Gestion de l'énergie et maintenance des Infrastructures de Recharge VE
La recharge des Véhicules Électriques est non seulement une charge de puissance importante (jusqu'à 22 kW par exemple pour une borne de charge en mode 3), mais également une charge modulable et pilotable.
C'est pourquoi la Gestion de l’énergie de la charge des VE est un impératif. Elle joue un rôle essentiel, du point de vue de la demande (optimisation de l'utilisation et du coût énergétique), et du réseau (contribution à l'équilibre du réseau).
Dans un contexte Véhicule électrique : croissance rapide, la mise à disposition de points de charge devient essentielle pour répondre aux attentes des conducteurs.
La mise en place d'une Gestion des équipements EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment : Systèmes d'Alimentation des Véhicules Électriques) incombe donc aux opérateurs d'infrastructures de charge, afin qu'ils optimisent l'utilisation et la rentabilité de leurs infrastructures.
Dans un contexte d'envolée des acquisitions de VE, la mise à disposition de points de charge devient essentielle pour répondre aux attentes des conducteurs.
Gestion de l’énergie de la charge des VE
La charge des VE est une charge électrique d'un genre nouveau, offrant des possibilités uniques en matière de temps et de lieu d'utilisation, d'adaptabilité de la puissance et de besoins énergétiques. Il convient de noter que le raccordement de la charge des VE aux installations électriques nouvelles ou existantes, peut avoir des conséquences notables sur l'ensemble du réseau de distribution électrique
La mise en place d'une gestion de la puissance des bornes de recharge devient impérative. Elle doit en effet permettre de réduire les conséquences - sur les infrastructures électriques nouvelles ou existantes - de la distribution d'énergie à l'ensemble des charges raccordées.
Il existe principalement 3 niveaux de gestion de la puissance, en fonction des objectifs fixés :
- pilotage énergétique statique : permet de déterminer la puissance limite soutirée par les charges des VE,
- pilotage énergétique dynamique : permet d'optimiser l'énergie d'un immeuble et d'allouer l’énergie disponible à la recharges des VE,
- pilotage énergétique reposant sur l'Intelligence Artificielle : permet d'optimiser l'utilisation de l'énergie et les coûts, établis en fonction de la planification de recharge des VE, des tarifs de l'énergie, de la production locale et des prévisions de consommation d'énergie.
Ces niveaux de gestion de l’énergie sont explicités ci-après. Vous pouvez également consulter cet exemple incluant 3 scénarios d'infrastructures de VE : il s'agit de la même application - mise en œuvre sans pilotage de la consommation, avec la gestion de l’énergie à partir d’une consigne fixe statique et avec la gestion de l’énergie à partir d’une consigne dynamique dépendante des contraintes du bâtiment -, permettant d'illustrer les conséquences sur le dimensionnement de l'installation électrique.
La gestion de la charge des VE peut également être intégrée à un écosystème plus vaste, tel que la Gestion Immotique Globale (GIG) de nouvelle génération, laquelle contribue à la Modulation de Consommation appliquée aux Réseaux Électriques Intelligents ...
Recharge des VE avec une gestion de l’énergie à partir d’une consigne fixe : STATIQUE
En mode statique, le système de gestion d’énergie régule l'énergie et la distribue de manière égale et en temps réel entre l'ensemble des véhicules raccordés, afin de ne pas dépasser la valeur de consigne STATIQUE générale des charges de véhicules.
Exemple : dans un immeuble avec un besoin de 10 points de charge 22 kW, une valeur de consigne statique de 100 kVA est fixée et constitue la puissance disponible pour les bornes de recharge pour VE, Le système de gestion d'énergie permet de ne jamais dépasser la limite de 100 kVA et d'éviter tout risque de déclenchement, et ce quel que soit le nombre de terminaux (bornes de recharge pour de VE) utilisés simultanément.
La valeur de consigne de chaque point de charge est transmise aux voitures électriques en temps réel, lesquelles ont 5 secondes pour l'appliquer. Si elle n'est pas appliquée, le contacteur du point de charge aura pour instruction d'ouvrir le circuit.
