Tirer parti d'une conception modulaire pour les bornes de recharge rapide de VE

Les conducteurs de véhicules à essence se rendant dans les stations-service et les parkings constatent le nombre croissant de bornes de recharge pour véhicules électriques (VE) qui semblent apparaître presque partout. Cependant, pour les conducteurs de VE effectuant de longs trajets ou ceux effectuant de courts trajets mais ayant oublié de recharger leur véhicule, les bornes de recharge disponibles peuvent sembler rares. C'est un indicateur de la demande accrue de produits commerciaux et industriels pour répondre au besoin d'options de recharge pratiques pour les VE.

La construction d'infrastructures de recharge est essentielle pour répondre aux objectifs gouvernementaux visant à remplacer les véhicules à combustible fossile par des VE. Aux États-Unis, fin 2021, l'administration Biden a annoncé une stratégie visant à construire 500 000 bornes de recharge de VE publiques dans tout le pays d'ici à 2030, et un rapport du département de l'énergie a indiqué qu'il en faudrait 1,2 million d'ici là. Le Royaume-Uni, la Chine et l'Union européenne subventionnent et encouragent également les investissements dans les infrastructures de recharge publiques.

Les incitations gouvernementales et les restrictions en matière d'émissions devraient faire passer les ventes de véhicules électriques de 2 millions en 2020 à 73 millions d'unités en 2040, ce qui représente 61 % des ventes automobiles mondiales, un chiffre encore plus élevé au Japon, aux États-Unis et dans l'UE. McKinsey estime que le coût du matériel, de la planification et de l'installation des bornes de recharge publiques aux États-Unis (hors mises à niveau électriques du réseau et des sites) s'élèvera à 35 milliards de dollars d'ici à 2030, et à 16 milliards de dollars supplémentaires pour les bornes de recharge sur les lieux de travail et les dépôts de flotte.

Conception de solutions de recharge commerciales

Le nombre de VE en circulation augmentant de jour en jour, le marché potentiel des solutions de recharge est considérable, puisque le gouvernement américain estime à moins de 200 000 le nombre d'installations de ports de recharge publics au début de l'année 2024.

On s'attend à ce que la demande augmente à mesure que la confiance des consommateurs dans les véhicules électriques s'accroît avec l'adoption de la technologie de charge haute puissance HPC (High Power Charging) offrant environ 30 km d'autonomie par minute de charge. Ce chiffre est à comparer aux 4 km par minute de charge avec les courants de charge de 200 kW de la norme CCS (Combined Charging System).

Il existe de nombreuses considérations de conception pour les solutions de recharge commerciales et industrielles, notamment la capacité à s'adapter à l'évolution des normes de recharge des VE. Il est essentiel que les concepteurs de produits créent des solutions gagnantes autour de caractéristiques clés, notamment :

• Recharge rapide et efficace pour une gamme de véhicules électriques, notamment les voitures, les bus et les camions
• Rendement énergétique garantissant qu'une puissance maximum est utilisée pour la charge et minimisant les pertes de chaleur
• Expérience de charge constante, même en présence de fluctuations de tension
• Longue durée de service et facilité d'entretien
• Évolutivité jusqu'à la plage des mégawatts pour s'adapter à l'exploitation de grands parcs de recharge et à l'augmentation prévue du nombre de VE sur la route
• Fonctionnement sûr et fiable, avec protection contre les surtensions, disjoncteurs et protection contre la surchauffe

Afin de fournir une alimentation rapide, pratique et fiable aux VE, il faut des conceptions de produits offrant un haut rendement et une flexibilité élevée pour une utilisation dans les applications publiques et commerciales/industrielles.

Alimentations modulaires pour recharge de VE plus rapide

Phoenix Contact propose les modules d'alimentation CHARX, conçus pour une recharge rapide et efficace des véhicules électriques. Ils conviennent également à la recharge hors route des flottes et des équipements lourds, aux micro-réseaux CA, aux réseaux CC haute tension, au stockage d'énergie et aux applications d'électrolyse de l'hydrogène.

Fondée en Allemagne en 1923, l'entreprise est un leader mondial sur le marché des composants, systèmes et solutions dans les domaines de l'électrotechnique, de l'électronique et de l'automatisation. Elle souscrit à la vision d'une société « tout électrique », dans laquelle l'électrification, la mise en réseau et l'automatisation croissantes des secteurs vont de pair avec une dépendance croissante à l'égard de solutions d'alimentation électrique fiables. À cette fin, l'entreprise s'efforce de fournir des interfaces de recharge et des points de recharge rapides, sûrs et conformes aux normes, dotés des dernières technologies.

