Protection de circuit haute tension réinitialisable pour les véhicules électriques à batterie de nouvelle génération

Parrainé par Eaton

Les architectures des véhicules électriques à batterie (VEB) continuent d’évoluer. Des taux de charge plus élevés, une plus grande quantité d’énergie stockée, un flux d’électricité bidirectionnel ainsi qu’une conception plus compacte peuvent augmenter les exigences en matière de protection des circuits haute tension en courant continu.

Les architectures de protection traditionnelles, qui coordonnent des contacteurs, des fusibles et des dispositifs pyrotechniques, ont été conçues pour les premières plateformes de VEB. Dans certaines applications, elles restent efficaces, mais une énergie de panne plus élevée, un développement des pannes plus rapide et une complexité du système accrue peuvent réduire la marge de manœuvre disponible pour la conception.

Cet article décrit comment le comportement en cas de panne des véhicules électriques à batterie évolue, où les stratégies de protection conventionnelles pourraient faire face à des contraintes croissantes, et pourquoi certaines architectures de nouvelle génération pourraient bénéficier d’une approche plus intégrée et réinitialisable.

Les architectures des véhicules électriques à batterie transmettent de plus grandes quantités d’énergie à des vitesses accrues

Les plateformes actuelles de véhicules électriques à batterie diffèrent considérablement des générations précédentes. Plusieurs tendances modifient l’architecture électrique :

Taux de charge plus élevés dus aux exigences de recharge rapide

Plus d’énergie stockée pour assurer une autonomie plus longue

Emballages de batteries plus compacts, ce qui augmente la densité thermique et électrique

Flux d’énergie bidirectionnel (V2L, V2H et V2G) qui élargit les scénarios de panne

Des tensions de système plus élevées, y compris les plateformes de 400 V et 800 V et au-delà

Tous ces facteurs combinés augmentent la quantité d’énergie transférée par le biais de systèmes compacts. Il peut donc être nécessaire que les dispositifs de protection et de commutation fonctionnent sous des contraintes plus fortes, avec des délais de réponse plus courts et face à un éventail plus large de conditions de panne en courant continu haute tension (HVDC).

Le comportement des pannes HVDC est en train de changer

Les pannes HVDC ne sont pas une nouveauté. Ce qui a changé, c’est le contexte dans lequel elles se produisent. Une énergie stockée plus importante, un chargement plus rapide et des emballages plus compacts peuvent permettre aux pannes de s’aggraver plus rapidement. Dans certaines architectures, les ingénieurs doivent gérer non seulement des courants de panne plus élevés, mais aussi un développement plus rapide des pannes, des délais de décision plus courts et un transfert d’énergie accru au cours des premiers millisecondes d’un événement, y compris :

Une montée rapide du courant de panne

Difficulté accrue à éteindre l’énergie des arcs en courant continu

Délai réduit disponible pour prendre des décisions de protection

Conséquences plus graves en cas de mauvaise classification ou de réponse retardée

Au fur et à mesure que l’énergie du système et la puissance de charge augmentent, certaines applications peuvent devoir prendre en compte des courants de court-circuit dans la fourchette de 20 kA à 30 kA ou plus. En même temps, les courants normaux de charge rapide peuvent atteindre des niveaux qui réduisent l’écart entre le fonctionnement nominal et la réponse en cas de panne.

Cela peut réduire la fenêtre de fonctionnement des dispositifs de protection.

Dans ces conditions, les dispositifs peuvent devoir gérer une plus grande variété de scénarios de fonctionnement et de panne, notamment :

Courant élevé continu pendant la charge

Interruption rapide d’un courant de panne élevé

Fonctionnement fiable pendant les transitoires, les erreurs de signal, la perte de communication et les défaillances auxiliaires

Contraintes des architectures de protection conventionnelles

Architectures à fusibles et à contacteurs

La protection des véhicules électriques conventionnels repose sur une coordination séquentielle :

Détection par le BMS et les capteurs

Commutation via des contacteurs

Protection par des fusibles

Ce modèle suppose une marge de temps suffisante pour la détection, l’envoi de signaux et le transfert entre les composants. À mesure que la tension de fonctionnement et la puissance de charge augmentent, cette marge peut se réduire. Dans de telles conditions, il devient de plus en plus difficile de maintenir une séquenciation fiable dans l’ensemble des scénarios possibles, et plusieurs limites apparaissent.

