Concevoir des architectures d’alimentation et de données dans les véhicules électriques

On dit souvent que la prochaine génération de mobilité, qui offrira des moyens de transport plus sûrs, plus respectueux de l’environnement et mieux connectés, se caractérisera par des véhicules fonctionnant avec deux types de « carburant » : l’électricité et les données. Cependant, alors que la sécurité, le confort et le besoin de connectivité permanente multiplient les fonctions embarquées reposant sur les données, le cloud et les capteurs, de nombreux consommateurs restent encore réticents à adopter pleinement la mobilité électrique, malgré leurs préoccupations environnementales.

Pour de nombreux conducteurs envisageant l’achat d’un véhicule électrique (VE), les principales préoccupations concernent l’autonomie et la facilité de rechargement, notamment la durée nécessaire et la disponibilité des bornes. À cet égard, la connectivité et les composants de raccordement, de la prise de recharge au moteur électrique en passant par la batterie, jouent un rôle essentiel. Ils contribuent à un rechargement rapide haute puissance sûr et fiable, afin d’accroître l’autonomie et de répondre aux préoccupations des consommateurs.

De nos jours, le rechargement d’un véhicule sur une borne rapide à courant continu (CC), généralement installée dans les stations-service autoroutières, peut prendre jusqu’à une heure selon la puissance disponible et la capacité de la batterie, pour gagner environ 300 km d’autonomie. L’objectif du secteur est toutefois d’obtenir ce même gain d’autonomie en une dizaine de minutes, soit une durée comparable à celle d’un plein de carburant pour un véhicule à moteur à combustion interne (MCI).

Le rechargement haute puissance (HPC) peut atteindre 350 kW en courant continu, avec des intensités allant jusqu’à 500 A, ce qui constitue le niveau de charge le plus élevé pour l’ensemble du système électrique d’un véhicule électrique. Même une forte accélération, lorsque le conducteur sollicite une puissance importante, ne génère pas un courant moyen d’une telle intensité.

Un tel courant continu provoque d’importantes pertes thermiques en raison de la résistance électrique propre à tous les composants du groupe motopropulseur, notamment les connecteurs et les câbles. Ce phénomène s’accentue lorsque le véhicule est à l’arrêt, en l’absence de refroidissement naturel par convection.

Pour éviter toute surcharge ou surchauffe, la conception et le dimensionnement de tous les composants conducteurs doivent donc prévoir une dissipation thermique passive ou active, ou permettre une réduction contrôlée du courant de rechargement. Cela signifie que l’ensemble du système reliant le point de rechargement à la batterie du véhicule doivent être conçus et dimensionnés en tenant compte des contraintes mécaniques, électriques et thermiques.

L’un des principaux défis tient au fait que plus le courant est élevé, plus la section du câble doit être importante pour transmettre la puissance à tension constante sans provoquer de surchauffe. Au niveau du véhicule, les principales contraintes sont le poids et l’espace disponible.

Par exemple, il existe une différence considérable, en termes de coût, de poids et d'encombrement, selon que l'on utilise un conducteur d'une section de 50 mm² ou de 95 mm² entre l'entrée et la batterie. Pour que le rechargement haute puissance soit une solution viable, il faut éviter de surdimensionner les câbles et les autres composants électriques.

Jusqu’à présent, la conception des composants électriques tient peu compte des variations dynamiques du courant entre les pics et les faibles charges rencontrés en conduite, ni des contraintes propres au rechargement haute puissance.

Les normes actuelles reposent sur des points de charge statiques, initialement utilisés pour concevoir les relais et les fusibles de coupure. Ces valeurs sont établies à partir de méthodes statistiques tenant compte de leur fréquence d’apparition et de leur importance. Il en résulte des valeurs de courant correspondant à des conditions statiques et, par conséquent, une conception des composants de connectique électrique qui ne reflète pas les conditions réelles. Les marges de sécurité peuvent ainsi atteindre environ 20 %.

Pour atteindre une puissance de rechargement de pointe de 350 kW ou plus, il est nécessaire de repenser la conception des composants électriques. TE développe une nouvelle méthodologie qui détermine de manière dynamique l’élévation de température générée par les composants et la dissipation thermique dans le système à chaque instant.

Fondée sur une simulation thermique à l’échelle du système et proche des conditions réelles, cette méthode permet d’étudier plus tôt la conception des composants et de prévoir leurs performances dans différents modes de fonctionnement tout au long de leur durée de vie. Cette approche favorise un fonctionnement sûr à long terme tout en optimisant la conception pour faciliter l’utilisation. La simulation thermique basée sur des modèles fournit une base vérifiable pour établir les futurs profils de charge. Elle permet ainsi de démontrer la sécurité, la fiabilité et la durabilité de tous les composants de connectique situés sur le circuit haute tension et fort courant.

Tout comme le moteur à combustion interne (MCI) était considéré comme le cœur d’un véhicule traditionnel, la batterie constitue celui du véhicule électrique. Bon nombre des défis de conception restent similaires.