Cette méthode d'allocation permet de :
- distribuer l'énergie disponible de manière égale entre tous les véhicules en cours de chargement,
- répartir les charges entre les véhicules qui sont connectés simultanément,
- optimiser le confort de l'occupant en s'assurant que l'afflux de véhicules nécessitant une recharge n'entraîne pas le déclenchement de l'alimentation principale,
- réduire le coût et les dimensions du tableau électrique dédié à l'alimentation électrique du réseau de charge du véhicule électrique (100 kVA dans cet exemple).
Recharge des VE avec une gestion énergétique à partir d’une consigne DYNAMIQUE
En mode dynamique, le système de gestion d’énergie permet d'allouer, en temps réel, l'énergie disponible sur site au réseau de charge des véhicules électriques. Ce faisant, les contraintes énergétiques imposées par le reste de l'installation électrique entraîne une limitation provisoire de la puissance de charge.
Inversement, lorsque la consommation d'énergie du reste de l'installation électrique est faible, la puissance allouée peut parfois être plus élevée. La mise en place d’une centrale de mesure ou d’un compteur d’énergie en tête d’installation raccordé au gestionnaire permet à ce dernier d’en déduire en temps réel l’énergie restante disponible pour les bornes de recharge.
Exemple : la puissance totale de l'immeuble s'élève à 250 kVA, et l'objectif est d'installer des points de charge de 10 x 22 kVA. Dans cette configuration, la consommation totale ne doit en aucun cas dépasser 250 kVA, et ce quel que soit la charge de l'immeuble ou le nombre de terminaux (bornes de recharge pour VE) utilisés simultanément. Il convient pour ce faire, de donner instruction aux terminaux de s'adapter en temps réel aux autres charges de l'immeuble.
La valeur de consigne en cours de chaque borne de recharge est transmise aux voitures en temps réel, lesquelles ont 5 secondes pour l'appliquer. Si elle n'est pas appliquée, le contacteur du point de charge aura pour instruction d'ouvrir le circuit.
Cette méthode d'allocation permet de :
- distribuer l'énergie disponible de manière égale entre tous les véhicules en cours de chargement,
- répartir les charges entre les véhicules qui sont connectés simultanément,
- optimiser le confort de l'occupant en s'assurant que l'afflux de véhicules nécessitant une recharge n'entraîne pas le déclenchement de l'alimentation principale,
- maîtriser les coûts énergétiques en souscrivant le contrat énergétique optimal avec un fournisseur d'énergie (peut ne pas s'appliquer dans les pays où les contrats énergétiques ne sont pas limités).
Afin de déterminer en temps réel la valeur de consigne DYNAMIQUE allouée à l'infrastructure de charge, le système doit mesurer la puissance disponible de l'immeuble.
Système de gestion d’énergie dynamique avec puissance supplémentaire issue de la production locale
Dans un immeuble équipé d'un dispositif d'énergie renouvelable, le système de gestion d’énergie permet également de mesurer la production locale et de la prendre en compte comme puissance disponible supplémentaire pour les bornes de charge.
Modulation de Consommation - Écrêtement de pointes appliqué à la charge des VE
Les Gestionnaires du Réseau de Distribution (GRD) régulent l'injection d'énergie en fonction des fluctuations du besoin énergétique, et sont ainsi en mesure de proposer le service le plus fiable qui soit à leurs clients.
Les Véhicules Électriques (VE) se branchent et se rechargent aisément, et bénéficient de toute l'énergie du réseau dont ils ont besoin. La recharge intelligente permet aux opérateurs du réseau d'optimiser les flux d'énergie à destination des VE. En cas de besoin, la recharge intelligente permet de réduire la demande sur le réseau, appliquant ainsi une sorte de modulation de consommation.
Grâce à la modulation de consommation, les Opérateurs d'Infrastructures de Charge agissent de concert avec les Gestionnaires du Réseau de Distribution afin d'ajuster les besoins énergétiques du réseau dédiés à la recharge des VE.
