L’adoption rapide des véhicules électriques (VE) à l’échelle mondiale transforme les industries du transport et de l’énergie. Les gouvernements, les services publics et les constructeurs automobiles investissent massivement dans les infrastructures de recharge et les systèmes énergétiques intelligents pour accompagner la transition vers une mobilité électrifiée. Cependant, le développement des chargeurs pour VE et des technologies avancées comme le Vehicle-to-Grid (V2G) introduit d’importants défis techniques. Les ingénieurs doivent s’assurer que les équipements de charge fonctionnent de manière fiable, sûre et efficace dans une large gamme de conditions réseau.

C’est là qu’un simulateur de réseau AC joue un rôle critique. Ces instruments de laboratoire avancés reproduisent les conditions réelles du réseau électrique, permettant aux ingénieurs de tester les chargeurs VE, les chargeurs embarqués (OBC) et les systèmes de charge bidirectionnelle sans les connecter directement à un réseau électrique sous tension. En fournissant un contrôle précis de la tension, de la fréquence, des harmoniques et du flux de puissance, les simulateurs de réseau AC permettent de valider les performances des chargeurs, d’assurer la conformité aux normes réseau et d’accélérer le développement des produits.

Dans cet article, nous allons explorer le fonctionnement des simulateurs de réseau AC et expliquer pourquoi ils sont essentiels pour tester de manière fiable les chargeurs VE et le V2G.

Comprendre la recharge des VE et la technologie V2G

Principes fondamentaux de la recharge des VE

Les véhicules électriques s’appuient sur des chargeurs pour convertir l’énergie électrique du réseau en une forme adaptée à la recharge de la batterie du véhicule. La plupart des systèmes de charge pour VE impliquent la conversion du courant alternatif du réseau en courant continu pour le stockage dans la batterie. Les systèmes de charge se répartissent généralement en trois grandes catégories :

• Niveau 1 : charge résidentielle à faible puissance utilisant des prises standard

• Niveau 2 : charge AC plus puissante couramment utilisée à domicile et dans les stations de recharge commerciales

• Niveau 3 (charge rapide DC) : charge à forte puissance utilisée dans les infrastructures publiques

Le chargeur peut être situé à l’intérieur du véhicule (chargeur embarqué) ou sur la station de recharge. Quelle que soit la configuration, les chargeurs VE doivent fonctionner de manière fiable dans des conditions réseau variées à travers le monde.

Qu’est-ce que le Vehicle-to-Grid (V2G) ?

La technologie Vehicle-to-Grid (V2G) représente une avancée majeure dans l’intégration énergétique des VE. Au lieu de simplement prélever de l’énergie sur le réseau, les systèmes V2G permettent aux véhicules électriques de réinjecter de l’électricité vers le réseau lorsque cela est nécessaire. Cet échange bidirectionnel d’énergie peut soutenir la stabilité du réseau, intégrer des sources d’énergie renouvelables et apporter une valeur ajoutée aux propriétaires de VE.

Par exemple, lors d’un pic de demande électrique, une flotte de VE connectés au réseau pourrait décharger l’énergie stockée pour aider à stabiliser le système électrique. Lorsque la demande diminue, les véhicules peuvent se recharger à nouveau.

Pour permettre cela, les chargeurs VE doivent prendre en charge un flux de puissance bidirectionnel, autorisant l’électricité à circuler vers la batterie du véhicule et en provenance de celle-ci.

Pourquoi les tests des chargeurs VE sont essentiels

Les chargeurs VE sont des systèmes d’électronique de puissance complexes qui doivent répondre à des exigences strictes en matière de sécurité et de performances. Avant leur déploiement, ils doivent subir une validation approfondie afin de garantir un fonctionnement correct dans toutes les conditions attendues.

Plusieurs facteurs rendent les tests des chargeurs particulièrement difficiles :

1. Variations du réseau à l’échelle mondiale

Les réseaux électriques diffèrent selon les pays et les régions en termes de :

• Niveaux de tension

• Normes de fréquence (50 Hz contre 60 Hz)

• Configurations de phases

• Perturbations du réseau

Les chargeurs doivent fonctionner de manière fiable dans toutes ces conditions.

