Une technologie révolutionnaire de suralimentation par multiplexage d’entraînement relie les véhicules électriques haute tension aux bornes de recharge basse tension
L’industrie automobile est en pleine mutation, poussée par la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre et de diminuer la dépendance aux combustibles fossiles. Les véhicules électriques (VE) se positionnent comme l’avenir de la mobilité durable, mais leur développement se heurte à un défi majeur : l’incompatibilité entre les architectures haute tension (800 V) — offrant des performances et des temps de recharge supérieurs — et l’infrastructure de recharge existante, encore dominée par les bornes basse tension (400 V). C’est dans ce contexte qu’une équipe de chercheurs a développé une technologie innovante permettant aux véhicules haute tension d’utiliser les bornes de recharge conventionnelles, marquant un tournant dans l’évolution de la mobilité électrique.
Le défi de la transition vers la haute tension
Alors que la rareté des énergies fossiles et la dégradation environnementale s’aggravent, les pays du monde entier cherchent des modes de vie plus écologiques. Les véhicules électriques, piliers de la transition énergétique et de la mobilité bas carbone, bénéficient d’un soutien politique significatif, notamment en Chine, où le gouvernement a souligné qu’ils sont indispensables à la transformation du pays en une puissance automobile. Cependant, leur adoption massive se heurte à des obstacles tels qu’une autonomie limitée, des difficultés de recharge et des temps de chargement lents.
Pour surmonter ces problèmes, l’industrie se tourne vers les architectures 800 V. Ces systèmes permettent non seulement des recharge plus rapides, mais améliorent également l’efficacité énergétique, augmentent la puissance et réduisent le poids des câbles, optimisant ainsi la conception du véhicule. Des modèles comme le Porsche Taycan, l’Hyundai Ioniq 5, ainsi que des constructeurs chinois tels que Xpeng, Li Auto, BYD et GAC, ont déjà lancé des véhicules équipés de cette technologie. Cependant, l’infrastructure de recharge n’a pas évolué au même rythme : plus de 93,3 % des bornes de recharge DC existantes fonctionnent avec moins de 500 V. Les bornes haute tension nécessitent des investissements plus importants dans le réseau électrique et ont un coût de construction plus élevé, ce qui retarde leur diffusion. Par conséquent, le principal problème à résoudre est de garantir que les architectures haute tension soient compatibles avec les bornes basse tension pendant cette phase de transition.
Une idée brillante : le multiplexage du système d’entraînement
Les chercheurs se sont appuyés sur une observation clé : les systèmes d’entraînement et de recharge d’un véhicule électrique ne fonctionnent pas simultanément. Lorsque le véhicule est en mouvement, le système d’entraînement (moteur et contrôleur) est actif, et le système de recharge est inactif ; lorsqu’il est arrêté pour recharger, l’inverse se produit. Cette caractéristique a permis de concevoir une solution qui réutilise les composants du système d’entraînement pour agir comme un boosteur de tension pendant la recharge, éliminant ainsi le besoin d’un chargeur embarqué séparé et réduisant les coûts, le poids et l’espace dans le véhicule.
La technologie proposée transforme le moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) et son onduleur en un convertisseur Boost haute puissance en mode recharge. Plus précisément, les enroulements du moteur servent d’inductances de stockage d’énergie, tandis que le contrôleur de l’onduleur du moteur est réutilisé comme contrôleur de commutation du hacheur. En ajoutant seulement deux relais et quelques composants passifs, le système peut passer sans problème d’un mode de conduite au mode recharge.
En mode recharge, le système fonctionne comme un circuit Boost triphasé entrelacé (en parallèle entrelacé). Cette configuration permet une conversion efficace de la tension de sortie de la borne de recharge (450 V) à la tension requise par la batterie haute tension du véhicule (880 V). L’utilisation de la technologie entrelacée contribue à réduire les ondulations du courant, garantissant un transfert d’énergie stable et efficace.
Surmonter les défis techniques : modélisation et contrôle
Un défi majeur dans le développement de cette technologie est la compréhension et la gestion des caractéristiques électromagnétiques complexes des enroulements du moteur lorsqu’ils sont utilisés comme inductances. Les chercheurs ont mené une analyse détaillée des relations de couplage entre les enroulements triphasés d’un moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) intégré, couramment utilisé dans les véhicules électriques.
Ils ont développé des modèles mathématiques pour décrire comment l’inductance de chaque enroulement de phase varie en fonction de la position du rotor. Cette analyse a révélé que les valeurs d’inductance présentent des variations périodiques, qui peuvent affecter les performances du convertisseur Boost. Pour résoudre ce problème, l’équipe a introduit une inductance externe pour compenser les effets négatifs de l’inductance mutuelle entre les enroulements, garantissant un fonctionnement constant et fiable dans toutes les positions du rotor.
Tout aussi crucial pour les performances du système est la stratégie de contrôle. Les chercheurs ont comparé les méthodes de contrôle traditionnelles à double boucle (tension et courant) avec une approche plus avancée combinant un contrôle proportionnel-intégral (PI) et un contrôle prédictif basé sur le modèle (MPC). Le contrôle à double boucle, bien qu’efficace dans certains scénarios, présente des limites en termes de vitesse de réponse et de complexité dans le réglage des paramètres.
