Un des principaux freins de la charge rapide des véhicules électriques est le dangereux échauffement des composants. Une université américaine semble avoir résolu le cas spécifique des câbles attachés aux bornes ultrarapides. Ford s’est associé à ses recherches.
Effectuer une recharge de batterie à haute puissance génère de la chaleur. Elle peut être destructrice, notamment pour les cellules des batteries. D’où des incendies de véhicules électriques qui sont heureusement de plus en plus rares alors que les puissances de ravitaillement en énergie continuent à augmenter.
L’échauffement bloque également le développement du matériel de recharge. Plus le courant est élevé, plus la quantité de chaleur qui doit être évacuée au niveau du câble et du connecteur est importante.
Pour un plein des packs lithium-ion en 5 minutes, il faut que l’intensité à l’entrée de la batterie du véhicule électrique et celle à la sortie de l’alimentation et du câble qui le relie à la borne s’élèvent à 1 400, voire 2 000 ampères au minimum.
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Dans une vidéo mise en ligne ces derniers jours par l’université publique de génie mécanique Purdue, installée dans l’Indiana à West Lafayette, il est rappelé qu’aujourd’hui les superchargeurs les plus rapides de Tesla ne supportent pas une intensité supérieure à 520 A.
Il y a 2 ans, des documents avaient fuité, montrant que le constructeur américain recherchait lui-même des solutions avant la diffusion de son Semi. Il envisageait une immobilisation de l’ordre de 30 minutes pour que son tracteur routier puisse retrouver une autonomie de 800 kilomètres. Ce qui laissait envisager une puissance en sortie des mégachargeurs de l’ordre du mégawatt.
Tesla avait pour cela envisagé plusieurs variantes pour refroidir avec un liquide caloporteur le connecteur et le câble entre la borne et le véhicule.
Un refroidissement liquide simple n’est pas suffisant
Pour Issam Mudawar, professeur de génie mécanique à Purdue, un refroidissement liquide simple n’est pas suffisant. Son laboratoire est spécialisé dans la recherche de solutions pour les situations où les quantités de chaleur produites et à éliminer dépassent de loin les capacités des technologies exploitées aujourd’hui.
Depuis 37 ans, il aligne des solutions pour refroidir plus efficacement les appareils électroniques. Ses meilleurs résultats, exploités par exemple par la Nasa et l’aviation, il les obtient en tirant parti des facultés des fluides à capter et éliminer la chaleur lorsqu’ils sont à l’état de vapeur.
Selon lui, « un système de refroidissement liquide-vapeur permet d’éliminer au moins 10 fois plus de chaleur qu’un refroidissement liquide pur ». En appliquant ses travaux à un démonstrateur reproduisant une architecture de chargeur ultrarapide, il est parvenu à une intensité utile supérieure à 2 400 A.
Un fluide spécifique
Au cœur de la solution préconisée par Issam Mudawar, le fluide HFE-7100. Outre son usage comme solvant de nettoyage, il se montre très efficace comme vecteur de transfert thermique. Peu toxique et disposant d’un faible potentiel de réchauffement climatique, il se caractérise par un point d’ébullition élevé.
Ce fluide circulerait autour des câbles et au niveau des connecteurs pour éliminer les hautes chaleurs dégagées pour des recharges de très fortes puissances. Concrètement, l’expérience menée en laboratoire a porté sur un câble électrique d’un diamètre de 6,35 mm soumis à un très fort échauffement.
Autour de lui, une enveloppe soutenue par des anneaux concentriques augmentant la dimension à 23,62 mm. Le tuyau ainsi obtenu présente une surface externe adiabatique, c’est-à-dire imperméable à la chaleur. De cette façon, l’électromobiliste ne ressentira pas la haute température du fluide transformé en vapeur à la fin du ravitaillement en électricité.
Le système permet d’évacuer jusqu’à 24,22 kilowatts de chaleur, pour une intensité maximale de 2 438 A. Issam Mudawar assure pouvoir arriver à de meilleurs résultats encore.
