Les véhicules électriques (EV) sont de plus en plus acceptés sous diverses formes (hybrides, purement électriques, etc) malgré la persistance de « l'angoisse en matière d’autonomie ». Les constructeurs automobiles continuent de travailler afin d’étendre l’autonomie et de réduire les temps de charge pour surmonter cet obstacle majeur à une large adoption. La façon dont les véhicules électriques sont rechargés a un impact significatif sur la facilité d'utilisation et la commodité du véhicule. Avec un nombre limité de bornes de recharge de haute puissance, une grande partie des propriétaires de véhicules électriques dépendent toujours de leurs chargeurs embarqués (« onboard chargers », OBC) pour recharger leur véhicule. Pour améliorer les performances des OBC, les constructeurs automobiles se tournent vers de nouvelles technologies telles que le carbure de silicium (SiC). Kevin Keller examine l'importance des OBC et comment les progrès réalisés dans le domaine des commutateurs à semi-conducteurs permettent d'améliorer leurs performances.
Il existe aujourd'hui sur le marché une large gamme de systèmes de propulsion, depuis les véhicules uniquement propulsés par un moteur à combustion interne (« internal combustion engine », ICE), jusqu'aux véhicules purement électriques (xEV), en passant par des modèles hybrides qui utilisent en combinaison l'ICE et l'énergie électrique (xHEV). Les xHEV existent en deux variantes différentes : les véhicules électriques hybrides légers (MHEV) et les véhicules électriques entièrement hybrides (FHEV).
Les MHEV reposent principalement sur un moteur à combustion interne et intègrent une petite batterie (généralement de 48 V). Bien qu’ils ne puissent pas fonctionner uniquement à l’énergie électrique, leur moteur électrique contribue à réduire légèrement la consommation de carburant.
Les FHEV offrent une flexibilité accrue car ils peuvent combiner de manière transparente le moteur thermique et le moteur électrique, qui est alimenté par une batterie (fonctionnant généralement dans la plage 100-300 V). Les FHEV rechargent également leurs batteries grâce au freinage récupératif, en captant l'énergie pendant le freinage pour améliorer l'efficacité.
Dépendance des OBC pour recharger
Tous les xEV, y compris les hybrides rechargeables et les véhicules électriques à batterie pure (« pure battery electric vehicles », BEV), sont équipés de ces systèmes de freinage par récupération. Cependant, compte tenu de la plus grande capacité de leur batterie, ces véhicules dépendent fortement des OBC pour recharger.
La forme de chargeur la plus simple n'est guère plus qu'un câble permettant de connecter l'OBC du véhicule électrique à une prise murale (une protection contre les défauts de terre est généralement requise). Bien que pratiques, ces systèmes de niveau 1 pour la plupart résidentiels (appelés SAE AC niveau 1 tel que défini dans la norme J1772) fonctionnent à une puissance d'environ 1,2 kW et ajoutent jusqu'à cinq miles d'autonomie par heure de charge. Les systèmes de niveau 2 (ou SAE AC niveau 2) utilisent généralement une alimentation en courant alternatif multiphasée provenant du réseau et se trouvent le plus souvent dans les bâtiments publics et les installations commerciales. Avec des niveaux de puissance allant jusqu'à 22 kW, jusqu'à 90 miles d'autonomie peuvent être ajoutés pour chaque heure de charge.
Les chargeurs de niveau 1 et de niveau 2 fournissent du courant alternatif au véhicule électrique, aussi un OBC est donc essentiel pour convertir l'entrée AC en sortie DC afin de charger la batterie. La plupart des chargeurs déployés actuellement sont de niveau 2.
Les chargeurs DC de haute puissance, appelés indifféremment chargeurs DC de niveau 3, SAE niveaux 1 et 2 ou chargeurs IEC Mode 4, délivrent une tension DC et peuvent charger la batterie directement, éliminant ainsi le besoin d'un OBC. Les niveaux de puissance de ces chargeurs DC vont de 50 kW à plus de 350 kW, ce qui permet de charger jusqu'à 80 % de la capacité de la batterie en 15 à 20 minutes environ. Compte tenu des niveaux de puissance élevés et des changements d’infrastructure requis dans le réseau électrique, le nombre de prises de recharge rapides reste relativement limité, même s’il augmente rapidement.
