Superchargeur

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Conscient que le développement du véhicule électrique est dépendant de l'existence d'un réseau de stations de recharge rapide, dense et fiable, TeslaMotors a conçu et déployé son propre réseau de Superchargeurs.

En effet, alors que l'attention du néophyte se focalise souvent sur l'autonomie, c'est bien plus la possibilité de se recharger partout très rapidement et avec fiabilité qui détermine la capacité d'un véhicule électrique à voyager. L'existence de ce réseau est donc un argument commercial crucial, car aucun équivalent n'existe encore chez les autres constructeurs.

Réseau

Annonce du 100 ème superchargeur le 24 avril 2014
État du réseau au 27 novembre 2015

Lancement

Le 24 septembre 2012, lors d'un évènement à Hawthorne en Callifornie[1], Elon Musk annonce le lancement d'un réseau de superchargeurs pour la Model S :

  • Très haute puissance (initialement 90 kW, porté à 120 kW) ;
  • alimenté à l'électricité renouvelable
    (les panneaux solaires installés par Solar City produiront plus d'énergie sur l'année que d'électricité consommée par le superchargeur) ;
  • et accessible gratuitement et de manière illimité.

Le modèle prévu est de conduire 3 heures, puis de s'arrêter 30 mn pour recharger avant de repartir.

Lors de cet évènement, Elon Musk annonce que 6 superchargers ont été construits dans le plus grand secret en Californie, viennent d'être activés, et sont utilisables immédiatement. Un journaliste du New York Times vient d'ailleurs de rallier Las Vegas à Santa Barbara en utilisant ce tout nouveau réseau[2].

Expansion

En avril 2014, il y avait 100 stations de superchargeurs dans le monde[3].

  • le 27 novembre 2015, on décompte 557 stations pour un total de 3181 prises.
  • le 25 décembre 2015 : 576 stations pour 3321 prises.
  • le 26 mars 2016 : 611 stations pour 3600 prises.
  • le 02 décembre 2016 : 757 stations pour plus de 4600 prises

Le réseau croit actuellement au rythme de quatre stations ouvertes par semaine[4]. À ce rythme le seuil des 1000 stations en service devrait être atteint avant la sortie du Model 3 attendue pour fin 2017 aux États-Unis (fin 2018 en Europe). Lors de la présentation du Model 3 à Hawthorne le 31 mars 2016[5], Elon Musk indique que le nombre de prises sera doublé, atteignant 7200, et complété par 15 000 prises dédiées à la recharge à destination (« Destination charging »).

Une distance de 230 km entre stations permet de rouler à 130 km/h jusqu'au superchargeur suivant, puis de s'arrêter 45 mn avant de repartir vers l'étape suivante.

Concurrence

À l'initiative d'Audi, le Char-IN[6] (« Charging Interface Initiative ») regroupe BMW, Daimler, Opel, Porsche et Volkswagen pour offrir un réseau de recharge 150 kW sur la base de la prise COMBO-CCS (type 2 en Europe et type 1 en Amérique du Nord). Les Audi R8 e-tron et Audi e-tron quattro concept sont d'ores et déjà compatibles.

Les Tesla ne sont pas compatibles avec le réeau Char-IN.

Véhicules compatibles

Véhicules Tesla

Initialement l'accès au réseau n'était possible que vous les Model S équipées d'une batterie de 85 kWh, ainsi que pour celles équipées d'une batterie de 60 kWh ayant souscrit une option d'accès au réseau. Les batteries de 40 kWh se trouvaient exclues.

Le Roadster Tesla, qui a précédé la Model S, n'est pas compatible avec les Superchargeurs.

Tous les véhicules Tesla sortant désormais des chaînes de montage peuvent dorénavant accéder au réseau. Ceci est valable pour la Model S et pour la Model X.

Le 31 mars 2016, lors de la présentation du Model 3, Elon Musk a également indiqué qu'il serait compatible avec le réseau des superchargeurs.