Écart de coordination entre les fonctions de détection, de commutation et d’interruption

Les contacteurs ne sont pas nécessairement conçus pour interrompre seuls les défauts en courant continu à haute énergie.

Risque de soudure par contact et de dégradation des performances d’isolation dans des conditions de défaut sévères.

Dans certains cas, la réaction des fusibles peut ne pas être en phase avec la dynamique rapide des défauts.

Marge de conception réduite à mesure que la tension, le courant et l’énergie stockée du système augmentent.

Ces considérations ne signifient pas nécessairement une déficience de conception. Dans de nombreux cas, elles reflètent des architectures fonctionnant plus près des limites présumées lors des cycles de conception précédents.

Méthodes de protection pyrotechnique

Les dispositifs pyrotechniques peuvent résoudre certains problèmes de coordination des fusibles en forçant l’ouverture du circuit. Selon leur conception, ils peuvent également introduire un ensemble différent de contraintes.

Dépendance à un déclencheur externe : Dans de nombreux systèmes, leur fonctionnement dépend d’un signal de déclenchement provenant d’un autre système.

Fonctionnement unique : Après activation, une intervention technique et un remplacement des composants peuvent être nécessaires.

Exigences de déclenchement plus rapides : Les systèmes batterie futurs pourraient nécessiter des temps de réponse mesurés en centaines de microsecondes, en fonction de l’architecture et du scénario de panne.

Complexité supplémentaire du BMS et coûts associés.

Risque d’activation indésirable : Si les fenêtres d’évaluation deviennent très courtes ou que les entrées du système sont ambiguës.

Au fur et à mesure que l’énergie de la panne augmente, les concepteurs peuvent devoir équilibrer une intervention précoce et le risque d’agir sur des informations incomplètes.

Les performances de protection dépendent de plus en plus de l’architecture

Dans les anciennes plateformes de véhicules électriques, la protection des circuits relevait principalement d’un choix au niveau des composants. Les ingénieurs sélectionnaient des contacteurs, des fusibles ou des dispositifs pyrotechniques en fonction de leurs caractéristiques techniques, puis les coordonnaient en tenant compte des marges temporelles et de la logique de contrôle externe. Lorsque les exigences de base étaient remplies, de nombreuses combinaisons pouvaient fonctionner. Pour certaines architectures modernes de véhicules électriques à batterie, cette approche ne suffit plus à elle seule pour assurer une protection adéquate.

Les performances de protection peuvent dépendre de la manière dont la détection, l’interrupteur, l’interruption, la communication et la disponibilité d’énergie interagissent dans des conditions extrêmes. Lorsque ces fonctions ne sont pas coordonnées dès la conception, les seules spécifications des composants peuvent ne pas suffire pour atteindre le niveau de performance de protection souhaité.

La protection des circuits est de plus en plus déterminée par l’architecture du système, et non seulement par les spécifications individuelles des composants. Le concept de protection influence la réponse aux pannes, les dépendances entre sous-systèmes, la capacité de récupération et la disponibilité du véhicule.

Une architecture de protection conçue pour les futures plateformes de véhicules électriques devrait :

Prendre en compte des tensions, des courants et une énergie stockée plus élevés

Intégrer les fonctions de détection, d’interrupteur et de protection là où c’est approprié

Fournir une réponse prévisible dans l’ensemble des cas de panne définis

Assurer un fonctionnement sûr en réduisant la dépendance vis-à-vis des chaînes d’activation externes

Minimiser la dépendance à l’égard d’éléments de protection à usage unique lorsque c’est possible

Permettre le redémarrage après des événements non catastrophiques lorsque cela est approprié

Architectures de protection intégrées

Une approche différente émerge, celle qui intègre la protection et l’actionnement dans un seul dispositif autonome. Contrairement aux architectures qui coordonnent des contacteurs, des fusibles et des dispositifs pyrotechniques séparés, les approches intégrées éliminent par conception toute dépendance de coordination.