Le plein d’une voiture électrique en cinq minutes
Que recherchent les acteurs de cette étude pratique ? Tout simplement à limiter le temps de recharge des batteries de fortes capacités énergétiques pour véhicules électriques à celui d’un plein en carburant. En ne comptant que sur un refroidissement liquide, les câbles deviendraient trop lourds et très difficiles à manipuler par les utilisateurs.
Issam Mudawar espère pouvoir tester en réel dans les 2 prochaines années ses travaux. Une seconde phase qui nécessite l’implication de partenaires industriels, comme des fabricants de bornes, des manufacturiers en câbles de recharge, mais aussi des constructeurs de véhicules électriques. Pour ces derniers, Ford est déjà présent, estimant avoir ainsi noué avec l’université américaine une alliance stratégique supplémentaire susceptible de soutenir son programme de commercialisation de véhicules électriques.
Source : Université de génie mécanique Purdue
Cette avancée conjointe de Ford et de l’université de génie mécanique Purdue est louable. Elle va dans le sens d’une amélioration du confort d’usage des véhicules électriques.
Elle fait partie de ces innovations qui gomment petit à petit la crainte de ne pas disposer d’une autonomie suffisante pour le quotidien ou pour les déplacements longs ponctuels.
Toutefois, un tel câble deviendra utile le jour où les batteries montées sur les véhicules électriques seront elles-mêmes capables d’encaisser des puissances de recharge beaucoup plus élevées. Et ce n’est pas pour tout de suite. Le palier atteint par le groupe Kia-Hyundai avec les EV6 et Ioniq 5 devrait se présenter comme un standard suffisant pour l’instant en ce qui concerne les voitures particulières et les utilitaires légers.
C’est davantage du côté des poids lourds que les besoins en recharge à très haute puissance sont stratégiques. En attendant, les solutions qui s’appuient sur l’hydrogène et le gaz naturel jouent sur le temps d’immobilisation pour s’imposer. Ce que Tesla a bien intégré à la veille de livrer les premiers exemplaires de son Semi.
Les cellules qui acceptent une charges en 5min sans dommage ne sont pas encore commercialisé. Aujourd’hui pour du 20-80% au mieux c’est 15 min donc la puissance de recharge est juste là pour charger plus de cellules en même temps. Du coup pour les camions, il faudrait 1 connecteur haute puissance et plusieurs connecteurs CCS 350 kw. Comme ça en fonction des endroit on branche plusieurs câbles ou 1 seul.
Je n’ai pas les compétences techniques pour apprécier ou pas la valeur de l’info. Par contre, si même AP parle de gaz naturel, ça va pas être facile de faire entrer dans les mœurs que c’est un hydrocarbure. Gaz fossile.
Moi j’ai une question simple. Comment amener 1 ou 2 MW sur une station de chargeur. Changer tous les câbles d’alimentation de celle-ci ?
Bien vu! Il y a quelques années j’ai bossé pour 3M et leur fluide dysphasique HFE-7100 « Novec » maison semblait très prometteur pour le refroidissement par immersion des systèmes électriques et électroniques.
Je pense que pour les poids lourds la division d’une batterie-multipack a charger en parallèle par des câbles différents permet de simplifier considérablement le problème
Je ne comprends pas cet acharnement a vouloir refroidir ce câble, en faisant cela on ne solutionne pas le problème qui est l’échauffement et donc des pertes de rendement. Il serait plus intéressant de solutionner ce problème de base en trouvant – par exemple – un alliage plus efficace pour ces câbles pour éviter l’échauffement ou d’autres solutions tout comme certains constructeurs qui sont passé sur une technologie 800V pour réduire l’ampérage. Ou encore un doublement des prises de recharge (certaine jaguar avait bien 2 réservoirs d’essence).
De plus – comme il est indiqué par certain – c’est bien gentil de réfléchir a ce câble et ses connecteurs mais il y aura toujours la problématique en amont et en aval, a ce que je sache y a pas de système de refroidissement liquide du câble entre la prise de la voiture et la batterie…
Ce ne serait pas tout bonnement un refroidissement diphasique ? Comme déjà testé par Renault Sport en F1 dans les années ’80 ?
