Les véhicules électriques ont un problème de poids qui ne peut être résolu avec les méthodes traditionnelles

Auteur: Noa Margolin, ingénieur R&D, Vicor Corporation

Les modules d'alimentation haute densité permettent aux systèmes 48 V de réduire le poids et les pertes de puissance

Les véhicules électriques (VE) alimentés par batterie présentent un sérieux problème de poids. De nombreux véhicules électriques pèsent jusqu’à 33 % de plus que leurs homologues à moteur à combustion interne. Ainsi, le président du National Transportation Safety Council aux États-Unis a déclaré : « Le camion Ford F-150 Lightning pèse entre 900 et 1.400 450 kg de plus que la version non électrique. » En outre, le Bureau national de recherche économique a conclu que l'ajout de 47 kg à un véhicule augmente d'environ XNUMX % le risque de décès en cas d'accident.

En conséquence, les constructeurs automobiles sont confrontés à des limites majeures lorsqu’ils tentent de concevoir des véhicules électriques offrant davantage d’autonomie, de sécurité et de contenu électronique. Il s’agit de l’un des défis de R&D les plus redoutables auxquels ce secteur ait jamais été confronté.

Malgré l'ampleur de ce défi, les inquiétudes des fabricants, des consommateurs et des législateurs peuvent être atténuées si les réseaux électriques conventionnels des véhicules électriques, caractérisés par leur surpoids, sont remplacés par des architectures zonales 48 V dans lesquelles un bus 48 V remplace l'ancien système 12 V. Le déploiement d'une architecture zonale basée sur des modules d'alimentation haute densité permettra de réduire le poids de trois manières. Cette nouvelle architecture facilitera le passage d'un câblage de diamètre épais à un câblage beaucoup plus fin, réduisant ainsi son poids jusqu'à 85 %. De plus, les batteries auxiliaires basse tension peuvent être retirées et virtualisées avec des modules d'alimentation, éliminant ainsi complètement le poids de la batterie. Enfin, le nouveau réseau électrique basé sur des modules d'alimentation optimise le système de gestion thermique et réduit son poids jusqu'à 33 %.

Par conséquent, la transition vers une architecture zonale comme alternative à l’architecture centralisée traditionnelle réduit considérablement le poids et améliore l’efficacité globale du système électrique.

Adoption du 48V : une amélioration évidente et en attente pour les véhicules électriques

Figure 1 : La conversion vers un système 48 V réduit la consommation totale de courant dans le véhicule de plus de 250 A à moins de 75 A sans affecter le contenu électrique du véhicule. Depuis 1908, la demande de puissance dans les automobiles a augmenté de façon exponentielle avec l’intégration de l’électronique dans les véhicules. Dans les années 1960, les fabricants ont augmenté la tension de 6 V à 12 V, provoquant une baisse du courant pour la première fois depuis 60 ans. Actuellement, la plupart des fabricants continuent d’utiliser le bus 12 V malgré la demande de courant supplémentaire. En 2023, Tesla est devenu le premier constructeur à annoncer l’adoption complète du bus 48 V dans l’ensemble du véhicule, ce qui réduira considérablement la demande actuelle.

Les nouveaux véhicules ont intégré de nouveaux circuits électroniques à chaque cycle de conception afin d'améliorer la protection, la sécurité et l'autonomie. Chaque fonction ajoutée augmente la consommation et, si la batterie est fixe et standardisée, cela se traduit par une augmentation exponentielle du courant. Comme le démontre la tendance actuelle (Figure 1), le réseau électrique basé sur une architecture centralisée n’est pas durable. La seule façon de répondre au besoin croissant d'énergie tout en fournissant des niveaux de courant durables, en minimisant le poids du câblage, consiste à augmenter la tension de fonctionnement jusqu'à 48 V via une architecture de zone.

Les véhicules électriques actuels sont alimentés par une batterie principale haute tension (généralement 400 V ou 800 V) qui doit alimenter non seulement le moteur de traction électrique, mais également un grand nombre de charges basse tension, telles que la climatisation, le chauffage de la voiture, les sièges et les systèmes d'infodivertissement. Un réseau électrique réduit la haute tension aux 48V et 12V des batteries auxiliaires qui alimentent ces sous-systèmes.

