Validation d'un système de recharge de plusieurs mégawatts pour les poids lourds

Principaux enseignements

• La recharge en mégawatts est avant tout un problème de contrôle, car le refroidissement des câbles, le partage des modules de puissance et les contraintes du réseau électrique interagissent tous au cours d'une même session de recharge d'un camion.
• La capacité de raccordement au réseau dépend du nombre de camions arrivant en groupe ; par conséquent, le stockage et le partage de l'énergie doivent faire l'objet d'une attention aussi minutieuse que celle accordée au chargeur lui-même.
• Les tests du contrôleur et de l'Simulation HIL électrique permettent de détecter les dysfonctionnements avant la mise sous tension, à un moment où la correction nécessite un changement de modèle plutôt que le remplacement d'un connecteur.

La validation d'un système de recharge de l'ordre du mégawatt est considérée comme réussie lorsque le bon fonctionnement des commandes du chargeur a été vérifié dans des conditions réelles d'exploitation des camions et du réseau électrique, avant la mise sous tension du site.

Les ventes de camions électriques ont dépassé les 90 000 unités à l’échelle mondiale en 2024, après avoir progressé de près de 80 % en un an, et les flottes longue distance ont besoin que ces camions soient rechargés pendant la pause des chauffeurs. Cette exigence pousse la puissance d’une seule borne de recharge au-delà de 1 MW, seuil à partir duquel le chauffage des câbles, le débit du liquide de refroidissement et la capacité des lignes d’alimentation deviennent simultanément des contraintes de conception. Il est impossible de comprendre comment ces limites interagissent sur un site déjà en service, car la moindre erreur entraîne une mise hors service du transformateur ou l’endommagement d’un connecteur.

L'approche la plus rigoureuse consiste à considérer la recharge en mégawatts avant tout comme un problème de contrôle. Les étages de puissance, les circuits de refroidissement et les interfaces réseau se comportent de manière prévisible une fois que leurs contrôleurs ont été testés lors de centaines de sessions de recharge, sur des lignes d'alimentation défaillantes et dans des cas de défaut. La simulation en temps réel et les essais d'Simulation HIL s vous permettent d'acquérir cette expérience plusieurs mois avant l'achèvement des travaux de génie civil. Les équipes qui procèdent à une validation précoce abordent la mise en service avec les réponses aux questions les plus complexes déjà en poche.

Ce que le système de recharge en mégawatts est conçu pour fournir

Le système de recharge « mégawatt » (généralement abrégé en MCS) est une norme de recharge en courant continu conçue pour les poids lourds, les bus et autres véhicules de grande taille équipés de batteries. Il définit un connecteur unique, un câble à refroidissement liquide et une liaison de communication dimensionnée pour acheminer plusieurs mégawatts vers un bloc-batterie lors d’un arrêt de courte durée.

Prenons l'exemple d'un tracteur routier longue distance qui doit recharger 400 kWh pendant une pause de 30 minutes. Cela correspond à une moyenne de 800 kW sur l'ensemble de la session, la puissance de pointe étant plus élevée car la puissance de recharge diminue à mesure que la batterie se remplit. Un chargeur pour voiture particulière d'une puissance nominale de 350 kW mettrait plus d'une heure à effectuer la même tâche. Le camion perdrait ainsi un créneau de livraison.

L'objectif de conception est un budget-temps défini par la réglementation relative aux heures de conduite et les horaires de transport de marchandises. Tous les autres éléments de la norme découlent de ce budget, y compris la tension maximale plus élevée et l'entrée de plus grande taille.

Fonctionnement de la recharge MCS, du raccordement au réseau jusqu'à la prise du camion

Le système de recharge MCS fonctionne en convertissant le courant du réseau à moyenne tension en courant continu régulé, puis en l'acheminant via un câble refroidi par liquide, tandis que le chargeur et le camion échangent des données plusieurs fois par seconde. Le système de gestion de la batterie du camion demande un courant, et le chargeur répond à cette demande dans les limites thermiques et électriques qui lui sont propres.

