Révolutionner les véhicules électriques commerciaux : la charge en mégawatts et ses implications

Alors que le monde accélère vers un avenir durable, l’électrification des véhicules commerciaux devient de plus en plus indispensable. Cette présentation technique examine la demande croissante pour des solutions de charge à mégawatts dans l’industrie des véhicules commerciaux électriques, les obstacles techniques, l’efficacité économique et les avantages en termes de performance.

Nous examinons les coûts liés à la mise en place de systèmes de charge de plusieurs mégawatts à bord des véhicules commerciaux. Il est essentiel de comprendre ces éléments techniques lors de l’évaluation des performances souhaitées et de la vitesse de charge du véhicule. Notre présentation passera en revue ces exigences technologiques clés, notamment les batteries à grande capacité, les systèmes de protection contre les courants de panne élevés et les systèmes avancés de gestion thermique. Chacun d’eux peut limiter la vitesse de charge disponible du véhicule, mais leur résolution entraîne des coûts supplémentaires. En analysant le temps d’utilisation des véhicules commerciaux dans différents modèles d’affaires, nous identifierons les vitesses de charge nécessaires pour électrifier ces modèles. La flexibilité quant au moment et au lieu de charger un véhicule constitue l’avantage principal d’une charge plus rapide. Nous présentons 3 modèles d’affaires potentiels qui nécessiteront des solutions de charge différentes :

Livraison locale – Avec une consommation d’énergie faible et un temps d’arrêt suffisant, ce type de transport peut être électrifié grâce à un chargement relativement lent de 150 kW.

Transport intermédiaire – Avec une consommation d’énergie moyenne et un temps d’arrêt moyen, il peut être électrifié à l’aide des vitesses de chargement actuellement disponibles, soit 350 kW.

Transport longue distance – Avec une consommation d’énergie élevée et un temps d’arrêt limité, l’électrification nécessitera des installations de chargement de 1 MW qui doivent devenir largement accessibles avant que ce type de transport ne puisse être électrifié.

Bien que toutes les applications utilisant des véhicules électriques puissent bénéficier de la flexibilité offerte par des vitesses de chargement plus élevées, et en fait la plupart pourraient être électrifiées grâce à des installations de 1 MW déjà répandues, il est important de comprendre que tous ne nécessiteront pas un chargement à mégawatts. De nombreux modèles commerciaux peuvent devenir entièrement électriques tout en maîtrisant le coût des véhicules en utilisant des vitesses de chargement plus lentes.

Grâce à des recherches et développements innovants, Eaton est

Il est en première ligne dans le développement de solutions de charge embarquée évolutives et efficaces, et peut aider les constructeurs automobiles et les flottes à comprendre les compromis entre coûts et avantages propres à chaque application de véhicule.

Coût d’une charge plus rapide

Le concept de vitesse de charge est au cœur de ce débat, car il constitue un facteur clé influençant le déploiement et l’utilisation pratique des véhicules électriques. La vitesse de charge détermine les dynamiques opérationnelles et influence la faisabilité de différents modèles économiques pour passer à l’électrification. Alors que certaines applications peuvent intégrer sans problème les véhicules électriques dans leurs structures commerciales existantes, d’autres peuvent nécessiter l’apparition de technologies innovantes ou la création de nouveaux modèles économiques afin de tirer parti des avantages de l’électrification.

L’affirmation selon laquelle une charge accélérée équivaut à des performances supérieures est fondée ; cependant, une analyse approfondie des contraintes auxquelles sont confrontés les constructeurs de véhicules et les exploitants de flottes est indispensable. Cela inclut l’évaluation des implications techniques et économiques de l’électrification des véhicules, afin de s’assurer que cette transition soit non seulement techniquement réalisable, mais aussi durable dans le contexte du marché à long terme.

