Les véhicules électriques gagnent en popularité en raison de leurs caractéristiques écologiques en termes de qualité, de simplicité fonctionnelle et d'efficacité énergétique. La poussée fonctionnelle est entraînée par un moteur électrique, qui a une structure simple par rapport à un moteur à combustion interne. En ce qui concerne l'efficacité énergétique, la comparaison entre les voitures à combustion et les véhicules électriques est symbolique : les voitures à combustion ont une efficacité énergétique de 16 %, tandis que les véhicules électriques ont une efficacité énergétique de 85 %. La nature électrique de la propulsion a un avantage sur la nature basée sur la combustion - énergie renouvelable.
L'électricité offre une grande flexibilité, y compris l'utilisation de diverses formes de récupération d'énergie qui aident à charger la batterie, prolongeant ainsi la durée de fonctionnement du véhicule lui-même. Par conséquent, la technologie de récupération d'énergie est une perspective pour les solutions de recherche et développement de véhicules électriques.
L'autonomie des véhicules électriques reflète directement l'efficacité de leurs systèmes de transmission et de gestion de l'énergie. En outre, les infrastructures nécessaires, telles que de puissants systèmes de charge rapide qui atteignent désormais des centaines de kilowatts, sont également nécessaires pour respecter des limites strictes de taille et d'efficacité prédéfinies. De par ses propriétés physiques spécifiques, le carbure de silicium (SiC) peut répondre efficacement à ces nouveaux besoins du marché.
Parmi les véhicules hybrides et électriques, les principaux systèmes d'alimentation électronique sont les convertisseurs élévateurs DC/DC et les onduleurs DC/AC. Les systèmes électroniques développés pour les véhicules électriques vont des capteurs de température, de courant et de tension aux semi-conducteurs à base de SiC et de nitrure de gallium (GaN).
Le carbure de silicium est puissant
Aujourd'hui, l'autonomie et les longs temps de charge sont devenus des freins importants à l'adoption des véhicules électriques. Pour une charge rapide, plus de puissance est nécessaire pour charger en moins de temps. En raison de l'espace limité disponible dans la voiture, les systèmes de charge de batterie doivent fournir une densité de puissance élevée. Ce n'est qu'alors qu'il sera possible d'intégrer ces systèmes dans le véhicule.
Au centre de tout véhicule électrique (EV) ou hybride rechargeable (HEV), on trouve des batteries haute tension (200 à 450 VDC) et leurs systèmes de charge. Les chargeurs embarqués (OBC) permettent de recharger les batteries à partir du courant alternatif de votre domicile ou d'une borne de recharge publique ou privée. Des convertisseurs haute puissance triphasés de 3,6 kW aux monophasés de 22 kW, les OBC d'aujourd'hui doivent avoir le rendement et la fiabilité les plus élevés possibles pour assurer une charge rapide et répondre aux exigences d'espace et de poids limités.
Tous les systèmes de charge rapide nécessitent une station de charge compacte et efficace, et les modules de puissance SiC actuels permettent de créer des systèmes avec la densité de puissance et l'efficacité requises. Pour atteindre des objectifs ambitieux en matière de densité de puissance et d'efficacité du système, des transistors et des diodes SiC doivent être utilisés.
L'excellente intensité du champ électrique des substrats SiC de haute dureté permet l'utilisation de substrats plus minces. Par rapport à la couche épitaxiale de silicium, celle-ci peut atteindre le dixième de l'épaisseur. La tendance des batteries est d'augmenter la capacité, et cette caractéristique est associée à des temps de charge plus courts. Ceci, à son tour, nécessite un OBC avec une puissance et une efficacité élevées, telles que 11 kW et 22 kW.
