Comment fonctionne l'équipement d'alimentation des véhicules électriques (EVSE) ?

L'infrastructure EVSE englobe tout, des chargeurs domestiques pour véhicules électriques aux stations de recharge publiques et pour flottes de véhicules électriques à usage intensif. Examinons quelques-uns des composants et considérations clés de l'EVSE.

Méthodes de facturation

Deux types de puissance de charge sont courants :

• Courant alternatif (CA): l'EVSE fournit du courant alternatif au connecteur. Le courant alternatif est ensuite converti en courant continu à l'intérieur du véhicule pour recharger les batteries.
• Courant continu (CC) : l'EVSE alimente directement les batteries d'un VE en courant continu, sans passer par son chargeur embarqué.

À cela s'ajoute la nature du conduit utilisé pour le transfert d'énergie :

• Recharge conductive/câblée : Il s'agit de l'option de recharge la plus courante, où un câble de recharge relie le EVSE au VE.
• Charge inductive/sans fil : au lieu d'un câble enfichable, cette technologie utilise la technologie inductive ou résonante pour fournir de l'énergie par voie électromagnétique aux batteries.
• Recharge par pantographe : les pantographes relient un véhicule à une ligne de recharge aérienne. Ils sont utilisés pour les véhicules électriques lourds dans les flottes et les environnements urbains où une recharge rapide et automatisée sans branchement manuel est souhaitable.

Normes de recharge

Les normes de recharge constituent des cadres complets qui couvrent plusieurs aspects de la recharge entre une borne de recharge et un véhicule électrique. Il n'existe pas de norme unique acceptée à l'échelle mondiale. Il existe plutôt une variété de normes mondiales et régionales :

• Système de recharge combiné (CCS) : la norme CCS spécifie des aspects tels que la négociation des paramètres de recharge, l'authentification, le paiement et des fonctionnalités avancées comme Plug and Charge (PnC). Les connecteurs CCS prennent en charge la recharge en courant alternatif et en courant continu. Le connecteur CCS de type 1 est populaire en Amérique du Nord et le type 2 en Europe et dans le reste du monde.
• Norme nord-américaine de recharge (NACS) : la norme NACS utilise un connecteur unique et compact pour la recharge en courant alternatif et en courant continu.
• CHARGE DE MOVE (CHAdeMO) : La norme CHAdeMO est très répandue au Japon et utilise deux ports distincts pour la recharge en courant alternatif et en courant continu.
• Guobiao Tuijian (GB/T) : ces normes sont couramment utilisées en Chine. Auparavant, elles utilisaient des ports distincts pour le courant alternatif et le courant continu ; cependant, la nouvelle version ChaoJi utilisera un port commun.
• Système de recharge mégawatt (MCS) : la norme MCS permet de recharger rapidement les véhicules électriques lourds, tels que les camions et les bus, à l'aide d'un courant continu à haute puissance.

Ces normes couvrent les aspects suivants :

• Paramètres électriques, y compris les niveaux de charge, les tensions prises en charge, les courants et les limites de puissance pour différentes vitesses de charge.
• Connecteurs, y compris la forme, le brochage et les mécanismes de verrouillage mécanique des interfaces physiques
• Protocoles de communication, y compris les signaux de commande entre les EVSE et les VE, ainsi qu'entre les EVSE et les réseaux électriques.
• Mécanismes de sécurité, tels qu'une mise à la terre et une isolation adéquates

Niveaux de charge

La vitesse de recharge est déterminée par les niveaux de recharge, comme expliqué ci-dessous.

Charge CA

Les niveaux de charge CA de la norme J1772 de la Society of Automotive Engineers (SAE) sont intégrés dans le CCS :

• Recharge de niveau 1 : elle s'effectue à partir d'une prise domestique standard de 120 volts (V) CA pouvant fournir environ 1 à 2 kilowatts (kW) de puissance à 10-16 ampères (A). Elle convient aux petits vélos électriques, mais pas aux voitures électriques.
• Recharge de niveau 2 : la plupart des chargeurs domestiques et des solutions publiques de recharge pour véhicules électriques utilisent des chargeurs de niveau 2. Ils fonctionnent à une tension de 208-240 V CA. La puissance varie entre 7 et 19 kW et le courant entre 32 et 80 A.

