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Un chargeur embarqué bidirectionnel révolutionnaire ? La botte secrète du CEA et de Renault pour le véhicule électrique

17 janvier 2023 à 18h00
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batterie charge recharge © Shutterstock
© Shutterstock

Le CEA et Renault Group ont annoncé le développement conjoint d'un chargeur embarqué bidirectionnel à très haut rendement, pour notamment limiter les pertes d'énergie.

« Et si le véhicule devenait un pilier du réseau électrique ? » se demandent Renault et le CEA. Le constructeur automobile et l'acteur de la recherche ont expliqué ce lundi être en train de développer un chargeur qui pourrait accomplir des miracles d'ici la fin de la décennie, en réduisant fortement les pertes d'énergie et en rechargeant plus vite encore la batterie d'un véhicule électrique.

Une technologie qui permet de réduire les pertes d'énergie et de s'appuyer sur le réseau électrique (ou de l'alimenter)

Cette technologie que le CEA et Renault Group développent a un nom : V2G, ou vehicle-to-grid. Techno d'échanges bidirectionnels, elle devrait permettre aux véhicules de la marque française, dans un futur proche, de restituer une partie de l'électricité stockée dans les batteries pour optimiser le fonctionnement du réseau électrique ou carrément alimenter les besoins en énergie d'une maison autonome, pour peu que celle-ci soit équipée d'un compteur bidirectionnel. De quoi fournir une vraie réponse au caractère disons intermittent ou aléatoire des énergies renouvelables.

Les futures générations de ces technologies V2G seront déployées d'ici la fin de la décennie. C'est le pari que font Renault et le CEA, qui développent ensemble une nouvelle architecture électronique de convertisseur de puissance, directement intégrée au chargeur du véhicule.

CEA logo - CES 2023 © Alexandre Boero pour Clubic
© Alexandre Boero pour Clubic

Pour mettre au point cette architecture, qui fait l'objet de 11 brevets communs déposés, il aura déjà fallu près de 3 ans de recherches. Nous parlons ici d'un vrai convertisseur de puissance qui, rappelons-le, est un dispositif électronique placé entre la source d'énergie électrique et la charge alimentée. Le convertisseur permet alors d'adapter la source à la charge et de contrôler le transfert d'énergie de l'un vers l'autre.

Des matériaux innovants pour de meilleures performances

Renault et le CEA l'affirment : le convertisseur développé à partir de matériaux plus compacts et innovants permettra de réduire les pertes d'énergie de 30 %. Les deux partenaires évoquent un travail commun de R&D autour des matériaux semi-conducteurs à « Grand Gap », comme le nitrure de gallium (GaN) ou le carbure de silicium (SiC). Cette nouvelle architecture présente une capacité de charge allant jusqu'à 22 kW en mode triphasé.

Le chargeur aidera aussi grandement à améliorer le temps de recharge du véhicule et à garantir la durabilité de la batterie. Et comme nous le disions plus haut, il sera bidirectionnel, puisqu'il permettra aussi le stockage de l'énergie provenant du réseau électrique. Les premiers résultats sont plus que prometteurs, puisque la nouvelle architecture fondée sur des composants Grand Gap permet bien de réduire les pertes d'énergie de 30 % lors de la conversion. Même chose durant l'échauffement, ce qui aide au refroidissement du système de conversion.

« Par ailleurs, le travail des ingénieurs pour optimiser les composants actifs (semi-conducteurs) et passifs (condensateurs et composants inductifs bobinés) a permis une réduction du volume et du coût du chargeur », ajoutent le CEA et Renault. Le convertisseur a en effet pu gagner en capacité grâce à l'habile utilisation de matériaux ferrites dédiés à la haute fréquence et à un procédé d'injection de mise en forme, le « Power Injection Molding ». Le consommateur pourrait être le bénéficiaire final de cette technologie et ainsi réduire ses dépenses énergétiques.