Faisant partie d'un portefeuille de produits complet destiné au développement de solutions de recharge, les modules d'alimentation CHARX (Figure 1) sont disponibles en versions CA/CC et CC/CC et peuvent être directement montés sans rails DIN dans une armoire standard de 19 pouces, fréquemment utilisée dans les bornes de recharge de VE. La conception plug-and-play modulaire CHARX simplifie et accélère les processus d'installation et de maintenance grâce à la technologie de connexion rapide T-LOX et push-in. Les modules mesurent 483 mm de largeur, 134 mm de hauteur et 550 mm de profondeur.

Figure 1 : Armoire électrique CHARX modulaire, disponible en versions CA/CC et CC/CC. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Optimisés pour la charge CC avec de hautes tensions et de forts courants, les modules d'alimentation peuvent fournir une puissance de charge atteignant 360 kW. Ils présentent un rendement énergétique de 95 % à une charge de 50 % et une faible dissipation de puissance inférieure à 14 W en mode veille, garantissant la rentabilité lorsqu'ils ne sont pas utilisés activement.

La puissance de charge est évolutive grâce à la connexion flexible des modules et des armoires système. Grâce à une technologie de refroidissement adaptée, les modules CHARX permettent une puissance de charge jusqu'à un courant HPC de 500 kW, idéal pour les parcs de recharge jusqu'à la plage des mégawatts.

Le module d'alimentation CA/CC triphasé CHARX PS-M2/3AC/1000DC/30KW 1232243 présente une plage d'entrée de 340 V_CA à 530 V_CA. Le module d'alimentation CC/CC CHARX PS-M2/825DC/1000DC/30KW 1296467 a une plage d'entrée de 300 V_CC à 825 V_CC pour une utilisation dans de nombreux environnements de tension CC. Les deux modules d'alimentation ont une plage de sortie de 30 V_CC à 1000 V_CC.

Les modules CC/CC fournissent une conversion optimale d'énergie (MMPT) continue qui ajuste le courant et la tension d'entrée d'un panneau solaire pour optimiser la puissance de sortie. Cela permet d'obtenir le rendement le plus efficace pour le dispositif, en dépit des niveaux de rayonnement solaire, de la température et des types de panneaux photovoltaïques.

Un seul contrôleur pour plusieurs armoires

Le fonctionnement efficace de plusieurs modules d'alimentation et armoires est assuré grâce au protocole basé sur messages de bus CAN (Controller Area Network), permettant des communications entre dispositifs sans ordinateur hôte. Le protocole GCP (Grid Charge Protocol) basé sur CAN fournit la communication entre un ou plusieurs modules d'alimentation et un contrôleur de charge, et prend en charge les méthodes de communication pair-à-pair, multidiffusion et radiodiffusion.

Le module de contrôleur de charge programmable EV-PLCC-AC1-DC1 1624130 (Figure 2) fonctionne avec des modules d'alimentation CA/CC ou CC/CC pour les bornes de charge CC. Il s'agit du composant central du système de recharge électrique, fournissant la communication réseau, l'authentification utilisateur, la gestion de la charge et les fonctions de sécurité. Son interface bus CAN gère la distribution de puissance et la communication pour les applications de charge rapide.

Figure 2 : Contrôleur de charge programmable EV-PLCC-AC1-DC1 pour une utilisation avec les modules d'alimentation CA/CC et CC/CC CHARX. (Source : Phoenix Contact)

Le contrôleur fonctionne conformément aux normes CEI 61851-1, CEI 61851-23, DIN SPEC 70121 et CHAdeMO, ce qui lui confère une grande polyvalence pour répondre aux différentes exigences de charge. Il comprend deux interfaces Ethernet et un modem sans fil intégré, incluant une option 4G.

La possibilité d'utiliser un seul contrôleur pour plusieurs armoires simplifie la maintenance et réduit les coûts d'installation et d'exploitation. Le contrôleur CHARX peut se connecter jusqu'à 48 modules d'alimentation. Il prend en charge OCPP 1.6J (Core-Profile) pour la communication avec les systèmes de gestion de bornes de recharge, ainsi que les protocoles de communication Modbus/TCP ou MQTT pour l'intégration avec des plateformes et des systèmes externes.

Le contrôleur prend en charge 16 entrées numériques et utilise des connecteurs COMBICON pour un assemblage flexible et des connexions sécurisées aux modules d'alimentation. Le fonctionnement continu pendant les coupures de courant est assuré par une batterie rechargeable intégrée.

Conclusion

Le contrôleur et les modules d'alimentation CHARX de Phoenix Contact offrent des options polyvalentes et fiables pour la conception de bornes de recharge haute puissance. Alliant flexibilité et évolutivité, le portefeuille de produits CHARX permet des solutions qui assurent une gestion efficace et rentable de plusieurs armoires électriques et modules d'alimentation pour différentes applications de charge, ainsi qu'une intégration transparente avec différents protocoles de communication et systèmes externes.