Charge CC

Le CCS spécifie les cinq classes d'alimentation CC suivantes :

• Recharge à faible puissance : la puissance de recharge reste inférieure à 8 kW.
• Charge en courant continu : ces bornes de recharge peuvent fournir une puissance supérieure à 8 kW et pouvant atteindre 50 kW.
• Recharge rapide (FC) : les bornes FC EVSE peuvent fournir une puissance de 50 à 100 kW pendant au moins 30 minutes.
• Recharge ultra-rapide (UFC) : elles peuvent fournir 100 à 150 kW pendant au moins 20 minutes.
• Recharge haute puissance (HPC) : les bornes de recharge HPC peuvent fournir plus de 150 kW pendant au moins 10 minutes.

Ces classes et niveaux de puissance sont également utilisés pour la recharge bidirectionnelle.

Système de recharge mégawatt (MCS)

La recharge mégawatt est destinée aux bus électriques lourds, aux semi-remorques, aux engins de terrassement, aux équipements aéronautiques et même aux navires. Elle implique des tensions continues de plus de 1 000 V et des courants allant de plusieurs centaines à 4 000 A. Les systèmes MCS existants peuvent fournir entre 0,4 et 6 mégawatts (MW), et les futurs systèmes sont conçus pour fournir entre 12 et 24 MW.

Le MCS spécifie actuellement cinq niveaux de puissance :

• Niveau MCS 1 : les bornes de recharge de niveau 1 utilisent des câbles de recharge non refroidis pour fournir jusqu'à 350 A à 1 250 V.
• Niveau MCS 2 : ils peuvent fournir jusqu'à 1 500 A à 1 250 V à l'aide de câbles de recharge refroidis par liquide.
• Niveau MCS 3 : les bornes de recharge de niveau 3 utilisent un système de refroidissement liquide pour les câbles de recharge et les prises EV afin de fournir jusqu'à 3 000 A à 1 250 V.
• MCS renforcé (R-MCS) : le MCS renforcé peut fournir jusqu'à six MW avec des courants atteignant 4 000 A à 1 500 V. Il est conçu pour les environnements difficiles tels que l'exploitation minière, l'aviation et le secteur maritime.
• X-MCS : cette norme à venir améliorera le R-MCS pour fournir une puissance de 12 à 24 MW.

Communication entre EVSE et EV

L'EVSE et le VE communiquent entre eux à l'aide de protocoles tels que les spécifications ISO 15118 (Organisation internationale de normalisation) qui définissent comment :

• négocier les niveaux de tarification
• contrôler la séquence de chargement impliquant les poignées de main et l'authentification
• faciliter la recharge intelligente (où les temps et les tarifs de recharge sont basés sur la charge du réseau en temps réel, les prix de l'énergie et la disponibilité des énergies renouvelables)
• Mettre en œuvre PnC avec authentification et facturation automatisées
• assurer la sécurité grâce à des rapports sur l'état de charge et la gestion des erreurs
• communiquer en toute sécurité

Mécanismes de sécurité

Les normes de recharge spécifient des mécanismes de sécurité tels que :

• mise à la terre et isolation pour prévenir les chocs électriques
• s'assurer que l'alimentation électrique n'est fournie que lorsqu'une connexion sécurisée est établie
• mécanismes permettant de détecter les surintensités, les surtensions, les courts-circuits, les défauts à la terre et les températures anormales, et de couper l'alimentation en toute sécurité
• surveillance de la température, en particulier pour la recharge CC haute puissance

Intégration au réseau

Les bornes de recharge pour véhicules électriques sont de plus en plus intégrées dans les réseaux intelligents afin de mettre en œuvre :

• V2G (véhicule-réseau) pour un flux d'énergie bidirectionnel
• équilibrage de charge
• réponse à la demande
• charge intelligente basée sur la charge du réseau et la disponibilité des énergies renouvelables

Certaines bornes de recharge peuvent être alimentées par l'énergie solaire et d'autres ressources énergétiques distribuées.

