Voitures électriques : de quoi est faite une architecture 800 V et à quoi sert-elle ?

Les architectures dites 800 V figurent parmi les meilleures du segment. Mais, entre les abus de langage et les différences dans le monde réel, toutes ne se ressemblent pas.

Initialement réservée aux voitures électriques les plus exclusives, l’architecture dite 800 V se généralise. Si elle n’est pas encore diffusée à grande échelle, la technologie se retrouve à bord de plus en plus de voitures premium. Audi offre désormais la très haute tension à son A6 e-Tron et Mercedes, un temps réfractaire à cette architecture électrique, la rend disponible avec la CLA Electrique. Du côté des constructeurs chinois, BYD ou XPeng, entre autres, en font un argument fort. Même Smart, un constructeur initialement pragmatique, a fait le choix de la haute technologie pour le SUV #5. Mais, comme de coutume avec les voitures électriques, il apparaît très important de lire entre les lignes. D’une part, nombreux sont les constructeurs à généraliser la tension pour embellir leurs brochures. D’autre part, les recharges très rapides que promettent ces architectures ne sont que la partie visible de l’iceberg. On fait le point dans ce dossier avec nos mesures !

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Qu’est-ce qu’une architecture 800 V ?

Selon les règles fondamentales en matière d’électricité, la puissance (P, en kW) est le produit de la tension (U, en volt) et de l’intensité (I, en ampère), soit P=U x I. Cela emmène donc à la loi d’Ohm, élémentaire pour les circuits électriques, selon laquelle la tension est alors le produit de la résistance électrique et de l’intensité, soit U=R x I. Enfin, l’on sait que l’effet Joule engendré par un courant, et donc l’échauffement des composants électriques, est proportionnel au carré du courant, soit P=R x I². En d’autres termes, l’augmentation de la tension permet de réduire d’autant l’intensité, responsable de l’échauffement des composants par effet Joule. Dès lors, il est, par exemple, possible de réduire la section des câbles, ou de faire passer beaucoup plus de puissance avec des équipements équivalents.

Une batterie de voiture électrique est composée de plusieurs cellules. Toujours selon les règles en matière de circuit électrique, la tension totale du système dépend du nombre de cellules connectées en série, tandis que la capacité en ampère-heure (Ah) dépend des connexions en parallèle. Une architecture dite 800 V repose simplement sur une mise en série plus longue de cellules. Cependant, rappelons qu’il ne s’agit ici que du raccordement, et que chaque cellule dispose toujours d’une même tension nominale (de 3,6 à 3,7 V en moyenne pour une NMC), et qu’elle se rechargera toujours à sa tension, que la batterie soit en 400 ou en 800 V. L’architecture très haute tension (les constructeur préfèrent vulgariser à 800 V, ça fait plus joli sur la pub) n’a donc rien de magique.

Cependant, l’augmentation de la tension de l’architecture est surtout bénéfique au reste du système, et notamment en matière de régulation thermique. C’est d’ailleurs là que l’architecture très haute tension se distingue davantage des autres. Car d’aucune manière la seule augmentation de la tension totale permet de recharger plus vite les cellules. En revanche, avec un courant inférieur, il est possible de viser des puissances plus importantes et plus longtemps. Voilà qu’entre en scène le facteur de charge (C), qui se vulgarise par la puissance de recharge DC en pic rapportée à la capacité de la batterie, et sur lequel les constructeurs pourront alors s’autoriser quelques libertés pour pouvoir recharger plus vite. On y reviendra, mais précisons d’emblée que ce facteur est toujours basé sur un pic, qui ne donc pas une vision complète des performances d’une batterie. Bref, pour résumer, ce n’est pas tant la haute tension dite 800 V que les périphériques qui lui sont associés qui permettent de recharger plus rapidement.

Mais une architecture 800V ne se résume pas à un lot de cellules branchées en série et des sections de câble moins importantes à puissance équivalente. Car, pour en tirer tous les bénéfices, encore faut-il disposer d’une électronique de puissance de pointe et des convertisseurs adaptés. Dans le lot, on retrouve notamment des onduleurs dotés de transistor à effet de champ au carbure de silicium (MOSFET SiC). Par rapport à un onduleur à transistors bipolaires à grille isolée au silicium (IGBT Si), la technologie apporte de nombreux avantages en matière de conductivité thermique et de résistance. Aussi, la fréquence de commutation élevée est plus adaptée aux architectures très haute tension. Les pertes de puissance entre la batterie et les machines électriques sont moins élevées qu’avec d’autres systèmes, ce qui permet aussi d’offrir une meilleure efficience. La présence d’onduleurs MOSFET SiC au sein d’une architecture 800 V n’a donc rien d’une prouesse, mais est une quasi nécessité.