Recharge des VE - Système de gestion d’énergie reposant sur l'Intelligence Artificielle (IA)
Principe
La gestion avancée de la recharge des VE reposant sur l'IA permet de générer une valeur de consigne dynamique optimale en fonction de différents critères. Parmi lesquels, le planning de présence du véhicule électrique, la grille tarifaire du réseau énergétique, les prévisions de consommation de l'immeuble et le cas échéant, les prévisions de production des sources d'énergie locales.
La gestion avancée de la recharge des VE reposant sur l'IA s'appuie généralement sur deux procédés : la prévision et la commande prédictive.
Prévision de la consommation d'énergie, besoin des VE en matière de charge et production locale
Les prévisions des besoins énergétiques locaux et de la production d'énergie locale sont réalisées à l'aide d'un outil de prévision. Cela permet de planifier les ressources énergétiques à court terme et d'optimiser le recours à l’énergie locale.
L'outil de prévision a recours à l'apprentissage supervisé pour apprendre la relation entre les variables à disposition et la variable à prévoir.
La prévision de production photovoltaïque est identique aux prévisions d'ensoleillement établies par les services météorologiques.
La détermination de la consommation énergétique et des besoins de charge des VE peut être réalisée à l'aide de prévisions établies sur la base d'un historique de consommation énergétique, lequel permet d'identifier des modèles-types de consommation récurrents. La prévision peut être améliorée via l'adjonction de paramètres tels que les données météorologiques ou la planification de la recharge des VE.
La concision de la prévision est fondamentale pour une Commande Prédictive optimale.
Commande Prédictive
La Commande Prédictive (MPC) peut contribuer à optimiser l'utilisation de l'énergie sur 24 heures, en anticipant les besoins énergétiques (charge des VE et autres charges) et la production renouvelable locale.
La Commande Prédictive repose sur :
- un modèle comportant la description du réseau électrique, ainsi que les contraintes et caractéristiques des équipements qui doivent être prises en comptes,
- les prévisions sur 24 heures, notamment de la consommation d'énergie de l'installation, du besoin de recharge des VE, de la production photovoltaïque et des tarifs du réseau énergétique,
- la connaissance de l'état actuel des équipements, comme l'état de charge des voitures électriques ou du Système de Stockage d'Énergie.
Grâce à la mise à jour de la commande locale (établie sur la base des mesures les plus récentes) et la mise à jour des données de prévision toutes les 15 minutes, la gestion reposant sur l'Intelligence Artificielle a la capacité de s'adapter en permanence aux erreurs de prévision et de modèle. Elle garantit ainsi les meilleurs résultats en matière de commande en boucle fermée.
Optimisation de l'utilisation à l'aide de sources locales / microgrid / modulation de consommation
Les microgrids sont des systèmes intégrés d'énergie qui consistent en un groupe de Ressources Énergétiques distribuées interconnectées au sein de délimitations électriques clairement établies. Au regard du réseau, ce groupe opère comme une seule et même entité modulable.
Les nouvelles charges de VE doivent être gérées en fonction de l'activité opérationnelle de l'immeuble. Elles doivent également être coordonnées avec les autres sources d'énergie - comme l'énergie photovoltaïque ou le stockage électrochimique - en vue d'optimiser l'utilisation de l'énergie et les dépenses d'énergie.
Dans ce type de scénario, deux systèmes sont nécessaires pour gérer efficacement ce groupe de Ressources distribuées :
- un système de gestion d’énergie est nécessaire pour le contrôle et la répartition de la puissance des bornes de recharge , ainsi que la gestion des priorités de charge de la flotte,
- une solution Microgrid Advisor, est nécessaire pour la gestion de l'énergie issue de différentes sources - via les prévisions des charges stationnaires de l'énergie de l'immeuble - et la gestion des charges embarquées (ex : VE et systèmes CVC), et ainsi obtenir le meilleur accord possible avec le fournisseur public d'énergie.
