Les quatre modes de charge EV dans la norme IEC 61851

Dans cet article, nous examinerons les différents modes de charge des VE spécifiés par la Commission électrotechnique internationale (CEI).

Des normes internationales sont en cours d'élaboration pour répondre aux besoins du marché des véhicules électriques. L'adoption mondiale des VE dépend de normes internationales bien établies qui peuvent répondre aux problèmes de sécurité, de fiabilité et d'interopérabilité du marché des VE.

Dans cet article, nous examinerons les différents modes de charge des véhicules électriques spécifiés par la Commission électrotechnique internationale (CEI). Ces modes sont spécifiés dans la norme IEC 61851 qui traite des systèmes de charge conductrice des véhicules électriques. La norme décrit quatre modes de charge différents appelés modes 1, 2, 3 et 4.

L'IEC a développé d'autres normes qui traitent d'autres aspects des technologies de recharge des VE. Par exemple, la CEI 62196 traite des fiches, des prises de courant, des connecteurs de véhicule et des entrées de véhicule tandis que la CEI 61980 traite des systèmes de transfert de puissance sans fil (WPT) des véhicules électriques.

Différents types de connexions de câbles

La norme CEI 61851-1 décrit trois types de connexions différents, comme illustré dans la figure suivante :

Les trois principaux types de câbles de recharge pour VE. Image utilisée avec l'aimable autorisation de l'Université de Zagreb

Avec le cas A, le câble est connecté en permanence au VE mais il est détachable au niveau de la borne de recharge (également appelée EVSE - équipement d'alimentation des véhicules électriques) côté EVSE. Le cas B spécifie un câble détachable aux deux extrémités et le cas C est un câble connecté en permanence à l'EVSE.

Mode de charge EV 1

Avec ce mode, le VE est directement connecté à une prise domestique. Le courant maximum de ce mode est de 16 A et sa tension ne doit pas dépasser 250 V avec un réseau monophasé et 480 V dans le cas d'un réseau triphasé.

La structure de base d'un VE connecté à une prise domestique. Image utilisée avec l'aimable autorisation de l'Université de Zagreb

Le mode 1 est le mode de recharge le plus simple possible et ne prend en charge aucune communication entre le VE et la borne de recharge. Ce mode de charge est interdit ou restreint dans de nombreux pays.

Mode de charge EV 2

Les prises de courant domestiques ne fournissent pas toujours une alimentation électrique conforme aux normes en vigueur. En outre, les prises de courant et les fiches conçues pour les applications domestiques peuvent ne pas être en mesure de tolérer un appel de courant continu à la valeur nominale maximale.

C'est pourquoi connecter un VE à la prise de courant pendant une longue période sans aucune fonction de contrôle et de sécurité peut augmenter le risque de choc électrique. Pour résoudre ce problème, les spécialistes ont développé le mode de charge 2 qui utilise un type spécial de câble de charge équipé d'un dispositif de contrôle et de protection intégré au câble (IC-CPD).

L'IC-CPD exécute les fonctions de contrôle et de sécurité requises. Le courant maximum de ce mode est de 32 A et sa tension maximum ne doit pas dépasser 250 V monophasé ou 480 V triphasé. Le mode 2 peut être utilisé avec des prises domestiques et industrielles.

Les fonctions de sécurité de ce mode peuvent détecter et surveiller la connexion à la terre de protection. La protection contre les surintensités et les surchauffes sont deux autres fonctions de sécurité prises en charge par le mode 2. De plus, l'EVSE peut effectuer une commutation fonctionnelle car il détecte la connexion à l'EV et analyse sa demande de puissance de charge.

Le mode de charge 2 et le câble associé sont illustrés dans la figure suivante.

Mode de charge 2 et câble associé. Image (modifiée) utilisée avec l'aimable autorisation de l'Université de Zagreb et Ali Bahrami

Alors que le mode 2 peut être utilisé pour la recharge privée, son utilisation publique est soumise à des restrictions dans de nombreux pays.

Mode de charge EV 3

Ce mode utilise un EVSE dédié ainsi que le chargeur embarqué EV. Le courant alternatif de la station de charge est appliqué aux circuits embarqués pour charger la batterie. Plusieurs fonctions de contrôle et de protection sont utilisées pour garantir la sécurité publique. Il s'agit notamment de vérifier la connexion à la terre de protection et la connexion entre l'EVSE et l'EV.