Célules de batterie

Les cellules de batterie, tout comme la préférence humaine pour des environnements contrôlés en termes de climat, présentent des performances optimales dans des paramètres de température spécifiques. Idéalement, ces cellules fonctionnent efficacement dans une plage thermique allant de 15 à 35 degrés Celsius. Il convient de noter que la plage de température de fonctionnement préférée peut varier en fonction du fait que les cellules se trouvent

Le processus de charge ou de décharge. La figure 1 montre la relation entre la température d’une cellule de batterie et ses performances relatives. L’éventail des performances est plus large lors de la décharge que lors de la charge.

Cette analogie souligne la nécessité de systèmes avancés de gestion thermique dans les véhicules électriques. De tels systèmes sont conçus pour maintenir les cellules de batterie dans leur « zone de confort », assurant ainsi des performances constantes. De plus, l’intégration de fonctionnalités intelligentes telles que la planification des itinéraires permet au véhicule d’anticiper les prochaines sessions de charge, ce qui permet une pré-conditionnement de la batterie. Cette approche proactive favorise un rendement optimal de la charge.

Le deuxième facteur qui peut influencer la capacité d’une cellule à absorber de l’énergie est son état de charge actuel. En faisant un parallèle avec le processus par lequel les personnes entrent dans une salle de cinéma pour trouver un siège, on peut concevoir le chargement d’une batterie de manière similaire. Lorsque la « salle » — ou la batterie — est vide, le processus est simple. Cependant, à mesure que l’occupation augmente, il devient de plus en plus difficile de trouver des « sièges » disponibles — ou des points de charge au sein des cellules. La figure 2 illustre graphiquement cette relation. À mesure que l’état de charge approche de sa capacité maximale, le taux de chargement peut se détériorer au point où le chargement devient peu économique. Il est préférable pour le conducteur de se rendre dans un deuxième lieu de chargement alors que la batterie est encore à un niveau de charge suffisant, plutôt que d’attendre sur place en limitant sa vitesse.

Cette relation entre le niveau de charge peut également influencer la capacité du véhicule à utiliser son moteur de propulsion comme frein secondaire. Par conséquent, le véhicule doit disposer d’une réserve suffisante dans son pack batterie afin d’assurer un taux de charge et une capacité de stockage adéquats pour effectuer un freinage régénératif. Un outil avancé de planification des itinéraires doit être capable de prédire la consommation d’énergie ainsi que le recouvrement énergétique prévu, afin d’optimiser l’efficacité.

Taille de la batterie et taux C

Un aspect crucial de la chimie des batteries est la relation entre la vitesse théorique maximale de charge du pack et sa capacité.

La recherche de chimies cellulaires plus rapides est réalisable ; cependant, elle entraîne souvent des coûts plus élevés et un compromis en termes de durée de vie. Le marché des véhicules électriques commerciaux montre une préférence pour la chimie au phosphate de fer et de lithium (LFP), qui

réalise un équilibre entre rentabilité et durabilité.

Les progrès récents dans la chimie LFP ont augmenté le taux C des batteries de environ 2 à une fourchette allant de 3 à 4. Cependant, même avec un taux C de 3, pour atteindre une puissance de charge de 3,75 MW – la limite supérieure du standard Mega Charging Standard (MCS) – un véhicule aurait besoin d’une capacité de batterie embarquée proche de 1000 kWh. En revanche, une puissance de charge de 1 MW peut être obtenue avec une batterie de 400 kWh. Bien que cette taille soit considérablement supérieure à celle des batteries utilisées dans les véhicules légers, elle reste dans une fourchette plus gérable.

L’exemple mis en évidence montre qu’une batterie 3C connectée à un chargeur capable de 1 mégawatt verra sa vitesse de chargement limitée si la capacité de la batterie est inférieure à 350 kWh. Au-delà de cette capacité, la puissance maximale du chargeur peut être atteinte.