Intégration de la charge des VE au sein du pilotage énergétique (BMS)
Le système de gestion d’énergie est un instrument essentiel pour gérer un immeuble de manière fiable, sûre et efficace. Toutefois, les exigences toujours plus élevées en matière d'efficacité et de durabilité associées aux évolutions profondes des besoins des locataires, sont source de tension sur les systèmes de pilotage classiques, obligeant ces derniers à se réinventer. Parallèlement, les avancées en matière cloud, internet des objets (IDO), analyses de données, et intelligence artificielle, offrent une multitude de nouvelles possibilités. Grâce à ces technologies, les systèmes d'effacement de nouvelle génération deviennent l'outil d'intégration et d'agrégation de l'ensemble des données des immeubles, et ce, via une multitude de systèmes et de capteurs technologiques à visée commerciale et opérationnelle.
Les systèmes de gestion d’énergie classiques peuvent parfois être intégrés à d'autres systèmes, néanmoins il s'agit généralement de point de données soustraits du système et affichés dans le logiciel de gestion d’énergie en vue d'apprécier la situation ou d'ajouter des éléments de contexte. Les systèmes de gestion d’énergie de nouvelle génération permettent d'approfondir cette intégration. Outre l'interaction avec un plus grand nombre de systèmes, la connexion bénéficie d'encore plus d'intégration. Les données peuvent en effet être associées aux données d'un autre système et servir pour des analyses, de l'IA et des services numériques, pour un fonctionnement toujours plus proactif et prédictif.
Par ailleurs, pour améliorer l'utilisation de l'énergie et accroître la responsabilisation en matière de gestion d'immeuble, les charges des VE doivent être intégrées aux systèmes de gestion d’énergie de nouvelle génération.
Gestion des équipements EVSE
La gestion d'équipements se rapporte au processus d'installation, d'exploitation et de maintenance, mis en œuvre de manière rentable. Généralement employé dans le domaine de la finance, le terme fait référence aux individus ou entités qui gèrent des équipements pour le compte d'individus ou d'autres entités.
Tout propriétaire d'infrastructure, individu ou entreprise doit conserver un inventaire de ses équipements.
La gestion d'équipements a trait aux procédés d'optimisation du coût des équipements (CAPEX + OPEX), permettant de soutenir l'activité.
Avec l'avènement des solutions numériques et de l'Internet des Objets (IDO), le gestionnaire d'équipements a souvent recours à des plateformes logicielles dédiées pour l'assister lors de ces différents procédés.
La gestion d'équipements est un outil essentiel à disposition des Opérateurs d'Infrastructures de recharge, pour maximiser le nombre de borne de recharge disponibles et les revenus associés, tout en réduisant les coûts.
La gestion d'équipements s'articule principalement autour de 2 gammes de services décrits dans le tableau ci-dessous :
| Gestion de la Performance des Equipements | Gestion des Equipements de l'Entreprise |
| Stratégie de Gestion d'Equipements et Gestion du Risque | Calendrier de Maintenance |
| Agrégation, analyse et corrélation entre les données relatives aux équipements, établies sur la base de l'utilisation, de l'état, de la réduction du risque, de la manière d'optimiser l'Opex et celle d'optimiser le Capex à long terme | Assemblage et coordination de l'information, individus, matériaux, matériel, avec toutes les autres ressources nécessaires (planification numérique, contrôle à distance, etc.) |
| Fiabilité de la Maintenance | Centralisation des Procédés |
| Offre un cadre structuré permettant d'analyser les fonctionnalités et les défaillances éventuelles d'un équipement physique avec priorité donnée à la préservation des fonctionnalités du système plutôt qu'au matériel | Centralisation des flux de travaux pour la mise en œuvre de la maintenance et l'exécution des opérations, en vue de standardiser et accroître l'efficacité (ex : solution d'hébergement via le cloud permettant la standardisation de l'ensemble de l'organisation) |
| Maintenance prédictive et conditionnelle | Agrégation des données du Matériel |
| Contrôle l'état actuel de l'équipement afin de définir le type de maintenance à réaliser, prévoir d'éventuelles défaillances et déterminer les défaillances de l'équipement pouvant avoir des conséquences sur les activités de l'usine ou de l'entreprise | Suivi des composants et de l'équipement, état, conformité, gestion du cycle de vie, mise à jour de l'historique de l'équipement, etc. |
| Contrôle de l'état | Agrégation des données des effectifs mobiles |
| Mesures en temps réel (ex : puissance de charge, température, vibration) du matériel | Gestion des compétences, mise à disposition d'une assistance à distance selon les capacités (RA, RV, services à distance), etc. |
Gestion d'équipement appliquée aux EVSE
Les gestionnaires des équipements EVSE élaborent leur plan de gestion à l'aide d'un des sous-groupes de services listés ci-dessus, en mettant en balance le risque qui pèse sur la performance opérationnelle des équipements et le coût de leur cycle de vie.
