Thèmes:
- Préface
- Prises et connexions de charge
- Équipement d'alimentation électronique pour véhicules (EVSE)
- Options de chargement
- Temps de chargement
- Tarifs à charger
- Communication entre la borne de recharge et le véhicule
- Pilote de proximité
- Pilote de contrôle
- Réseau électrique
Préface:
Les batteries des véhicules électriques ou hybrides rechargeables peuvent être chargées via des installations de recharge externes. Vous pouvez connecter la voiture à l'aide d'un câble de charge à une borne de recharge publique, à une borne de recharge publique ou à votre propre boîtier mural (sur la façade extérieure ou dans le garage) pour charger la batterie via le réseau électrique. Il existe également souvent un chargeur mobile qui permet de recharger via la prise murale, mais il est recommandé de n'utiliser ce chargeur qu'en cas d'urgence.
L'image suivante montre la recharge d'une voiture électrique. Sur le côté du véhicule se trouve une trappe qui ressemble beaucoup à la trappe à carburant d'une voiture à moteur à combustion. Derrière le rabat se trouve le connecteur dans lequel la fiche de chargement peut être insérée.
L'autocollant dans le rabat indique de quelle couleur la LED à côté de la fiche s'allumera dans un certain état.
Prises et connexions de charge :
Les fiches et connexions de recharge sont standardisées en Europe. Nous utilisons le Mennekes (type 2) pour la recharge AC (courant alternatif) et la fiche CCS2 pour la recharge DC (courant continu).
L'image suivante montre un Mennekes Type 2 combiné avec des fiches de charge CSS2. Cette prise permet de recharger (rapidement) en courant continu.
L'image ci-dessous montre les prises utilisées dans d'autres parties du monde. Une distinction est faite entre AC et DC, la variante DC étant souvent une extension du connecteur AC.
Équipement d'alimentation électronique pour véhicules (EVSE) :
Les installations de recharge publiques sont toujours équipées d'une interface avec EVSE (Electronic Vehicle Supply Equipment). Cela garantit la sécurité et la communication. Les fonctions de l'EVSE comprennent :
- Vérification des connexions : après avoir vérifié que toutes les fiches sont connectées et verrouillées, le mode de charge démarre ;
- Autodiagnostic : lorsque des erreurs sont détectées, l'alimentation secteur est interrompue ;
- Détection du courant de fuite : l'alimentation secteur est interrompue en cas de toute forme de courant de fuite ;
- Contrôle du courant : communique avec le chargeur embarqué dans la voiture en utilisant un signal PWM pour limiter le courant.
Options de chargement :
Lors de la recharge en courant alternatif (AC), l'électricité du réseau électrique de la voiture est convertie en courant continu (DC). L’inconvénient de la charge AC est qu’il existe un risque élevé de phénomènes d’induction et de pertes dus à la résistance des conducteurs. Une conversion du courant alternatif vers le courant continu a également lieu dans la voiture avant que l'énergie n'atteigne la batterie, ce qui limite le courant de charge.
La charge en courant continu (DC) permet une charge « super » rapide. La conversion AC/DC ne s'effectue plus dans le chargeur embarqué, mais à l'extérieur du véhicule. La batterie peut ainsi être chargée avec une plus grande capacité de charge et se remplit donc plus rapidement. C'est idéal pour recharger pendant une pause-café le long de l'autoroute pour le reste du voyage.
Les modes et vitesses de chargement d'un véhicule peuvent être divisés en quatre modes différents. Les modes 1, 2, 3 et 4 indiquent comment le véhicule est connecté à la prise de courant.
- Mode 1 : la recharge s'effectue directement via le réseau électrique d'un branchement domestique. Dans le véhicule, la tension est convertie du courant alternatif (courant alternatif) au courant continu (courant continu). Le dispositif de charge assure la sécurité car il n'y a pas de limitation de courant ni de retour du véhicule vers la prise. Cette méthode de chargement est rarement utilisée, car elle présente des risques de danger et de défauts, et est donc interdite dans de nombreux pays.
- Mode 2 : tout comme en mode 1, la prise murale d'un branchement domestique est utilisée et le courant de charge est limité à 16 A avec un vermogen de 3,68 kW. Cependant, pour éviter les surcharges, la puissance passant par les câbles de charge est généralement limitée à 2,3 kW (environ 10 A). Avec le mode de charge 2, la station de charge est conçue comme un chargeur mobile que vous pouvez emporter avec vous. Dans le véhicule, le chargeur embarqué convertit le courant alternatif en courant continu.