Blocages thermiques potentiels

Dans le contexte de la charge, les contraintes thermiques constituent un facteur important à prendre en compte. Chaque élément de la batterie et de l’infrastructure de charge peut devenir un point de restriction. Les pertes dans le système électrique obéissent à la règle I2r, ce qui signifie que les pertes dues à la résistance sont proportionnelles au carré du courant. Lorsque les courants se situent entre 800 et 3000 ampères, même de légères augmentations de la résistance, en particulier aux alentours des contacteurs, peuvent entraîner une génération importante de chaleur.

La figure 4 présente l’analyse thermique de la technologie de protection de circuit Breaktor® d’Eaton. Elle offre une vision de ces dynamiques, montrant une capacité à supporter 350 A en continu, mais des courants bien plus élevés pendant des durées limitées. L’intégration de mécanismes de refroidissement actifs peut prolonger la durée pendant laquelle les composants peuvent fonctionner dans des paramètres thermiques sûrs. Il est essentiel de reconnaître les limites propres à chaque composant et de gérer les seuils thermiques au niveau du système dans son ensemble afin d’assurer un fonctionnement sûr et efficace. La meilleure façon de gérer cela à bord d’un véhicule consiste à utiliser des capteurs de température et des fonctions de transfert pour surveiller la température interne des composants. L’utilisation d’un système de surveillance actif permettra à un véhicule d’obtenir une puissance maximale aussi longtemps que possible tout en restant dans les limites thermiques.

Distribution d’énergie

La conception des systèmes haute tension comprend non seulement les paramètres opérationnels mais aussi les stratégies de protection nécessaires pour assurer un fonctionnement sûr et minimiser les effets d’un défaut. Lorsque plusieurs groupes de batteries sont utilisés, chaque groupe peut nécessiter la gestion uniquement d’une partie du courant de charge et une exposition proportionnelle aux conditions de défaut potentielles. Pour cette raison, l’unité de déconnexion des batteries (BDU) de chaque groupe peut répondre aux exigences d’une application pour véhicule léger.

Au port MCS, le système doit être protégé contre des pannes totales provenant soit du chargeur, soit de plusieurs batteries en même temps. Cela peut entraîner un courant de panne allant jusqu’à 70 kA. Le mécanisme de protection doit permettre une limitation du courant afin de protéger efficacement les systèmes du véhicule. C’est là que les fusibles pour véhicules électriques de la série de camions d’Eaton deviennent particulièrement utiles. Ces fusibles peuvent être disposés en parallèle pour créer une stratégie de protection évolutive couvrant l’ensemble du spectre de courants MCS. Néanmoins, ces fusibles doivent être coordonnés avec soin à une paire de contacteurs de taille appropriée afin de faciliter les opérations de commutation normales, assurant ainsi une conception de système haute tension robuste et fiable.

Séance de charge

En synthétisant ces éléments, visualisons une session de charge réelle d’un véhicule électrique. Le calcul du temps de charge correspond à la superficie sous la courbe. La plupart des systèmes de charge ont une limite de courant, ce qui signifie qu’il existe une valeur maximale de courant fournie par le chargeur. En multipliant cette valeur par la tension du système, on obtient la puissance de charge maximale. Augmenter la limite de courant, que ce soit sur le chargeur ou le véhicule — par des stratégies de gestion thermique ou en améliorant les contacteurs, par exemple — peut accroître la vitesse de charge maximale, réduisant ainsi le temps nécessaire pour une charge complète.

Dans les scénarios impliquant des sessions de charge de 1 MW et 500 kW, le système maintient le taux de charge maximal uniquement de manière transitoire avant de rencontrer des contraintes thermiques ou des limites intrinsèques de la batterie qui exigent une réduction de la vitesse de charge. En revanche, une application de charge à faible puissance, fonctionnant en dessous de ces seuils, peut conserver la vitesse maximale pendant la majeure partie de la durée de charge. Les trois sessions de charge fournissent la même quantité d’énergie, soit 600 kWh, mais cela nécessite des durées considérablement différentes.

de temps pour y parvenir.