Source : Communiqué de presse Renault Group et CEA

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PaowZ
le carbure de silicium<br /> Enfin une ressource dont on n’est pas prêt de manquer sur Terre !
Nereus
« Le chargeur aidera aussi grandement à améliorer le temps de recharge du véhicule et à garantir la durabilité de la batterie. »<br /> Garantir la durabilité de la batterie mais oui. Plus il y a de cycle de charge décharge plus la durée de vie de la batterie diminue, en tout cas sur les types de batterie actuelles, et ce n’est pas prêt de changer sur les futurs modèles même à moyen terme.
Shooot
Très intéressant, mais<br /> « restituer une partie de l’électricité stockée dans les batteries »<br /> wut ?
MattS32
Le chargeur aidera aussi grandement à améliorer le temps de recharge du véhicule et à garantir la durabilité de la batterie.<br /> En étant limité à 22 kW, je vois pas trop comment il pourrait améliorer le temps de recharge, sachant qu’il existe déjà des chargeurs offrant des puissances nettes après pertes très largement supérieures à ça…<br /> Ce n’est que par rapport à un chargeur 22 kW qu’il sera plus rapide, puisqu’avec moins de pertes la puissance nette reçue par la batterie sera un peu plus élevée.<br /> Shooot:<br /> Très intéressant, mais<br /> « restituer une partie de l’électricité stockée dans les batteries »<br /> wut ?<br /> Restituer au réseau électrique. Quand la voiture sera branché, elle pourra soit prendre de l’énergie sur le réseau pour charger la batterie, soit décharger la batterie pour réinjecter de l’énergie dans le réseau.<br /> C’est un fonctionnement sur lequel comptent les gestionnaires de réseau, notamment pour augmenter plus facilement la part d’EnR dans le mix électrique. Les voitures connectées au réseau pourront ainsi aider à passer les pics de consommation électrique quand ils tomberont sur des périodes où la production EnR est en berne (par exemple le pic du soir en hiver, durant lequel on ne peut évidement plus compter directement sur le solaire).<br /> En contrepartie de la participation à l’équilibre du réseau, l’électricité réinjectée dans le réseau sera rachetée plus cher que l’électricité soutirée lors de la charge.
Laurent_Marandet
Est ce que ce chargeur aura 30% de pertes de rendement, comme le « fameux » chargeur Caméléon des Renault Zoe, qui n’est pas du tout fiable par ailleurs.
xryl
L’article n’explique pas les bases scientifiques et mélange beaucoup de choses. La charge d’un VE est soit en AC (triphasé ou monophasé) vers DC (tension variant suivant l’état de charge de la batterie), soit en DC/DC.<br /> Dans le premier cas, la conversion AC/DC utilisant les technologies courantes a un rendement de 95 à 98%. Ce qui peut sembler bon, mais 2% à 5% de 50kWh, c’est de 1kWh à 3kWh de perdu par charge. Ce qui est embêtant car cette perte d’énergie cause l’échauffement de l’électronique et des batteries et donc limite leur durée de vie.<br /> Je ne parle pas des pertes dans la batterie elle même et de son rendement de Coulomb.<br /> De même pour la partie onduleur, le rendement habituel est de cet ordre là.<br /> En gros, les chargeurs AC/DC et DC/DC fonctionne maintenant à peu près tous pareils en hachant le courant à l’entrée pour un stockage inductif et une restitution dans/de la charge<br /> (la batterie ou le réseau). C’est l’inductance qui ajuste la tension d’un côté ou l’autre du buck/boost asynchrone.<br /> Ce qu’on fait ces chercheurs, c’est de réduire cette perte de 30%, soit au lieu d’avoir 3kWh de perte par charge, on tombe à 2kWh.<br /> Il n’y a évidemment pas un rendement de 70% dans la conversion AC/DC des chargeurs de VE comme le laisse entendre l’article.<br /> Comment ont-ils fait ?<br /> En utilisant la même technologie que l’on trouve maintenant dans les chargeurs USB-C, c’est à dire en remplaçant les mosfet Silicium en mosfet GaN (et/ou SiC, mais ce dernier est légèrement moins performant). Le gain par transistor est infime mais comme ils fonctionnent en commutation plus rapide pour hâcher le courant, ça s’accumule et sur la charge totale, ça permet de gagner 30% sur les pertes par effet joule.<br /> Vu qu’ils ne chauffent plus autant (pertes thermiques réduites), on peut les mettre plus proche les uns des autres donc on a une électronique plus compacte, des radiateurs plus petits, c’est plus léger. La fréquence de hachage est plus élevé, ce qui permet d’avoir des inductances plus petites pour un même rendement.<br /> Il y a donc un facteur multiplicatif dans les gains
Nmut
Il y a des solutions pour optimiser la durabilité des batteries.<br /> Plus ça charge vite, plus la batterie subit des dégradations. Les recherches permettent de trouver des solutions pour, à charge équivalente, avoir plus de cycles, ou de charger plus vite pour un même nombre de cycles. Ce sont à la fois la chimie des batterie, les anodes/cathode, l’électrolyte et les charges / décharges qui sont améliorés.<br /> Et pour l’utilisation en « résidentiel », il est nettement plus simple d’optimiser la décharge, car sur la route, pas question de trop brider ou pire d’arrêter le débit à cause d’une légère surchauffe ou d’un niveau de charge un peu trop haut / trop bas.
MattS32
Nmut:<br /> Et pour l’utilisation en « résidentiel », il est nettement plus simple d’optimiser la décharge, car sur la roue, pas question de trop brider ou pire d’arrêter le débit à cause d’une légère surchauffe ou d’un niveau de charge un peu trop haut / trop bas.<br /> Tout a fait. Et il y a sans doute peu de particuliers qui vont installer des prises de plus de 11 kW chez eux (je pense que le plus courant, ça sera même le 7.4, vu qu’en pratique les implémentations du type 2 à plus de 32A et plus de 230V sur les prises des VE sont rares, donc il faut passer en tri-phasé pour aller au-delà de 7.4), donc les décharges à domicile en cas de réinjection resteront dans la plupart des cas limitées à des « petites » (pour une batterie de VE…) puissances.<br /> Et même sur les bornes de recharge « accélérées », à 22 kW, qui seront sans doute les plus courantes dans les lieux publics, la puissance maximale de décharge reste assez faible.<br /> Il n’y a finalement que lors de la recharge sur bornes « rapides » qu’on pourrait avoir des puissances de décharge très élevées. Mais les voitures branchées à ces bornes ne devraient logiquement pas participer à la réinjection dans le réseau : quand on se branche à ces bornes, coûteuses à utiliser, c’est qu’on a besoin de charger vite. Donc hors de question de décharger…
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