Véhicules non Tesla

À ce jour aucun véhicule non Telsa ne peut se recharger sur le réseau des superchargeurs. Un véhicule équipé d'une prise type 2 (comme la Zoé par exemple) pourra physiquement se raccorder, mais la charge ne débutera pas car le protocole de communication est spécifique à Teslamotors.

Elon Musk a déclaré le 24 septembre 2015 qu'il était ouvert à la possibilité, pour les marques concurrentes, d'accéder au réseau de Superchargeurs Telsa[7], à la condition que les véhicules s'y raccordant soient en mesure d'accepter la puissance disponible et que le constructeur paye en fonction de l'usage qui est fait du réseau.

Il a déclaré que Tesla était actuellement en discussion avec un constructeur européen, mais pas allemand.

Technologie

Triple constat

La base de la conception d'un superchargeur part d'un triple constat :

  1. Le coût de raccordement d'une station de recharge rapide est proportionnel à la puissance souscrite auprès du fournisseur ;
  2. Une cellule Li-Ion peut accepter une puissance élevée en début de recharge, mais cette puissance doit diminuer au fur et à mesure que la batterie se remplit, sauf à l'endommager ;
    Ce phénomène, appelé « Tapering » implique que la puissance de raccordement doit être dimensionnée pour la puissance nécessaire en début de charge, mais sera ensuite rapidement sous-utilisée à mesure du déroulement de la charge.
  3. Le coût de fabrication de cette station sera d'autant moins élevé qu'elle est constituée de pièces et de modules fabriqués en grande série.

Des deux premiers points il a été décidé qu'un superchargeur alimenterait non pas une seule, mais deux prises. Un algorithme d'optimisation est mis en place de façon à ce que le superchargeur fournisse sa puissance maximale le plus longtemps possible. Pour cela, il donne la priorité au premier véhicule raccordé. Tant que la batterie de celui-ci peut accepter la puissance maximale, l'autre véhicule ne reçoit que 10% de la puissance. Très rapidement, du fait du tapering (sensible dès 25% de niveau de charge), le premier véhicule ne peut plus accepter toute la puissance. Le reliquat disponible est donc envoyé vers le deuxième véhicule. Ainsi le premier véhicule a chargé presque aussi vite que s'il n'y avait qu'une seule prise et peut rapidement libérer la place. Le deuxième véhicule est certes pénalisé, mais récupère rapidement une puissance significative, car le phénomène de tapering est assez sensible. Au total le superchargeur délivre le maximum disponible pendant plus longtemps, et optimise ainsi son raccordement au réseau.

Sur la station du superchargeur, chaque prise est identifiée par un numéro (1, 2, 3, etc.) suivi d'une lettre (A ou B). Les prises portant le même numéro partagent le même superchargeur (1A et 1B par exemple).

Dispositif général

Un superchargeur est constitué de 4 éléments :

  1. Un transformateur d'alimentation ;
    Installé et géré par la compagnie d'électricité (« Utility Transformer » en anglais), il alimente la station en courant alternatif triphasé (aux États-Unis : 480 V entre phases, 277 V entre phases et neutre en configuration Wye, 160 A).
  2. Une armoire électrique comprenant coupe-circuits, disjoncteurs et relais (« 480 Volt disconnect switches and circuit breakers ») ;
  3. Les armoires des chargeurs (« Charge controller cabinets ») ;
    Elle contient les douze chargeurs modulaires empilés. Identiques à ceux installés à bord de la Model S et de la Model X, ils sont alimentés en courant alternatif monophasé (entre la phase et le neutre) à raison d'une phase par groupe de 4 (277 V et 40A chacun, pour un total de 160A). La puissance de chaque chargeur est donc de 277 x 40 = 11,08 kW. La puissance totale du superchargeur est donc de 12 x 11,08 = 132,96 kW. Chaque chargeur est commutable individuellement et dynamiquement vers l'une ou l'autre prise. Le tout est ventilé et ce ventilateur de grande taille est bien visible de l'extérieur.
  4. Les prises, pour raccorder les véhicules, à raison de 2 prises par superchargeur.

On installe en général entre 1 et 8 superchargeurs pour un total de 2 à 16 prises.