En revanche, la stratégie de contrôle hybride PI-MPC proposée a offert des avantages significatifs. En conservant le régulateur PI dans la boucle de tension pour garantir une précision en régime établi et en intégrant le MPC dans la boucle de courant pour améliorer la réponse dynamique, le système a atteint des performances rapides et stables. La composante MPC prédit les états futurs du système et sélectionne les actions de commutation optimales pour minimiser les ondulations de courant et maintenir la stabilité de la tension, même lors de changements abrupts de charge ou de fluctuations de la tension d’entrée.
Validation par simulation et expérimentation
Pour confirmer l’efficacité de leur conception, les chercheurs ont mené des simulations détaillées à l’aide de Simulink, avec des paramètres basés sur un moteur PMSM réel. Les simulations ont comparé le contrôle à double boucle et la stratégie hybride PI-MPC dans différentes positions du rotor, évaluant des métriques telles que les ondulations de courant, le temps de réponse et la stabilité.
Les résultats ont montré qu’en régime établi, les deux stratégies maintiennent des ondulations faibles, mais dans des scénarios dynamiques (changements abrupts de charge ou de tension d’entrée), la stratégie PI-MPC surpasse le contrôle à double boucle. Par exemple, lorsque la charge est réduite brusquement, le système avec PI-MPC atteint la stabilité en 8,66 ms, contre 12,03 ms pour le contrôle à double boucle. De plus, les surtensions sont moindres, ce qui protège la batterie et les composants.
Pour valider ces résultats dans le monde réel, les chercheurs ont construit une plateforme expérimentale de 50 kW, équipée d’un moteur PMSM de 250 kW, d’un contrôleur de puissance, d’une inductance externe, d’un banc de résistances et d’instruments de mesure. Les paramètres de l’expérience (tension d’entrée 250 V, tension de sortie 400 V) ont été choisis pour refléter des conditions réalistes.
Les résultats expérimentaux ont confirmé les constatations des simulations : le système parvient à une augmentation de tension stable, avec des courants équilibrés dans les trois phases et des ondulations d’entrée dans des limites acceptables. La stratégie PI-MPC a à nouveau démontré des performances supérieures dans des tests dynamiques, avec des temps de stabilisation plus rapides et des fluctuations de tension moindres lors de changements de charge par rapport à la méthode à double boucle.
Impact sur l’industrie automobile et la mobilité durable
Le développement réussi de cette technologie de suralimentation par multiplexage d’entraînement a un impact profond sur l’industrie des véhicules électriques. En permettant aux véhicules haute tension d’utiliser l’infrastructure de recharge basse tension existante, elle supprime un obstacle majeur à l’adoption d’architectures VE avancées. Cela peut accélérer la transition vers des véhicules électriques plus efficaces et avec une plus grande autonomie, sans nécessiter des investissements massifs dans une nouvelle infrastructure de recharge.
La technologie offre également des avantages économiques significatifs. En éliminant le besoin d’un chargeur embarqué séparé, elle réduit les coûts, le poids et l’espace nécessaires pour les véhicules électriques. Cela peut rendre les véhicules électriques plus accessibles et attractifs pour les consommateurs, stimulant davantage leur pénétration sur le marché. De plus, une meilleure utilisation des composants et de l’infrastructure existants améliore la durabilité globale de l’écosystème de mobilité électrique.
Outre les véhicules particuliers, cette technologie peut être appliquée dans d’autres segments de la mobilité électrique, tels que les camions et les bus commerciaux, où les défis de l’infrastructure de recharge sont encore plus marqués. Les principes de base du multiplexage de systèmes et de conversion d’énergie efficace peuvent également inspirer le développement d’autres systèmes de conversion d’énergie, contribuant à des efforts plus larges pour améliorer l’efficacité énergétique et la durabilité.
Conclusion : vers une mobilité électrique sans barrières
Alors que le marché des véhicules électriques continue de croître et d’évoluer, la nécessité d’interopérabilité entre différentes générations de technologies devient de plus en plus importante. La technologie de suralimentation par multiplexage d’entraînement développée par cette équipe de chercheurs représente un pas significatif pour répondre à ce besoin, offrant une solution pratique, économique et efficace au défi de la compatibilité de l’infrastructure de recharge.
Les résultats des simulations et des expériences démontrent que le système fonctionne de manière fiable, avec d’excellentes performances en régime établi et une réponse dynamique. Cela bénéficie non seulement aux constructeurs et aux consommateurs, mais contribue également au développement d’une infrastructure de recharge plus durable et adaptable.
À mesure que l’industrie continue de progresser vers des architectures à plus haute tension, des solutions comme celle-ci seront cruciales pour garantir une transition fluide, inclusive et efficace. La mobilité électrique ne dépendra pas seulement de véhicules plus avancés, mais aussi de technologies qui rendent la recharge accessible à tous, partout.
Ce travail a été réalisé par Hou Wenbo, Yang Ping, Chen Ke, Qu Bo et Wu Wenrong, de l’École d’ingénierie électrique de l’Université Jiaotong du Sud-Ouest (Chengdu) et de l’Institut de recherche scientifique sur l’électricité de la Chine (Pékin). Leurs résultats ont été publiés dans la revue « Transactions of China Electrotechnical Society » (Vol. 39, Supplément 1, décembre 2024) avec le DOI : 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L11033.