Quel que soit le mode de fonctionnement du véhicule, la puissance doit circuler en toute sécurité vers et depuis la batterie. Le raccordement principal de la batterie et, dans certains cas, les connexions entre les modules de cellules doivent donc supporter jusqu’à 600 A pendant plusieurs minutes lors d’un cycle de rechargement haute puissance, ainsi que des pics de courant nettement supérieurs lors de fortes accélérations.

Les connexions des modules de batterie constituent également la couche physique nécessaire à la protection de la batterie, notamment à l’arrêt en cas de surchauffe, à sa gestion, par exemple pour déterminer l’état de charge (SoC), ainsi qu’à l’équilibrage des cellules par égalisation de la tension entre des cellules présentant différents niveaux de SoC. Pour assurer ces fonctions, chaque module de batterie doit disposer de connexions électriques offrant une fiabilité à toute épreuve.

Cela nécessite des systèmes de contact hautement intégrés, qui doivent non seulement être capables de prendre en charge toutes les fonctionnalités pendant toute la durée de vie du véhicule, par exemple 300 000 km ou 10 ans. Ils doivent également être suffisamment robustes pour empêcher les vibrations et les contraintes thermiques d'affecter négativement les propriétés mécaniques et électriques des contacts. Les contacts doivent en outre être entièrement protégés contre tout contact accidentel afin d’éliminer les risques liés à la haute tension et aux fortes puissances, et ainsi garantir la sécurité du personnel de fabrication et de maintenance.

À titre d’exemple, l’un des principaux objectifs de conception du système de connecteurs de modules BCON+ de TE était de supporter un courant continu de 400 A, avec de brefs pics atteignant 1 200 A, et des tensions jusqu’à 1 000 V. Il devait également fonctionner de manière fiable aux températures ambiantes généralement rencontrées dans les batteries, de -40 °C à +80 °C. Le principal défi consistait à réduire au minimum la résistance à chaque point de contact afin de limiter les pertes de puissance et les contraintes thermiques. Une forte résistance aux vibrations, conforme aux spécifications internationales des constructeurs automobiles, devait également garantir la fiabilité pendant toute la durée de vie.

Un système de gestion de batterie est un système électronique qui gère le rechargement et la décharge des cellules du bloc-batterie. Il empêche la batterie de fonctionner au-delà de ses limites de sécurité en surveillant les signaux de température et de tension provenant des modules de cellules, ainsi que le courant au niveau du bloc-batterie. Ces informations sont transmises aux éléments chargés de l’équilibrage ou du contrôle de l’environnement des modules.

Le système de gestion de batterie est essentiel à ses performances optimales et à sa sécurité. Il doit donc offrir une grande précision, une fiabilité élevée et une conception particulièrement robuste. Il doit néanmoins rester compact et léger afin de limiter au maximum l’encombrement global du bloc-batterie.

La connectivité joue également un rôle essentiel dans la gestion de la batterie. Elle assure la transmission des signaux au contrôleur de gestion de batterie (BMC), qui les traite puis les envoie aux contrôleurs de gestion des cellules (CMC). Ces derniers équilibrent les cellules et régulent le flux de puissance, notamment pendant le rechargement.

L'électronique du système de gestion de batterie nécessite des connecteurs hautement compacts, mais flexibles. Étant donné que le rapport entre les cellules de batterie et les contrôleurs de cellules varie en fonction des exigences de conception de la batterie, telles que la capacité et les besoins énergétiques du véhicule, les connecteurs doivent être suffisamment flexibles pour s'adapter à de multiples configurations. Les connecteurs doivent également être compatibles avec différents types de câbles, notamment les câbles plats souples (FFC) et les circuits imprimés flexibles (FPC), qui peuvent être acheminés dans des batteries aux géométries compactes et complexes.

De plus, le système de connecteurs doit respecter des distances de fuite et d’isolement suffisantes entre les contacts afin d’éviter tout risque de défaillance lié à un court-circuit provoqué par des dépôts de poussière ou par un arc électrique. Les modules de batterie étant fournis sous forme de composants étanches, les fabricants doivent avoir la garantie que tous les connecteurs internes répondent aux exigences strictes de robustesse et de fiabilité du secteur automobile.

Comprendre les solutions de connectivité pour la prochaine génération de mobilité. Les couches physiques des réseaux d’alimentation et de données, constituées de câbles et de connecteurs, formeront l’infrastructure essentielle des véhicules connectés de nouvelle génération. Plus sûrs et plus respectueux de l’environnement, ces véhicules devront répondre aux attentes des consommateurs, qu’ils souhaitent les posséder, les conduire ou s’y déplacer en tant que passagers.

Les réseaux de données basse tension et les systèmes de propulsion haute tension (HT) doivent donc fonctionner en parallèle, avec une fiabilité et une sécurité très élevées, au sein d’architectures centralisées et « intelligentes » toujours plus intégrées.

Les technologies de connectique, de commutation et de détection joueront un rôle déterminant dans les innovations nécessaires pour concrétiser cette évolution. Grâce à notre large gamme de technologies de pointe et à notre expertise dans ces domaines, nous sommes idéalement placés pour collaborer avec les entreprises du secteur automobile afin de développer ensemble les solutions de connectivité pour la nouvelle génération de véhicules électriques.