Un site type abaisse la tension moyenne via un transformateur, la redresse dans une armoire électrique centrale et alimente des convertisseurs de courant continu isolés qui desservent chaque distributeur. Une fois le connecteur verrouillé, les deux parties effectuent des contrôles d’isolation, préchargent le câble pour l’adapter à la tension de la batterie et augmentent le courant par paliers. Les capteurs de température situés au niveau des contacts transmettent des données en continu ; ainsi, le chargeur coupe l’alimentation dès qu’une broche surchauffe. Chaque étape correspond à un échange de contrôle avec des délais imposés qui ne se traduisent par des défauts que lorsqu’un élément en amont répond trop lentement.

Comparaison entre le MCS et le CCS pour les véhicules lourds

La principale différence entre le MCS et le CCS réside dans l'intensité de courant que chaque connecteur peut supporter. Le CCS, le système de recharge combiné utilisé par les voitures particulières, atteint une puissance maximale de quelques centaines de kilowatts grâce à des câbles à refroidissement liquide, tandis que le MCS est conçu pour supporter plusieurs mégawatts grâce à des contacts plus larges et à une plage de tension plus élevée.

Un consortium de recherche spécialisé dans la recharge des poids lourds a récemment démontré qu'il était possible d'atteindre un courant de recharge de 3 000 ampères, soit la limite supérieure de la norme, qui autorise également une tension maximale de 1 250 volts. En multipliant ces valeurs maximales, on obtient 3,75 MW, soit environ 10 fois la puissance délivrée par un chargeur de voiture haute puissance.

Le courant, c'est là que réside la difficulté. La chaleur résistive dans un conducteur augmente proportionnellement au carré du courant ; ainsi, un câble transportant 3 000 ampères génère 36 fois plus de chaleur que le même câble à 500 ampères. C'est pourquoi le débit du liquide de refroidissement, la température de contact et la logique de déclassement passent du statut de caractéristiques secondaires à celui d'éléments essentiels des boucles de régulation.

Les camions équipés de prises CCS continueront à utiliser les chargeurs des dépôts pendant la nuit. Le système MCS est rentable sur les axes où les arrêts doivent être courts.

Quelle puissance en mégawatts circule au sein des étages de puissance du chargeur ?

La puissance de l'ordre du mégawatt transforme le chargeur, qui passe d'un simple convertisseur à un ensemble coordonné de modules de puissance. Des dizaines de modules convertisseurs se partagent le courant sur un bus commun à courant continu, et leurs contrôleurs doivent équilibrer la charge, limiter l'ondulation et résister aux perturbations du réseau sans interrompre la session que le chauffeur de poids lourd est en train d'attendre.

Imaginons un distributeur de 1,2 MW composé de 20 modules d'une puissance nominale de 60 kW chacun. Si un module tombe en panne en cours de session, les 19 autres doivent absorber sa part en quelques millisecondes, sinon le camion détecte un pic de courant et interrompt la charge.

Les commutateurs en carbure de silicium, les circuits d’entrée moyenne tension et les transformateurs à semi-conducteurs sont tous utilisés dans les conceptions de plusieurs mégawatts, car ils permettent de réduire la taille des composants magnétiques et de limiter les pertes. Ils augmentent également les vitesses de commutation, ce qui raccourcit le temps dont dispose un contrôleur pour détecter un défaut. On troque ainsi le cuivre et l’acier contre une bande passante de contrôle plus large. Ce compromis n’est rentable que lorsque le micrologiciel a été testé dans les conditions les plus extrêmes.

« Vous échangez du cuivre et de l'acier contre de la bande passante de contrôle. »

Pourquoi les cycles d'exploitation des camions déterminent la capacité de raccordement au réseau

Les cycles d'exploitation des camions déterminent la capacité de raccordement au réseau, car les sessions de plusieurs mégawatts se produisent par vagues. Les plannings de transport prévoient l'arrivée de plusieurs camions sur un même site au cours d'une même heure, et le réseau de distribution doit couvrir le chevauchement de ces sessions, qui dépasse largement la charge moyenne du site.

Prenons l'exemple d'un site de couloir équipé de 6 distributeurs d'une puissance nominale de 1 MW chacun. Une charge moyenne quotidienne de 1,5 MW masque un changement d'équipe qui consomme près de 6 MW pendant 20 minutes. Dimensionner le transformateur en fonction de la moyenne entraîne une insuffisance d'alimentation pour les camions, tandis que le dimensionner en fonction du pic laisse une capacité coûteuse inutilisée la majeure partie de la journée.