- Mode 3 : la recharge utilise une borne de recharge fixe ou wall box, qui, tout comme en mode 2, est connectée au réseau électrique d'un bâtiment. Le chargeur mode 3 est adapté à la recharge AC et pour des puissances de 3,68 à 22 kW. Encore une fois, le courant alternatif est converti en courant continu dans l'électronique de puissance du véhicule.
- Mode 4 : Alors que les modes de charge 1 à 3 utilisent du courant alternatif et que celui-ci doit être converti en courant continu dans le véhicule, avec le mode de charge 4, la conversion du courant alternatif en courant continu a lieu dans la borne de recharge elle-même. Le courant continu est fourni directement à la batterie. C’est ce qu’on appelle la charge CC ou la charge rapide. Une borne de recharge DC pour la recharge en mode 4 nécessite une tension d'entrée d'au moins 480 volts et délivre une puissance de 43 kW.
Temps de chargement :
Les temps de recharge des véhicules hybrides et électriques peuvent être déterminés par le batteriejcapaciteit à diviser par le montant livré vermogen du chargeur.
La puissance de charge disponible n'est pas seulement déterminée par le type de chargeur et de câble de charge, mais également par la puissance de charge maximale pour laquelle l'électronique de puissance du véhicule est adaptée. Les nouvelles voitures de luxe reçoivent de plus en plus de batteries plus grosses, avec plus de capacité pour une plus grande autonomie, mais comme la capacité de charge augmente, cela peut même signifier que le temps de charge diminue. A titre d'exemple, nous prenons une VW e-Golf (32 kWh) par rapport à un Mercedes EQS SUV 500 (108,4 kWh). Tous les véhicules ne peuvent pas recharger jusqu'à 100 % en courant continu. La charge CC s'arrête à 80 %. Les 20 % restants bénéficient d’une capacité de charge inférieure via AC. Ceci sert à protéger la batterie HV.
VW e-Golf (32 kWh)
Chargement CA :
Avec une prise de charge de type 2, la batterie peut être chargée via secteur. La puissance de charge maximale du chargeur embarqué est de 3,7 kW. Lorsque la batterie est chargée à 20 % via une station de charge (mode 3), cela prend environ 7 heures. Explication : 80% (charge) de 32 kWh = 25,6 kWh. On calcule le temps de charge en divisant la puissance requise par la puissance délivrée : (25,6 / 3,68) = 6,96 heures (6 heures et 58 minutes).
Lors de la recharge via la prise (mode 2), la puissance est limitée à 2,3 kW et le temps de recharge est de 11,13 heures (11 heures et 8 minutes).
Chargement CC :
Lors d'une charge rapide en courant continu d'une puissance de 44 kW, la batterie est complètement chargée après 0,58 heure (35 minutes).
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
Chargement CA :
Avec une prise de charge de type 2, la batterie peut être chargée via secteur. La puissance de charge maximale du chargeur embarqué est de 11 kW. Encore une fois, nous supposons que nous facturons à partir de 20 %. La puissance à fournir par le chargeur est de 86,72 kW. Lors du chargement via la station de chargement, le temps de chargement est de 7,88 heures (7 heures et 53 minutes).
Chargement CC :
Avec le mode 4, il est possible de charger jusqu'à 207 kW. Le temps de charge est : (86,72 / 207) = 0,42 heures (25 minutes).
Tarifs à charger :
Il existe de nombreux fournisseurs de cartes de recharge. Différents sites Internet proposent un aperçu des tarifs. Dans cette section, nous prenons pour base les tarifs de l'énergie en vigueur en mars 2023 et ne prenons pas en compte les frais d'abonnement ni les tarifs de départ par session de recharge, mais uniquement les prix de l'énergie.
- Pays-Bas AC 0,60 €/kWh
- Pays-Bas DC 0,85 €/kWh
- Belgique et Luxembourg 0,65 €/kWh
- Europe : CA 0,51 €/kWh
- Europe : DC 0,87 €/kWh
Dans les exemples de la VW e-Golf et de la Mercedes EQS, nous calculons les prix de recharge en fonction de la capacité de recharge et du fait que nous commençons à recharger à partir d'une plage de 20 %.
