Les véhicules électriques (e-mobilité) sont peut-être l’un des défis les plus importants auxquels les entreprises technologiques et les consommateurs ont dû faire face ces dernières années. S’il est de plus en plus nécessaire de trouver des systèmes écologiques capables de révolutionner notre façon de nous déplacer, il faut également s’assurer que les nouvelles technologies vertes sont aussi efficaces et efficientes que possible en termes de prix et de performances.
Les équipementiers automobiles doivent respecter des normes d’émission de CO2 de plus en plus strictes tout en augmentant les performances des véhicules pour rester compétitifs. Ce défi important est relevé par l’électrification des véhicules purement électriques (VE), des véhicules hybrides électriques (HEV) et des véhicules à moteur à combustion interne (ICE). L’ajout de batteries à plus haute tension telles que 48V, 400V et 800V pour répondre aux besoins accrus en puissance a, à son tour, augmenté la complexité des architectures d’alimentation et posé de nouvelles exigences en termes de taille et d’efficacité
Les systèmes de véhicules électriques légers-hybrides (MHEV) sont la porte d’entrée de l’électrification. Également identifiés comme une propulsion hybride légère, ils contribueront à la croissance exponentielle des modèles hybrides. Le système MHEV est capable de récupérer l’énergie du véhicule lors du freinage et fournit de l’énergie lors du redémarrage du véhicule, réduisant ainsi la consommation d’essence et les émissions de CO2.
Une deuxième approche d’électrification pour les modèles HEV implique un moteur électrique travaillant conjointement avec le ICE, permettant au véhicule de se déplacer à 100% en mode électrique pendant quelques kilomètres. Une autre alternative populaire est le véhicule hybride-électrique rechargeable (PHEV), où la batterie peut être rechargée par le réseau, et l’autonomie à zéro émission augmente à environ 50 kilomètres. Dans ce cas, l’électrification est résolument plus élevée que les technologies MHEV et hybrides – tout comme les coûts d’achat – et des dizaines de modèles PHEV arrivent sur le marché.
Les véhicules électriques à batterie (BEV) n’ont pas de moteur à combustion interne et sont plutôt alimentés par la combinaison d’un onduleur et d’un moteur électrique. Les BEV sont rechargeables via le réseau et lors de la régénération au freinage. Parmi les voitures électriques, on trouve également les véhicules électriques à autonomie étendue (EREV) dotés d’un petit moteur à combustion interne utilisé exclusivement comme générateur de courant pour recharger les batteries lorsque le niveau est faible. La dernière catégorie est représentée par les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV), qui sont alimentés par des piles à hydrogène.
La solution pourrait se trouver non seulement dans les nouvelles technologies de stockage de l’énergie, comme les batteries à l’état solide ou les piles à hydrogène, mais aussi dans l’amélioration de l’efficacité des voitures grâce à la réduction du poids et à de nouvelles architectures électriques.
Les défis de l’électrification d’aujourd’hui
« Les défis de l’électrification d’aujourd’hui sont les suivants : maintenir les coûts à un niveau bas, atteindre des objectifs agressifs en matière d’émissions de CO2, gérer le changement des besoins en énergie, alimenter les charges 12V héritées, livrer des véhicules plus légers et plus performants, augmenter les niveaux de puissance, accélérer le temps de charge et gérer les tensions plus élevées des systèmes de batteries 800V et 400V », a déclaré Patrick Wadden Global VP Automotive Business Development chez Vicor Corporation.
Les constructeurs de voitures, de camions, de bus et de motos électrifient rapidement leurs véhicules pour augmenter le rendement énergétique des moteurs à combustion interne et réduire les émissions de CO2. Il existe de nombreux choix d’électrification, mais la plupart des constructeurs optent pour un système mild-hybrid de 48 volts plutôt que pour un groupe motopropulseur full-hybrid. Dans le système mild-hybrid, une batterie de 48V est ajoutée à côté de la batterie traditionnelle de 12V.
« Il y a soit une batterie de 800 ou 400 volts dans le véhicule. Vicor prend soit les 800 ou 400 volts de la batterie et convertit l’énergie en 48 volts pour alimenter des charges telles que le turbo électrique, le pare-brise à capot et les pompes de refroidissement. Les systèmes qui sont alimentés par la batterie de 800 ou 400 volts ont la possibilité d’éliminer complètement la batterie de 48V et de créer une batterie de 48V virtuelle. Cette élimination de la batterie de 48 V offre au constructeur une densité de puissance plus élevée, une réduction du poids et de la taille, le tout permettant d’augmenter l’autonomie du véhicule. Ces solutions sont évolutives et permettent de répondre aux besoins des véhicules d’entrée de gamme jusqu’aux véhicules de luxe », a déclaré Wadden.
La technologie 48V distribue efficacement la puissance
La technologie 48V augmente la capacité de puissance par 4x (P = V – I), ce qui peut être utilisé pour des charges plus lourdes, comme le climatiseur et le convertisseur catalytique au démarrage. Pour augmenter les performances du véhicule, le système 48V peut alimenter un moteur hybride qui est utilisé pour une accélération plus rapide et plus douce tout en économisant du carburant.
