Fondamentaux sur les Véhicules Electriques et leur recharge
Les différents types de véhicules électriques
En 2020, le marché du véhicule électrique est divisé à parts égales entre deux principales technologies : Les véhicules électriques à batterie (VEB) et les véhicules hybrides rechargeables (VHR). Les deux technologies devraient connaître une croissance rapide dans les prochaines années. La part des VEB est appelée à croître et devrait atteindre 60 % du total de la production des VE en 2025, et environ 40 % s'agissant des VHR.
Véhicules Électriques à Batterie (VEB)
Les Véhicules Électriques à Batterie sont des véhicules électriques propulsés par un moteur électrique dont le courant provient d'un système de batterie à stockage d'énergie à bord du véhicule. Les VEB sont également appelés « véhicules 100 % électriques » ou « véhicules tout électrique », car ils sont alimentés uniquement par de l'énergie électrique stockée. Ils ne disposent pas d'un moteur à combustion interne (ICE) de secours au cas où la batterie se décharge complètement.
La distance parcourue par charge par les VEB est de 150 km à 400 km en moyenne. La tendance est à l'extension de cette distance, grâce à des batteries bénéficiant de toujours plus d'innovation technologique.
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Exemples de VEB :
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Les Véhicules Électriques à Batterie ne produisent aucune émission sur la route, dans la mesure où ils fonctionnent exclusivement à l'électricité. Ils ont une plus grande autonomie que les autres technologies de véhicules électriques.
Véhicules hybrides rechargeables (VHR)
Un véhicule hybride rechargeable est un véhicule électrique qui peut être alimenté par deux sources d'énergie : une batterie qui peut être rechargée via un branchement à une source d'alimentation électrique externe, et un moteur diesel ou essence.
La capacité de la batterie d'un véhicule hybride rechargeable est sensiblement plus petite que celle d'un véhicule 100 % électrique. Un VHR peut, grâce à sa batterie, parcourir 30 km à 50 km en moyenne. Ensuite, le moteur essence/diesel prend le relais.
Le VHR ne produit aucune émission, lorsqu'il est alimenté par batterie. Lorsqu'il est alimenté par son moteur diesel/essence, le VHR pollue l'environnement.
Les VHR sont considérés comme une technologie de « transition ». En effet, avec le développement des infrastructures de charge rapide, l'augmentation des capacités des batteries embarquées, et les exigences réglementaires gouvernementales, la technologie des VEB (100 % électrique) devrait connaître une croissance plus rapide.
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Exemples de VHR :
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Autres véhicules et technologies bas carbone
Véhicules Électriques Hybrides (VEH)
Les véhicules électriques hybrides sont des véhicules à moteur à combustion interne équipés d'une petite batterie qui peut être rechargée par récupération d'énergie au freinage, et non par branchement à une source d'énergie externe. Ces véhicules ne sont pas zéro ou basse émission, mais permettent une réduction supplémentaire de CO2 en comparaison des véhicules à moteur à combustion interne conventionnels.
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Exemples de VEH :
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Véhicule Électrique à Pile à Combustible (VEPC)
Un véhicule électrique à pile à combustible est alimenté par l'électricité produite par une pile à combustible en lieu et place de l'électricité stockée dans une batterie électrique. La pile à combustible produit de l'électricité en utilisant l'oxygène et l'hydrogène comme sources principales.
Les VEPC n'ont pas encore la maturité qu'ont d'autres technologies de véhicules électriques, tels que les VEB et les VHR, et leur part de marché dans la production de VE est faible (< 1 %).
Fabricants de VEPC :
- Volkswagen
- Honda
- Hyundai
Freinage en contre-courant
Le freinage en contre-courant est un mécanisme de récupération d'énergie, dans lequel le moteur électrique fait office de générateur lors du freinage. L'énergie ainsi générée est utilisée pour charger la batterie. Cette technologie peut être utilisée dans les véhicules électriques, comme les VEH, les VEB et les VHR.
Intégration de cellules photovoltaïques sur le toit d'une voiture
Certains fabricants de voitures proposent des modèles de véhicules électriques équipés de cellules photovoltaïques intégrées sur le toit du véhicule. L'énergie produite à bord ne suffit pas à charger la batterie électrique, mais peut être utilisée pour alimenter certaines charges accessoires.