Pour garantir une recharge sûre et fiable des véhicules électriques, il est essentiel de procéder à des tests approfondis des bornes de recharge. Ces tests doivent porter sur les aspects décrits ci-dessous :

• Interopérabilité : les bornes de recharge doivent pouvoir recharger correctement tous les véhicules électriques, quels que soient leur constructeur ou leur modèle, afin de maintenir la confiance des consommateurs dans la mobilité électrique.
• Conformité au protocole : de nombreux problèmes d'incompatibilité proviennent d'erreurs de communication. Compte tenu des nombreuses normes EVSE et fonctionnalités avancées, il est essentiel de procéder à des tests approfondis de conformité au protocole afin de garantir l'interopérabilité.
• Sécurité : les tests EVSE permettent de valider les événements critiques pour la sécurité, tels que les arrêts d'urgence et la décharge des sources internes à haute tension. Les tests de résistance d'isolement constituent également un contrôle de sécurité essentiel.
• Performances : les tests EVSE doivent valider les performances dans des conditions de défaillance, à des températures extrêmes et lors d'événements dynamiques sur le réseau.
• Simulation : des simulations réalistes de différents véhicules électriques, batteries, scénarios positifs et conditions d'erreur permettent de pousser les systèmes à leurs limites dès les premières étapes, à moindre coût et sans risquer d'endommager les installations EVSE ou les véhicules électriques.
• Automatisation : l'automatisation des tests permet une évaluation reproductible grâce à des centaines de tests, vérifiant en permanence l'interopérabilité et la conformité.
• Compatibilité électromagnétique (CEM) : les émissions des EVSE peuvent interférer avec d'autres appareils électroniques et les communications sans fil. Les tests de CEM garantissent que les EVSE fonctionnent toujours dans l'environnement électromagnétique prévu.
• Sécurité du protocole : l'authentification sécurisée et l'échange sécurisé des données sont vérifiés en testant la sécurité de la couche transport, l'infrastructure à clé publique pour PnC et la sécurité XML pour l'intégrité et la non-répudiation de la couche application.
• Débogage : pour le débogage et l'analyse des causes profondes, les visualiseurs de traces de protocole et les analyseurs man-in-the-middle permettent d'observer, de capturer et de décoder les signaux de communication et d'alimentation entre un VE et un EVSE.

Les tests d'interopérabilité utilisent des systèmes et des méthodes de test spécialisés pour garantir une communication et un transfert d'énergie fluides entre différents réseaux, EVSE et véhicules électriques. Examinons ces techniques ci-dessous.

• Tests de conformité : une vérification rigoureuse de la conformité au protocole à l'aide des spécifications officielles des cas de test de diverses normes de recharge garantit le strict respect des règles qui régissent les négociations de recharge. Les tests des comportements de négociation et de repli garantissent la compatibilité avec les modèles de véhicules électriques nouveaux et anciens. Les EVSE peuvent être conçus pour prendre en charge les normes en constante évolution.
• Émulation EVSE : le système de test émule un EVSE CA ou CC configurable pour tester n'importe quel véhicule électrique.
• Émulation EV : le système de test agit comme un EV universel configurable qui permet de tester les fonctionnalités, la sécurité et les performances de l'EVSE. Il utilise une charge électronique et une alimentation électrique régénérative pour simuler le comportement d'un EV.
• Émulation de batterie : le système de test peut émuler n'importe quelle capacité, technologie, état de charge ou résistance interne de batterie de véhicule électrique.
• Test « man-in-the-middle » : un système de test est placé entre un véhicule électrique réel et une borne de recharge réelle afin de surveiller, capturer et décoder de manière passive les signaux de communication et d'alimentation. Cela permet d'analyser en temps réel les erreurs et leurs causes pendant une session de recharge réelle.
• Tests automatisés : des bibliothèques complètes de cas de tests automatisés basés sur les spécifications industrielles peuvent être exécutées de manière systématique et continue pour valider les comportements, injecter des paramètres modifiés et définir des conditions de réussite/échec.
• Test au niveau des composants : le contrôleur de communication EV (EVCC) dans le véhicule et le contrôleur de communication de l'équipement d'alimentation (SECC) dans le chargeur sont testés individuellement à l'aide d'un testeur d'interface de communication qui émule le contrôleur correspondant et exécute des cas de test préprogrammés. 

Quelle est la différence entre les tests de conformité EVSE et les tests fonctionnels ?

Les tests de conformité EVSE vérifient rigoureusement le respect des normes officielles de recharge et des protocoles de communication, y compris leur comportement dans des conditions normales, extrêmes et en cas d'erreur. Il s'agit d'une condition préalable à l'homologation et à la certification.

Les tests fonctionnels vont au-delà des tests de conformité, en vérifiant qu'un EVSE se comporte et fonctionne comme prévu et attendu par les utilisateurs.