Hormis pour les véhicules lourds, ça semble tout de même sacrément démesuré de se lancer dans des techniques aussi complexes pour « grapiller » quelques minutes.
OK pour limiter l’échauffement entre la borne et la prise de la voiture. Mais entre la prise de la voiture et la batterie?
Je pense que l’auteur n’a pas compris les phénomènes en jeu, car la vapeur évacue beaucoup moins les calories qu’un liquide; dans tous système de refroidissement, si l’eau devient vapeur; ça marche beaucoup moins bien.
Je pense qu’il est plutôt question d’enthalpie (énergie nécessaire pour passer de l’état liquide à l’état solide). Ce tuyau aurait donc plus de gaz que de liquide en fin de charge. La question devait être comment répartir les fluides équitablement sur toute la longueur.
La recharge de Hyundai/KIA et le groupe VW est un poil au dessus de la recharge Tesla au niveau visibilité utilisateur, mais ils ont découpé un pack de batteries de la taille de celui de Tesla en 2 demi-packs rechargés en parallèle. Et le résultat final est à peine meilleur. Ils ont encore clairement un gros retard.
Des générateurs de vapeur comme dans les centrales nucléaires. Mais où va-t-on? Je rejoins la proposition de Stephou de brancher 2 ou 4 câbles (sur un camion il y a de la place). C’est aussi efficace et sûrement moins cher tout en étant davantage compatible avec les VL. Moins sexy high-tech certes, mais quoi? On veut un truc simple qui marche demain pour pas cher ou une usine à gaz hors de prix dans 10 ans seulement?
C’est très intelligent, les hydrofluoroéthers ont aussi des capacités anti inflammatoire et anesthésiantes (utiles si l’on casse le cable)
Faire circuler le fluide à l’état gazeux ou liquide à l’intérieur du conducteur rappelle des solutions utilisées dans les centrales électriques de très fortes puissance, les fours à arc et ainsi de suite.
Reste à fiabiliser, peut être en transformant le concept de cable, fragile à la torsion, en perche télescopique (genre aviation) pour les camions.
Je suis en désaccord avec cette conclusion de l’auteur.
Non, même le temps d’immobilisation piur le ravitaillement, ne suffira pas à l’H2 et au Méthane pour s’imposer, malgré les discours récurrents de leurs promoteurs ( ou ex promoteurs…).
Le méthane reste sur de la combustion, avec le CO2 qui va avec, et le rendement d’un moteur thermique…et les efforts désespérés d’Iveco ne changent rien quant à l’évolution du marché du poids lourds , de l’absence de réseau , et uniquement de parc captifs pour de la circulation locale ( souvent subventionnée); le marché ne décolle pas !
Pour l’H2, rien que le rendement de la production » propre » d’H2, avant même une offre réelle de véhicules, ajouté à un coût d’infrastructures énorme, calme les ardeurs …
D’ailleurs à l’exception de Hundai et de Toyota,, les uns après les autres, les constructeurs de poids lourd arrêtent leurs projets H2, malgré la supériorité supposée due au temps de recharge !
Par contre les livraisons de e-vul ( Amazone, Pepsi etc…) et de e-pl vont commencer, et l’installation de stations de recharges dédiées est programmée aux US…
Je rappelle que la réglementation PL oblige à des temps de repos, qui sont largement suffisants piur permettre les recharges.
euh révolutionner ?
sachant que la chaleur est issue du diamètre du câble, je ne vois pas en quoi c’est révolutionnaire de mettre un caloporteur, c’est un simple choix technique puis économique.
pour être pus précis ce n’est pas le diamètre du câble mais la section du câble, plus la section est grande plus la capacité de transport d’électrcité est grande, par analogie, a un péage, plus il y a de voitures (électricité) plus les conducteurs s’impatient et les esprtis s’échauffent (le câble)
je vais peut-être dire une grosse bêtise, mais (pour les semis) ne pourrait-on pas envisager 4 packs de batteries gérés séparément ?
cela permettrait d’utiliser 4 câbles de 520A pour faire le plein, soit l’équivalent de 2080A en simultané, non ?