Documents de référence, cadre réglementaire.
L'un des principaux problèmes auxquels un nouveau marché comme celui des véhicules électriques rechargeables (VER) pourrait être confronté est l'absence d'un cadre réglementaire défini permettant le développement des réseaux et des véhicules à partir de composants et de systèmes standardisés. La normalisation du marché est essentielle au succès de cette nouvelle opportunité pour les industries automobile et des véhicules électriques.
Sur les principaux marchés, tels que les États-Unis, l'Europe et le Japon, la plupart des réglementations et des normes sont en cours de finalisation. Nous examinerons les réglementations SAE, UL, IEC et ISO.
Documents de référence SAE :
La Society of Automotive Engineers (SAE) recense une série de documents de travail traitant de divers aspects de la communication entre le véhicule et le réseau intelligent. Outre la norme J1772, qui définit les types de connecteurs à utiliser, on trouve les normes J2836 et J2847. Chacun de ces documents est divisé en cinq sections portant sur les domaines suivants :
1. Niveaux d'incitation inclus à titre de recommandation.
2. Détails des exigences en matière d'équipement pour les chargeurs CC externes, également appelés EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment).
3. Définition des indicateurs permettant de définir la future transition énergétique du véhicule vers le réseau.
4. Établissement des systèmes de diagnostic du système de recharge.
5. Présentation des options spécifiques proposées par les différents constructeurs automobiles.
En outre, on y trouve les réglementations suivantes :
- La norme SAE J2894 (Exigences relatives à la qualité de l'alimentation des chargeurs) établit une série de normes pour les chargeurs embarqués.
- La norme SAE J2293 (Système de transfert d'énergie pour véhicules électriques) définit la réglementation relative aux équipements auxiliaires.
- La norme SAE J2464 (Essais de sécurité et de résistance aux abus des systèmes de stockage d'énergie rechargeables (RESS) pour véhicules électriques et hybrides) recense une série de recommandations, de procédures et d'analyses de données pour les systèmes de stockage.
Enfin, le document J2931 présente différentes exigences concernant l'utilisation de la CPL (Communication par courant porteur sur ligne) comme élément de communication entre le véhicule et la borne de recharge pour véhicules électriques.
UL
établit une série de normes de référence, telles que :
UL 2202, relative aux équipements des systèmes de recharge pour véhicules électriques (VE), qui définit des exigences de sécurité pour les bornes de recharge et assure leur harmonisation avec les réglementations SAE. Parmi les autres normes de référence, on peut citer :
UL 1998, Logiciels pour composants programmables ;
UL 2231, Équipements de protection individuelle pour les circuits d’alimentation des véhicules électriques (VE) ;
UL 2251, une série de mises à jour concernant les connexions (fiches, prises et coupleurs pour véhicules électriques) ;
UL 2594, une nouvelle norme pour les connecteurs ;
et UL 1741, relative aux équipements en général (onduleurs, convertisseurs, contrôleurs et équipements de systèmes d’interconnexion pour l’utilisation avec des ressources énergétiques distribuées).
CEI
- CEI 61851 (CEI TC69/WG4), Systèmes de charge conductrice pour véhicules électriques, Charge conductrice (Parties 1, 21, 22 et 23).
- CEI 61851-24 (CEI TC69/WG4), Systèmes de charge conductrice pour véhicules électriques, Charge conductrice, Communication entre le véhicule et le réseau (Partie 4 : Communication entre le véhicule et la station de charge).
- CEI 62196 (CEI TC23/SC23H) - Accouplements et connecteurs (Partie 1 : Fiches, prises et coupleurs de véhicules - Charge conductrice des véhicules électriques).
- CEI 62196 (CEI TC23/SC23H) - Accouplements et connecteurs (Partie 2 : Exigences d’interchangeabilité dimensionnelle pour les coupleurs de véhicules à broches et à tubes de contact).
Norme ISO
12405-1 (ISO/TC22/SC21) : spécification d’essai pour les batteries lithium-ion dans les applications de puissance.
Groupe de travail conjoint ISO/TC 22/SC 23 - CEI TC69 : interfaces de communication véhicule-réseau.
L’ISO TC22 regroupera les travaux de la CEI TC69 avec ceux d’autres groupes de travail (SC3/WG1, SC21).
Point de départ : Architectures de recharge futures.
Pour définir les architectures futures, il est essentiel de comprendre les besoins en recharge et en communication qui évolueront parallèlement à l’émergence de nouveaux véhicules et technologies. Les véhicules hybrides actuels (notamment les hybrides complets, ou HEV) (Toyota Prius, Honda Insight, Lexus, etc.) constituent un point de départ pour l’estimation des besoins en recharge des batteries. Pour ces véhicules, on peut estimer les besoins en recharge à 1,5 kWh. Dans ce cas, l’énergie externe n’est évidemment pas nécessaire, puisque le véhicule fournit lui-même la puissance requise. On observe une évolution de ce besoin avec les hybrides rechargeables (PHEV, ou hybrides électriques rechargeables), où les besoins en recharge passent à 8 kWh. Enfin, le véhicule 100 % électrique (BEV), dont la commercialisation est imminente, portera la puissance requise pour la recharge des batteries à 25 kWh (Figure 1).
S'inscrivant dans un modèle incluant des actions aux États-Unis, en Europe et dans la région Asie-Pacifique, le document initial J1772 définit les principes fondamentaux de l'interface entre le véhicule et le système de recharge pour véhicules électriques (VEVE), notamment le connecteur. Ce système de recharge externe se décline en trois architectures :
- Niveau 1 : niveau de base développé pour la recharge domestique des batteries aux États-Unis et au Japon. La puissance requise est de 1,5 à 2 kWh (environ 120 V, 15 à 20 A). Le temps de charge peut varier, mais la batterie peut être entièrement rechargée en 6 à 8 heures.