- VW e-Golf : sur la base d'une puissance de recharge de 25,6 kW, elle coûte 15,36 € pour la recharge AC aux Pays-Bas et 21,76 € pour la recharge DC. Autonomie totale : 190 km.
- Mercedes EQS : avec une capacité de recharge de 86,72 kW, il coûte 52 € aux Pays-Bas pour la recharge AC et 73,70 € pour la recharge DC. La portée est d'environ 485 km.
Communication entre la borne de recharge et le véhicule :
Le module d'interface de recharge assure la communication entre la borne de recharge et le véhicule. Le « Proximity Pilot » et le « Control Pilot », abrégés en « PP » et « CP », indiquent qu'une prise de charge est connectée et déterminent la quantité de courant de charge autorisée. Les deux paragraphes suivants expliquent le fonctionnement du PP et du CP.
Sur l'image, nous voyons le CP et le PP dans la prise Mennekes américaine de type 1 (à gauche) et européenne de type 2 (à droite), toutes deux combinées avec la prise de charge DC. Nous nous concentrons sur la bonne fiche avec le CP, le PP, les trois phases (L1 à L3) avec le fil neutre (N) et ce que l'on appelle la terre de protection (PE).
Cette section utilise le schéma suivant, basé sur la norme européenne (IEC 62196-2). Il s'agit du connecteur Type 2, également appelé Mennekes. Dans le diagramme, nous voyons (de gauche à droite) les composants suivants :
- Contrôleur EVSE : c'est le module intégré à la borne de recharge ou à la wallbox ;
- Prise de charge : en plus du courant de charge, une communication a lieu entre le contrôleur EVSE et le contrôleur du véhicule via le PP et le CP ;
- Contrôleur du véhicule : l'électronique du véhicule active le processus de charge dès que plusieurs conditions sont remplies.
Pilote de proximité :
Le pilote de proximité a deux fonctions : enregistrer si un câble de charge est connecté et enregistrer quel type de câble de charge est connecté, afin de pouvoir déterminer le courant de charge maximal.
Dans le schéma ci-dessous, le circuit PP est coloré en rouge. Nous voyons ici un diviseur de tension entre R1 et R2, alimenté par 5 volts. L'unité de contrôle mesure la tension entre R1 et R2 (ceci est indiqué avec un voltmètre pour plus de clarté). La résistance R1 sert de résistance de rappel.
- Si aucune prise de charge n'est connectée, il n'y a pas de diviseur de tension. La résistance R1 n’absorbe aucune tension, la tension mesurée est donc de 5 volts ;
- Lorsque la fiche de charge est connectée, une connexion en série est créée. Avec les valeurs de résistance données, la centrale mesurera une tension de 3,1 volts.
La valeur de résistance dans la fiche de charge indique le courant maximum traversant le câble de charge. Ces valeurs de résistance sont les suivantes :
- 100 ohms : maximum 63 A ;
- 220 ohms : maximum 32 A ;
- 680 ohms : maximum 20 A ;
- 1500 ohms : maximum 13A.
La valeur de résistance dans l'exemple est de 220 ohms, ce qui signifie que le courant traversant ce câble de charge peut être au maximum de 32 A. Une résistance supérieure ou inférieure garantit une division de tension différente et donc une tension d'entrée différente pour le contrôleur.
Les connecteurs nord-américains relèvent de la norme : SAE J1772. Cette prise de charge de Type 1 diffère de la version européenne :
- Tension alternative monophasée au lieu de tension alternative triphasée dans la fiche européenne de type 2 ;
- Crochet de verrouillage manuel. Le diviseur de tension supplémentaire permet d'intégrer une sécurité supplémentaire. Dès qu'il est reconnu que le bouton a été enfoncé, le système de charge s'éteint immédiatement.
Le schéma ci-dessous montre la version américaine.
Le crochet de verrouillage prolonge notamment le circuit Proximity Pilot.
- Il y a un diviseur de tension dans le connecteur ;
- L'interrupteur S3 est en parallèle avec la résistance R7. Au repos, l'interrupteur est fermé et la résistance R7 est pontée ;
- Lors du retrait de la fiche, le conducteur doit actionner le crochet de verrouillage pour retirer la fiche du véhicule. En appuyant sur ce crochet, S3 s'ouvre. La résistance R7 fait partie du diviseur de tension.