Comment fonctionnent les véhicules électriques ?
Un véhicule électrique (voiture électrique) est un véhicule propulsé par un moteur électrique, qui utilise l'énergie stockée dans des batteries rechargeables. Les véhicules électriques sont équipés d'un ou plusieurs socles de connecteur de charge, et d'un chargeur embarqué qui convertit le courant alternatif (AC) en courant continu (DC) afin qu'il puisse être stocké dans la batterie. Un contrôleur embarqué s'assure de la performance du véhicule électrique.
2. Batterie,
3. Chargeur embarqué,
4. Socle de connecteur de charge (AC),
5. Socle de connecteur de charge (charge rapide DC)
Moteur de véhicule électrique
Un véhicule électrique est propulsé par un moteur électrique. La plage de puissance caractéristique d'un véhicule électrique se situe entre 15 kW et 500 kW.
Batterie de véhicule électrique
Les voitures électriques sont généralement équipées d'un système de stockage d'énergie par batterie lithium-ion. La plage de puissance caractéristique de la batterie se situe entre 5 kWh et 100 kWh. La batterie fonctionne à un voltage compris entre 300 V et 800 V.
La batterie détermine l'autonomie de la voiture électrique. De manière approximative, 1 kWh d'énergie stockée équivaut à une distance de conduite de 5 km.
La durée de vie de la batterie dépend de l'utilisation de la voiture et du type de chargement. Généralement, la batterie dure plus de 10 ans. Cependant, si la charge rapide DC est utilisée de manière fréquente (plus de 3 fois par mois), les capacités, la performance et la durée de vie de la batterie sont réduites.
Chargeur embarqué
Les véhicules électriques comprennent un chargeur embarqué, qui convertit le courant alternatif (AC) en courant continu (DC) pour charger la batterie. La capacité de chargement du chargeur embarqué est limitée à 22 kW en courant alternatif. Dans le cas d'une charge rapide DC (voir mode de charge 4), le chargeur embarqué est contourné, et la batterie est alimentée directement en électricité en courant continu.
Socle de connecteur de charge
Le socle de connecteur de charge est utilisé pour brancher la voiture à une source d'alimentation électrique, afin de recharger la batterie.
Un véhicule électrique possède au moins un socle de connecteur de charge AC. Les voitures électriques possèdent un second socle de connecteur de charge DC pour la charge rapide (mode 4). Le socle de connecteur de charge DC peut - ou non - être en option, selon le modèle de voiture ou le pays. Aussi, certains modèles proposent un socle unique utilisable aussi bien pour la charge en courant alternatif qu'en courant continu.
Connecteurs de véhicule électrique
Il existe différents types de connecteurs permettant de brancher le câble de charge au socle du véhicule.
Les connecteurs AC sont définis par la norme IEC 62196-2, les connecteurs DC sont définis par la norme IEC 62196-3.
Connecteur type 1 (SAE J1772)
Le connecteur type 1 est utilisé avec les bornes de charge AC.
Le connecteur J1772 est facilement identifiable avec trois grandes broches – identique à la disposition de la prise de courant domestique – et deux broches plus petites pour le branchement de la voiture. Les trois grandes broches sont pour la Phase, le Neutre et la Terre, tandis que les deux petites broches servent à la communication entre le chargeur et la voiture électrique (Interface Pilote).
Il fournit entre 3 kW et 7,4 kW et supporte uniquement le monophasé avec un courant maximal de 32 A. Il comprend une protection supplémentaire qui permet de verrouiller le connecteur lors de la charge, afin d'éviter tout débranchement par un tiers.
Il est principalement utilisé aux États-Unis et au Japon, mais est également accepté en Europe.
Connecteur type 2 (norme IEC 62196-2)
Le connecteur type 2 est utilisé avec les bornes de charge AC.
Ce type de connecteur est approuvé comme norme européenne. Le connecteur se démarque avec une conception unique, de forme arrondie mais avec un bord plat au niveau de la partie supérieure. La répartition des broches est identique à celle du type 1, mais comprend deux broches supplémentaires, correspondant aux deux phases supplémentaires nécessaires à la charge triphasée.
Il permet une recharge entre 3 kW et 43 kW et supporte le monophasé jusqu'à 16 A et le triphasé jusqu'à 63 A.