- Les bornes individuelles et autonomes ont généralement besoin peu de maintenance durant leur cycle de vie. En effet, par nature ces bornes de recharge, exigent peu de réparation ou de maintenance.
- Les bornes de recharge situées dans des espaces publics et parcs de stationnement, exigent plus d'entretien. Dans la mesure où ces équipements sont de plus grande taille et dispose d'un plus grand nombre de composants, la probabilité qu'un de ces composants tombe en panne est plus grande qu'avec une borne détenue à titre privé. Selon l'utilisation, le socle de prise installé sur les équipements peut de temps à autre être remplacé.
- Les bornes de recharges Rapides DC (courant continu) nécessiteront plus de maintenance et de réparation avec le temps. Ces équipements exigent en effet une maintenance continue en raison de leur complexité. Par ailleurs, pour fonctionner correctement, les super chargeurs doivent être équipés de filtres, systèmes de refroidissement et autres composants de pointe. Les opérateurs de telles bornes de charge doivent travailler de concert avec les fabricants afin d'élaborer un programme de service en amont de l'installation, car le degré de maintenance dont aura besoin l'installation dépendra de son emplacement et de sa fréquence d'utilisation envisagée.
De nombreux facteurs peuvent avoir des conséquences sur l'état de l'équipement, et donc, sur le degré de réparation dont aura besoin la borne de recharge durant son cycle de vie ; tels que la fréquence d'utilisation, le climat, l'exposition - ou non - de l'équipement aux intempéries. En règle générale, l'équipement doit être nettoyé à l'aide d'un tissu humide. Quant aux parties accessibles, elles doivent faire l'objet d'un contrôle d'usure de temps à autre.
Ainsi, la clé de la réussite de votre infrastructure de charge, réside dans une stratégie de préservation de vos équipements - recharges des VE.
Cette stratégie comprend diverses activités pouvant être réalisées sur site ou à distance :
- diagnostic et dépannage,
- analyse approfondie des causes de défaillance — actions entreprises pour déterminer les causes de survenue d'une défaillance ou d'un problème particulier et pour agir sur ces causes,
- mise à niveau de la borne de recharge via le micrologiciel le plus récent pour bénéficier de fonctionnalités supplémentaires,
- restauration des paramètres d'usine,
- remplacement de pièces détachées.
Maintenance corrective
La maintenance corrective correspond aux tâches de maintenance réalisées en vue de rectifier et réparer les systèmes et matériels défectueux. La maintenance corrective vise à restaurer les systèmes tombés en panne.
Maintenance corrective appliquée à un EVSE
Dans de nombreux cas, un électricien de proximité peut résoudre les pannes des équipements. Les Plateformes Logicielles peuvent également constituer une option à distance pour réduire les coûts d'une maintenance de longue durée.
Lorsque le produit est connecté, une alarme est créée dans les journaux de bord. L'équipe chargée de la maintenance est ainsi avertie et peut prendre la situation en main.
Lorsqu'un problème survient, la première étape de maintenance consiste à diagnostiquer le problème, ce qui s'effectue d'ordinaire à l'aide d'outils spécifiques. La maintenance corrective des bornes de charge permet de résoudre un problème de 3 manières différentes :
- remplacement du matériel : selon le type de produit et de défaut de fonctionnement, il est possible de procéder au remplacement de la borne de charge - par une Wallbox standard par exemple -, ou de remplacer un élément en particulier (socle de prise, lecteur RFID…),
- mise à jour de la configuration : un défaut de fonctionnement peut résulter d'une mauvaise configuration du produit. Reconfigurer le produit peut être un moyen de corriger le défaut,
- mise à jour du logiciel : les dysfonctionnements proviennent parfois de bugs dans le firmware de la borne de charge. Une mise à niveau via un nouveau firmware permet généralement de corriger et résoudre les dysfonctionnements.
