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Le rechargement sans fil des véhicules électriques pour accélérer la transition verte

D’après le rapport Electric Vehicle Outlook 2020[footnoteRef:2] récemment publié par Bloomberg, les prévisions de ventes de véhicules électriques (VE) sont optimistes, malgré un ralentissement en 2020 causé évidemment par la pandémie de Covid-19.

Le rechargement sans fil des véhicules électriques pour accélérer la transition verte
utilisation des fréquences de résonance magnétique et de composants d’adaptation et de compensation d’impédance pour le chargement sans fil de VE.

Le rapport souligne que les ventes de nouveaux véhicules électriques continueront d’augmenter pour atteindre environ 26 millions d’unités d’ici 2030. Quelques facteurs clés contribuent à ce succès croissant : un choix plus large, des batteries de moins en moins coûteuses, une plus large adoption du marché… Le fait de pouvoir compter sur une infrastructure de recharge pour VE plus étendue devrait renforcer la confiance des consommateurs et réduire les inquiétudes de nombreux acheteurs potentiels quant à l’autonomie des VE.

Le déploiement de stations de recharge pour véhicules électriques est une activité coûteuse. Les nouveaux constructeurs en tête du marché, comme Tesla, ont estimé qu’il était essentiel de déployer sa propre infrastructure de recharge afin de se tailler dès le départ une part importante du marché. De leur côté, les marques automobiles traditionnelles, qui n’ont pour leur part jamais eu à se soucier de construire un réseau de stations-service, continuent d’appuyer leur stratégie sur le nombre croissant d’entreprises commerciales tierces qui souhaitent installer ce type d’infrastructure. Dans ce contexte, il devient indispensable d’établir des normes industrielles pour la connectique utilisée afin d’augmenter le nombre de bornes de recharge pour VE.

Au départ, l’industrie automobile s’était tournée vers deux types de solutions de recharge: les chargeurs embarqués d’une part et les bornes de recharge rapide sur les parkings d’autre part. De nos jours, les propriétaires de VE investissent dans une installation de recharge dans leur garage ou dans leur entrée, ce qui leur permet de recharger facilement leur véhicule durant la nuit. On trouve également des bornes de recharge accessibles au public sur les parkings de centres commerciaux, de grandes chaînes de restauration rapide et d'autres lieux publics. Il s’agit, dans tous les cas, de relier le véhicule à la borne à l’aide d’un câble.

Une autre approche consisterait en un mode de recharge sans fil. Si l’idée n’a rien de neuf, elle peine à séduire en raison de quelques préjugés qui propagent injustement l’idée que ce mode de recharge ne convient pas aux VE. Citons entre autres idées reçues l’absence de normes, la faible efficacité de la transmission d’énergie et des temps de charge trop longs. La technologie sans fil offre pourtant un mode de recharge à la fois simple et pratique, puisqu’il suffit au conducteur de garer son véhicule sur une place de stationnement équipée d’une plaque de recharge. On peut même envisager d’intégrer ces infrastructures au revêtement des autoroutes, de sorte que les véhicules puissent compléter leur charge et donc étendre leur autonomie tout en continuant à rouler.

Les technologies de recharge sans fil

Il existe plusieurs méthodes de transmission d’énergie sans fil. Chacune répond à un ensemble de critères différents pour la mise en œuvre, l’efficacité et la distance de transmission. Certains appareils grand public tels que les smartphones peuvent être rechargés sur des supports de bureau compacts et sans fil depuis plusieurs années déjà. Certes, les exigences électriques pour la recharge d’un smartphone sont bien différentes de celles d’un VE. Dans le cas du VE, la quantité d’énergie transmissible en un temps donné est un facteur essentiel. Les deux principales méthodes de recharge sans fil sont la méthode par induction et la méthode par capacité.

