Recharge bidirectionnelle des véhicules électriques

La recharge bidirectionnelle permet à un véhicule électrique d’exporter de l’énergie électrique aussi bien que d’en recevoir. La capacité réellement utile dépend de la destination de cette énergie : un appareil portable, un autre véhicule, un bâtiment isolé ou le réseau électrique public.

Les appellations désignent des systèmes différents

« V2X » est un terme générique. Les usages courants ne sont pas interchangeables :

V2L — du véhicule vers une charge : le véhicule alimente des appareils ou des outils par une prise embarquée ou un adaptateur.
V2V — de véhicule à véhicule : un véhicule fournit de l’énergie à un autre, généralement à puissance limitée.
V2H — du véhicule vers le domicile : le véhicule alimente une habitation, normalement par l’intermédiaire d’équipements de transfert et d’isolement.
V2B — du véhicule vers le bâtiment : le véhicule soutient un site plus vaste ou certains circuits d’un bâtiment.
V2G — du véhicule vers le réseau : le véhicule exporte de l’énergie en restant synchronisé avec le réseau public, sous le contrôle du gestionnaire et du marché.
V1G ou recharge pilotée : la puissance circule toujours uniquement vers le véhicule, mais le moment ou le débit de la recharge est contrôlé afin de soutenir le site ou le réseau.

Le V2L peut ne nécessiter aucune installation fixe au-delà de la prise homologuée du véhicule. Le V2H et le V2B exigent une intégration sûre au bâtiment. Le V2G ajoute le raccordement au réseau, les autorisations, la télémétrie et un service ou un tarif viable.

Deux architectures principales de conversion

La batterie de traction stocke de l’énergie en DC. La puissance exportée peut être convertie dans le véhicule ou à l’extérieur de celui-ci.

Export AC embarqué

Un onduleur bidirectionnel embarqué produit de l’AC dans le véhicule. Ce courant alternatif peut alimenter :

Une prise installée d’usine
Un adaptateur de connecteur doté d’une ou de plusieurs prises
Un port de recharge AC compatible
Un système fixe d’intégration au domicile

Cette solution peut réduire la quantité d’électronique de puissance dans l’équipement externe, mais le véhicule doit fournir une tension et une fréquence de qualité réseau, les protections, la limitation de courant et le mode de fonctionnement prévu.

Conversion DC externe

Un chargeur DC bidirectionnel se connecte à la batterie de traction par l’interface DC du véhicule et contient l’onduleur qui produit l’AC. Il peut desservir un domicile, un bâtiment ou le réseau tout en maintenant davantage d’équipements de conversion dans une installation fixe.

Le véhicule, le chargeur, le protocole de communication et l’installation doivent prendre en charge la même mise en œuvre de l’export. Un véhicule annoncé avec la fonction V2L n’est pas automatiquement compatible avec une wallbox DC bidirectionnelle, et une prise compatible avec les normes ne prouve pas que le logiciel du véhicule active le V2G.

V2L : une source d’énergie portable

Le V2L est l’usage d’export le moins complexe, car il alimente des charges locales au lieu de fonctionner en parallèle avec le réseau. Les mises en œuvre courantes proposent une prise de type domestique dans l’habitacle, dans une zone de chargement ou par l’intermédiaire d’un adaptateur branché sur la prise de recharge.

La puissance V2L est limitée par l’onduleur du véhicule, la tension de sortie et le courant. Le courant de démarrage des moteurs, les compresseurs, les pompes, les appareils de chauffage et les outils électriques peuvent dépasser leur consommation en régime établi. Les limites annoncées en régime continu et pour une courte durée sont toutes deux importantes.

Ne réalimentez pas une habitation par une prise murale ordinaire. Un système V2H homologué doit empêcher le véhicule de mettre les lignes du réseau sous tension pendant une panne et doit gérer le neutre, la mise à la terre, la protection contre les défauts et le transfert entre le fonctionnement raccordé au réseau et le fonctionnement en îlotage.

V2H et V2B : une batterie de secours mobile

Un système pour bâtiment comprend normalement :

Un véhicule bidirectionnel compatible
Un EVSE ou une unité de conversion de puissance compatible
Un commutateur de transfert ou une passerelle d’isolement du réseau
Des circuits protégés pour les charges critiques ou un raccordement de tout le bâtiment
Des dispositifs de comptage et de gestion de l’énergie
Un réglage du niveau de charge de réserve
Une mise en service conforme aux règles électriques et de raccordement locales

En cas de panne du réseau, le système doit déconnecter le bâtiment du gestionnaire avant de former un îlot électrique local. Cette frontière anti-îlotage protège les agents intervenant sur les lignes et empêche toute reconnexion incontrôlée. Lorsque l’alimentation du réseau revient, la tension, la fréquence et le transfert doivent être gérés avant la reprise du fonctionnement normal.

La puissance de secours et l’énergie de secours répondent à des questions différentes. La puissance détermine quelles charges peuvent fonctionner simultanément ; l’énergie détermine combien de temps elles peuvent fonctionner.

Prenons l’exemple d’une batterie de 75 kWh, dont le conducteur réserve 30% à la mobilité et 10% supplémentaires aux pertes de conversion et à la marge d’exploitation. Il reste environ 45 kWh pour les charges. À une puissance moyenne de 1 kW, cela représente environ 45 heures ; à 5 kW, environ 9 heures. Les résultats réels varient selon le rendement de l’onduleur, la consommation en veille, la température, les limites du véhicule et l’évolution de la demande du foyer.