Exemple : ☛ Plan PDF du superchargeur de Madison, Wisconsin

Connexion directe entre la batterie et le superchargeur

Une fois le superchargeur connecté à la voiture, les chargeurs embarqués sont by-passés, et le superchargeur prend en charge directement le pack batterie et l'alimente en courant continu (DC). Les véhicules à simple chargeur chargent donc aussi vite sur les superchargeurs que les véhicules à double chargeur.

La tension augmente à mesure de la recharge. Quant à l'intensité, elle est maximale en début de recharge (si la température interne du pack le permet) : 330 A sur une batterie 85 kWh, 370 A sur une batterie 70 kWh (pour compenser la tension plus faible de ce pack)[8].

Performance et évolution

Données officielles Tesla

Vitesses de charges comparées (profil constructeur)
Profil de charge (données constructeur)

Tesla affirme sur son site internet qu'un superchargeur permet de récupérer une autonomie de 270 km en 30 mn. Cela nécessite quelques précisions.

Définition de la vitesse de recharge

Les Model S européennes peuvent afficher leur autonomie de deux manières différentes :

  • « Autonomie nominale » : selon le cycle NEDC R101.
    Par exemple, pour une Model S 85, l'affichage est alors basé sur une consommation spécifique de 148 Wh/km. Complètement rechargée, l'autonomie indique 502 km. En pratique il est très difficile d'atteindre une consommation aussi basse, car le cycle NEDC n'est pas représentatif des conditions réelles.
  • « Autonomie typique » : Teslamotors® a donc prévu un deuxième mode d'affichage plus représentatif des consommations réelles. Basé sur une consommation spécifique de 186 Wh/km, une Model S 85 complètement rechargée indique 400 km.

Le tableau comparatif des vitesses de recharge présent sur le site de TeslaMotors® est basé sur une autonomie nominale. Il faut multiplier par 4/5ème les 270 km indiqués pour obtenir l'équivalent en autonomie typique. Soit : 216 km en 30 mn.

Pour basculer l'affichage entre autonomie nominale et autonomie typique : Contrôles > Onglet : Paramètres > Langues et unités > Énergie et recharge > Distance : nominale ou typique

Conditions idéales

Il faut préciser par ailleurs que ce tableau n'est valable qu'en conditions idéales, et que plusieurs facteurs peuvent affecter la vitesse de recharge.

Recharge en conditions réelles

« Tapering »

Courbes de puissance réelle d'un Superchargeur (tapering)

Comme on l'a vu, une batterie ne peut accepter la pleine puissance pendant toute la durée de sa charge. Dès que le SOC (« State of Charge » : niveau de charge) atteint 25%, la puissance commence à diminuer. En conséquence, une batterie se rechargera d'autant plus vite que son SOC était bas en début de recharge. Teslamotors® indique qu'il faut autant de temps pour passer de 80 à 100% que pour passer de 0 à 80%.

Pour retenir qu'une charge de 30 mn permet de récupérer 270 km d'autonomie (nominale), Teslamotors prend comme hypothèse que la batterie était complètement vide en début de recharge.

Nombre de véhicules raccordés au même superchargeur

Comme nous l'avons vu, un superchargeur alimente deux prises où peuvent être raccordés deux véhicules simultanément. Si le premier véhicule branché sera peu affecté par la présence du deuxième, l'inverse n'est pas vrai et cela peut diminuer nettement la vitesse moyenne de recharge du second véhicule.

Température du pack

Un pack froid ne peut accepter une grande puissance de recharge. Si la température interne du pack est négative, il se peut même qu'il soit nécessaire de pré-conditionner le pack. Le réchauffage de pack se met en route jusqu'à ce que la température interne redevienne positive. La charge débute alors, mais avec une puissance faible. Ce n'est qu'à mesure de l'augmentation de la température du pack que la puissance va augmenter progressivement. Pour profiter de la pleine puissance d'un superchargeur, il faut donc arriver avec une batterie chaude (avoir roulé longtemps et/ou vite).