De nombreux constructeurs automobiles sont en train de passer des batteries de 400 V aux batteries de 800 V. Cette évolution vise à améliorer l'autonomie des VE en améliorant l'efficacité des systèmes et les performances, en permettant des vitesses de charge plus rapides et en réduisant le poids des câbles et des batteries.
Anatomie d'un OBC
Généralement, un OBC est un convertisseur de puissance à deux étages avec un étage de correction du facteur de puissance (Power Factor Correction, PFC) suivi d'un étage de convertisseur DC-DC isolé. Il convient de noter qu’une configuration non isolée est possible mais est rarement utilisée. L'étage PFC redresse l'alimentation du courant alternatif, amène le facteur de puissance à une valeur supérieure à 0,9 et génère une tension de bus régulée pour l'étage DC-DC.
Au cours des dernières années, la demande de systèmes bidirectionnels a considérablement augmenté. Ces systèmes permettent aux véhicules électriques d'inverser le flux d'énergie de la batterie vers la source, à des fins diverses telles que l'équilibrage dynamique de la charge du réseau (V2G : « vehicle-to-grid ») ou la gestion des pannes de réseau (V2L : « vehicle-to-load »).
L'approche PFC traditionnelle consiste à utiliser un pont de diodes de redressement en conjonction avec un convertisseur boost. Le pont redresseur convertit la tension alternative en tension continue, tandis que le convertisseur boost augmente le niveau de tension. Une version améliorée de ce circuit de base est la topologie boost entrelacée, dans laquelle plusieurs étages de convertisseur sont connectés en parallèle pour réduire le courant d'ondulation et améliorer l'efficacité. Ces topologies PFC utilisent généralement des technologies au silicium telles que les Mosfet à super-jonction et les diodes à faible Vf.
L'émergence de commutateurs de puissance à large bande interdite (« wide bandgap », WBG), en particulier le SiC, a permis de développer de nouvelles approches de conception en raison de leurs avantages : pertes de commutation plus faibles, un RDS(on) plus faible et diode de corps à faible récupération inverse.
La topologie totem-pole sans pont a gagné en popularité dans les applications PFC de puissance moyenne à puissance élevée, typiquement de 6,6 kW et plus, avec la branche lente (Q5-Q6) commutant à la fréquence du réseau (50-60 Hz) et la branche rapide (Q1-Q4) façonnant le courant, augmentant la tension et fonctionnant à une fréquence plus élevée. (généralement 65-110 kHz) en mode de commutation dure. Bien que la topologie totem-pôle sans pont améliore considérablement l’efficacité et réduise le nombre de composants de puissance, elle introduit néanmoins une complexité en termes de contrôle.
Le SiC dans les applications OBC
Les dispositifs SiC de 650 V sont généralement le choix préféré pour les batteries 400 V. Cependant, pour les architectures 800 V, les exigences de tension plus élevées nécessitent l'utilisation de dispositifs de 1200 V.
L'adoption du SiC dans le domaine OBC peut être attribuée à ses performances exceptionnelles au niveau de plusieurs caractéristiques-clés. Le SiC présente des avantages en termes de RDS(on) spécifique par zone, de pertes de commutation, de diode de récupération inverse et de tension de claquage. Ces atouts permettent aux solutions à base de SiC de fonctionner de manière fiable à des températures plus élevées. En tirant parti de ces caractéristiques de performances supérieures, il est possible de réaliser des conceptions plus efficaces et plus légères. Par conséquent, les systèmes peuvent atteindre des niveaux de puissance plus élevés (jusqu’à 22 kW) qu’il serait impossible d’atteindre avec des solutions traditionnelles à base de silicium (IGBT ou super-jonction).
Bien qu'un OBC de puissance plus élevée dans un véhicule électrique n'ait pas d'impact direct sur l'autonomie du véhicule, il joue un rôle crucial dans la résolution du problème de l'anxiété liée à l'autonomie en réduisant considérablement les temps de charge. Le niveau de puissance des OBC est en augmentation pour permettre une charge plus rapide. La technologie SiC joue un rôle essentiel en permettant d'améliorer l'efficacité des systèmes, en garantissant une conversion efficace de l'électricité du réseau sans gaspillage d'énergie. Il est ainsi possible de concevoir des systèmes OBC plus compacts, plus légers et plus fiables.