L'adoption d'une architecture à 48 zones présente une opportunité prenant en compte la loi d'Ohm : Pour la même alimentation, une source 12V nécessite un courant multiplié par quatre par rapport à une source 48V. Par conséquent, le câble pour 12 V est généralement quatre fois plus épais que pour 48 V.

Figure 2. Les automobiles d'aujourd'hui utilisent deux types de réseaux électriques : l'architecture centralisée 12 V et l'architecture zonale 48 V à croissance rapide. Le premier dépend d'un câblage épais de 12 V, tandis que le second utilise un câblage fin de 48 V qui est beaucoup plus léger, réduit les pertes de chaleur et réduit le courant jusqu'à quatre fois.

Le déclin de l’architecture centralisée 12V

Le système centralisé 12V est l'architecture d'alimentation traditionnelle utilisée dans les automobiles depuis les années 1960. Cette architecture est constituée d'un boîtier volumineux dans un boîtier contenant un ensemble de composants discrets, dont tous les convertisseurs DC/DC haute tension pour passer de 48V à 12V. Des câbles épais et lourds sont nécessaires pour acheminer le courant 12 V jusqu'aux points de recharge. À cela s'ajoute le fait qu'en raison de l'inefficacité inhérente à la conversion DC/DC traditionnelle, ce système d'alimentation centralisé génère une quantité importante de chaleur à partir du boîtier, ce qui nécessite souvent un refroidissement liquide intense, ce qui ajoute encore plus de poids.

L'adoption de modules d'alimentation haute densité 48 V peut être appliquée aux extrêmes pour convertir efficacement jusqu'à 12 V aux points de charge. Les fabricants disposent ainsi de la flexibilité nécessaire pour faire passer progressivement les appareils de recharge du 12V au 48V au fil du temps. Cela vous permet de profiter rapidement des avantages de l'utilisation du 48 V avec une modification minimale de l'architecture du système.

L'architecture zonale 48 V réduit les pertes de chaleur et de courant

Ce système innovant d'architecture zonale 48V profite de la loi d'Ohm et représente un changement de paradigme pour le secteur : la conversion DC/DC s'effectue au plus près des points de recharge et non au sein du boîtier centralisé. Selon cette approche, la conversion de la haute tension en 48 V permet d'obtenir un bus 48 V sécurisé dans tout le véhicule. La conversion du 48V au 12V se fait au point de recharge. En transportant un courant de 48 V au lieu de 12 V, les câbles peuvent être plus fins, plus légers et nettement plus économiques (Figure 2). Ce câble plus petit et plus flexible est également plus facile à installer à l'intérieur du véhicule. Cette technique répartit également plus uniformément les pertes de chaleur générées par les convertisseurs DC/DC à travers le véhicule, permettant ainsi l'utilisation potentielle de solutions de refroidissement par air et de conduction thermique montées sur le châssis.

Calcul des gains de poids

L'architecture zonale 48 V s'adapte mieux à la demande croissante de puissance des véhicules électriques, tout en réduisant le poids du véhicule de trois manières :

1. Câblage : réduction de poids d'environ 85 %

Adopter l'architecture zonale 48 V signifie remplacer les câbles traditionnels épais de calibre 4 de 273 g/m 12 V par des câbles de calibre 10 de 27 g/m 48 V. Cela réduit le poids du câblage d'environ 85 %.

2. Suppression de la batterie auxiliaire : réduction du poids ~% 100

Figure 3 : Les modules d'alimentation offrent une réponse transitoire plus rapide que les batteries au plomb 12 V, créant ainsi une batterie virtuelle qui peut remplacer l'ancienne et lourde batterie 12 V.

Une architecture zonale basée sur des modules de puissance permet d'accélérer la réponse du convertisseur DC/DC aux transitoires en créant une batterie virtuelle. Ainsi, les modules d'alimentation zonaux 12V/48V reproduisent les caractéristiques des batteries basse tension 12/48V, en plus d'éliminer complètement la batterie physique 12V, économisant ainsi 100% de son poids.