☛ Article détaillé dans ce wiki : Utilisation par temps froid

Puissance de raccordement

Il peut arriver que le fournisseur d'électricité ou l'infrastructure existante ne soit pas en mesure de fournir la puissance nécessaire pour le superchargeur. Cette situation est en général provisoire en attendant que les travaux d'aménagement soient réalisés. En France, le superchargeur de Saintes est limité à 80 kW (pour deux prises) au lieu de 120.

Type de superchargeur (pour mémoire)

Lorsque que le réseau a été lancé, la puissance des superchargeurs était limitée à 90 kW. Très rapidement les nouveaux superchargeurs ont pu fournir 120 kW (La première charge à 114 kW (368 V et 314 A) est rapportée le 28 octobre 2013 au supercharger de Columbus, Texas. [9]).

Il n'existe plus, aujourd'hui, de superchargeurs limité à 90 kW.

Type de pack

Les premiers modèles de Model S commercialisés aux États-Unis à l'été 2012 sont équipés de packs de type A qui ne peuvent pas accepter plus de 90 kW en recharge.

Ces modèles n'ont pas été importés en Europe, où même les premiers modèles (« Signature ») sont équipés de packs de type B.

Performances réelles et performances perçues

Visualiser la puissance réelle

Il est courant, lorsque l'on réalise ses premières supercharges, de se faire une opinion sur tel ou tel superchargeur en fonction de la perception que l'on peut se faire de sa vitesse de recharge.

En réalité il est extrêmement rare qu'un superchargeur ne puisse fournir, du fait d'une limitation liée à son alimentation, la puissance maximale pour lequel il est conçu. Les limitations liées à la batterie, telles que décrites ci-dessus, sont bien plus souvent en cause. En France, seul le superchargeur de Saintes est encore limité à 80 kW. Toutes les autres stations délivrent la puissance nominale.

TeslaMotors®, dans un souci pédagogique, a prévu un affichage de la puissance de charge en km/h. Cela permet d'avoir une estimation de la puissance délivrée par le superchargeur, mais cet affichage est approximatif car il ne s'agit que d'une vitesse moyenne depuis le début de connexion. La puissance instantanée peut être appréciée directement de deux manières :

  1. En changeant le format d'affichage sur l'écran de recharge : Ainsi l'on peut lire directement la puissance délivrée en kW (120 maximum en France) ;
    Contrôles > Onglet : Paramètres > Langues et unités > Énergie et recharge > Énergie
  2. En la calculant d'après la tension (U) et l'intensité (I) lues directement sur le tableau de bord : [math]P = U \times I [/math]

Un règle simple :

  • Avec un pack 85 kWh, l'intensité maximale d'un superchargeur est de 330 A ;
  • Avec un pack de 70 kWh, on peut lire 370 A à pleine puissance.

Donc si vous lisez 330 (respectivement 370) A en début de charge, votre superchargeur fonctionne à la puissance maximale, quel que soit l'affichage en km/h.

Temps de recharge réels[8]

Le tableau ci dessus est valable en conditions idéales, pour une batterie de 85 kWh :

  • Batterie en température ;
  • Prise jumelle non utilisée ;
  • Superchargeur non limité en puissance de raccordement ERdF.

Le SOC est le niveau de charge (State of charge). Il est indiqué en kilomètre pour une jauge configurée en autonomie typique.

Attention : rajouter 1 mn pour la négociation de la charge entre la voiture et le superchargeur (« Handshake »)

Temps de recharge (mn)
SOC final SOC en début de charge
(km) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
200 23 22 21 20 19 18 17 16 14 13 12 11 10 8 7 6 4 3 1
210 25 24 23 22 21 20 18 17 16 15 14 13 12 10 9 8 6 5 3 1
220 27 26 25 23 22 21 20 19 18 17 16 15 13 12 11 9 8 6 5 3
230 29 28 27 25 24 23 22 21 20 19 18 17 15 14 13 11 10 8 7 5
240 31 30 29 27 26 25 24 23 22 21 20 19 17 16 15 13 12 10 9 7
250 33 32 31 30 29 27 26 25 24 23 22 21 19 18 17 15 14 12 11 9
260 35 34 33 32 31 30 29 27 26 25 24 23 22 20 19 18 16 15 13 11
270 37 36 35 34 33 32 31 30 29 27 26 25 24 23 21 20 18 17 15 14
280 40 39 38 36 35 34 33 32 31 30 29 28 26 25 24 22 21 19 18 16
290 42 41 40 39 38 37 36 35 33 32 31 30 29 27 26 25 23 22 20 19
300 45 44 43 42 41 40 39 37 36 35 34 33 32 30 29 28 26 25 23 21