Un système inductif peut utiliser un champ électromagnétique proche pour transmettre l’énergie grâce au flux magnétique entre deux bobines. Quant au procédé capacitif, il utilise le couplage de champ électrique entre deux plaques qui forment ainsi un grand condensateur. Ces deux méthodes de transmission d’énergie sans fil (TESF) sont relativement efficaces dans la mesure où elles affichent une efficacité énergétique de 85 à 95 % similaire à celles des stations de recharge filaires. Elles présentent malheureusement toutes deux la même limitation technique du fait que la distance de transmission raisonnable se mesure en centimètres.

Réduire à quelques centimètres seulement la distance qui sépare une bobine ou une plaque se trouvant sur un emplacement de parking et le même dispositif installé sous une voiture pose donc un grand problème pratique. Tout d’abord, le système de suspension d’un véhicule fait que la hauteur du bas de caisse par rapport au sol peut varier de plusieurs dizaines de centimètres pour certains modèles selon que le véhicule est à vide ou en pleine charge. Ensuite, le véhicule doit être garé avec une grande précision sur l’emplacement de recharge afin d’obtenir un couplage optimal. À cet effet, il peut être nécessaire d’équiper ces emplacements de capteurs afin de guider le conducteur.

Une autre technique de recharge sans fil utilise la résonance magnétique pour transmettre l’énergie par le champ magnétique créé entre deux bobines résonnantes. Cette technique requiert que les deux bobines, l’émettrice et la réceptrice, fonctionnent à la même fréquence de résonance pour optimiser l’efficacité de la transmission d’énergie. Des composants d’adaptation d’impédance – comme des condensateurs et des résistances – sont utilisés pour compenser les différences physiques dans la construction de chaque résonateur. Ils permettent également un réglage fin du circuit en vue d’optimiser la transmission d’énergie (voir figure 1). Le principal avantage de cette technique est qu’elle autorise une distance de transmission réaliste, nettement plus intéressante que les méthodes de transmission en champ proche.

La transmission d’énergie sans fil ou TESF par résonance magnétique est de plus en plus répandue dans l’industrie des VE, notamment sous l’impulsion d’acteurs de premier plan tels que WiTricity. Cette solution offre en effet de nombreux avantages par rapport aux autres technologies de recharge sans fil (voir figure 2).


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avantages de l’utilisation des fréquences de résonance magnétique pour la transmission d’énergie sans fil pour véhicules électriques.

Mise en œuvre d’un chargeur à résonance magnétique pour VE

La figure 3 donne un exemple de schéma fonctionnel de système de TESF par résonance magnétique. L’amplificateur de puissance et les blocs des variateurs peuvent bénéficier des derniers développements dans le domaine des semi-conducteurs de puissance à large bande interdite (WBG) grâce aux technologies GaN et SiC. Les semi-conducteurs WBG sont moins sensibles aux températures de fonctionnement élevées, ils présentent une tension de claquage jusqu’à 10 fois plus élevée et peuvent fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées que leurs équivalents en silicium.

Depuis la mise sur le marché des premiers dispositifs WBG, la plupart des fournisseurs de semi-conducteurs actifs dans le secteur de la construction automobile proposent désormais des transistors de puissance WBG pour les applications de commande de portes et de conversion de puissance. Les dispositifs WBG présentent des pertes de conduction (Rdson) beaucoup plus faibles qu’un MOSFET au silicium (jusqu’à 100 fois moins). Ils ont par conséquent des caractéristiques de perte de commutation plus faibles.

Généralement plus petits, ils occupent donc moins d’espace sur la carte et puisqu’ils peuvent fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées, la taille des composants passifs associés s’en trouve proportionnellement réduite, ce qui réduit encore l’encombrement sur la carte. À mesure que les pertes de conduction diminuent, l’efficacité de la conversion augmente et la quantité de chaleur perdue à dissiper diminue, ce qui permet une fois de plus de gagner en encombrement. Parmi les dispositifs WBG adaptés à une utilisation dans des applications de conversion de puissance pour VE, citons notamment le FET SiC de UnitedSiC et la série CoolFET de dispositifs SiC MOSFET d’Infineon.


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schéma fonctionnel d’un système TESF par résonance magnétique typique montrant les principaux composants.