2. Perturbations du réseau

Les réseaux électriques réels connaissent des variations telles que :

• Creux et surtensions de tension

• Écarts de fréquence

• Distorsion harmonique

• Déséquilibre de phase

Les équipements de charge doivent tolérer ces perturbations sans défaillance.

3. Conformité aux normes du réseau

Les chargeurs VE doivent se conformer à des normes internationales du réseau, telles que :

• IEEE 1547

• UL 1741

• Codes réseau VDE

Ces normes garantissent une interaction sûre entre les systèmes d’énergie distribuée et le réseau électrique.

4. Exigences de fonctionnement bidirectionnel

La technologie V2G introduit une complexité supplémentaire, car les chargeurs doivent prendre en charge en toute sécurité les modes consommation et génération d’énergie.

Sans outils de test adaptés, vérifier ces scénarios à l’aide d’un réseau réel serait extrêmement difficile et potentiellement dangereux.

Qu’est-ce qu’un simulateur de réseau AC ?

Un simulateur de réseau AC est une source de puissance programmable conçue pour reproduire le comportement d’un réseau électrique réel dans un environnement de laboratoire. Ces systèmes permettent aux ingénieurs de contrôler précisément les paramètres électriques et de créer des conditions de test reproductibles.

Les capacités typiques des simulateurs de réseau AC modernes comprennent :

• Tension et fréquence programmables

• Fonctionnement monophasé ou triphasé

• Injection d’harmoniques

• Simulation de perturbations du réseau

• Flux d’énergie bidirectionnel

• Capacité d’énergie régénérative

Les simulateurs de réseau peuvent reproduire une large gamme de conditions réseau, permettant une validation complète des équipements raccordés au réseau.

Dans les environnements de test des chargeurs VE, les simulateurs de réseau sont souvent associés à des simulateurs de batterie qui émulent le comportement des packs batteries de VE. Cette combinaison permet aux ingénieurs de simuler les deux côtés du système de charge.

Comment les simulateurs de réseau AC permettent les tests des chargeurs VE

1. Reproduction des conditions réelles du réseau

L’une des fonctions les plus importantes d’un simulateur de réseau AC est sa capacité à reproduire les conditions réelles du réseau.

Les simulateurs de réseau peuvent émuler :

• Les fluctuations de tension

• Les variations de fréquence

• La distorsion harmonique

• Les défauts réseau

En simulant ces conditions, les ingénieurs peuvent évaluer la réaction des chargeurs VE aux perturbations et garantir un fonctionnement fiable dans des scénarios réels.

Par exemple, un simulateur de réseau peut reproduire un creux de tension afin de vérifier si un chargeur continue de fonctionner en toute sécurité ou s’arrête de manière appropriée.

2. Tests de plusieurs normes de charge

Différentes régions et infrastructures de recharge exigent que les chargeurs prennent en charge diverses normes et conditions réseau.

Un simulateur de réseau permet des tests sur plusieurs configurations :

• Systèmes monophasés et triphasés

• Différentes plages de tension

• Différentes fréquences

Cette flexibilité permet aux fabricants de concevoir des chargeurs compatibles avec les réseaux électriques du monde entier.

3. Validation du rendement et des performances des chargeurs

Les simulateurs de réseau permettent une analyse détaillée des performances des chargeurs VE.

Les ingénieurs peuvent mesurer des paramètres clés tels que :

• Le rendement de conversion de puissance

• Le facteur de puissance

• Les émissions harmoniques

• La réponse dynamique

En ajustant les conditions de test, les ingénieurs peuvent observer comment les chargeurs se comportent sous différentes charges et différents états de fonctionnement.

Ces informations sont essentielles pour optimiser le rendement des chargeurs et garantir la conformité aux réglementations énergétiques.

4. Mise en place d’environnements de test automatisés

Les simulateurs de réseau modernes peuvent être intégrés à des plateformes de test automatisées via des interfaces telles que CAN ou des API logicielles. Cela permet aux ingénieurs d’exécuter automatiquement des séquences de test complexes.