Ces profils de charge sont essentiels pour que les fabricants d’équipements originaux (OEM) et les gestionnaires de flottes puissent bien les comprendre. Ils doivent adapter les capacités de charge du véhicule à son rôle opérationnel prévu. Cette adaptation est cruciale pour garantir que les performances du véhicule répondent aux attentes liées à son usage prévu. Nous allons maintenant examiner comment ces considérations se traduisent en applications pratiques pour les OEM et les gestionnaires de flottes.

Vitesse de charge requise

Afin de déterminer quelle vitesse est suffisante, nous devons d’abord examiner un éventail d’applications pour les véhicules commerciaux. En utilisant une combinaison de données réelles issues de l’initiative NACFE Run on Less ainsi qu’une application théorique pour les camions de longue distance, nous analyserons la quantité d’énergie consommée en une journée par rapport au temps disponible pour charger le véhicule.

Application de livraison locale

La première application concerne un véhicule de livraison locale fourni par Penske pour les données NACFE. Dans ce cas, le véhicule effectue chaque jour une courte tournée de livraison locale d’environ 200 kilomètres en une seule période de travail. Cela signifie qu’il consomme seulement environ 250 kWh et dispose de plus de 15 heures d’inactivité au dépôt pour recharger ses batteries. Théoriquement, cela pourrait être géré par un système de charge en courant alternatif de niveau II disponible sur le marché, mais les véhicules devraient rester branchés tout le temps où ils ne sont pas en mouvement. En pratique, Penske utilise une charge rapide en courant continu de 150 kW qui permet de recharger le camion en 2 heures à la fin de sa période de travail, avant qu’il ne puisse être déplacé vers un emplacement de stationnement normal au dépôt ; cela permet de concentrer les infrastructures nécessaires pour gérer plusieurs véhicules tout en maintenant leur flexibilité opérationnelle. Le tableau 2 et la figure 7 illustrent cette application.

Application de livraison régionale

Le deuxième exemple à examiner provient également du dépôt Run on Less Electric. Ici, Pepsi utilise une flotte de camions semi-remorques Tesla pour des livraisons régionales. Le véhicule parcourt jusqu’à 965 kilomètres en 24 heures, sur deux périodes de conduite. Cela laisse une fenêtre limitée de 3 heures à la fin de chaque période pour recharger la batterie. En utilisant une méthode similaire d’évaluation du temps disponible, cela pourrait théoriquement être géré avec une charge de 250 kW, mais cela nécessiterait une charge maximale à chaque instant où le véhicule ne se déplace pas.

Dans la pratique, Pepsi utilise une charge de 600 kW pour recharger les camions

En effectuant deux sessions de 2 heures chacune, cela permet une plus grande flexibilité et un temps d’activité accru. Le tableau 3 et la figure 8 illustrent cette application.

Application pour les longs trajets

Le dernier scénario à examiner est un exemple théorique de cabine de camion pour longs trajets. C’est souvent considéré comme l’une des applications les plus difficiles à électrifier, car elle repose actuellement sur un réseau dispersé de stations de ravitaillement plutôt que sur un dépôt contrôlé appartenant à la flotte ou à l’opérateur.

D’un point de vue légal, les conducteurs de longs trajets dans la plupart des pays sont tenus de se reposer à intervalles réguliers. Dans un contexte idéal, la période de repos de 10 heures ainsi que toutes les pauses habituelles pendant la journée permettraient de recharger le véhicule ; un opérateur pourrait ainsi parcourir 965 kilomètres par jour et n’aurait besoin que d’une puissance de charge de 150 kW. Cependant, en raison de la dispersion des endroits où ce chargement doit avoir lieu, il sera probablement impossible de trouver systématiquement une prise chaque fois que le camion est à l’arrêt.

