La recharge sans fil pour véhicules électriques transforme les transports écologiques - MATLAB & Simulink

Sans prise : la nouvelle solution de recharge pour les véhicules électriques

La voiture de route la plus rapide jamais construite par McLaren se recharge sans fil


La McLaren Speedtail Hyper-GT est la voiture de route la plus rapide jamais conçue par le constructeur automobile britannique. Vers la fin des tests, un prototype de l'élégante voiture de sport hybride essence-électricité a atteint 403 kilomètres par heure (250 miles par heure) sur le Johnny Bohmer Proving Grounds, la piste d'essai de la NASA en Floride. Les spécifications du modèle de production 2020 indiquent qu'il peut passer de 0 à 300 kilomètres (186 miles) par heure en 13 secondes.

Pour charger la batterie légère lorsque le véhicule aérodynamique à trois places n'est pas utilisé, McLaren s'est associé à Lumen Freedom pour utiliser son système de charge de véhicule électrique sans fil (WEVC). Le Speedtail est le premier véhicule au monde à l'intégrer.

«L’avenir offrira des formes de recharge nombreuses et variées. Actuellement, nous disposons de la recharge statique, puis nous allons passer au semi-dynamique. L’étape finale sera la recharge entièrement dynamique, qui vous permettra de recharger à des vitesses supérieures à 100 kilomètres par heure. »

Bien que la recharge inductive ou sans fil devienne de plus en plus courante pour les téléphones, les montres intelligentes et autres petits appareils, le système sans fil de Lumen Freedom pour le Speedtail représente une solution unique pour les véhicules électriques, selon le directeur général de Lumen Freedom, Rod Wilson, et le chef de l'équipe logicielle, Radek Pesina.

Vue latérale de la McLaren Speedtail s'approchant de la plateforme de base, qui repose sur le sol juste devant la voiture.

La McLaren Speedtail s'approche de la plateforme de base. (Crédit : McLaren Automotive Ltd.)

La recharge sans fil est plus facile pour les clients de véhicules électriques, en particulier pour les personnes handicapées. De plus, ce type de système réduit l’encombrement visuel dans les zones urbaines et nécessite moins d’espace que les bornes de recharge existantes.

À terme, le système sans fil pourrait éliminer l’anxiété liée à l’autonomie en rechargeant les véhicules lorsqu’ils sont arrêtés aux feux de circulation ou qu’ils circulent sur autoroutes. « L’avenir offrira des formes de recharge nombreuses et variées », a déclaré Wilson. « Actuellement, nous disposons de la recharge statique, puis nous allons passer au semi-dynamique. L’étape finale sera la recharge entièrement dynamique, qui vous permettra de recharger à des vitesses supérieures à 100 kilomètres par heure. »

Pour Lumen Freedom, le projet Speedtail n'est qu'un début. Leur système prêt à être produit en série a le potentiel de transformer le design automobile, les transports et même le réseau électrique tel que nous le connaissons.

Les performances de charge mises à l'épreuve

Au lieu de cordons, de prises et de stations de charge encombrantes, le système WEVC utilise un couplage magnétique inductif résonant. Le courant provenant d'une source d'alimentation se déplace d'un plot de transmission situé au sol sous le véhicule à travers l'entrefer jusqu'à un plot de réception intégré au véhicule. L’efficacité de la transmission de puissance est de 92 % ou plus.

L'ensemble au sol et l'ensemble du véhicule communiquent entre eux sans fil. Les conducteurs peuvent surveiller le système de charge à l'aide de l'écran tactile de 10 pouces embarqué ou d'une application sur leur dispositif « intelligent ». La capacité de garde au sol élevée rend le système compatible avec tous les types de véhicules, des voitures de sport performantes aux berlines familiales et aux SUV.

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    Recharger une voiture électrique à l'aide d'une station de charge Lumen. (Crédit : Lumen Freedom)

    Depuis ses débuts en 2016, Lumen Freedom a affiné le concept de WEVC et développé le premier système monobloc de 11 kW au monde. Lumen Freedom est désormais titulaire d’une licence pleinement accrédité Witricity.