3. Optimisation du système d'alimentation : réduction de poids d'environ 33 %

Figure 4 : La taille du boîtier centralisé peut être réduite en utilisant des modules d'alimentation et une architecture zonale, car la chaleur peut être dissipée plus efficacement aux points d'extrémité où le 48 V est converti en charges de 12 V.

Le remplacement du système centralisé par un système zoné déplace la conversion du 48V au 12V de la box vers les points de recharge. Le nouveau boîtier de système d'alimentation basé sur des modules d'alimentation haute densité pour fournir du 48 V sera jusqu'à 33 % plus petit, ce qui permettra de réduire son poids jusqu'à un tiers (33 %).

Dans un système 12 V centralisé traditionnel, les composants discrets génèrent une température ambiante élevée à l'intérieur du boîtier, tandis que le système d'alimentation basé sur des modules d'alimentation haute densité génère moins de chaleur et les modules au point de charge peuvent être refroidis efficacement dans le châssis. Ces améliorations permettent de réduire le poids du système de refroidissement liquide jusqu'à 7 %.

Transformez le poids en opportunité

Les constructeurs automobiles bénéficient de plusieurs manières de l’architecture zonale. Pour illustrer cela, pensons à l'effet qu'aura la réduction du poids sur la plus grande autonomie du véhicule.

Le poids du véhicule influence sa consommation et son autonomie. Cependant, le poids supplémentaire peut atténuer son effet sur l’autonomie s’il est utilisé pour augmenter la taille de la batterie. La batterie supplémentaire permet un plus grand stockage d'énergie, et améliore donc l'autonomie.

Selon une étude réalisée par Vicor, une architecture zonale basée sur des modules de puissance haute densité peut réduire le poids du véhicule jusqu'à 18 kg (tableau 1). Lorsque ce poids est remplacé par
Avec 18 kg de cellules dans la batterie, l'autonomie du véhicule électrique peut être augmentée jusqu'à 6.400 XNUMX km par an, sans gain de poids net.

Ce chiffre est significatif si l'on considère que, dans le cas des États-Unis, un conducteur parcourt en moyenne 23.000 48 km par an selon la Federal Highway Administration. Par conséquent, l'utilisation de l'architecture zonale 30 V peut réduire le temps de charge annuel jusqu'à 2 % (tableau XNUMX) et augmenter la distance que le véhicule peut parcourir avec chaque charge.

Tableau 1 : La combinaison d'une architecture zonale 48 V et de modules d'alimentation haute densité permet d'économiser environ 18 kg de poids dans les SUV électriques compacts.

Tableau 2 : L'autonomie améliorée offre aux conducteurs une plus grande distance par charge, réduisant ainsi le nombre de charges requises par an.

Innover pour éliminer

Les véhicules électriques sont en surpoids et cette tendance n’est ni durable ni bénéfique pour la croissance de la demande de véhicules électriques. L'architecture centralisée 12 V, avec son boîtier et ses composants discrets, doit évoluer vers une architecture zonale 48 V pour optimiser le réseau électrique des véhicules électriques et le système de gestion thermique. L'architecture zonale peut augmenter l'autonomie jusqu'à 6.400 XNUMX km par an ou peut être utilisée pour augmenter la sécurité des fonctions électroniques.

Les architectures zonales les plus efficaces utilisent des convertisseurs petits et légers au point de charge. Les modules avec des niveaux élevés de densité de puissance et d'efficacité sont le meilleur choix pour la conversion de 48 V à 12 V.

Compte tenu de la complexité actuelle de l’électronique de puissance automobile, les fabricants doivent faire preuve de créativité pour réduire le poids et augmenter les performances. Vicor, leader des modules de puissance hautes performances, facilite l'innovation et la créativité. Les modules d'alimentation, les architectures et les topologies compactes de Vicor offrent aux constructeurs automobiles des solutions d'alimentation flexibles et évolutives pour la conversion haute tension dans tout le véhicule. Ces modules d'alimentation sont faciles à installer et constituent l'alternative aux conceptions discrètes traditionnelles utilisées jusqu'à présent dans les systèmes d'alimentation centralisés. Les modules d'alimentation petits et compacts constituent la meilleure option et un composant naturel pour une architecture zonale 48 V, qui constitue le réseau électrique du futur pour l'industrie automobile.