Le T2-S qui comprend un obturateur exigé par la norme NF C15-100. En France, la version T2-S est obligatoire.
Type 3
Ce type de connecteur est abandonné au profit du connecteur type 2.
CHAdeMO
Le connecteur CHAdeMO est utilisé avec les bornes de charge DC.
CHAdeMO est la contraction de « Charge Move ». Mais l'acronyme est également présent dans la phrase japonaise : « O cha demo ikaga desuka » qui peut se traduire par « Que diriez-vous d'une tasse de thé pendant la charge de la voiture ? ». Cette phrase représente la volonté de l'association composée entre autres de Toyota, Mitsubishi et Nissan : charge rapide en courant continu. Par conséquent, les constructeurs automobiles peuvent l'installer comme second socle de prise, à côté d'un socle de prise de courant alternatif.
Il peut fournir jusqu'à 62,5 kW et atteindre 125 A, et ce même si la spécification CHAdeMO 2.0 révisée autorise jusqu'à 400 kW.
Système de Charge Combiné (CCS) Combo 1
Le CCS Combo 1 est basé sur le connecteur J1772 Type 1 avec l'ajout de deux broches supplémentaires. Le Système de Charge Combiné est conçu pour la Charge Rapide CC. Le connecteur peut effectuer des charges en courant alternatif et en courant continu jusqu'à 350 kW.
Le Système de Charge Combiné (CCS) Combo 2 (norme IEC 62196-3)
Le CCS Combo 2 est basé sur le connecteur Type 2 avec l'ajout de deux broches supplémentaires. Le Système de Charge Combiné est conçu pour la Charge RapideDC. Le connecteur peut effectuer des charges en courant alternatif et en courant continu jusqu'à 350 kW.
Modes de charge des véhicules électriques
La norme internationale IEC 61851-1 « Système de charge conductive pour véhicules électriques » définit quatre modes de charge :
- Mode 1 - socle de prise de courant standard - installation domestique,
- Mode 2 - socle de prise de courant standard avec système d'alimentation AC pour VE– domestique,
- Mode 3 - système AC pour VE raccordé en permanence à un réseau d'alimentation AC,
- Mode 4 - système d'alimentation DC pour VE.
Mode 1 – Socle de prise de courant standard - installation domestique
Le Mode 1 est une méthode de connexion du véhicule électrique à un socle de prise de courant standard sur un réseau d'alimentation AC, via un câble standard et une prise, sans ajout de matériel supplémentaire.
Les valeurs assignées de courant et de voltage ne doivent pas dépasser :
- 16 A et 250 V AC pour monophasé,
- 16 A et 480 V AC pour une installation triphasée conformément à l'IEC 61851-1.
Les normes locales peuvent être plus contraignantes.
En raison de cette limite de puissance, la charge peut durer plusieurs heures.
Le mode 1 est le mode le plus simple, mais dans la mesure où il n'y a pas de circuit dédié ou de matériel pour la charge du véhicule électrique, il présente les risques suivants :
- déclenchement du disjoncteur : étant donné que le socle de prise utilisé pour la recharge partage le même circuit de sortie du tableau électrique que les autres socles de prise de courant, si la somme de consommation d'électricité excède la limite de protection (généralement 16 A), le disjoncteur va se déclencher, et interrompre la charge du véhicule,
- risque de choc électrique en cas d'obsolescence ou de non-conformité de l'installation.
Dans les faits, le courant de charge est limité à 10A lorsque le véhicule est branché sur une prise conventionnelle 16A.
En raison de ces risques et limitations, l'utilisation de ce mode est limitée voire même interdite dans certains pays (p.ex. les États-Unis).
Mode 2 - Socle de prise de courant standard avec système d'alimentation AC pour VE
Le mode de charge 2 est une méthode de connexion du VE à un socle de prise de courant standard, avec une fonction pilote de commande et un système de protection individuelle contre les chocs électriques, intégrés au câble de connexion, entre la prise standard et le VE.
Les valeurs assignées pour le courant et le voltage ne doivent pas dépasser 32 A et 250 V AC en monophasé, et 32 A et 480 V AC dans une installation triphasée, tel que défini dans l'IEC 61851-1.