    Lumen Freedom utilise de nombreux régimes pour les tests physiques. Un grand cadre en aluminium, appelé portique, est relié à un système d'alimentation haute tension Regatron pour aider à simuler le fonctionnement réel et les besoins en énergie. « Vous devez être capable de déterminer quelle quantité d’énergie est dissipée dans l’environnement et quelle quantité est réellement couplée », a déclaré Pesina.

    Téléphone portable à l'intérieur d'un véhicule affichant une alerte pour corps étranger.

    Lorsqu'un objet étranger est détecté sur le socle de charge, une alerte est envoyée sur le téléphone du conducteur. (Crédit : Lumen Freedom)

    Dans la recharge sans fil des véhicules électriques, le mauvais alignement du véhicule sur la base n’est pas un problème puisque le système intègre une technologie de positionnement hybride avancée. L’équipe Lumen a testé l’alignement avec des moteurs pas à pas contrôlés par ordinateur pour ajuster la hauteur et les positions X et Y pour les études d’alignement.

    Les simulations ont aidé l’équipe à intégrer des protocoles de sécurité dans le logiciel système afin que tout désalignement extrême détecté par les capteurs des pads éteigne automatiquement l’ensemble du système de charge. Le système WEVC intègre un système de détection d'objets étrangers capable de détecter un objet métallique aussi petit qu'un trombone sur le sol. Il alerte ensuite le conducteur de l'obstruction via l'application. Le système s'arrêtera jusqu'à ce que l'objet étranger soit retiré.

    L’approche Model-Based Design accélère le développement

    Wilson s'empresse de souligner que les contrôles de sécurité automatisés sont standard pour tous les systèmes, pas seulement pour le produit Lumen Freedom. Mais l’adoption de l’approche Model-Based Design a accéléré le processus de développement des commandes.

    Les modèles logiciels de base et la logique principale de l'ensemble du système, y compris l’ensemble au sol et celui du véhicule, ont été conçus avec MATLAB® et Simulink®, a déclaré Pesina.

    Plus précisément, MATLAB et Simulink ont ​​fait la différence dans le développement du contrôleur de communication du véhicule électrique qui gère la communication entre le véhicule et l’ensemble au sol. Ce contrôleur envoie des messages cruciaux au socle de charge du véhicule et au système de gestion de la batterie interne du véhicule. Cette communication a dû passer d'un contrôleur câblé à un contrôleur basé sur le Wi-Fi, a expliqué Pesina.

    « [La modélisation du système dans MATLAB et Simulink] a été considérablement plus rapide que son écriture en code C. Sans parler du fait qu’il est beaucoup plus simple à simuler et à tester. »

    Le développeur de Lumen a pu déplacer rapidement la machine d’état principale dans les modèles. « En trois ou quatre jours environ, le projet initial était terminé », a déclaré Pesina. « Il fonctionnait parfaitement et exécutait les mêmes actions que la machine d’état exécutait dans le code C. »

    (À gauche) Illustration d'un chat sur le socle de charge. (À droite) Le contrôleur de communication du véhicule électrique.

    Notification d'objet vivant gérée par le contrôleur de communication du véhicule électrique. (Crédit : Lumen Freedom)

    Une nouvelle série de modifications des exigences a nécessité un remodelage complet de la machine d’état. Le développeur a terminé cela en une journée. « Cela a été réalisé beaucoup plus rapidement qu'en l'écrivant en code C », a poursuivi Pesina. « Sans parler du fait qu’il est beaucoup plus simple à simuler et à tester. »

    L'intégration des modèles de communication, de l'électronique de puissance et de la machine d'état dans des modèles a rendu la simulation de l'ensemble du fonctionnement du système plus facile et plus sûre. Les développeurs pourraient faire fonctionner le système de charge sans fil sur un cycle complet sur leur banc de test sans effectuer de transfert d'énergie. Cela a libéré le portique et d'autres équipements pour des tests séparés et contrôlés utilisant des niveaux de haute tension et de courant sous tension.

    Couper le cordon

    L’équipe Lumen Freedom envisage l’adoption des systèmes WEVC par les OEM et les fournisseurs d’infrastructures, conduisant à des changements radicaux. L’un des avantages sera la réduction éventuelle de la taille des batteries des véhicules électriques. « À mesure que la recharge sans fil et l'accessibilité à la recharge sans fil deviennent plus courantes, les projections prospectives indiquent que la taille des batteries sera réduite car vous n'aurez pas besoin de transporter autant d'énergie à bord », a déclaré Wilson.