Les fortes charges peuvent dépasser la puissance d’export même lorsque l’énergie restante est abondante. Une habitation peut devoir délester le chauffage résistif, le chauffe-eau électrique, les appareils de cuisson, la climatisation ou plusieurs moteurs.

V2G : exporter tout en restant raccordé au réseau

Le V2G n’est pas simplement du V2H avec le commutateur de transfert laissé fermé. L’export en parallèle avec le réseau doit se synchroniser avec le système électrique et respecter les exigences locales concernant la tension, la fréquence, le facteur de puissance, l’anti-îlotage, la réaction aux défauts et la commande à distance.

La chaîne complète peut comprendre :

La certification du véhicule et du chargeur bidirectionnel
L’examen du raccordement par le gestionnaire et l’autorisation d’exploiter
Un tarif ou un programme de marché autorisant l’export
Un agrégateur coordonnant de nombreux véhicules
Les horaires du conducteur, la réserve minimale et les besoins liés au départ
Des communications et un comptage sécurisés
La rémunération de l’énergie, de la capacité, de l’effacement ou des services au réseau

La liste d’équipements de la California Energy Commission illustre la distinction entre capacité technique et autorisation : les équipements répertoriés peuvent prendre en charge le fonctionnement bidirectionnel, mais le client doit encore suivre la procédure de raccordement du gestionnaire et obtenir son autorisation avant d’exporter.

Le V2G peut réagir plus vite qu’un conducteur humain et agréger de nombreux véhicules stationnés. Sa disponibilité reste toutefois incertaine, car les voitures se déplacent. Un service au réseau doit respecter la fonction première de transport et ne peut pas supposer que chaque batterie inscrite est branchée.

L’ensemble des normes

Aucune norme unique ne suffit à constituer un système bidirectionnel complet.

ISO 15118-20 définit les messages et séquences de communication entre le véhicule et l’EVSE pour le transfert bidirectionnel de puissance.
OCPP 2.1 ajoute des fonctions entre le chargeur et le système de gestion pour la recharge bidirectionnelle et le contrôle des ressources énergétiques distribuées.
UL 9741/CSA 348 couvre en Amérique du Nord les équipements bidirectionnels d’export de puissance pour véhicules électriques.
UL 1741 et les codes locaux du réseau traitent du comportement de l’onduleur et du raccordement dans les applications nord-américaines concernées.
Les règles nationales de câblage, les procédures des gestionnaires, les tarifs, les exigences de cybersécurité et les homologations de produits complètent le périmètre de l’installation.

La compatibilité avec les normes réduit le risque d’intégration ; elle ne prouve pas l’interopérabilité de bout en bout. Le logiciel du véhicule, le micrologiciel du chargeur, les écosystèmes de certificats, la mise en œuvre du backend et les règles du gestionnaire doivent également être alignés.

Rendement, coût et utilisation de la batterie

Chaque cycle aller-retour entraîne des pertes d’énergie. L’AC du réseau peut être converti en DC pour la batterie pendant la recharge, puis à nouveau en AC pendant l’export, auxquels s’ajoutent les consommations du véhicule, du câble, du système thermique et de la veille. Un calcul d’arbitrage tarifaire doit inclure :

Le prix d’importation et la rémunération de l’export
Le rendement aller-retour
Les frais de réseau et de puissance appelée
Le matériel et l’installation nécessaires
Les paiements liés à la disponibilité pour le programme
La valeur de l’alimentation de secours
L’énergie transitant par la batterie

La dégradation de la batterie ne peut pas se résumer à « le V2G est nocif » ou « le V2G est gratuit ». Le transit d’énergie supplémentaire consomme une partie de la durée de vie en cycles d’une batterie, tandis que la température, la fenêtre de niveau de charge, le courant, le temps passé à un niveau de charge élevé et la chimie des cellules influencent le résultat. Un export piloté peut parfois éviter un stockage prolongé à un niveau de charge élevé, mais le résultat dépend de la stratégie de commande.

Les conducteurs doivent définir une réserve de mobilité et examiner la garantie du véhicule ainsi que les conditions V2X. Le vieillissement, la réparation, la seconde vie et le recyclage des batteries sont présentés dans EV Battery Lifecycle ; les limites de garantie sont traitées dans EV Battery Warranty.

Ce que les acheteurs doivent vérifier

La mention « prêt pour le bidirectionnel » ne suffit pas. Demandez l’usage et le marché précisément pris en charge :

V2L, V2H, V2B, V2G ou seulement une recharge unidirectionnelle pilotée ?
Export en AC ou en DC ?
Puissance continue et puissance de crête à la tension locale ?
Combinaison homologuée de véhicule, d’EVSE, de passerelle et de logiciel ?
Fonctionnement de toute l’habitation ou seulement de certaines charges critiques ?
Secours manuel, transfert automatique ou service en parallèle avec le réseau ?
Commandes de réserve minimale et d’heure de départ ?
Capacité de démarrage autonome après une panne du réseau ?
Fonctionnement en cas de perte d’Internet ou du cloud du fournisseur ?
Installateur local, certification du produit, autorisation du gestionnaire et tarif ?
Traitement de l’énergie exportée dans la garantie ?

Le connecteur ne représente qu’une partie de la réponse ; consultez EV Charging Connectors and Inlets. Le périmètre du système de recharge complet est présenté dans EV Charging: The Complete System.