Pilote de contrôle :
Le CP surveille le processus de charge depuis la demande de démarrage de la charge jusqu'à la fin de la charge lorsque la batterie est complètement chargée. Le CP permet la communication entre le contrôleur EVSE de l'installation de recharge et le véhicule.
- Après avoir connecté le câble de charge à la station de charge, le contrôleur EVSE applique une tension de 12 volts à la connexion Control Pilot de la prise de charge.
- dès que la prise de charge est connectée au véhicule, la tension chute à environ 9 volts en raison du diviseur de tension entre R3 et R4 ;
- Le contrôleur mesure la tension entrante via le ST2 (déclencheur Schmitt).
Le flux de courant avec un câble de charge connecté est marqué en rouge.
- Après avoir enregistré le 9 volts, le contrôleur EVSE excite le relais K2. Au lieu de l'alimentation 12 volts, l'oscillateur est inclus dans le circuit ;
- l'oscillateur produit une tension carrée de -12 à +12 volts ;
- la diode assure que la tension sur la connexion CP varie entre +9 et -12 volts ;
- Avec le cycle de service dans le signal PWM, le contrôleur EVSE indique le courant de charge maximum que le véhicule peut consommer.
Après avoir établi le signal PWM, le contrôleur du véhicule active le relais K1 lorsque le véhicule est prêt à commencer la charge.
- Le relais K1 commute la résistance R5 à la masse ;
- en raison de la connexion parallèle entre R4 et R5, l'impulsion positive du signal PWM tombe à 6 volts ;
- La tension de 6 volts est mesurée par le contrôleur EVSE dans le chargeur et connecte désormais l'alimentation électrique au câble de charge pour charger la batterie.
L'image ci-dessous montre le signal du Control Pilot, montrant l'évolution de la tension en fonction du temps. Ce profil de tension peut être mesuré au niveau de la connexion Control Pilot de la prise de charge pendant qu'elle est connectée.
- Statut A : Il n'y a pas de connexion avec le véhicule. Tant qu'aucun câble de charge n'est connecté, la tension reste de 12 volts ;
- Statut B : Le véhicule électrique est connecté. Le relais K2 est excité. La tension chute à 9 volts à cause de la diode dans le circuit ;
- Statut C : le relais K1 est excité. C'est « le signal » pour que l'unité de charge démarre le processus de charge.
Les états D et E indiquent lorsqu'une action est requise pour la ventilation ou pour terminer le processus de charge car une erreur a été détectée.
Réseau électrique :
Dans la section « options de chargement », les modes 1 à 4 étaient affichés. Vous pouvez choisir de recharger le véhicule à domicile via le chargeur domestique, la wallbox, la borne de recharge ou via un chargeur rapide le long de l'autoroute. La recharge à domicile, notamment via son propre système de recharge, devient de plus en plus populaire. Un chargeur domestique peut simplement être connecté à une prise, mais pour obtenir le temps de charge le plus court possible avec plus de courant de charge, vous pouvez connecter votre propre boîtier mural en ajustant le boîtier de distribution. Examinons d'abord les concepts : courant alternatif monophasé et triphasé.
Avec une connexion monophasée, nous voyons un câble électrique « standard » à trois conducteurs :
- marron : fil de phase ;
- bleu : fil neutre ;
- jaune/vert : fil de terre.
Avec une borne de recharge monophasée ou une wallbox, l'électricité circule par deux fils (le fil de phase et le fil neutre).
Une wallbox ou une station de recharge monophasée utilise la connexion standard 1 V de l'électronique domestique. La puissance maximale est de 230 A, ce qui porte la puissance de charge maximale d'un chargeur monophasé à 16 kW. Une batterie de 1 kW se charge en 3,7 heures environ avec cette capacité de charge, ce qui prend un temps relativement long. La plupart des nouvelles voitures électriques ont une capacité plus élevée.
Il est possible d'augmenter le courant maximum dans le boîtier de distribution de l'électronique domestique, afin d'avoir plus de capacité pour un chargeur monophasé de 32 A. Dans ce cas, la recharge peut être effectuée avec un maximum de 1 kW. Cependant, avec un chargeur monophasé, il existe un risque que le boîtier de distribution soit surchargé, entraînant une panne de courant. En plus d'une borne de recharge, de plus en plus d'appareils électriques utilisent le réseau électrique, notamment le lave-linge, le lave-vaisselle, la plaque de cuisson et la pompe à chaleur. Grâce à l'équilibrage de charge, la capacité maximale peut être utilisée :
- Pendant la journée, il y a de fortes chances que plusieurs appareils électriques soient utilisés. Le courant de charge du véhicule est réduit ;
- La plupart des appareils sont éteints la nuit afin que le véhicule dispose d'une plus grande capacité de charge.