Les tests automatisés aident les fabricants à :

• Accélérer le développement des produits

• Améliorer la répétabilité des tests

• Réduire les erreurs humaines

La simulation de réseau automatisée est particulièrement utile pour valider plusieurs conceptions de chargeurs ou réaliser des tests de fiabilité de longue durée.

Le rôle des simulateurs de réseau AC dans les tests V2G

La technologie V2G exige que les chargeurs fonctionnent à la fois en mode source et en mode puits, ce qui signifie qu’ils doivent à la fois consommer et fournir de la puissance.

Tester cette capacité est impossible avec des alimentations traditionnelles seules. Les simulateurs de réseau AC permettent les tests V2G grâce à la prise en charge du flux d’énergie bidirectionnel.

1. Simulation du flux de puissance bidirectionnel

Les simulateurs de réseau bidirectionnels permettent aux ingénieurs de tester des scénarios dans lesquels l’énergie circule de la batterie du VE vers le réseau.

Cette capacité est essentielle pour valider le fonctionnement V2G, car les chargeurs doivent :

• Convertir l’énergie DC de la batterie en puissance AC réseau

• Se synchroniser avec la fréquence et la tension du réseau

• Maintenir la qualité de l’énergie

Les simulateurs de réseau capables de fonctionner en quatre quadrants peuvent agir à la fois comme source de puissance et comme charge électronique, ce qui les rend idéaux pour les tests bidirectionnels.

2. Tests des algorithmes de commande interactifs avec le réseau

Les systèmes V2G interagissent dynamiquement avec le réseau. Les chargeurs peuvent répondre à des signaux tels que :

• Des commandes de régulation de fréquence

• Des demandes de réponse à la demande

• Des exigences de stabilisation de la tension

Les simulateurs permettent aux ingénieurs de reproduire ces événements réseau dans un environnement contrôlé et de vérifier la réponse du chargeur.

Tester ces scénarios garantit que les chargeurs V2G fonctionnent correctement lorsqu’ils participent à des services de réseau intelligent.

3. Évaluation de l’impact sur le réseau et de sa stabilité

L’adoption à grande échelle des VE pourrait avoir un impact significatif sur les réseaux électriques. Les ingénieurs doivent s’assurer que la charge bidirectionnelle ne déstabilise pas l’infrastructure réseau.

Les simulateurs de réseau aident les chercheurs à étudier :

• Les profils de charge des flottes de VE

• L’équilibrage de la charge du réseau

• Le comportement de régulation de fréquence

La simulation de ces scénarios permet aux services publics et aux fabricants d’optimiser les stratégies V2G avant le déploiement.

4. Vérification de la protection anti-îlotage

La protection anti-îlotage est une fonction de sécurité essentielle dans les systèmes raccordés au réseau.

Si le réseau tombe en panne, un chargeur doit cesser d’injecter de la puissance vers le réseau afin d’éviter tout danger pour le personnel des services publics et les équipements.

Les simulateurs de réseau permettent aux ingénieurs de créer intentionnellement des scénarios de défaut réseau et de confirmer que le chargeur réagit correctement.

Intégration des simulateurs de réseau avec des simulateurs de batterie

Pour tester complètement les systèmes de charge VE, les ingénieurs combinent souvent des simulateurs de réseau AC avec des simulateurs de batterie.

Cette configuration recrée l’ensemble de l’environnement de charge :

• Le simulateur de réseau émule le réseau électrique.

• Le simulateur de batterie émule le pack batterie du VE.

Ensemble, ces systèmes permettent aux ingénieurs de reproduire un comportement de charge et de décharge réel sans nécessiter de véhicule ou de batterie réels.

Les simulateurs de batterie peuvent également émuler des caractéristiques de batterie complexes, telles que :

• Les variations de résistance interne

• Le comportement de l’état de charge

• Les effets de la température

Cette approche permet une validation complète des systèmes de charge et des fonctionnalités V2G.

Avantages de l’utilisation des simulateurs de réseau AC pour les essais VE

Les simulateurs de réseau AC offrent plusieurs avantages pour le développement des chargeurs VE.