De plus, ce mode peut ajuster le courant de charge à la capacité de courant maximale de l'ensemble de câbles. Le courant maximum de ce mode de charge est de 250 A avec un réseau 250 V monophasé ou 480 V triphasé. Il prend également en charge un mode de fonctionnement compatible avec le mode 2 où le courant maximum est limité à moins de 32 A pour les cas monophasés et triphasés.

N'importe laquelle des trois connexions possibles (cas A, cas B et cas C) peut être utilisée dans ce mode. Les cas B et C sont illustrés ci-dessous.

Cas B et Cas C en mode de charge 3. Image utilisée avec l'aimable autorisation de l'Université de Zagreb

Voyons comment ce mode définit les communications entre la borne de recharge et le VE. Le circuit pilote de commande du mode 3 est illustré dans la figure suivante.

Circuit pilote de contrôle du mode 3. Image (modifiée) utilisée avec l'aimable autorisation d'Energies.

Selon l'état des commutateurs S1, S2 et S3, différents niveaux de tension apparaîtront au « contact pilote ». Cela peut être utilisé comme une représentation des différentes étapes de charge. Le VE peut commencer un cycle de charge comme suit :

Avant de brancher le câble de charge, les interrupteurs S2 et S3 sont éteints et S1 est connecté à l'alimentation 12 V CC. Dans ce cas, la tension que l'EVSE mesure au contact pilote est de 12 V DC (l'EVSE se rend compte que l'EV n'est pas encore connecté).

Une fois que le câble de charge est connecté à la fois au VE et à l'EVSE, le contrôleur du côté EV peut activer S3 pour réduire la tension du contact pilote à environ 9 V. Cela informe l'EVSE que le câble est connecté à la fois au VE et l'EVSE. De plus, le signal DC 9 V au contact pilote indique à l'EV que l'EVSE n'est pas encore prêt.

Lorsque l'EVSE est prêt à charger l'EV, il connecte S1 à l'oscillateur. Le signal PWM au contact pilote indique à l'EV que l'EVSE est prêt.

Ensuite, le VE allume S2 pour créer une tension d'environ 6 V au niveau du contact pilote pour indiquer qu'il est également prêt. La tension créée à ce stade dépend de la valeur de la résistance R3. La valeur de cette résistance précise si une ventilation est requise dans cette zone de charge ou non. Avec R3=1,3 kΩ, la tension de contact pilote est d'environ 6 V. Cela correspond à des zones de charge où la ventilation n'est pas nécessaire. Pour les zones nécessitant une ventilation, R3=270 Ω est utilisé, ce qui donne une tension de contact pilote d'environ 3 V.

Lorsque le véhicule est chargé ou souhaite interrompre le cycle de charge pour une raison quelconque, il peut désactiver S2. Cela modifie le niveau de tension positif du PWM à 9 V et informe l'EVSE que l'EV n'est plus prêt à être chargé.

Mode de charge EV 4

C'est le seul mode de charge qui intègre un chargeur externe avec une sortie CC. Le courant continu est délivré directement à la batterie et le chargeur embarqué est contourné. Ce mode peut fournir 600 V CC avec un courant maximum de 400 A. Le niveau de puissance élevé impliqué dans ce mode impose un niveau de communication plus élevé et des fonctions de sécurité plus strictes.

Le mode 4 n'autorise qu'une connexion du boîtier C, où le câble de charge est connecté en permanence à la station de charge.

Mode quatre dans une connexion de classe C. Image utilisée avec l'aimable autorisation d'Ali Bahrami

Conclusion

La norme IEC 61851 traite des systèmes de charge conductrice des véhicules électriques. La norme décrit quatre modes de charge différents :les modes 1 à 4.

Les trois premiers modes fournissent du courant alternatif au chargeur embarqué EV ; cependant, le mode 4 fournit du courant continu directement à la batterie et contourne le chargeur embarqué. Le mode 3 utilise plusieurs fonctions de contrôle et de protection dans un but de sécurité publique. Nous avons examiné plus en détail le circuit pilote de contrôle de ce mode dans cet article.