« Surmonter l’hésitation à modifier le réseau d’alimentation (PDN) 12 volts optimisé en termes de coûts, qui existe depuis longtemps, pourrait être le plus grand défi », a déclaré Wadden. Il poursuit : « Pour l’industrie automobile, un système mild-hybrid de 48 V permet de lancer rapidement de nouveaux véhicules à faibles émissions, à plus grande autonomie et à meilleure consommation d’essence, ainsi qu’une approche pratique. Il offre également de nouvelles et passionnantes options de conception pour des performances et des caractéristiques plus élevées tout en réduisant les émissions de CO2. »
La grande majorité des convertisseurs CC-CC centralisés utilisés sont encombrants et lourds, car ils utilisent d’anciennes topologies de commutation PWM à basse fréquence. Une architecture plus moderne à prendre en considération est l’alimentation décentralisée (figure 4) utilisant des modules de puissance.
« Les avantages de l’utilisation d’un modèle décentralisé peuvent être réalisés encore plus au niveau du système avec un câblage plus léger autour du véhicule : il y a quelques avantages intéressants à placer le convertisseur le plus près de la charge en termes de minimisation de l’impédance et de la résistance, certaines des méthodes de refroidissement peuvent être simplifiées et dans certains cas, on peut éliminer une plaque froide ou un refroidissement liquide. La possibilité de mettre en œuvre la sécurité fonctionnelle avec plus d’options, et la flexibilité entre en jeu « , a déclaré Wadden.
Cette architecture d’alimentation utilise des convertisseurs 48V à 12V plus petits et de plus faible puissance. L’architecture d’alimentation décentralisée offre des avantages significatifs en matière de gestion thermique dans un système d’alimentation.
« Regardons un diagramme de haut niveau d’un système centralisé par rapport à un système décentralisé. À gauche, nous avons une boîte argentée traditionnelle de 3kW, traditionnellement avec une entrée de 400V à une sortie de 12V alimentant des charges de 12V dans la voiture. À droite, un exemple de l’utilisation du 48V dans la voiture : le convertisseur est placé au point de charge, le modèle décentralisé supprime le gros boîtier argenté et répartit la distribution de l’énergie selon les besoins dans le véhicule. Cela permet également de mettre en œuvre la norme ASIL FUSA avec des alimentations redondantes. Au fur et à mesure que les besoins en puissance augmentent, il devient de plus en plus difficile de gérer et continuer à ajouter ces vieilles boîtes argentées traditionnelles n’est pas une option « , a déclaré Wadden.
Les nouveaux PDN 48V doivent prendre en charge les charges 12V héritées avec des besoins en puissance accrus et les nouveaux systèmes d’entraînement, de direction et de freinage à haute puissance utilisant des câbles. Délivrer plus de puissance 48V avec un nombre croissant de charges nécessite des modules à haute densité par rapport aux solutions discrètes plus grandes et plus encombrantes. Vicor propose plusieurs modules pour la fourniture de puissance à partir de 48V. Ces dispositifs comprennent des solutions de conversion à rapport fixe et régulées qui prennent en charge les charges de 48V et 12V en mode buck ou boost. Ces convertisseurs peuvent être contenus dans un seul boîtier ou répartis dans le véhicule en utilisant un PDN 48V plus petit et plus léger.
Le NBM de Vicor est utilisé dans une architecture décentralisée chaque fois que les équipementiers ont besoin de placer des étages de conversion de tension autour du véhicule, au plus près de la charge et soit en abaissant le 48V à 12V, soit en boostant le 12V à 48V.
Avec l’utilisation des stations de charge 400V et 800V, la compatibilité du véhicule avec n’importe quelle station nécessite une solution de conversion aussi simple que possible mais surtout efficace. Le NBM6123 fournit une conversion 400V et 800V à rapport fixe de 6,4kW dans un boîtier CM-ChiP de 61 x 23mm, permettant une solution évolutive, à haut rendement et à haute densité pour la compatibilité entre les stations de recharge en bord de route et les différents véhicules. La capacité bidirectionnelle des solutions de Vicor permet d’utiliser le même module pour la conversion ascendante ou descendante. Le NBM6123 peut également être utilisé pour l’alimentation du véhicule pour la climatisation pendant la charge, minimisant ainsi le circuit d’équilibrage de la batterie.
Conclusion
L’évolution vers l’électrification des véhicules prend aujourd’hui de nombreuses formes et leur alimentation est compliquée. Un véhicule comporte de nombreux systèmes différents et chacun d’eux peut avoir des besoins en énergie différents. Une approche d’alimentation modulaire est par nature plus flexible et évolutive, capable de répondre à une myriade de ces défis. Les solutions hautes performances de Vicor sont petites et légères, conçues pour répondre à la conversion, à la charge et à la distribution d’énergie pour n’importe quel système.
Maurizio a travaillé dans le domaine de la recherche sur les ondes gravitationnelles et dans des projets de recherche spatiale en tant qu’ingénieur de conception. Il se demande parfois si quelqu’un là-haut nous a envoyé des messages que nous n’avons pas reçus ou que nous n’avons pas pu décrypter. Maurizio est ingénieur en électronique et titulaire d’un doctorat en physique. Maurizio aime écrire et raconter des histoires sur la technologie et l’électronique. Ses principaux centres d’intérêt sont l’énergie, l’automobile, l’IdO et le numérique. Maurizio est actuellement rédacteur en chef de Power Electronics News et correspondant européen d’EE Times. Il supervise également les discussions sur EEWeb.com. Il a écrit divers articles techniques et scientifiques, ainsi qu’un couple de livres pour Springer sur la récolte d’énergie et le système d’acquisition et de contrôle des données.
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