Sécurité améliorée

Tester des équipements de charge à forte puissance directement sur le réseau public peut être dangereux. Les simulateurs de réseau offrent un environnement sûr dans lequel les ingénieurs peuvent évaluer des scénarios extrêmes sans mettre en risque l’infrastructure réelle.

Réduction de la consommation d’énergie

De nombreux simulateurs de réseau intègrent une technologie régénérative qui renvoie l’énergie non utilisée vers le système électrique de l’installation. Cela réduit le gaspillage d’énergie et diminue les coûts d’exploitation.

Cycles de développement plus rapides

Les simulateurs permettent de tester rapidement de nombreux scénarios sans attendre que les conditions réelles se produisent.

Les ingénieurs peuvent simuler rapidement des centaines de configurations réseau en peu de temps, accélérant ainsi le développement des produits.

Tests reproductibles

Les réseaux électriques réels fluctuent en permanence, ce qui rend les tests cohérents difficiles. Les simulateurs de réseau permettent aux ingénieurs de reproduire des conditions identiques de manière répétée pour des comparaisons précises.

Tendances futures de la recharge VE et de la simulation réseau

À mesure que l’adoption des VE continue de croître, le rôle des simulateurs de réseau AC deviendra encore plus important.

Plusieurs tendances émergentes façonnent l’avenir des tests de chargeurs VE :

Développement de la charge bidirectionnelle

De plus en plus de constructeurs automobiles proposent des VE capables de charge bidirectionnelle. Cela augmentera la demande de systèmes avancés de simulation réseau capables de tester des scénarios V2G complexes.

Intégration au réseau intelligent

Les infrastructures de charge futures seront profondément intégrées aux réseaux intelligents et aux systèmes d’énergie renouvelable.

Les tests de ces interactions nécessiteront des plateformes de simulation réseau plus sophistiquées, capables de communiquer en temps réel avec les systèmes de gestion du réseau.

Tests Power Hardware-in-the-Loop (PHIL)

Les simulateurs de réseau avancés prennent désormais en charge les tests Power Hardware-in-the-Loop, qui permettent au matériel réel d’interagir en temps réel avec des réseaux électriques simulés.

Cette technique permet de tester avec une très grande précision des dispositifs raccordés au réseau tels que les chargeurs VE, les systèmes de stockage d’énergie et les onduleurs pour énergies renouvelables.

Conclusion

L’infrastructure de recharge des véhicules électriques devient un élément essentiel des systèmes énergétiques modernes. À mesure que des technologies comme la charge rapide et le Vehicle-to-Grid continuent d’évoluer, il devient de plus en plus important de garantir la fiabilité et la sécurité des chargeurs VE.

Les simulateurs de réseau AC offrent un environnement de test contrôlé pour valider les performances des chargeurs dans des conditions réseau réalistes. En simulant avec précision les fluctuations de tension, les variations de fréquence et les flux de puissance bidirectionnels, ces systèmes permettent aux ingénieurs d’évaluer en profondeur les chargeurs VE et les technologies V2G avant leur déploiement.

Des tests de conformité à l’intégration au réseau intelligent, les simulateurs de réseau AC sont des outils essentiels pour accélérer l’innovation dans l’industrie de la mobilité électrique. À mesure que l’adoption des VE progresse et que les systèmes énergétiques deviennent plus interconnectés, ces plateformes de test joueront un rôle vital pour garantir le fonctionnement fiable de la prochaine génération d’infrastructures de charge.

Mesure simultanée du courant et de la tension sur un potentiel électrique.

Accessoires

• KLARI-CHARGE 2
• Faisceau de câbles LV
• Câble d’extension PROBE

Résolution de la mesure de courant

D’autres versions avec d’autres valeurs de résistance sont disponibles sur la page produit des LV Power Sensors.

