Des bornes vers une mobilité plus électrique

4. Juin 2020

Le développement d’une infrastructure de recharge efficace est crucial pour le succès de l’électromobilité. La tendance va vers l’introduction de bornes permettant des recharges de plus en plus rapides et de bornes bidirectionnelles bénéfiques à la stabilité du réseau. L’application de techniques d’optimisation contribue à obtenir des solutions efficientes.

Sébastien Mariéthoz, professeur d’électronique de puissance et d’automatique, BFH
Il y a de nombreux aspects à gérer pour favoriser le développement de la mobilité électrique. Un de ceux-ci est une infrastructure de recharge couvrant l’ensemble du réseau routier et des parkings de manière dense. Un autre maillon important est la possibilité de recharger de manière ultrarapide les véhicules électriques pour leur donner la capacité à parcourir de longs trajets sans longues interruptions. Le cout de l’infrastructure de recharge, c’est-à-dire des bornes de recharge, et des véhicules joue également un rôle non négligeable. Il y a deux grands types de bornes de recharge. Les plus fréquentes sont les bornes de recharge à tension alternative. Un convertisseur embarqué dans le véhicule convertit la tension alternative du réseau en courant continu nécessaire à la batterie (voir figure 1) et il permet également de régler la vitesse de la charge. Avec ces bornes, le temps de recharge est en général long. D’une part, le prix d’un convertisseur haute puissance qui permettrait une recharge rapide peut être comparable ou supérieur au prix du véhicule, d’autre part sa masse et son volume sont également trop importants pour être embarqués.
Figure 1: Borne à tension alternative : le convertisseur est embarqué dans le véhicule.
Les bornes de recharge rapides sont actuellement moins fréquentes. Elles intègrent un convertisseur qui délivre directement du courant continu à la batterie du véhicule (voir figure 2). Pour se recharger à partir d’une borne rapide, la batterie du véhicule est directement connectée à la borne sans passer par le convertisseur embarqué. Le convertisseur de la borne étant fixe et son cout partagé entre tous les utilisateurs, sa puissance pour ce type de borne est uniquement limitée par les batteries et le réseau électrique.
Figure 2 : Borne à courant continu : le convertisseur est stationnaire, partagé par les utilisateurs.

Vers des véhicules soutenant le réseau électrique

L’augmentation du nombre de véhicules électriques et la densification de l’infrastructure de recharge ne vont pas sans poser des défis importants. Il faut tout d’abord considérer que la puissance nécessaire pour recharger de nombreux véhicules électriques simultanément est importante. Cela peut surcharger le réseau électrique, particulièrement au moment et au lieu où la densité de véhicules électriques est élevée. Avec la transition énergétique vers une part grandissante d’énergie renouvelable, les opérateurs de réseaux voient cependant également les véhicules électriques comme une opportunité. L’énergie stockée dans les batteries d’un grand nombre de véhicules électrique est en effet considérable. Il est possible d’utiliser ces batteries comme réserves d’énergie dans lesquelles il serait possible de puiser lorsque le réseau manque d’énergie. La mise en œuvre d’un tel système nécessite une interaction entre véhicule, borne et réseau ainsi que la capacité à injecter l’énergie de la batterie dans le réseau par la borne, ce qui nécessite un convertisseur bidirectionnel en puissance. La plupart des bornes actuelles ne sont cependant pas bidirectionnelles et encore relativement peu de véhicule intègrent l’intelligence nécessaire.

Coopération avec Green Motion

Dans le cadre d’une coopération avec l’entreprise Green Motion qui développe et produit des bornes de recharge de véhicule, l’équipe du laboratoire d’électronique de puissance de l'Institut pour la recherche sur l'énergie et la mobilité IEM de la Haute école spécialisée bernoise a eu l’occasion de contribuer à ces thèmes par différents aspects.

Développement d’une solution modulaire 

Un convertisseur modulaire isolé haut rendement a été développé pour équiper une famille de bornes de recharge haute puissance rapides, capables aussi bien de charger un véhicule que de réinjecter l’énergie de la batterie sur demande dans le réseau (voir figure 3).
Les structures de convertisseurs employées pour obtenir un convertisseur bidirectionnel pour réaliser la borne sont complexes à mettre en œuvre, mais cependant relativement bien connues en électronique de puissance. L’innovation de la solution réside dans la compacité, le bas cout et le rendement obtenus. Ces propriétés ont été obtenues par des progrès dans la modélisation des éléments du convertisseur qui permettent l’application d’une technique d’optimisation par algorithmes génétiques pour obtenir la meilleure combinaison de composants et de paramètres. Par ailleurs, des techniques de commande innovantes basées d’une part sur la technique de commande prédictive, d’autre part sur des modèles avancés des pertes du système permettent d’opérer les composants actifs semi-conducteurs du système de manière optimale pour minimiser les pertes des composants de puissance. La minimisation des pertes et l’optimisation des composants conduisent tous deux à une réduction significative du matériel nécessaire, en particulier de la masse d’aluminium nécessaire au refroidissement du convertisseur, de la masse du filtre résonant et du transformateur moyenne fréquence (situé entre les blocs dc-mfac et mfac-dc de la figure 3). La réduction des pertes et de la masse de la borne est d’une part bénéfique pour l’environnement et conduit d’autre part à une réduction des couts de la mobilité électrique.
Figure 3 : Schéma simplifié du convertisseur développé. La conception optimisée et l'application de technique de commande prédictive permettent des pertes, un volume et un prix réduits.
La modularité du concept développé initialement pour faire des bornes 22 kW permet aujourd’hui à Green motion d’étendre sa gamme de borne de recharge rapide de 22 à 160 kW avec de faibles couts de développement, ce qui permet de répondre à la demande croissante de bornes de recharge ultrarapide pour les longs trajets.
Le concept de convertisseur bidirectionnel adopté permet quant à lui à Green Motion d’être parmi les premières entreprise à pouvoir offrir une solution supportant la fonction dite « vehicle to grid » (V2G) qui permettra d’offrir des services de gestion d’énergie au réseau électrique. La coopération se poursuit avec un projet de recherche pour avoir des bornes basées sur un nouveau type de convertisseur à très haut rendement qui devrait livrer des puissances encore plus élevées pour un cout et un volume réduits.