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Augmentation du niveau de tension dans les véhicules électriques

Quels sont les enjeux liés à l'augmentation du niveau de tension dans l'architecture des véhicules électriques ?

Les véhicules électriques sont un atout clé dans la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre. Etant donné qu’ils représentent l’avenir de la mobilité, leur développement doit être rapide pour offrir aux utilisateurs un niveau de service comparable à celui des véhicules thermiques.

Un des thèmes d’innovation concerne le câblage : les véhicules  embarquent nécessairement de plus gros câbles électriques (pour le transport de la puissance) qui coutent, chauffent et complexifient l'intégration.

Quelle est la principale contrainte liée au transport de puissance dans les architectures électriques embarquées ? 

Le transport de de puissance obéit à une règle physique incontournable : 

Puissance = courant x tension (P=U.I).

On peut donc transférer une puissance donnée à fort courant et basse tension, ou à faible courant et forte tension. La différence entre ces 2 approches réside dans les pertes qu’elles occasionnent à cause de la résistivité des câbles électriques utilisés : ces pertes sont proportionnelles au carré du courant (P = R.I²).

A puissance constante, une solution utilisant 3 fois plus de courant occasionnera donc 9 fois plus de pertes dans les câbles. 

Pour éviter cela, un moyen est de diminuer la résistivité du câble (idéalement par 9), en augmentant son diamètre.
Cette approche a plusieurs conséquences :

  • Augmentation du prix du câble,
  • Augmentation de sa masse,
  • Diminution de la flexibilité du câble (intégration plus difficile dans les chemins de câble). 

L’autre moyen est d’augmenter la tension : une solution utilisant une tension 3 fois plus élevée occasionnera 9 fois moins de pertes dans les câbles. Les conséquences sont inversées par rapport à l’approche à fort courant.

Pourquoi l’augmentation des tensions embarquées n’a-t-elle pas eu lieu avant ? 

Un peu d’histoire…

La première automobile voit le jour en 1886. Les premières automobiles ne disposent pas de batterie, leur équipement électrique étant à l’époque à peu près inexistant. C’est seulement en 1918 que le constructeur automobile américain Hudson Motor Car Company devient le premier à utiliser des batteries standardisées. Les batteries commencent alors à être utilisées massivement à partir des années 1920.

Le premier système démarrage-recharge est conçu pour une tension de 6 volts avec une masse positive. Les automobiles sont équipées de systèmes 6 V jusqu'au milieu des années 1950. Le changement de 6 à 12 V se produit lorsque les véhicules deviennent plus gros : le taux de compression des moteurs est plus élevé et demande donc plus d'énergie pour démarrer, permettant entre autres de diviser par deux la section des câbles électriques pour une même puissance distribuée.

Certaines automobiles continueront toutefois d’être équipées avec des batteries de 6 V, comme la Coccinelle jusqu’au milieu des années 1960 et la Citroën 2 CV jusqu’en 1970. 

Verrous technologiques

L’adoption de hautes tensions a nécessité du temps car conditionnées par deux verrous technologiques majeurs :

  • La constitution des batteries : plus leur tension est élevée, plus elles contiennent de cellules et plus il est nécessaire d’assurer un bon équilibrage de ces cellules (qualité intrinsèque de la chimie des cellules, performances du Batterie Management System associé) 
  • Disponibilité des composants électroniques de puissance en haute tension : transistors, diodes, capacités, isolants.

Evolution du marché

Le marché de la mobilité électrique continue à évoluer vers des tensions hautes :

  • Dans le domaine de la forte puissance (liée à la chaine de traction), les solutions 400VDC migrent vers 600V, 800V, 1200 V, voire plus.
  • Dans le domaine de la puissance « basse tension » (alimentation des calculateurs et des organes de bord accessibles à l’utilisateurs) : le traditionnel 12VDC se voit complété d’une ligne à 48VDC. 

En pratique, quels sont les avantages de cette évolution ? 

Les avantages de la hausse des niveaux de tension sont 

  • La réduction des pertes par effet joules sur les systèmes électriques de forte puissance.
    La limitation des pertes permet d’accroitre le rendement global , et donc augmente  l’autonomie. 
  • L’allègement des câbles (moins de cuivre)
  • La meilleure intégration mécanique de ces câbles plus souples dans les véhicules.

Ces améliorations s’appliquent aussi bien à la partie chaîne de traction qu’à la partie 48V. 

Y a-t-il des inconvénients à augmenter le niveau de tension dans l’architecture d’un véhicule électrique ? 

A ce stade de maturité du marché des engins électriques, la démarche d’augmentation des valeurs de tension n’est pas encore stabilisée ni totalement normalisée.

Cette instabilité pénalise l’émergence de solutions standard.

Les convertisseurs Tame-Power sont dotés d’une large gamme de tension de service en Low side comme en high side (30V … 450V / 30V … 950V), ils peuvent donc s’adapter à une grande variété d’architectures.

Cette caractéristique permet aux concepteurs et aux architectes électriques d’envisager plusieurs solutions afin d’optimiser les performances énergétiques globales de leur système.

 

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