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Notons toutefois que des voitures dites 400 V peuvent en être équipé. Tesla, qui continue de faire confiance à une architecture 400 V, a été l’un des premiers à en faire le choix. Récemment, c’est le groupe BMW/Mini qui a retenu cet équipement pour améliorer l’efficience de la BMW i5 ou du Mini Aceman SE, afin que ce dernier n’ait pas à rougir face à la Cooper SE. De manière générale, un MOSFET SiC permettrait un gain en consommation moyen de 6 à 10 % en fonction du véhicule sur lequel il est appliqué. Pourquoi toutes les voitures n’en sont pas équipées ? Les pièces sont chères ! Comme tous les autres équipements installés sur le circuit très haute tension de la batterie (machines électriques, pompe à chaleur, convertisseurs DC/DC …), qui doivent être beaucoup plus solides, sûrs et fiables pour supporter une telle tension. Voilà pourquoi le Mini Aceman S a préféré augmenter le nombre de cellule plutôt que de recourir à cette solution. Autrement dit, Mini nous apprend qu’il est moins cher d’augmenter la capacité d’une batterie de 2 kWh (au moins), que d’installer un onduleur SiC.

Quels sont les avantages de l’architecture 800 V ?

Indirectement, donc, la plateforme très haute tension est plus efficace qu’un équivalent 400 V grâce à ses équipements de pointe. Les voitures dotées de ces dispositifs ne sont pas forcément efficientes dans l’absolu, mais elles le sont plus que si elles n’en étaient pas équipées, grâce à une meilleure maîtrise des déperditions thermiques. D’ailleurs, ce sont ces voitures haute tension qui s’en sortent le mieux en matière de pertes de puissance entre la batterie et les machines électriques. Cette architecture est donc particulièrement adaptée aux voitures les plus puissantes. Enfin, et l’on n’apprend rien, l’avantage reconnu concerne les performances de recharge rapide en courant continu. Cependant, comme nous l’avons plus haut, ce n’est pas l’augmentation de la tension seule qui emmène à ces performances, mais tout l’ensemble du système, qui laisse alors un peu plus de liberté pour atteindre des facteurs de charge plus élevés. On pourrait même penser que l’architecture très haute tension a davantage d’effets positifs en phase de roulage que pour faire gagner du temps au conducteur. La batterie de la Koenigsegg Regera en est une très bonne preuve. Cet accumulateur de seulement 4,5 kWh fonctionne sous haute tension (806 V max.) pour offrir des puissances de décharge et de récupération de haut niveau. Le ravitaillement de la batterie, lui, n’est confié qu’à un système de recharge lente AC avec la prise Type 2.

Quels bénéfices à la recharge rapide ?

Il n’en demeure pas moins que toutes les voitures haute tension ont un point commun : toutes celles étudiées en Supertest ont une puissance de recharge en pic supérieure à 200 kW. Sur les 12 modèles dits 800 V, sept voitures revendiquent plus de 270 kW. En moyenne, ces voitures affichent donc un facteur de charge de 3,0 C en pic. À l’exception des Tesla (Model S, Model 3, …), aucune autre 400 V ne présente de valeurs en crête aussi élevées. Seules les BMW figurent parmi les meilleures avec une puissance maximale de 200 kW en moyenne (2,1 C en moyenne).

Toutefois, il convient de ne pas tenir compte du seul pic de puissance et de considérer l’endurance de la recharge. Dans ce cas, c’est la puissance moyenne à la borne sur le 10-80 % qui nous intéresse, qui correspond à la quantité d’énergie délivrée par la borne en fonction du temps de recharge. C’est le seul vrai indicateur des performances de recharge rapide, puisque cela ne prend pas seulement en compte une puissance fugace, mais donne un aperçu sur l’endurance du système et les choix techniques retenus. Ici encore, l’écrasante majorité des architectures haute tension sont en haut du classement, avec des puissances moyennes comprises entre 176 kW et 292 kW ! Cependant, si la règle générale s’observe, la Lucid Air Grand Touring prouve le contraire : pourtant dotée d’organes électriques de pointe et, surtout, la seule vraie 800 V, la berline n’affiche « que » 145 kW de puissance moyenne sur la fourchette d’observation. Mais si c’est la dernière dans la catégorie des très hautes tensions, elle reste devant la majorité des 400 V. A l’exception des Mercedes G580 EQ (153 kW) ou Tesla Model S Grande Autonomie (155 kW), les meilleures d’entre elles ne dépassent pas les 140 kW.

Peuvent-elles se recharger sur une borne moins puissante ?

Il est parfaitement possible de recharger une voiture haute tension sur une borne de recharge moins puissante. Mais attention : ce n’est pas la puissance maximale de l’infrastructure qui importe, mais bien la tension sur laquelle elle repose elle aussi. Et cette information ne peut être trouvée que sur la plaque signalétique de la borne. Autrement dit, pour savoir si la borne est compatible, il faudra s’accroupir. Voici un exemple : même si elle n’affiche que 175 kW, une borne ABB gérée par Total est parfaitement compatible, dans la limite de la puissance indiquée. Dans ce cas, le plein d’une Audi e-Tron GT réclame 23 minutes (contre 18 minutes en temps normal), et une Porsche Taycan a ici besoin de 25 minutes (contre 17 minutes). Voici un exemple des courbes de recharge récupérées avec cette dernière.