Le stockage par batterie et le partage de puissance entre les distributeurs permettent de combler cet écart. Une batterie tampon se recharge lentement entre deux arrivées et se décharge pendant les pics de demande, ce qui permet de se connecter à une puissance nominale inférieure. Le contrôleur du site devient alors un petit contrôleur de «micro-réseau », ce qui soulève ses propres questions de stabilité.

Les lignes d'alimentation rurales peu performantes viennent s'ajouter à la liste des causes de chutes de tension et de scintillement. Avant d'approuver un raccordement, les gestionnaires de réseau exigeront des études démontrant le comportement du site en cas de défauts et lors de variations rapides de charge.

Comment les chargeurs de plusieurs mégawatts sont-ils testés avant la mise sous tension d'un site ?

Les chargeurs de plusieurs mégawatts sont testés en plusieurs étapes, qui commencent par la simulation et se terminent par des essais sur du matériel fonctionnant à pleine puissance. Les essais d’ Simulation HIL s des contrôleurs consistent à connecter le contrôleur réel du chargeur à un étage de puissance simulé, à une batterie de camion et au réseau électrique, ce qui permet aux ingénieurs d’effectuer des milliers de sessions et de simuler des défaillances sans avoir à recourir à des équipements de plusieurs mégawatts.

Un simulateur en temps réel calcule suffisamment rapidement les caractéristiques de la ligne d’alimentation du réseau, des modules convertisseurs et du pack de batteries pour que le contrôleur ne puisse pas les distinguer de l’installation réelle. Les modèles en temps réel du réseau et des batteries d’OPAL-RT sont ainsi utilisés pour étudier les commandes du chargeur MCS dans des conditions réalistes d’exploitation des camions et du réseau, sans avoir à construire au préalable un site d’essai d’une capacité de plusieurs mégawatts. Power Simulation HIL ajoute ensuite un amplificateur afin qu’un véritable module de puissance échange de l’ Énergie s avec la ligne d’alimentation simulée. Un plan de test efficace couvre les cas suivants.

• Délais d'attente de communication et messages mal formés entre le camion et le chargeur
• Perte d'un module d'alimentation au cours d'une session à courant maximal
• Panne de la pompe de refroidissement et réduction de puissance due à une surchauffe des contacts
• Chutes de tension du réseau, variations de fréquence et défauts sur les lignes de distribution
• Plusieurs camions arrivant en même temps avec une batterie tampon presque à plat

Ce que signifie la validation précoce pour un programme de recharge d'une puissance de plusieurs mégawatts

« Une validation précoce signifie que le premier camion qui se branche sur votre site correspond à la millième session enregistrée par vos systèmes de contrôle. »

Les programmes de charge de l'ordre du mégawatt qui valident leur comportement de régulation lors de la simulation consacrent le temps de mise en service à confirmer ces résultats, tandis que ceux qui sautent cette étape passent ce temps à détecter des problèmes à pleine puissance.

Les principes physiques de la recharge en mégawatts sont bien connus. Ce qui distingue un site fonctionnant sans heurts d’un site confronté à des problèmes, c’est le nombre de situations difficiles que l’équipe a simulées, qu’il s’agisse d’un bloc de refroidissement sur une ligne d’alimentation faible ou d’une réduction de la puissance admissible d’un câble sous la chaleur estivale. Des tests patients et reproductibles contribuent davantage à la disponibilité du système que n’importe quel choix matériel. Il est également bien moins coûteux de reproduire un défaut simulé que de remplacer un connecteur.

OPAL-RT facilite cette mise au point grâce à une simulation en temps réel qui permet de tester les commandes des chargeurs dans des conditions réalistes, avec des camions et des réseaux électriques, bien avant le coulage du béton. Commencez par les scénarios d’utilisation qui vous préoccupent le plus, modélisez-les fidèlement et laissez les résultats orienter la conception du site. Les conducteurs ne verront rien de tout cela. Ils verront simplement un chargeur qui démarre du premier coup.