Ce mode est limité aux installations électriques individuelles. En général, le câble de connexion est fourni avec la voiture électrique. Un socle de prise de courant est utilisé comme dans le mode 1, mais ici le dispositif de protection et le socle de prise de courant doivent pouvoir supporter des courants de charge plus élevés, jusqu'à 32 A, ce qui n'est généralement pas le cas pour les circuits de prise de courant domestique standard.
Mode 3 - système AC pour VE raccordé en permanence à un réseau d'alimentation AC
Dans le mode 3, la charge des véhicules électriques s'effectue avec un matériel spécifique - appelé borne de recharge pour VE (ou chargeur pour VE) -, raccordé en permanence à un réseau d'alimentation AC, avec des fonctions de commande et de protection intégrées.
Comme le Mode 3 nécessite l'utilisation d'un charger pour VE dédié (et un socle de prise de courant standard), la plage de puissance est plus élevée, de 3,7 kW à 22 kW AC. Cette plage de puissance plus élevée permet une charge rapide des voitures électriques, comparé aux Modes 1 et 2.
L'addition d'un fil pilote de commande à l'intérieur du câble de charge, permet la communication entre le véhicule et le système de charge via des protocoles standards. Cela permet également la mise en œuvre de fonctions de commande telles que :
- vérification que le véhicule électrique est correctement raccordé au système d'alimentation pour VE,
- vérification continue de l'intégrité du conducteur de protection,
- mise sous et hors tension de l'alimentation électrique,
- transmission de l'information relative au courant maximal autorisé à tirer.
Spécialement conçu pour la charge des véhicules électriques, l'utilisation du mode 3 est recommandée pour les raisons suivantes :
- L'utilisation d'un circuit électrique dédié et indépendant élimine le risque de raccordement à une installation non conforme, garantissant ainsi la sécurité des biens et des personnes.
- La fonction de commande gère la période de charge du véhicule et optimise la consommation électrique selon les besoins de l'utilisateur. Elle garantit une charge optimale des batteries et préserve leur durée de vie.
Mode 4 - Système d'alimentation DC pour VE
Dans le Mode 4, la charge s'effectue via un système d'alimentation CDCC pour VE - appelé borne de recharge pour VE (ou chargeur pour VE) -, raccordé à un réseau d'alimentation AC ou DC. Les bornes de recharge pour VE alimentent directement les batteries en courant continu, p.ex. en contournant le chargeur embarqué. La charge du véhicule électrique peut être beaucoup plus rapide que les modes 1, 2 et 3, car la plage de puissance électrique est supérieure à 24 kW.
Dans le mode 4, la communication numérique entre le véhicule électrique et le système d'alimentation est obligatoire et doit être conforme aux exigences mentionnées dans l'IEC 61851-24.
Combien de temps faut-il pour charger une voiture électrique ?
Le temps de charge peut plus ou moins être défini comme le ratio entre les capacités de la batterie du véhicule électrique et la puissance de charge. La puissance de charge est limitée à la puissance que la borne de recharge peut fournir et celle que le Véhicule Électrique peut accepter.
[math]\displaystyle{ \text{Temps de charge (h)} = \frac{\text{Capacité de la batterie du VE (kWh)}}{\text{Puissance de charge (kW)}} }[/math]
[math]\displaystyle{ \text{Puissance de charge (kW)} = min\ (\text{ Capacité du chargeur embarqué du VE ; Capacité de charge délivrée par la borne}\ ) }[/math]
Par exemple, pour un véhicule électrique avec :
- un ensemble- batteries de 40 kWh,
- un chargeur embarqué de 6,6 kW pour charge en courant alternatif.
Le temps estimé de charge complète est :
- 11 h pour une borne de recharge domestique de 3,7 kW (40 kWh / 3,7 kW)
- 6h 30 pour une borne de recharge AC de 11 kW (40 kWh / 6,6 kW, 6,6 kW en raison de la limitation du chargeur embarqué)
- 50 min pour une borne de recharge rapide DC de 50 kW (40 kWh / 50 kW)
- 10 min pour une borne de recharge ultra-rapide DC de 250 kW (40 kWh / 250 kW)
Consultez également cet aperçu du temps de charge en fonction du mode de charge et de la puissance de charge.
