Tendances du marché et de la technologie pour les bornes de recharge pour véhicules électriques

Les véhicules électriques (VE) sont promus à un rythme rapide en raison de la réglementation des émissions de CO2, l'électrification des automobiles progresse dans le monde entier, chaque pays se concentrant sur l'électrification, par exemple en interdisant la vente de nouveaux véhicules à moteur à combustion interne (ICE). après 2030. La généralisation des véhicules électriques signifie également que l’énergie qui était distribuée sous forme d’essence sera remplacée par de l’électricité, augmentant ainsi l’importance et la diffusion des bornes de recharge. Nous présenterons en détail les tendances du marché des bornes de recharge pour véhicules électriques, les tendances technologiques et les semi-conducteurs optimaux.

Les bornes de recharge pour véhicules électriques peuvent être classées en 3 types : AC niveau 1 – chargeurs résidentiels, AC niveau 2 – chargeurs publics et chargeurs rapides DC pour prendre en charge la charge rapide des véhicules électriques. Avec l'accélération de la pénétration mondiale des véhicules électriques, l'utilisation généralisée des bornes de recharge est essentielle, et les prévisions du groupe Yole (Figure 1) prévoient que le marché des chargeurs CC connaîtra une croissance annuelle composée (TCAC 2020-26) de 15,6 %.

La figure 2 suivante montre un exemple de circuit d'une borne de recharge CC pour véhicules électriques. L'adoption des véhicules électriques devrait atteindre 140 à 200 millions d'unités d'ici 2030, ce qui signifie que nous aurions au moins 140 millions de minuscules systèmes de stockage d'énergie sur les roues avec un stockage agrégé de 7 TWH. Cela entraînerait une augmentation de l’adoption de chargeurs bidirectionnels sur le véhicule électrique lui-même. Généralement, nous voyons deux types de technologies : V2H (Vehicle to Home) et V2G (Vehicle to Grid). À mesure que l’adoption des véhicules électriques se développe, V2G vise à fournir des quantités substantielles d’électricité à partir des batteries des véhicules pour équilibrer la demande énergétique. De plus, la technologie peut optimiser la consommation d’énergie en fonction de l’heure de la journée et des coûts des services publics ; par exemple, pendant les heures de pointe de consommation d’énergie, les véhicules électriques peuvent être utilisés pour restituer l’électricité au réseau, et ils peuvent être rechargés pendant les heures creuses à moindre coût. La figure 3 montre une mise en œuvre typique d'un chargeur EV bidirectionnel.

La figure 4 suivante montre les tendances du marché pour chaque méthode de charge CC et tension de la batterie du véhicule électrique. La réduction du temps de recharge est essentielle à la pénétration des véhicules électriques, et la transition vers des méthodes de recharge prenant en charge une puissance et une tension plus élevées progresse. De plus, en modularisant l'unité d'alimentation interne et en allouant l'énergie en fonction de la charge, il est possible de charger plusieurs véhicules électriques en même temps, ce qui devrait éliminer les encombrements de recharge.

Nous parlerons ensuite des semi-conducteurs utilisés dans les bornes de recharge DC. Nous pouvons clairement voir que la tendance en matière de recharge CC va vers une puissance et une tension plus élevées. Par conséquent, les semi-conducteurs de puissance utilisés doivent présenter des pertes de puissance plus faibles. En effet, à puissance délivrée plus élevée, même si l'efficacité du système est la même, la perte de puissance totale peut être très élevée. Par exemple : les charges CC de 50 kW efficaces à 98 % ont une perte de puissance de 1 KW et les chargeurs CC de 400 KW avec la même efficacité auraient une perte de puissance de 8 KW. Il en résulte donc un très grand système de refroidissement. Cela pousse les ingénieurs à envisager des dispositifs de nouvelle génération pour réduire les pertes de puissance. Ces dernières années, les attentes concernant non seulement les IGBT (transistors bipolaires à grille isolée) en silicium (Si), mais également les MOSFET (transistors à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique) en carbure de silicium (SiC) ont augmenté. Les conceptions basées sur MOSFET permettent un redressement synchrone, des fréquences de commutation plus élevées, des systèmes de refroidissement moins coûteux et des composants passifs plus petits.

Le tableau 1 montre les tendances des semi-conducteurs pour les bornes de recharge CC. Comme mentionné, les semi-conducteurs de puissance doivent prendre en charge une puissance et une tension élevées avec des pertes moindres. Pour les microcontrôleurs et les circuits intégrés de gestion de l'alimentation, il est souhaitable d'intégrer des fonctions de sécurité et de protection, une haute sécurité, des mises à jour de communication sans fil du micrologiciel Over-the-Air (FOTA), des fonctions périphériques, afin de réduire la nomenclature (BOM) ; et les circuits intégrés de commande de grille sont similaires aux microcontrôleurs et aux circuits intégrés de gestion de l'alimentation pour lesquels il existe une demande de réduction de la nomenclature avec un support haute tension et une technologie de commutation de semi-conducteurs de puissance avec un semi-conducteur à faible perte de puissance.