La recharge sans fil de véhicules électriques nécessite aussi d’établir une connexion Bluetooth entre le système de recharge et le système embarqué du véhicule afin de transmettre des informations telles que l’état de charge, la tension et le courant de charge et la progression de la recharge, mais aussi pour optimiser l’efficacité de la recharge avec un dispositif de recharge particulier. Les fonctions de traitement du signal entre le dispositif de recharge et le véhicule permettent au système de continuer à fonctionner à la fréquence de résonance souhaitée avec une efficacité de transmission d’énergie maximale.

La recharge sans fil des VE continue d’évoluer

L’ambition de créer un système de recharge sans fil pour les véhicules électriques ne date pas d’hier. Ainsi, dès 2011, l’Université d’Auckland en Nouvelle-Zélande a présenté un prototype de système de chargement capable de fournir 220 W avec une efficacité de transmission de 95 % à une distance de 30 cm mis au point en partenariat avec des constructeurs automobiles de premier plan. Ce projet utilisait la technologie HaloIPT, initialement développée par Qualcomm, puis vendue à WiTricity en 2019. En 2018, BMW intégrait la technologie de TESF par résonance magnétique de WiTricity dans une version personnalisée de son modèle 530e. Ce système atteignait une efficacité de 85 % à 8 cm d’écart. La plaque de recharge sans fil affichait une puissance de 3,2kW capable de recharger la batterie de 9,2 kWh de la voiture en 3,5 heures environ.


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chargeur et plaque de recharge sans fil BMW.

Vu l’intérêt grandissant pour un système de recharge sans fil et étant donné que la résonance magnétique se profilait comme une solution viable, l’industrie automobile s’est tournée vers l’organisme de normalisation SAE International pour lui confier la tâche de constituer une base sur laquelle reposeraient les développements futurs. L’élaboration des normes a commencé en 2012 et s’appuie sur les travaux de WiTricity en matière de couplage par résonance magnétique. Destinée à documenter la transmission d’énergie sans fil pour véhicules électriques, la norme SAE J2954 est à présent dans une phase avancée de son élaboration et devrait être finalisée avant la fin de 2020. La norme J2954 stipule trois classes de vitesse de recharge : TESF 1, 2 et 3, avec des capacités de charge maximales respectives de 3,7 kW, 7,7 kW et 11 kW. En outre, pour répondre au besoin de transmission d’énergie de plus grande capacité pour la recharge de véhicules commerciaux (camions, bus, etc.), la norme J2954/2 accepte une charge de 500 kW.

La recherche et le développement en matière de recharge sans fil ont aussi bénéficié d’initiatives gouvernementales visant à accroître l’intérêt du public pour les véhicules électriques en s’attaquant aux principales causes de leur réticence, notamment l’autonomie et le prix relativement élevé des VE à l’achat. Citons à ce titre le projet UNPLUGGED, lancé en 2014 avec le soutien de partenaires industriels dans le cadre de l’initiative européenne pour les véhicules verts (EGVI). Ce projet étudie notamment le potentiel que peut offrir un système de recharge dynamique intégré à la route, tandis que l’EGVI ambitionne de créer deux centres d’essais et de développement en Europe.

Conclusion

Tout porte à croire que le couplage par résonance magnétique devrait apporter des changements significatifs dans le domaine de la recharge de véhicules électriques. Bien que l’industrie ait adopté le terme « sans fil » et que la résonance magnétique se passe effectivement de liaisons filaires, elle ne fait pas plus appel à la radiofréquence pour la transmission d’énergie. La perspective de pouvoir recharger un véhicule électrique grâce à des « voies de recharge » intégrées aux grands axes routiers est un atout majeur pour stimuler l’intérêt du public pour les VE et le développement de ce type de véhicules. Cette méthode permettrait de rassurer les futurs acquéreurs quant aux problèmes d’autonomie tout en autorisant les constructeurs de VE à réduire la capacité de leurs batteries afin d’en réduire le coût et le poids.

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