Approches relatives au test des chargeurs

Les chargeurs toujours actifs fournissent généralement une sortie fixe. Par exemple, un chargeur d’appoint au plomb ne fournit qu'une faible sortie de courant constant (CC). Il est possible de contrôler ce type de chargeur à l’aide d’une charge électrique à tension constante (CV) ou à résistance constante (CR).

Dans de rares cas, ce type de chargeur peut fournir CC ou CV lors du profil de charge. Dans ce cas, la charge électronique demeure utilisable avec une charge à résistance constante (CR). NI propose des charges CC, CV et CR et donc une flexibilité maximale quant à l'évaluation des chargeurs toujours actifs. 

Le chargeur de batterie peut ne pas fournir de tension ou de courant de sortie tant qu'il n'a pas détecté la tension de la batterie, tant que le verrouillage externe n'est pas fermé, ou les deux. Il arrive même que le chargeur utilise ces conditions de détection de la batterie pour déterminer comment commencer à charger la batterie en toute sécurité. Il est par exemple possible que le profil de charge attende que la température atteigne un niveau acceptable ou contienne des étapes de précharge supplémentaires pour récupérer les batteries considérablement déchargées. 

Dans ces cas-là, l’équipement de test peut contenir une faible alimentation électrique ou des relais nécessaires pour « lancer » le chargeur. Les charges NI à refroidissement par air fournissent des E/S numériques permettant à la charge de gérer des équipements de test supplémentaires. 

NI fournit des connexions qui permettent d’utiliser un signal de mise sous tension pour un chargeur ou une petite alimentation. Vous pouvez également contrôler un relais/commutateur pour connecter l’alimentation au chargeur pour le démarrer, puis le déconnecter.

^{Figure 1 : Exemples de connexions de signaux de mise en marche}

Les chargeurs peuvent « tester » la batterie lors de la charge en réduisant ou même en prélevant de l'énergie sur la batterie elle-même. Certains types de batteries nécessitent ces « tests » pour que la charge soit correctement acceptée, pour réduire la pression interne ou pour réabsorber les produits chimiques à l'intérieur de la batterie elle-même. Il arrive également que certains chargeurs effectuent ces « tests » pour charger la batterie en toute sécurité, pour évaluer son état ou pour procéder à un auto-étalonnage du chargeur lui-même. Ce sont la manière dont le chargeur « teste » la batterie et ce qu’il s'attend à voir dans une batterie normale qui déterminent l'approche utilisée pour la validation.

^{Figure 2 : Association d'une source et d'une charge avec un PC de contrôle}

L'association d'une charge NI avec une alimentation électrique et une application de contrôle sur un PC est une solution rentable pour les chargeurs de faible puissance (<6 kW), notamment lorsque le chargeur n’a pas besoin de réponse rapide de la batterie simulée. Dans ce cas, le PC ajuste l'alimentation et la charge pour simuler l'augmentation de la tension de la batterie au fur et à mesure qu'elle se charge.

Vous pouvez alors programmer le PC pour qu'il contrôle l'alimentation et la charge afin d'imiter le comportement réel d'une batterie chaque fois que le chargeur la « teste ». Dans ce cas, le PC mesure en permanence la tension et le courant fournis par le chargeur et ajuste l'alimentation et la charge pour imiter la réponse de la batterie. Ce processus est ensuite répété tout au long du profil de charge simulé.

^{Figure 3 : Relation entre la tension de la batterie et le courant de charge}

Une approche plus directe peut être mise en œuvre ; il faut d’abord comprendre pourquoi une batterie modifie sa tension en fonction des variations du courant de charge. La tension observée aux bornes d'une batterie diminue légèrement lorsque le chargeur réduit ou même inverse le courant de charge. De même, la tension aux bornes d'une batterie augmente légèrement lorsque le chargeur fournit un courant supplémentaire. Ces deux effets sont dus à la résistance interne de la composition chimique de la batterie et aux connexions des fils.

Les cycleurs/émulateurs de batterie NI de moyenne et de grande puissance sont dotés d'un mode batterie. Ce mode permet de programmer la résistance série (RS) et une tension à vide (VOCV). Lorsqu'il est programmé, le système ajuste automatiquement la tension du terminal de sortie en fonction de la direction et du niveau du courant circulant vers ou depuis le chargeur.

L'ajustement est traité dans le matériel, ce qui améliore la vitesse de simulation, simplifie l'intégration et permet au PC de se concentrer sur le test. Le chargeur reste également maître de la tension et du courant aux bornes, même lorsqu'il passe de CC à CP ou à CV.

^{Figure 4 : Modèle de batterie équivalent}

^{Figure 5 : Formule pour le modèle de batterie}

Un chargeur modifie sa puissance pour répondre comme il se doit aux exigences du fabricant. À l'heure actuelle, de nombreux chargeurs communiquent avec la batterie, la société de services publics ou les deux. Les stations de recharge peuvent stabiliser la fréquence, réduire les pics de demande ou fournir une alimentation de secours temporaire.

Le chargeur qui communique avec le système de gestion de la batterie (BMS) ajuste sa puissance en fonction des données de la batterie renvoyées. Cette approche est présente dans les chargeurs de toutes les tailles, y compris les chargeurs d'ordinateurs portables, les chargeurs embarqués et les systèmes de transfert d'énergie sans fil.

^{Figure 6 : Exemple de système de recharge rapide pour véhicules électriques (VE)}

La station de test doit imiter la batterie et fournir une interface de communication de type I2C, SMBUSS ou CAN pour communiquer avec le chargeur testé.