Combiner les fonctions de détection, d’interruption et d’isolement dans un seul dispositif

Réduire la dépendance aux horloges du BMS et aux chaînes d’activation externes dans certaines implementations

Réagir de manière autonome aux conditions de panne en courant continu à haute énergie définies

Fournir une réponse plus cohérente face aux différentes conditions de panne dans certaines applications

Protection réinitialisable et facilité d’entretien

De nombreux événements de panne dans la réalité, tels que ceux décrits ci-dessous, ne sont pas catastrophiques.

Pannes des stations de charge

Perte de communication dans les systèmes auxiliaires

Événements de surintensité transitoires

Lectures erronées ou dysfonctionnements des capteurs

Avec des solutions de protection à usage unique, ces événements peuvent néanmoins entraîner :

Véhicules bloqués

Remplacement coûteux de composants

Changement des batteries

Responsabilités floues entre le véhicule, le réseau électrique et l’infrastructure de charge

Une approche de protection réinitialisable permet de se remettre de incidents gérables, d’assurer la disponibilité des véhicules de soutien et de reporter certaines actions de maintenance aux intervalles prévus. Cela peut réduire considérablement le temps d’arrêt et le coût total de possession.

Questions d’évaluation pour les équipes d’ingénierie

Puisque la protection devient de plus en plus dépendante de l’architecture, les équipes d’ingénierie devraient également reconsidérer la manière dont les technologies et les fournisseurs sont évalués. En pratique, cela signifie poser des questions telles que :

Quels scénarios de panne existent dans l’ensemble de l’écosystème — véhicule, réseau et infrastructure de charge ?

Avec quelle fréquence les dispositifs de protection rencontreront-ils ces événements dans le monde réel ?

Quelles pannes doivent permettre une récupération et lesquelles ne le doivent pas ?

La fonction de protection est-elle autonome, ou dépend-elle de systèmes externes et de paramètres temporels ?

Pourra-t-elle s’adapter aux niveaux d’énergie futurs des véhicules électriques ?

La réponse du système est-elle prévisible et reproductible ?

Conclusion

Les systèmes électriques des véhicules électriques évoluent de manière à remettre en question les architectures de protection conçues pour des plateformes antérieures. À mesure que les niveaux d’énergie, la puissance de charge et la complexité du système augmentent, les stratégies de protection peuvent également devoir évoluer.

Les approches traditionnelles font face à des contraintes de plus en plus importantes, non pas parce qu’elles sont mal conçues, mais parce que les hypothèses de fonctionnement du système changent. Dans certaines applications, les écarts de coordination peuvent s’aggraver, les dépendances augmenter et le temps de réaction disponible diminuer.

Les technologies de protection intégrées et réinitialisables représentent un changement par rapport aux composants à usage unique vers des fonctions de sécurité au niveau de l’architecture. En simplifiant certains aspects de la réponse aux pannes, en réduisant certaines dépendances et en permettant le redémarrage dans des scénarios définis, elles offrent une base plus durable pour les plateformes de véhicules électriques de nouvelle génération.

Produits dotés d’une protection circuit Breaktor

Unité de déconnexion de la batterie

L’unité de déconnexion de la batterie (BDU) est conçue pour distribuer efficacement l’énergie dans tout le système du véhicule électrique. Grâce à l’intégration de Breaktor, la BDU assure une meilleure qualité et une architecture simplifiée en combinant un commutateur de courant, une protection contre les courts-circuits bidirectionnels réinitialisable ainsi qu’une action rapide (jusqu’à 900 V).

En permettant de réduire jusqu’à 15 composants dans l’assemblage de la BDU, le pilote de bobine intégré, l’économiseur ainsi que les circuits de détection/déclenchement de Breaktor diminuent le coût global et la complexité. De plus, son design auto-déclenchant, ses composants électroniques de diagnostic et ses contacts miroirs contribuent à assurer une sécurité et une fiabilité maximales.

Unité de distribution d’énergie FLEX

La nouvelle génération d’unité de distribution d’énergie intelligente haute tension FLEX (FLEX PDU) surveille et gère toute l’énergie distribuée aux composants électroniques, tout en offrant une protection centrale pour le système électrique des véhicules commerciaux hybrides, à pile à combustible ou entièrement électriques. Entièrement personnalisable pour répondre aux exigences spécifiques des véhicules commerciaux, la FLEX PDU peut être intégrée à Breaktor. Cela permet une protection intégrée contre les surintensités pour les charges à haute puissance, y compris les onduleurs de traction et la charge rapide en courant continu.

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