Lorsque le produit est connecté, la configuration et la mise à jour du micrologiciel peuvent être réalisées à distance. De même, lorsque les produits sont connectés, la maintenance peut être effectuée produit par produit, ou simultanément sur en ensemble de produits qui rencontrent le même problème.
Maintenance préventive
L'échelon suivant de la maintenance consiste à prévenir les coupures intempestives et les surcoûts liés aux défaillances accidentelles de matériel. La maintenance préventive nécessite la mise en œuvre d'une planification consciencieuse et l'établissement d'un calendrier de maintenance de l'équipement en amont de la survenue d'un quelconque dysfonctionnement. Il est également nécessaire de disposer d'un historique fidèle des inspections et rapports d'entretien précédents.
Comme illustré dans le graphique, la zone optimale est atteinte lorsque la maintenance est adaptée aux produits gérés. Ce mode de maintenance est d'autant plus efficace lorsque la borne de charge est connectée à une plateforme de maintenance à distance.
Maintenance préventive appliquée à un EVSE
Une borne de recharge connectée à une plateforme à distance permet d'obtenir des rapports de suivi sur l'utilisation, la performance et le rendement. Ces derniers permettent de disposer d'informations plus concises sur les équipements les plus utilisés et de distinguer ceux fonctionnant de manière optimale des autres. Les utilisateurs peuvent également être mis à contribution : grâce aux solutions connectées, les conducteurs peuvent signaler des contrevenances, usages indus, ou préoccupations relatives à la maintenance. Les incidents liés à la réparation des bornes de recharge peuvent ainsi être traités avant qu'ils ne s'aggravent.
Le journal de bord numérique est l'accessoire idéal pour une maintenance préventive de qualité. Le journal de bord numérique est un accessoire collaboratif qui permet de sauvegarder les documents importants et le calendrier de maintenance.
Le Journal de Bord Numérique garantit la disponibilité de la documentation du cycle de vie du projet, notamment le schéma unifilaire et le plan de maintenance.
- Suivi des équipements facilitant l'établissement d'un programme de maintenance de longue durée et de rappels de tâche.
- Accès à l'historique des équipements, aux procédures de maintenance et au partage d'informations.
- Possibilité d'initier des inspections et des rapports d'activité.
- Déterminer le statut de la maintenance.
Maintenance prédictive
Les technologies de maintenance prédictive permettent aux entreprises de procéder à la maintenance qui convient dans le temps qui convient. Les outils de maintenance prédictive - souvent appelée maintenance conditionnelle -, contrôle l'état du matériel en cours d'exploitation, de manière continue (produits connectés) ou à intervalles réguliers . Cet accès régulier à l'état de l'équipement offre des informations précieuses, permettant de réduire les dysfonctionnements de l'infrastructure de recharge des VE.
Maintenance prédictive appliquée à un EVSE
Estimer et prévoir l'état du matériel sur la durée permet de repérer les équipements les plus susceptibles de présenter des défauts de fonctionnement nécessitant des réparations. Une telle opération permet également de repérer les équipements dont les sollicitations uniques (une borne de charge avec un nombre élevé de sessions, qui rencontre souvent des difficultés pour verrouiller un câble) ont une probabilité accrue de défaillances futures. La maintenance conditionnelle permet également de repérer, à l'aide de statistiques et d'analyses de données, les composants qui ont une grande probabilité de demeurer dans un état ne nécessitant pas de maintenance.
Il est ainsi possible de procéder à une maintenance ciblée, pour plus d'efficacité.
Les données de maintenance conditionnelle utiles et disponibles pour estimer l'état de l'équipement sont les suivantes :
- ancienneté,
- historique d'exploitation,
- historique environnemental (température, tension, durée d'exécution, anomalies),
- caractéristiques d'exploitation (privé ou public, activité faible ou activité intense…).