Exemples :

  • Si l'on se connecte avec un SOC de 10 km, le SOC sera de 210 km 25 mn plus tard ;
  • Si l'on se connecte avec un SOC de 100 km, il faudra attendre 35 mn pour atteindre un SOC de 300 km.

Dans les deux cas, on a rechargé 200 km, mais dans le deuxième cas, on aura mis 10 mn de plus. D'où l'intérêt d'arriver avec une batterie relativement vide pour profiter de la puissance maximum du superchargeur à la connexion.

Fiabilité

Les superchargeurs ont la réputation d'être extrêmement fiables. Une station ayant généralement 6 ou 8 prises, la panne d'un superchargeur ne rend indisponibles que deux prises. Pour les rares superchargeurs isolés (deux prises), Telsamotors® a prévu une borne AC 22 kW de secours (borne bamboo), que l'on peut alors utiliser avec un câble type 2 disponible auprès de l'établissement au sein duquel est installé le superchargeur.

Utilisation en voyage

Aller vite

Pour profiter d'une charge la plus rapide possible :

  1. Arriver au superchargeur avec une batterie chaude et vide ;
  2. Se connecter à une baie de recharge dont le numéro n'est pas identique à celui d'une baie déjà utilisée.

Dans ces conditions, la première moitié de batterie (200 km d'autonomie « typique » pour une 85 kWh) est chargée en 25 mn environ. De 50 à 80 % compter 25 mn de plus. Il n'est pas conseillé, sauf nécessité, de charger au delà de 80% sur un supercharger, car la charge devient très lente au-delà.

« Supercharging Etiquette »

Par ce terme Teslamotors® désigne le comportement attendu d'un conducteur de Tesla qui utilise un superchargeur. Il est demandé :

  1. de noter le temps nécessaire pour terminer la charge (information donnée sur l'écran de recharge dans le véhicule et sur l'application mobile) ;
  2. de suivre la progression de la recharge, directement depuis le véhicule ou par l'application mobile ;
  3. dès la fin de charge (notification sur application mobile), déplacer le véhicule pour libérer la place ;
  4. ne pas charger à 100 % sauf nécessité, car cela immobilise le superchargeur pour une durée très longue (la puissance diminue beaucoup en fin de charge). Une fois l'autonomie suffisante pour rejoindre la destination ou le superchargeur suivant, se débrancher et repartir. Le fait d'arriver avec une batterie peu remplie au superchargeur suivant permettra de recharger plus vite (cf :Tapering)



Notes et références

  1. https://www.teslamotors.com/videos/tesla-motors-supercharger-event
  2. http://www.nytimes.com/2012/09/30/automobiles/on-an-electric-highway-charging-into-the-future.html
  3. https://www.teslamotors.com/fr_FR/blog/100-supercharger-stations?redirect=no
  4. http://insideevs.com/in-2015-tesla-superchargers-spread-like-mushrooms-video/
  5. https://www.youtube.com/watch?v=wqMJeR1Yvm4
  6. http://insideevs.com/audi-bmw-daimler-porsche-volkswagen-others-part-150-kw-charin-ccs-fast-charge-initiative/
  7. Conférence d'Elon Musk avec le Vice-Chancelier Sigmar Gabriel le 24 septembre 2015
  8. 8,0 et 8,1 Vidéo Bjorn Nylan : Supercharging Tesla Model S 70 kWh vs 85 kWh
  9. http://bcove.me/wrzkowh0 : @5 mn 40 s