Pour recharger plus rapidement, il est possible de connecter la borne de recharge ou la wallbox au coffret de distribution via une connexion triphasée. Il ne s’agit pas nécessairement d’un flux de puissance. Avec une connexion triphasée, nous voyons deux fils supplémentaires :
- noir : fil de phase supplémentaire ;
- gris : fil de phase supplémentaire.
Avec une borne de recharge triphasée, l'électricité circule dans quatre fils (les fils triphasés et le fil neutre).
La capacité de charge d'une borne de recharge ou d'une wall box sur un branchement triphasé est plus élevée qu'avec un branchement monophasé, ce qui permet au véhicule de recharger plus rapidement. Le courant de charge maximum du véhicule n'est jamais dépassé. Certains véhicules ne conviennent qu'à une recharge jusqu'à 3 kW. Cela n’a alors aucun sens de créer une connexion triphasée. Les véhicules peuvent également convenir pour 1 ou 3,7 kW : il vaut la peine d'augmenter la capacité (3*7,4 A) du coffret de distribution.
Dans les maisons plus anciennes, nous voyons souvent un raccordement monophasé (jusqu'à 1 A) dans le coffret de distribution. Les trois phases sont présentes, mais une seule est connectée.
Le boîtier de distribution peut être converti de manière à utiliser les trois phases. Les maisons plus récentes, dont le coffret de distribution est préparé pour davantage de consommateurs électriques (comme des panneaux solaires, une plaque à induction et une pompe à chaleur), peuvent déjà être équipées d'un raccordement triphasé dès la livraison. Dans ce cas, le compteur électrique indique « 3×3/220V ou 230×3/380 volts ». Il y a également un total de quatre fils – les fils triphasés et le fil neutre – provenant du bas du boîtier de distribution. Selon le coffret de distribution, le groupe est protégé jusqu'à 400x1A, 25x1A ou 30A. Plus l'ampérage indiqué est élevé, plus il est possible d'utiliser simultanément du courant.
L'image ci-dessous montre cinq situations allant d'un raccordement monophasé à triphasé dans le coffret de distribution et l'utilisation d'un chargeur monophasé ou triphasé.
1 phase : Avec le chargeur de secours, vous pouvez recharger le véhicule via la prise. Avec une wallbox, un groupe monophasé peut charger jusqu'à 1A sans équilibrage de charge, et 16A avec équilibrage de charge. Le 32A ne peut être atteint que lorsqu'aucun autre consommateur n'est actif dans la maison.
Pour des puissances jusqu'à 7,4 kW, un réseau monophasé avec équilibrage de charge est possible. Lors de l'utilisation de plusieurs appareils électriques à forte consommation dans la maison, notamment la laveuse/sécheuse, le lave-vaisselle et la pompe à chaleur, la puissance diminuera pour se protéger contre les surcharges. En pratique, cela signifie que la puissance peut diminuer jusqu'à 1 %. Le passage de 50 à 1 phases est donc judicieux.
3 phase : Si trop de puissance est demandée en même temps, cela peut provoquer une surcharge et déclencher la protection, provoquant une panne de courant. Il est donc important que le réseau puisse fournir suffisamment d’électricité. Avec une connexion triphasée, plus de courant peut être fourni simultanément. Les groupes triphasés sont protégés jusqu'à 3A en standard.
- 11 kW : un renforcement du placard à compteurs est nécessaire. Le réglage de 1 phase à 3 phases est suffisant ;
- 22 kW : en plus du réglage de 1 phase à 3 phases, une augmentation de 35A est nécessaire.
Le réglage à 22 kW et 35A n'est guère intéressant pour les particuliers. En raison de l'augmentation, des frais fixes annuels supplémentaires de 1000 3 € doivent être payés. Pour chaque étape plus lourde (63x3A ou 80xXNUMXA) un supplément doit être payé. De plus, de nombreux véhicules électriques ne sont pas (encore) adaptés à la recharge avec des courants alternatifs aussi élevés :
On s’attend à ce que le nombre de véhicules capables de recharger 22 kW en courant alternatif augmente dans les années à venir.