Résolution de la mesure de tension

Configuration

• MULTI-4, MULTI-8
• HP-PROBE
• LP-PROBE

Réalisation de la mesure

Le monde automobile évolue. Non seulement avec l’électrification du moteur thermique vers des chaînes de traction hybrides ou entièrement électrifiées dans les BEV ou FCEV. Les fonctions de sécurité, de tenue de route et de confort deviennent de plus en plus nombreuses et complexes, tout comme la variété des systèmes électriques et le nombre de consommateurs et d’unités de commande dans le véhicule. Les fonctions de sécurité deviennent plus actives et assistent davantage le conducteur pour garantir une exploitation sûre, ce qui accroît l’importance de la disponibilité de l’énergie électrique pour les systèmes du véhicule. Le système de gestion de batterie doit faire face à différentes conditions de charge et de sollicitation dans des environnements variés. Ceux-ci peuvent être chauds, froids, humides ou secs. Quel que soit le type de véhicule choisi par le conducteur, la consommation de carburant ou la capacité de la batterie est toujours influencée par la consommation électrique. À une époque marquée par des exigences croissantes en matière d’émissions et par l’anxiété liée à l’autonomie, les constructeurs de voitures particulières, de camions et de véhicules de transport public doivent garantir une fonctionnalité complète dans toutes les conditions, avec une consommation minimale et adaptée aux besoins.

Compte tenu de la situation actuelle, la question suivante se pose logiquement : comment garantir la stabilité et augmenter la performance globale du système électrique ? Réponse : en mesurant la consommation électrique de tous les consommateurs du véhicule, y compris les consommateurs du réseau basse tension. Cette consommation est mesurée par la HP-PROBE. Le courant et la tension sont mesurés sur un potentiel électrique (dans le secteur automobile, il s’agit de la masse du véhicule), puis leur impact sur la consommation globale est déterminé.

Évaluation

Les appareils de mesure KLARIC apportent des solutions aux défis liés à l’électrification croissante de l’automobile et fournissent des résultats rapides et précis. Grâce à des solutions de mesure modulaires adaptées à chaque approche, les possibilités de déterminer la consommation de l’ensemble du circuit et des composants individuels du système électrique sont étendues et pensées pour répondre aux besoins des ingénieurs. Les applications typiques incluent la mesure des courants de repos, de fonctionnement et de crête dans les systèmes électriques des voitures et des camions, par exemple au niveau des batteries, boîtes à fusibles, chauffages et châssis actifs. Ces solutions, fondées sur des résultats de haute précision, sont également conçues pour une mise en œuvre rapide et sont appréciées dans le monde entier.

Technologie de mesure mobile pour les courants de veille, de fonctionnement et de crête dans les véhicules, sur bancs d’essai ou en laboratoire. Mesure sur shunt à haute précision.

Configuration

MULTI-4/MULTI-8 (anciennement KLARI-FUSE 3)
HP-PROBE

Mise en œuvre

Connexion des sondes et des modules de mesure
Connexion des modules de mesure via l’interface CAN

Réalisation de la mesure

En raison du nombre croissant de consommateurs électriques et électroniques dans les véhicules, il est nécessaire de réduire les émissions de CO2 et la consommation de carburant en augmentant l’efficacité des systèmes électriques et électroniques. Pour atteindre cet objectif à long terme, les courants, tensions et températures doivent être mesurés et validés sur les composants véhicules à forte consommation d’énergie, tels que les chauffages électriques, les pompes et les phares. Dans les véhicules dotés d’un réseau de bord 48 V, les composants concernés sont notamment le convertisseur DC/DC, le moteur électrique et la batterie 48 V elle-même, car des niveaux de puissance extrêmement élevés y apparaissent sur de courtes durées. Voici quelques exemples de mesures effectuées sur des composants à forte puissance.

Lors de la récupération d’énergie au freinage, l’énergie est récupérée au lieu d’être dissipée sous forme de chaleur, puis réinjectée dans la batterie. Toutefois, les tensions, courants et puissances des composants mentionnés doivent également être mesurés et validés pendant les phases de développement et d’essai. Avec les nouveaux modules de mesure, des valeurs calculées telles que la charge/décharge, le bilan énergétique total, la puissance et l’énergie peuvent être calculées en ligne pendant les mesures de courant et de tension, puis transmises via l’interface souhaitée. La détection précoce de courants de défaut ou de surintensités est essentielle, mais sa mise en œuvre représente un défi important. Une technologie de mesure haute résolution pour des plages extrêmement larges de courant, de tension et de température aide les ingénieurs d’essai et de développement à relever ce défi avec succès.

