Bien que les véhicules électriques existent depuis aussi longtemps que les véhicules à essence, leur popularité est bien plus récente. Grâce à des progrès technologiques majeurs et sous l’impulsion de politiques gouvernementales incitatives, la demande de véhicules électriques a grimpé en flèche. Des mesures telles que l’interdiction des véhicules à combustion interne au sein de l’UE d’ici 2035[endnoteRef:2] et l’obligation d’installer des bornes de recharge rapide tous les 60 kilomètres d’ici 2025[endnoteRef:3] ont d’ailleurs pour but d’accélérer cette transition. À présent qu’il est acté que les véhicules électriques deviendront majoritaires, l’autonomie des batteries et la vitesse de recharge sont des facteurs clés pour assurer la pérennité des échanges économiques mondiaux. Améliorer les systèmes de recharge avancés appelle à intégrer des innovations technologiques, en particulier dans le domaine de la gestion thermique.[i][ii]

L’approche de la conception de chargeurs pour véhicules électriques a évolué à mesure que la demande pour des chargeurs plus rapides augmentait. Si certains aspects ne nécessitaient que des ajustements mineurs, d’autres ont subi des changements plus importants. L’un de ces changements notables concerne les chargeurs CC. Toutes les batteries fonctionnent au courant continu, mais les différents systèmes de recharge se distinguent entre eux par l’emplacement du système de conversion de CA à CC. Les chargeurs CA traditionnels (les plus courants chez les particuliers) sont essentiellement des connecteurs qui acheminent, filtrent et contrôlent le courant alternatif vers le véhicule, lequel embarque un chargeur CC dont le rôle est de redresser l’alimentation et de charger les batteries. Les chargeurs CC, quant à eux, redressent le courant en externe afin de fournir directement du courant continu haute tension au véhicule. Le principal avantage des chargeurs CC est de supprimer de nombreuses contraintes liées au poids et à la taille des équipements, puisque la conversion n’a plus lieu dans le véhicule électrique, mais à l’extérieur de celui-ci.

Libérés de ces contraintes, les chargeurs CC peuvent intégrer des composants supplémentaires pour améliorer à la fois le débit de courant et la tension de fonctionnement. Ces chargeurs utilisent des dispositifs semi-conducteurs sophistiqués pour rectifier la puissance, mais ils comportent aussi des filtres et des résistances. Or, tous ces éléments dégagent beaucoup de chaleur. Outre les filtres et les résistances, la principale source de chaleur dans un système de charge de véhicule électrique est le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT), un dispositif semi-conducteur qui s’est fortement répandu au cours des dernières décennies. Bien que ce dispositif ait grandement contribué à faire évoluer les systèmes de recharge, le refroidir de manière efficace pose encore un problème majeur.

Les IGBT combinent les caractéristiques des transistors à effet de champ (FET) et des transistors à jonction bipolaire (BJT). Grâce à leur capacité à gérer des tensions élevées, leur faible résistance à l’état passant, des vitesses de commutation rapides et une robustesse thermique impressionnante, les IGBT conviennent parfaitement pour des applications à haute puissance comme les chargeurs de véhicules électriques. Dans ces circuits de charge, les IGBT sont utilisés comme des redresseurs ou des onduleurs et génèrent une chaleur importante du fait qu’ils s’allument et s’éteignent fréquemment.

Le défi consiste à augmenter considérablement la dissipation thermique des IGBT, laquelle a pourtant déjà décuplé en passant de 1,2 kW il y a une trentaine d’années à 12,5 kW aujourd’hui – et de nouvelles améliorations sont en perspective. La figure 1 illustre cette augmentation en termes de puissance par surface. En comparaison, les processeurs les plus puissants d’aujourd’hui n’atteignent qu’environ 0,18 kW, soit 7 kW/cm². La différence de capacité de dissipation thermique est flagrante.

Cette différence s’explique par deux facteurs qui favorisent grandement le refroidissement des IGBT : premièrement, leur surface est environ deux fois supérieure à celle d’un processeur ; deuxièmement, ils peuvent fonctionner à des températures plus élevées (jusqu’à 170 °C par rapport à 105 °C pour les processeurs modernes).