- Niveau 2 : environ 240 V, monophasé, pour une puissance maximale de 19,2 kWh (80 A).
- Niveau 3 : recharge en courant continu ultra-rapide, conçue pour recharger directement la batterie et minimiser le temps de charge. C’est dans ce type de recharge que la communication entre le véhicule et le système EVSE (chargeur externe) est particulièrement nécessaire, les exigences définies dans le document de travail J2293
- Les contributions définies dans les indications SAE sont fusionnées dans le système ISO/IEC, nous trouvons les modes 1, 2, 3 et 4, ce dernier établissant également différents cas qui peuvent varier selon le pays.
Si nous traçons les temps de charge et la puissance transférée sur un graphique (Figure 2), nous pouvons constater que nous pouvons atteindre des pics de 7 kW en une charge de 3 heures (240 V, 30 A).
Charge de la batterie vs. Temps de charge
. Il est intéressant d'analyser comment la batterie se charge tout en maintenant un état de santé (SOH) optimal pour maximiser sa durée de vie. Ceci est particulièrement important dans le secteur des véhicules électriques, où le coût de ces batteries (généralement lithium-ion polymère) est conséquent (selon la technologie de fabrication, on peut estimer un coût moyen de 400 à 700 USD par kWh). Chaque charge rapide limite la valeur du SOH et peut réduire la durée de vie de la batterie en cas d'utilisation excessive. Le concept de SOH est complexe, car il doit paramétrer le comportement de charge et de décharge de la batterie afin de prédire (voire de garantir) sa durée de vie future.
La mesure de l'état de charge (SOC), paramètre beaucoup plus intuitif que le SOH, reflète l'état de charge de la batterie. Comme nous l'avons mentionné, notamment pour les systèmes de charge triphasés ou en courant continu visant à réduire les temps de charge, la mesure de ce paramètre et son enregistrement par un système de surveillance sont essentiels pour préserver la durée de vie de la batterie. Pour déterminer les temps de charge typiques, il est nécessaire d'analyser la puissance à transférer et l'emplacement du chargeur (à l'intérieur ou à l'extérieur du véhicule, embarqué ou externe). Le tableau I présente les temps de charge typiques en fonction de la puissance de démarrage et du type de véhicule.
Il est également intéressant d'observer comment les temps de charge varient en fonction de la puissance initiale.
Le même tableau montre que la connectivité PLC entre le véhicule et l'élément de supervision de la borne de recharge est nécessaire pour garantir la communication entre le véhicule et le point de charge ; si le chargeur est situé à l'extérieur du véhicule, cette connectivité est absolument indispensable.
Pour les systèmes de charge plus lents, cette connectivité est également considérée comme nécessaire, car elle fournit au système un outil puissant permettant de garantir une charge efficace et rapide, tout en ajoutant de l'intelligence au véhicule en matière de mesure de l'énergie et de communication. Un système typique intégrant le véhicule à un réseau intelligent complet pourrait être celui illustré à la figure 3. Pour assurer cette communication, outre la surveillance des paramètres de charge (courant, tension), la société PREMO, en collaboration avec Nagares, développe une technologie pour les modules de filtrage et de surveillance destinés aux véhicules électriques à batterie (VEB) et aux véhicules hybrides rechargeables (VHR). Concrètement, il s'agit de systèmes qui informent le véhicule sur le type de charge qu'il reçoit et qui filtrent le courant utilisé pour la charge de la batterie. Les informations sur la tension et le courant sont fournies par un ensemble de capteurs qui comprennent des mesures de tension et de courant AC et DC par ligne, ainsi qu'une mesure de haute précision du courant en mode différentiel, ce qui permet d'établir un niveau de sécurité pour prévenir les défaillances ou les pannes d'isolation pendant les opérations de charge (Figure 4).
Conclusions
Nous avons abordé différents points, tels que les niveaux de charge établis et la manière dont nous pouvons influencer la charge en la contrôlant à la fois depuis le véhicule (niveaux 1 et 2) et à distance via une borne de recharge rapide en courant continu équipée de capacités de communication avec le véhicule.
L’analyse des tendances et des objectifs fixés par différentes entreprises et organisations nous permet de constater que la recharge des véhicules électriques et hybrides rechargeables sur les réseaux intelligents permettra d’atteindre les quatre objectifs principaux suivants :
1. Systèmes de gestion des tarifs heures pleines/heures creuses et de l'utilisation du réseau.
2. Ouverture de nouvelles possibilités en matière de contrôle direct de la charge (DLC), permettant l'analyse du réseau de véhicules connectés.
3. Programmes de tarification périodique/horaire (P/HP) personnalisés.
4. Gestion de la recharge des batteries en tant que charges actives.
Le document de bonnes pratiques J2836 établit également des protocoles de référence pour la structure des messages entre le véhicule et le réseau (Structures de messages du profil énergétique intelligent 2.0). Pour le développement de cas d'utilisation, le document de référence J2847 peut également être consulté.
Le groupe PREMO, en collaboration avec ses différents partenaires dans le cadre de projets nationaux et internationaux, travaille au développement de technologies pour les véhicules électriques et hybrides, notamment des composants inductifs pour convertisseurs à haut rendement, des systèmes de surveillance du courant de charge des batteries, ainsi que des modules de filtrage et de communication.
PREMO développe des technologies pour les systèmes de filtrage, de communication et de mesure de l'énergie en partenariat avec NAGARES. Ces deux entreprises ont été reconnues comme innovantes lors de la conférence SAE 2010
à Detroit.
Auteur : Felipe Jerez, CTO Groupe PREMO