Pour la gestion de l’énergie et de la batterie, les tensions et courants du système global ainsi que des charges individuelles doivent être mesurés. Grâce à la mesure simultanée du courant et de la tension avec une seule sonde combinée HP, une seule entrée de mesure est nécessaire avec le MULTI-4/MULTI-8, puisque deux convertisseurs analogique-numérique à échantillonnage synchrone sont disponibles par entrée de mesure. Le courant est mesuré au moyen d’un shunt de faible résistance, et la tension via un diviseur de tension. La fonction auto-range unique permet de mesurer les courants de veille, les courants de fonctionnement et les tensions avec la résolution la plus élevée possible. Aucune présélection de la plage de mesure n’est nécessaire lors de la configuration, ce qui réduit considérablement le temps de mise en œuvre. Le tableau ci-dessous présente les plages de mesure, les résolutions des convertisseurs analogique-numérique ainsi que celles d’une sonde haute performance de 1 mΩ et de 200 µΩ.

Le courant continu maximal de la sonde de 1 mΩ est de 120 A avec la résolution maximale atteignable de 300 µA/bit pour un gain de 100, tandis que la résolution à pleine charge est de 7 mA/bit.

Les valeurs d’étalonnage du shunt et du diviseur de tension sont enregistrées dans la sonde et lues automatiquement lorsque la sonde est raccordée au module de mesure, puis prises en compte pendant l’acquisition. La valeur d’étalonnage du shunt correspond à la valeur réelle de résistance mesurée sur le banc d’essai. L’interface de sortie des données de mesure est librement configurable et offre deux interfaces CAN ainsi qu’une interface Ethernet 100 Mbit/s avec XCP-on-Ethernet ou le KlaricServer. Le fichier DBC ou A2L est généré automatiquement en un clic dans la KlariToolBox, y compris avec tous les échantillons connectés. Le principe « plug and measure » réduit fortement le temps d’installation. Le calcul en ligne de la puissance, de la charge, de la décharge et du bilan total garantit que toutes les valeurs nécessaires sont calculées et transmises pendant la mesure, permettant une évaluation particulièrement simple sans avoir à effectuer de nombreux calculs supplémentaires après coup.

Évaluation de la mesure

Le diagramme suivant montre le processus de démarrage d’un véhicule diesel conventionnel à 6 cylindres avec un réseau de bord 12 V, enregistré avec un KLARI-CORD 5 lors d’une mesure longue durée. Le courant de crête mesuré au démarrage est de -757 A, tandis que la tension du réseau de bord chute à 8,7 V. Ces valeurs dépendent également de la fréquence d’échantillonnage choisie. Comme la puissance et donc le courant ont fortement augmenté dans les réseaux de bord 12 V conventionnels, de plus en plus de modèles seront à l’avenir équipés de systèmes 48 V.

À y regarder de plus près, on constate que la fréquence d’échantillonnage n’est pas constante, mais dynamique. Dans tous les nouveaux modules de mesure, un seuil de courant, de tension ou de température peut être défini, seuil à partir duquel la fréquence d’échantillonnage change. Cela signifie, par exemple, que les mesures de courant de veille sont effectuées à seulement un hertz. Si la valeur mesurée dépasse ensuite le seuil défini, le courant de crête et l’évolution du signal peuvent être analysés, ce qui permet éventuellement d’identifier la cause. Lors de la mesure du courant et de la tension d’un système de direction électromécanique, la fréquence d’échantillonnage dynamique réduit considérablement la quantité de données à analyser, car un enregistrement continu est possible pendant les essais routiers sans avoir à allumer ou éteindre l’équipement de mesure. Cela s’applique en principe à toutes les tâches de mesure, y compris au convertisseur DC/DC, où les courants sont presque statiques.