La solution de gestion thermique la plus simple et la plus fiable combine des dissipateurs thermiques avec de l’air pulsé (voir figure 2). Les résistances thermiques dans un dispositif semi-conducteur comme un IGBT sont généralement très faibles, mais la résistance thermique entre le dispositif et l’air ambiant est quant à elle nettement plus élevée. L’ajout d’un dissipateur thermique pour dispositifs à matrice de billes (BGA) augmente considérablement la surface disponible pour dissiper la chaleur, ce qui permet donc de réduire la résistance thermique. Le déplacement de l’air sur un dissipateur thermique en améliore encore l’efficacité. La réduction de la résistance thermique au niveau de l’interface appareil-air est d’autant plus importante qu’elle est aussi la plus grande du système. Un dissipateur thermique passif, s’il est correctement installé, est infaillible. L’ajout d’un ventilateur (une technologie mature et fiable) renforce encore l’efficacité de refroidissement. Le fabricant Same Sky a conçu une gamme de dissipateurs thermiques pour les applications de recharge de véhicules électriques pouvant atteindre les dimensions de 950 mm x 350 mm x 75 mm. Ils sont capables de satisfaire à des exigences faibles de manière passive, mais aussi à des exigences plus élevées de manière active grâce à l’air pulsé. Découvrez la gamme complète de  ventilateurs CA et de ventilateurs CC  de Same Sky.

Pour refroidir des sources de chaleur denses comme les IGBT, on peut également recourir à des options de refroidissement par liquide. Ce qui fait le charme des systèmes de refroidissement par eau est le fait qu’ils puissent atteindre les valeurs de résistance thermique les plus faibles. Malheureusement, ces systèmes sont plus complexes et aussi plus coûteux. De plus, ils nécessitent toujours la présence de dissipateurs thermiques et de ventilateurs pour évacuer la chaleur de l’ensemble du système. Par conséquent, le refroidissement direct des IGBT à l’aide de dissipateurs thermiques et de ventilateurs reste la solution privilégiée et, de fait, les recherches en cours pour améliorer la dissipation thermique des IGBT se concentrent surtout sur l’amélioration des technologies de refroidissement par air.

Les bornes de recharge pour véhicules électriques sont souvent installées à l’extérieur, ce qui les expose à des conditions environnementales changeantes. Pour maintenir des conditions thermiques optimales, il est donc essentiel de concevoir des boîtiers résistants aux intempéries (précipitations, températures extrêmes…) et dotés d’un système de ventilation adéquat. Les voies de circulation d’air et les évents doivent être soigneusement conçus pour empêcher l’infiltration d’eau tout en assurant une circulation d’air suffisante.

L’un des principaux facteurs externes à prendre en compte est le rayonnement solaire, qui peut considérablement augmenter la température ambiante dans le boîtier de la borne de recharge. Bien que cela constitue un problème important, la solution la plus efficace pour y remédier est relativement simple, puisqu’il suffit de prévoir un dispositif pour mettre le boîtier à l’ombre. Un flux d’air adéquat entre le dispositif et le boîtier permet de réduire considérablement la température ambiante autour du chargeur.

La part de marché des véhicules électriques est en forte croissance depuis plusieurs années, ce qui a naturellement renforcé la demande auprès des fournisseurs de diverses technologies. De même, l’installation de bornes de recharge le long des routes est amenée à s’intensifier aussi rapidement que les véhicules électriques se banalisent. Par conséquent, disposer de chargeurs efficaces et fonctionnels est une condition essentielle au développement d’une infrastructure de recharge robuste. Parallèlement, l’efficacité de coût est elle aussi un paramètre décisif dans l’adoption massive des véhicules électriques par les particuliers et les entreprises.

Toutes les technologies utilisées pour les véhicules électriques et leurs chargeurs sont amenées à évoluer et à être améliorées à mesure que ce marché se développe. Parmi ces améliorations figureront sans aucun doute des augmentations de la puissance et de la capacité de charge, des évolutions logicielles et matérielles ainsi que d’autres innovations dont il n’est pas encore question pour l’instant. Il est donc essentiel de s’assurer que les systèmes de gestion thermique soient en mesure de s’adapter à tous ces changements.

À l’instar de tous les appareils électroniques de grande puissance, les chargeurs de véhicules électriques sont soumis à des problèmes de gestion de la chaleur. Le défi s’avère toutefois plus compliqué à relever du fait de la densité de puissance élevée des IGBT utilisés dans les chargeurs pour véhicules électriques et de la demande croissante en termes de performances. À mesure que la vitesse de charge et la capacité des batteries progressent, le besoin de conceptions de chargeurs sûrs et efficaces se fait plus critique, ce qui impose des exigences encore plus fortes aux ingénieurs et concepteurs responsables de la gestion de la chaleur. Afin de répondre à ces besoins en constante évolution, Same Sky propose une gamme complète de  composants pour gestion thermique  ainsi que des services de conception thermique de pointe.

Jeff Smoot est l’auteur de l’article de blog Thermal Management for Next-Generation EV Charging reproduit ici avec son autorisation.