En revanche, si la tension de la borne n’est pas suffisamment élevée pour alimenter correctement le système haute tension de la voiture, la recharge devra s’effectuer par d’autres moyens techniques. Dans la grande majorité des cas, c’est un convertisseur DC/DC qui est utilisé. En fonction de ses caractéristiques techniques, les puissances de sortie peuvent varier. Dans d’autres cas, comme avec la plateforme e-GMP Hyundai/Kia, c’est l’électronique de puissance qui s’occupe de la conversion. Enfin, d’autres fabricants, comme General Motors pour la plateforme Ultium ou Audi/Porsche pour la PPE, ont décidé d’aller plus loin : en fonction de l’infrastructure, le pack 800 V adopte électroniquement un raccordement en parallèle et peut alors être scindé en deux packs de 400 V. Selon les constructeurs respectifs, cela permet de se passer de convertisseur DC/DC. À ce titre, la Mercedes CLA est la seule à avoir fait le choix de s’en passer. Autrement dit, la recharge ne se lancera pas sur ces bornes 400 V, aussi rares soient-elles.

Dans la grande majorité des cas, le processus de conversion et la limite d’intensité pour ne pas endommager les périphériques électriques brident la puissance de recharge. Dès lors, le 10-80 % est considérablement allongé. Ces infrastructures sont donc à éviter du mieux que possible. Problème : non seulement la puissance promise par la borne n’est pas un indicateur fiable comme vu plus haut (même si elles ne peuvent pas dépasser les 200 kW en raison de la limite à 500 A du CCS), mais l’étiquette peut aussi être trompeuse. C’est le cas avec les Superchargers Tesla V4, donnés pour un maximum de 1 000 V/615 A, mais ne délivrant pas plus de 400 V à cause des armoires d’alimentation.

Bref, une voiture basée sur une architecture haute tension peut se recharger facilement sur des bornes de puissance inférieure, à condition de s’assurer que la tension maximale soit compatible. Mais, pour se rassurer, rappelons que les bornes 400 V sont en voie de disparition. Dans tous les cas, les Superchargers Tesla ne sont à réserver qu’en cas de dernier recours avec ces voitures si vous ne voulez pas perdre du temps.

L’architecture très haute tension, le meilleur des mondes ?

Selon David Labrosse, le chef de la planification produit au centre technique européen de Hyundai/Kia, c’est avant tout une question de volonté si certains constructeurs n’adoptent pas les très hautes tensions. Cependant, de nombreux facteurs peuvent guider les fabricants dans leurs choix. Si le groupe coréen est l’exception, les architectures haute tension sont toujours associées à des voitures premium et de luxe, où les marges laissent plus de souplesse dans les onéreux choix techniques. Aussi, les savoir-faire ou les axes des cahiers des charges peuvent dicter les choix techniques. Une telle architecture nécessite une maîtrise technique afin de renforcer la sécurité ainsi que la fiabilité, bien plus sensible avec des cellules davantage branchées en série.

En offrant une meilleure maîtrise thermique des composants et en nécessitant l’installation de pièces dernier cri, l’augmentation de la tension d’une batterie permet, en effet, d’aller chercher des puissances de recharge record pour faire des ravitaillements une formalité. Cependant, la Lucid Air est l’exception à la règle, avec finalement des performances moins mirobolantes que les autres véhicules étudiés, qui figurent de leur côté tout en haut de la pyramide. Aussi, la solution permet sur le papier d’équiper la voiture de câbles moins épais, et donc avec une réduction du poids et du coût. Mais c’est une théorie, car ces très hautes tensions nécessitent l’installation d’autres équipements spécifiques, et sont associées à des batteries gigantesques. Les gains sont donc discutables.

La recharge rapide est l’un des bénéfices principaux des architectures haute tension. Les chiffres le prouvent : les architectures étudiées par nos soins affichent une puissance moyenne à la borne de 200 kW sur le 10-80 %. Les meilleurs 400 V gravitent plutôt autour de 130 kW. L’écart est important. Et si l’on regarde du côté des exceptions, la moins performante des 800 V en matière de recharge rapide, la Lucid Air Grand Touring, fait presque aussi bien que la meilleure des 400 V, la Tesla Model S Grande Autonomie. Bref, l’avantage en matière de recharge rapide est indiscutable. Reste que si le système haute tension permet des libertés techniques, de telles puissances pourraient nuire à la durée de vie des cellules !

Enfin, il semblerait que ce ne soit que la partie visible de l’iceberg, et qu’une telle architecture soit plutôt bénéfique à la voiture, afin qu’elle puisse atteindre des niveaux de puissance et une endurance difficilement atteignables sur une architecture basique. L’augmentation de la tension permet d’atteindre un meilleur niveau de puissance avec le même pic d’intensité, tout en maîtrisant les contraintes thermiques. Mais cela n’empêche pas les fabricants d’en faire un argument fort pour attirer les clients, quitte a régulièrement exagérer sur la notion.