     Notre système sera prêt pour la transition vers les scénarios de transport de « véhicule à domicile » et de « véhicule à réseau » lorsque la demande sera là. »

    La recharge sans fil pourrait également nous rapprocher des scénarios de recharge de véhicule à domicile et de recharge de véhicule au réseau électrique. Wilson prédit que les véhicules électriques contribueront à alimenter une maison ou deviendront des conduits pour revendre l’électricité au réseau. Les utilisateurs règlent simplement le stockage de la batterie sur le niveau de rétention souhaité et appuient sur un bouton depuis la voiture ou la maison pour activer le transfert d'énergie. Le véhicule entièrement chargé alimente les lumières, la télévision et les petits appareils électroménagers. Pour les appareils électroménagers de grande puissance, le système reviendra à l’alimentation électrique du réseau.

    « Ces tests et cette preuve de concept sont tous effectués et sont actuellement en place dans de nombreux pays dotés de systèmes enfichables », a déclaré Wilson. « Notre système sera prêt pour cette transition lorsque la demande sera là. »

    Pesina estime qu'un tel système stabiliserait le réseau et fournirait aux sociétés énergétiques un approvisionnement supplémentaire en énergie à déployer dans les zones sujettes aux pannes de courant.

    Le raccordement des véhicules au réseau pourrait encourager l’adoption des énergies renouvelables. Pesina a souligné la capacité du Tesla Powerwall à alimenter une maison même si le secteur est coupé. Un véhicule électrique pourrait fonctionner de la même manière, en chargeant un système photovoltaïque domestique en cas de panne de courant locale.

    Le système WEVC lui-même est en pleine expansion. « Lorsqu'il est intégré à l'extérieur sous l'asphalte, le socle de charge continue de transmettre le courant à un véhicule, même lorsqu'il est recouvert de neige ou de grêle », a déclaré Wilson.

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      Le système de Lumen peut recharger les véhicules stationnaires, ceux qui attendent aux feux de circulation et même ceux qui circulent sur des voies équipées. (Crédit : Lumen Freedom)

      Lumen Freedom développe une recharge semi-dynamique pour les taxis et les petits véhicules utilitaires à émissions zéro au Royaume-Uni. La recharge semi-dynamique élimine le besoin de s’arrêter et de brancher les véhicules. Au lieu de cela, le système facture le taxi au fur et à mesure qu'il se déplace dans la file d'attente, se rechargeant un peu à mesure qu'il avance à chaque place dans la file d'attente.

      La charge dynamique complète est également plus proche de la réalité. Un projet européen pluriannuel appelé Fabric a analysé le transfert d'énergie dynamique sans fil pour les véhicules électriques se déplaçant à des vitesses de conduite typiques. Lors des tests qui se sont terminés en 2018, un site d'essai de 100 mètres de long en France a été utilisé pour tester le système. Le projet a montré que le transfert sans fil dynamique semble réalisable à moyen terme pour les bus urbains et les couloirs de fret longue distance, et, bien sûr, pour les véhicules de particuliers. La charge dynamique éliminera l'anxiété liée à l'autonomie et assurera une charge continue et transparente lors de déplacements sur de longues distances sur les autoroutes.

      La recharge sans fil des véhicules électriques fait son apparition au moment même où les tests de véhicules autonomes s'intensifient. En août 2020, l’État du Michigan a annoncé son intention d’étudier la construction d’une route de 64 kilomètres (40 miles) entre Ann Arbor et Détroit réservée aux véhicules autonomes. Plusieurs grands constructeurs automobiles ont accepté de donner leur avis. L’idée est de commencer avec des véhicules partagés, puis de s’étendre aux véhicules personnels et aux véhicules de transport de marchandises.

      Wilson s'attend à ce que les villes du monde entier désignent des zones comme celle-ci pour les véhicules électriques autonomes qui peuvent se recharger au fur et à mesure. « Cela arrive à grands pas », a-t-il déclaré. « Nous nous attendons à un avenir grand et brillant, axé sur le sans fil. »

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