Veuillez noter que cette formule ne fournit qu'une estimation approximative. Le temps de charge réel est généralement plus long pour les raisons suivantes :
- le profil de la vitesse de charge n'est pas linéaire. Les véhicules électriques ne sont pas chargés continuellement à pleine puissance. La charge DC (mode 4) en particulier, charge très rapidement jusqu'à que la batterie atteigne 80 % - 90 % de ses capacités, puis ralentisse sensiblement pour 10- 20 % restants,
- la vitesse de charge dépend de la température de la batterie. La température optimale de recharge se situe entre 20 °C et 30 °C. Si la température de la batterie n'est pas comprise dans cet intervalle, la charge peut être plus lente,
- la vitesse de charge dépend également du modèle de véhicule électrique, et de la stratégie de l’algorithme de charge de la borne de recharge.
Lieux de recharge des véhicules électriques
À l'inverse des véhicules conventionnels à moteur à combustion interne (ICE), dont le plein a lieu dans les stations-service, les véhicules électriques peuvent être rechargés dans de nombreux lieux : @home (bâtiments résidentiels), @work (petits à grands bâtiments de bureaux...), @destinations (parkings de stationnement publics, hypermarchés...), @fleet (bus, camions de livraison, cars...), @transit (autoroutes, gares...). Le temps de charge et le coût pour l'utilisateur final, le mode de charge, le nombre de chargeurs et leur puissance, dépendent tous de l'emplacement de la borne de recharge.
Bornes de recharge pour VE résidentielles
La charge la plus commune est la charge à domicile. La charge à domicile est économique et suffit généralement pour les trajets quotidiens. De manière générale, elle est considérée plus pratique que le plein des véhicules à moteur à combustion interne dans les stations-service.
La charge résidentielle (à domicile) peut être :
- unifamiliale : maisons individuelles de faible hauteur avec un garage privé généralement équipé d'une ou deux bornes de charge,
- multifamiliale : immeubles résidentiels composés de nombreux appartements (copropriété), où les bornes de charge peuvent être privées (garage individuel) ou partagées entre les habitants de la copropriété (bornes de charge pour VE situées dans le parc de stationnement commun).
La charge résidentielle s'effectue principalement de nuit, lorsque la voiture est inutilisée et l’électricité généralement moins cher. Le système d'alimentation pour VE est très souvent monophasé avec une puissance fournie de 7,4 kW au maximum. La charge est lente et peut prendre plusieurs heures. Le Mode de Charge 3 est recommandé pour ses fonctions de sécurité intégrées.
Bornes de charge pour VE sur le lieu de travail
Un nombre croissant d'entreprises - spécialement celles engagées pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre - mettent à disposition des chargeurs pour VE. Cela peut s'avérer attractif pour les employés, en particulier si le coût de la charge est équivalent ou inférieur au coût de la charge à domicile. La charge sur le lieu de travail peut être une opportunité pour encourager l'adoption du véhicule électrique par les employés qui n'ont pas de bornes de charge à domicile, ou pour les employés qui ont besoin de charger à la fois à domicile et sur le lieu de travail, pour leur usage quotidien.
La charge a lieu principalement en journée. Les chargeurs pour VE sur le lieu de travail sont généralement triphasés avec une puissance comprise entre 11 kW et 22 kW. Le Mode de Charge 3 est recommandé pour des raisons de sécurité.
Bornes de charge pour VE au sein de bâtiments commerciaux
D'autres lieux, tels que les supermarchés, les centres commerciaux, les restaurants, les parcs de stationnement publics et les installations commerciales équipés de bornes de recharge pour VE, peuvent offrir aux utilisateurs des occasions ponctuelles de charge.
Étant donné qu'une voiture ne stationne dans ces lieux que pendant quelques heures, la charge rapide est généralement préférée, avec des bornes de recharge pour VE de 22 kW, fonctionnant en mode de charge 3.
Bornes de charge rapide pour VE en transit
Les bornes de charge rapide pour VE en transit offrent une charge efficace lorsque le temps de charge est un facteur important. Elles sont situées en général sur les autoroutes et les centres villes.
La charge s'effectue en mode 4 (charge DC, parfois appelé charge rapide DC). La puissance de la borne de recharge pour VE est comprise entre 50 kW et 350 kW. Le temps de charge dépend de la puissance – il dure généralement moins de 30 min.
Bien que la charge rapide soit pratique, elle doit être utilisée avec parcimonie, car un usage fréquent de la charge rapide DC réduit la durée de vie de la batterie du VE.
Modes de charge - synthèse