Avec l'introduction de la série SCT3xHR, ROHM propose désormais la gamme de produits la plus large dans le domaine des MOSFET SiC qualifiés AEC-Q101, garantissant la haute fiabilité requise pour les chargeurs embarqués et les convertisseurs DC/DC pour les applications automobiles (Figure 1). STMicroelectronics propose également une large gamme de MOSFET conformes à la norme AEC-Q101, de diodes au silicium et au carbure de silicium (SiC) et de microcontrôleurs automobiles 32-bit SPC5 qui fournissent des solutions évolutives, économiques et écoénergétiques pour la mise en œuvre de ces convertisseurs exigeants. (Figure 2).
Véhicule à la grille
Des millions de véhicules électriques alimentés par batterie devraient apparaître sur la route au cours de la prochaine décennie, posant un énorme défi au réseau. À mesure que la production de ressources renouvelables non programmables augmente, le besoin de réseaux équilibrés augmente également.
Lorsque les batteries de voiture sont connectées au réseau via des bornes de recharge domestiques ou des bornes de recharge d'entreprise ou publiques, leur gestion intelligente devient extrêmement attrayante. Les batteries embarquées peuvent être utilisées pour alimenter le réseau ainsi que pour tirer de l'énergie, en fonction du besoin immédiat d'absorber de l'énergie.
Le système utilise une télécommande pour assurer le retour de l'énergie accumulée dans le véhicule ou la récupération par le réseau (vers la batterie). La technologie clé pour mettre en œuvre ce système est un onduleur de puissance bidirectionnel couplé directement à la batterie haute tension (300 à 500 volts) côté automatique et côté réseau basse tension (Figure 3).
La technologie véhicule-réseau (V2G) a le potentiel de rendre le réseau plus équilibré et plus efficace. À mesure que la demande d'électricité augmente, il est crucial d'équilibrer l'offre et la demande.
Chargement sans fil
Grâce aux bornes de recharge situées dans les garages ou les parkings publics, un domaine passionnant est la recharge sans fil des véhicules électriques. Le point de charge ne doit pas nécessairement être précisément aligné avec le récepteur sous la voiture. A terme, une tentative sera faite de développer une version micro-chargement pouvant intégrer de longues plaques de chargement et voies publiques pour charger des véhicules VE/HEV même en roulant, mais cela dépendra du nombre de difficultés rencontrées au niveau national et niveaux administratifs locaux.
Pour que la technologie V2G fonctionne sans interruption, offre les avantages de la stabilité du réseau et permette aux véhicules d'agir comme générateurs et sources de données, la technologie de recharge sans fil doit être intégrée non seulement dans le véhicule lui-même, mais également dans les infrastructures domestiques et urbaines. Le véhicule est chargé. Cela rendra le véhicule très utilisable si nécessaire.
La charge sans fil basée sur la technologie de résonance magnétique permet aux véhicules électriques, quel que soit leur type ou leur taille, d'être chargés automatiquement et en toute sécurité en plaçant des bobines flexibles sur la plaque source à l'aide de matériaux tels que le béton et l'asphalte. L'alimentation sans fil permettra aux véhicules de se recharger de manière autonome et de mettre en œuvre la technologie V2G qui excite et atténue en continu sans intervention humaine (Figure 4).
conclusion
Les technologies de semi-conducteurs à large bande et les bornes de recharge rapide rendues possibles par les capacités du réseau numérique contribueront à accélérer l'adoption des véhicules électriques. À mesure que la demande mondiale de véhicules électriques augmente, la nécessité de soutenir les infrastructures de recharge augmente également. Les technologies de recharge innovantes pour les véhicules électriques peuvent être un catalyseur de changement, aider à promouvoir l'adoption des véhicules électriques et contribuer grandement à l'objectif de réduction des émissions de carbone.
L'électronique de puissance des véhicules électriques s'enrichit de dispositifs de puissance SiC pour répondre aux besoins d'amélioration : l'efficacité énergétique du système ; la puissance et la densité de puissance des véhicules électriques ; et les applications à haute puissance nécessitant une tension et une puissance élevées, apportant ainsi une contribution importante aux performances du système et à sa fiabilité à long terme. Les MOSFET SiC et les diodes à barrière Schottky (SBD) SiC garantissent la meilleure efficacité de commutation à hautes fréquences.