Pour cette raison, nous devons supposer que le camion ne peut trouver une prise qu’un nombre limité de fois par jour et ne se branche pas pendant sa période de repos nocturne, ce qui réduit la fenêtre disponible pour se recharger à environ 3 heures par jour. Ce modèle correspond mieux au modèle commercial actuel, qui inclut des arrêts de repos et des stations de ravitaillement en diesel. En utilisant ce temps disponible, il faudrait, selon les calculs théoriques, une puissance de charge moyenne de 666 kW pour couvrir l’autonomie requise. Compte tenu de tout ce que nous avons appris sur les limites de charge, notamment en termes de puissance maximale et de flexibilité, un chargeur de 1 MW ou plus sera nécessaire. Le tableau 4 et la figure 9 illustrent ce scénario théorique.

Cela ne signifie pas pour autant que la charge en mégawatts résout tous les problèmes liés à l’électrification du transport routier de longue distance ; la disponibilité des chargeurs et la connexion au réseau resteront des défis. Cependant, cette analyse montre que si une charge de 1 MW devient largement disponible, l’électrification même des cas d’usage les plus difficiles pourrait devenir une réalité.

À quelle vitesse est-ce suffisamment rapide ?

Finalement, examinons l’ensemble du tableau. Chaque application présente un volume d’énergie différent utilisé au cours de la journée par rapport au temps disponible pour charger. La figure 10 illustre cela graphiquement, avec des zones ombragées représentant les trois applications étudiées. En traçant les courbes des différents taux de charge maximaux, nous pouvons déterminer un seuil en dessous duquel une application peut être soutenue de manière réalisable par un chargeur donné.

L’inclusion des trois exemples que nous avons examinés dans ce graphique montre comment chacun pourrait être pris en charge par un réseau de chargement distinct. Il indique également que la majorité des applications pourraient être correctement servies par l’infrastructure de chargement de 1 MW largement disponible.

Bien que la norme MCS autorise des capacités de chargement

jusqu’à 3,75 MW, il est important de noter que les coûts liés à la mise en place d’un chargement à haute puissance ont tendance à augmenter de manière exponentielle. Par conséquent, la justification financière pour un tel chargement à haute puissance restera probablement limitée aux applications de niche. Cette approche assure un équilibre entre l’efficacité opérationnelle et le rapport coût-efficacité.

Conclusion

Chaque application de véhicule commercial est unique et nécessite une évaluation spécifique de ses besoins en énergie ainsi que du rapport coûts/bénéfices lié à son électrification. Comprendre les limites et le coût d’améliorer les performances de charge permet aux flottes et aux constructeurs automobiles

d’analyser le rapport coûts/bénéfices entre les avantages en termes de flexibilité offerts par des charges plus rapides. Il n’existe pas de solution universelle. De nombreuses applications peuvent être satisfaites par la technologie de charge actuelle, et l’apparition de stations de charge Megawatt largement accessibles devrait ouvrir la voie à l’électrification de la plupart des véhicules commerciaux d’aujourd’hui.

Au sujet d’Eaton : Eaton est depuis longtemps un fournisseur de premier plan dans le secteur des véhicules commerciaux. À mesure que notre portefeuille de produits évolue vers l’électrification, Eaton constitue le partenaire idéal pour les clients OEM afin de comprendre cette équation bénéfice-coût. Notre expertise en distribution et protection d’énergie peut aider les OEM à concevoir des architectures haute tension économiques répondant aux besoins de leurs clients.

Créer un compte. Déjà inscrit ? Se connecter

Conférence virtuelle sur l’ingénierie des véhicules électriques : gratuite

N’oubliez pas notre prochaine conférence virtuelle du 14 au 17 septembre 2026.

Inscrivez-vous aux sessions de webinaires gratuits ci-dessous pour réserver votre place et les regarder en direct ou à la demande.

CHARGER DAVANTAGE DE SESSES