La sortie du chargeur peut également varier en fonction de l'utilisation actuelle du réseau électrique. Ces chargeurs sensibles au réseau peuvent ajuster leur sortie, en réduisant, en interrompant ou même en retardant la charge. Ils communiquent parfois avec un réseau intelligent à l'aide de protocoles standardisés tels que le profil énergétique intelligent (SEP).

^{Figure 7 : Exemple de système de recharge pour véhicule électrique géré par les services publics}

Un certain nombre d'initiatives visent à utiliser les véhicules comme source d'énergie de secours locale ou à aider la société de services publics pendant les périodes de forte demande. Le chargeur est alors inversé et agit comme un générateur distribué qui prend l'énergie de la batterie et complète le réseau électrique pour faire face aux pénuries d'énergie à court terme, aux changements de fréquence ou à d'autres problèmes du réseau.

^{Figure 8 : Exemple de système véhicule-réseau dans lequel le chargeur de VE est inversé et agit comme un générateur d'électricité distribuée.}

NI fournit des progiciels et des drivers entièrement documentés qui peuvent être ajoutés à des configurations de test pour toutes ces applications. 

La norme internationale pour les systèmes de charge conductive pour véhicules électriques (CEI 61851-1) a défini quatre modes de charge des VE¹. Les solutions de test d’alimentation en CC et CA de NI émulent des conditions réelles et sont essentielles au test et à la validation des composants et des systèmes de véhicules électriques. La solution de test pour laquelle vous optez varie en fonction du mode de charge.

^{Figure 9 : De haut en bas, modes de charge 1 à 4 des véhicules électriques}

Recharge CA

Mode 1 : Charge CA très lente

Le mode 1 correspond à une charge en courant alternatif très lente, généralement à partir d'une prise de courant alternatif résidentielle standard d'une intensité maximale de 16 A. La charge s'effectue directement sur le chargeur embarqué (OBC), sans aucune communication.

Mode 2/Mode 3 : Charge CA lente à semi-rapide

Le mode 2 correspond à une charge lente en courant alternatif de 32 A maximum, tandis que le mode 3 est une charge semi-rapide en courant alternatif de 80 A maximum. Avec ces modes, le courant alternatif (CA) est fourni au chargeur embarqué (OBC), c’est-à-dire le chargeur de batterie, à l’aide du protocole de l'équipement d'alimentation du véhicule électrique (EVSE). La charge va de 6 à 22 kW en mode 2 pour la charge résidentielle et peut atteindre 44 kW en mode 3 pour les stations de charge publiques. Les deux modes contrôlent la charge à l’aide de fonctions de communication ; en mode 2, la signalisation par câble assure le contrôle, et en mode 3, la signalisation par câble et les protocoles de communication sont tous deux utilisés. Ces modes ont généralement un coût d'infrastructure plus faible et une plus grande disponibilité que le mode 4. L'utilisation de l'OBC risque toutefois de réduire le taux de charge maximal, contrairement au mode 4, qui n'utilise pas d'OBC.

^{Figure 10 : Composants de charge à courant alternatif lent à semi-rapide}

NI propose les équipements suivants pour la charge en courant alternatif :

• Le système de simulateur de réseau régénératif NHR-9410 simule le réseau électrique.
• Le système de récepteur CA régénérateur NHR-9430 reproduit la réception CA.

^{Figure 11 : Équipement de charge CA}

Charge CC

Mode 4 : Charge rapide CC

Le mode 4 correspond à une charge CC rapide, généralement à partir d’un chargeur public. En mode 4, l'alimentation en CC charge directement la batterie. La charge peut alors être très puissante, de 50 à plus de 300 kW, puisqu'il n'y a pas d'OBC avec ce mode. Cette charge rapide et à haute puissance implique un coût d'infrastructure plus élevé et une plus grande complexité. Elle nécessite également une signalisation par câble et des protocoles de communication.

^{Figure 12 : Composants de charge rapide CC}

Pour la charge en CC, NI propose les équipements suivants :

• Le système de simulateur de réseau régénératif NHR-9410 simule le réseau électrique.
• Le cycleur et émulateur de module de batterie CC moyenne tension NHR-9200 et le cycleur et émulateur de bloc de batterie CC haute tension NHR-9300 imitent la batterie ou le chargeur rapide CC.

^{Figure 13 : Équipement de charge CC}

Simulation et émulation du réseau (chargeur embarqué et véhicule-réseau)

Pour les applications de charge des véhicules électriques, les ingénieurs de test s’appuient sur l’utilisation d’un émulateur de batterie pour tester des composants tels que l'OBC. En faisant comme si une batterie réelle était connectée à ce type de composants, les ingénieurs peuvent effectuer des tests dans un environnement plus rapide, plus sûr et plus simple à reproduire. NI propose des solutions de test de batterie flexibles et modulaires qui vous permettent de simuler ou de reproduire les différents modes de charge des véhicules électriques, avec des capacités transitoires rapides, une puissance régénératrice, des relais d'isolation de sécurité intégrés, des contacteurs, etc.

^{Figure 14 : Chargeur embarqué} 

• Le système de simulateur de réseau régénératif NHR-9410 simule le réseau électrique.
• Le cycleur et émulateur de module de batterie CC moyenne tension NHR-9200 et le cycleur et émulateur de bloc de batterie CC haute tension NHR-9300 imitent la batterie ou le chargeur rapide CC.

^{Figure 15 : Équipement de charge du véhicule vers le réseau (V2G)}

• Le système de simulateur de réseau régénératif NHR-9410 simule le réseau électrique.
  
• Le système CA régénérateur NHR-9430 reproduit la réception CA.

^{1. SAE définit ces modes de charge comme des niveaux : Niveau 1 = Mode 1, Niveau 2 = Modes 2 et 3, et Niveau 3 = Mode 4}

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