (V2E), tandis qu'une tour de grande hauteur pourrait s'appuyer sur les véhicules électriques connectés aux bornes de recharge de son parking pour alimenter le bâtiment - ce qui constituerait en quelque sorte une alimentation sans interruption alternative (UPS). De même une maisonfamiliale pourrait potentiellement compter sur un véhicule électrique pour l'aider à traverser une panne de courant grâce au vehicle-to-home (V2H).
Exemples d'applications V2X.
Un scénario V2B testé dans la ville de Boulder, au Colorado, a consisté à connecter une Nissan Leaf via un chargeur bidirectionnel au North Boulder Recreation Center. L'objectif était de réduire les coûts énergétiques en chargeant la batterie de la Nissan Leaf la nuit, puis en la déchargeant aux heures de pointe. Cela a eu pour effet de réduire la pression sur le réseau électrique et de réduire les coûts d'électricité.
Cas d'utilisation en milieu urbain
Extraire de l’électricité des véhicules électriques pour la retransférer au réseau ou à un seul bâtiment n’est qu’un début. Il existe de nombreux cas d’utilisation convaincants et créatifs pour la recharge bidirectionnelle. Un véhicule électrique capable de transférer de l’énergie de manière bidirectionnelle devient essentiellement une unité de recharge mobile. Avec l'augmentation du nombre de véhicules électriques sur la route, pour relancer un véhicule électrique en panne, on pourrait remplacer les câbles de démarrage par un transfert de véhicule à véhicule (V2V).
Au-delà des applications résidentielles et grand public évidentes de la recharge bidirectionnelle, il existe de nombreux cas d'utilisation dans une variété d'industries et d'environnements, notamment les flottes commerciales, la construction et l'agriculture. Non seulement un véhicule électrique pourrait recharger une autre voiture, mais il pourrait également être utilisé pour recharger d’autres véhicules tels que des vélos électriques et des flottes commerciales.
Maison utilisant un véhicule électrique pour stocker l'énergie solaire excédentaire.
Des capacités de recharge bidirectionnelles permettraient à une entreprise de transport et de logistique disposant d’une flotte de camions d’utiliser ses véhicules électriques pour répondre à ses propres besoins énergétiques en créant un écosystème autonome. En mettant en place ses propres systèmes de micro-réseaux ou de nano-réseaux, une entreprise pourrait devenir plus indépendante sur le plan énergétique. En combinaison avec des systèmes d’énergie renouvelable tels que les panneaux solaires, il serait possible pour une entreprise de devenir moins dépendante du réseau et de rendre ses bâtiments autonomes.
À l’instar des applications V2G dans lesquelles les véhicules électriques pourraient renvoyer de l’énergie au réseau en cas de panne de courant, les entreprises pourraient utiliser leurs véhicules comme UPS pour maintenir leurs opérations. Ils pourraient également équilibrer plus efficacementleurs propres demandes d’électricité afin d’économiser de l’argent sur leurs factures d’énergie. Les véhicules peuvent être rechargés pendant les heures creuses, puis se décharger sur le réseau pendant les heures de pointe.
Un grand entrepôt de distribution peut avoir jusqu'à une centaine de véhicules qui partent à 10h00 chaque jour, mais lorsqu'ils sont garés dans le garage, ils disposent potentiellement de mégawattheures d'énergie qui pourraient être utilisés plutôt que de payer l'électricité du réseau aux heures de pointe. Cela permettrait de déplacer la demande de l'entreprise au service public durant les heures de la journée moins onéreuses.
Cas d'utilisation en milieu rural
Tous les scénarios V2G ou V2V ne doivent pas nécessairement se dérouler dans des zones urbaines. Les communautés rurales dotées d’exploitations agricoles peuvent bénéficier de la recharge bidirectionnelle. Les tracteurs entièrement électriques sont disponibles depuis plusieurs années et, plus récemment, les camions annexes de chargement V2V ont fait leur apparition. Plutôt que de recharger le tracteur à l'aide d'un chargeur autonome situé dans un endroit fixe, les tracteurs et autres véhicules agricoles peuvent être rechargés sur le terrain, un peu comme un camion-citerne que l'on conduit là où on en a besoin plutôt que de ramener les tracteurs à une pompe à essence.
Les équipements sur le terrain pourraient également bénéficier de la recharge bidirectionnelle. Imaginez que vous dirigiez un chantier de construction avec toute une série d’outils, de véhicules spécialisés et d’équipements. De longs cordons disséminés sur le site constitueraient un danger pour la sécurité. Des outils alimentés par batterie, qui pourraient être rechargés par un véhicule électrique moyen à lourd selon les besoins - l'équivalent électrique d’un générateur à essence, pourraient être plus efficaces. Ce même camion pourrait également recharger d'autres véhicules plus petits sur le site, tels que des excavateurs, des bulldozers et des grues.
Ces sites de travail ou zones agricoles éloignés pourraient également utiliser des éoliennes ou des panneaux solaires pour fonctionner de concert avec leur infrastructure de recharge de véhicules électriques.
Étant donné que les véhicules commerciaux des flottes de livraison et les camions de construction lourds sont équipés de batteries de grande taille, en particulier par rapport à ceux des véhicules électriques grand public typiques, des centaines de kilowattheures d'énergie stockée pourraient être redistribuées à des fins commerciales et à grande échelle.
Bel propose des solutions d'alimentation bidirectionnelles
Compte tenu de tous les avantages et de tous les cas d’utilisation, il existe clairement un besoin en capacités de transfert d'énergie bidirectionnel dans les véhicules électriques et leurs équipements d’alimentation. Bel a développé un large portefeuille de solutions d'alimentation pour véhicules électriques qui permettent un flux d'énergie bidirectionnel, notamment des onduleurs, des chargeurs et des unités combinées bidirectionnelles. Ces produits innovants conviennent à une gamme de véhicules, de poids moyen à lourd, sur route et hors route, et peuvent aider à maximiser l'utilité de la batterie.
Les chargeurs bidirectionnels de Bel sont conçus pour répondre aux nombreux cas d'utilisation émergents dans lesquels il existe une raison impérieuse de prélever de l'énergie d'un véhicule pour la rediriger vers le réseau, d'autres véhicules ou des équipements sur le terrain, et, en fin de compte, rendre les entreprises plus efficaces et productives. L’équipe de Bel chargée des produits et de la conception est également disponible pour créer des solutions personnalisées adaptées à une grande variété de besoins et de cas d’utilisation. Contactez notre groupe Bel Power Solutions pour en savoir plus sur la façon de tirer parti de la recharge bidirectionnelle pour votre organisation.
www.belfuse.com
