Livre blanc | Fusibles haute tension dans les véhicules électriques à usage intensif

Les systèmes de batteries évoluent : l’augmentation de la tension du système va de pair avec une progression rapide des capacités de recharge, qui tendent vers la recharge mégawatts (MCS). Ces changements entraînent une augmentation significative de l’énergie de défaut, des niveaux de courant transitoire et des contraintes thermiques au sein des dispositifs de protection électrique.
Les fusibles haute tension (HT) restent l’un des dispositifs de sécurité de dernière ligne les plus critiques sur les plateformes de véhicules électriques. Cependant, les technologies de fusibles conventionnelles, initialement développées pour des applications industrielles ou automobiles, se heurtent à des limites majeures lorsqu’elles sont exposées au profil opérationnel des plateformes électrifiées à usage intensif.

Même si les technologies alternatives se généralisent de plus en plus sur le marché, nous nous concentrerons ici sur les fusibles HT, car ils continuent de jouer un rôle important en tant que solutions de protection au sein du réseau haute tension (HT) des véhicules électriques lourds (eHDV). Le fusible HT constitue la dernière ligne de défense contre les surintensités et les courts-circuits dans un système de batterie haute tension. Dans les applications lourdes, leur importance cruciale est amplifiée par l’énergie considérable stockée dans les packs de batteries et par les cycles de charge-décharge intensifs.        
Comme on l’a vu plus haut, la tension de ce type d’application est légèrement supérieure à celle des voitures particulières et se situe principalement entre 600 V et 1 000 V CC. Les nouveaux développements pour les camions électriques montrent déjà une tendance à une tension plus élevée, pouvant atteindre 1 500 V CC 

Selon l’emplacement du fusible dans le véhicule, son rôle varie. Examinons d’abord les emplacements possibles dans un véhicule, puis nous nous pencherons sur les défis spécifiques à chacun d’entre eux.

Comme mentionné précédemment, les fusibles constituent la dernière ligne de défense en cas de risques électriques. En effet, en tant que dispositifs passifs, ils se déclencheront toujours, même en cas de défaillance des systèmes de protection actifs (dispositifs pyrotechniques, contacteurs, BMS, etc.). Selon l’application, ils serviront à protéger les composants contre les courts-circuits et les surcharges pouvant survenir dans le véhicule. 

Une fois le défaut éliminé, ils permettront d’isoler les zones touchées afin d’empêcher la propagation du défaut dans l’ensemble du système ; en fonction de la zone isolée, cela permettra au conducteur d’immobiliser son camion en toute sécurité et d’assurer la sécurité des personnes se trouvant à proximité en attendant l’arrivée des services d’urgence.

Outre les défis habituels liés au choix des fusibles, tels que la sélectivité, la coordination avec les contacteurs ou les dispositifs pyrotechniques, ceux-ci doivent faire face à un environnement plus hostile et à des exigences de coupure plus élevées que celles rencontrées dans une voiture.

Examinons tout d’abord la deuxième exigence. Contrairement aux voitures, qui ne disposent que d’un seul bloc-batterie, les batteries sont réparties dans l’ensemble du tracteur et, selon les options, il peut y avoir jusqu’à 10 blocs-batteries par véhicule. Bien que la capacité de courant de court-circuit d’un bloc individuel soit inférieure à celle d’un ensemble de batteries (8 kA contre 16 kA), le fait de connecter les différents blocs en série et en parallèle augmente considérablement le courant de court-circuit qu’un fusible pourrait devoir supporter. Les constructeurs exigent donc que le fusible soit capable d’interrompre au moins 50 kA, voire 100 kA.

De plus, il ne faut pas oublier que les conditions de fonctionnement des fusibles sont bien plus exigeantes dans un véhicule poids lourd que dans une voiture. Les fusibles sont soumis à des vibrations à des fréquences bien plus élevées et pendant des durées bien plus longues. Ces vibrations peuvent avoir un effet négatif en provoquant une fatigue mécanique, susceptible d’entraîner le déclenchement inopiné du fusible. Il en résulte une diminution des performances du véhicule ou la mise hors tension de certains équipements. Outre les essais du fusible par rapport au profil spécifié, il est essentiel de le tester au sein de son sous-système. Au cours de cet essai, il est important de mesurer les vibrations réelles subies par le fusible. Un montage inadapté pourrait aggraver le profil vibratoire et entraîner une défaillance.

Les conditions climatiques et d’exploitation sont également bien plus exigeantes que dans une voiture. Ces facteurs doivent être pris en compte lors du choix du fusible.

Historiquement, la protection électrique contre les courts-circuits était assurée par des fusibles. De nouveaux composants, tels que les pyroswitchs et autres dérivés, ont fait leur apparition et remplacent progressivement les fusibles dans certaines applications spécifiques, comme la protection des blocs-batteries. Ces solutions pyrotechniques offrent de nombreux avantages, notamment la capacité d’assurer une coupure sans courant dans un délai fixe, quel que soit le courant de défaut prévu. Il convient toutefois de peser les avantages du pyroswitch par rapport à ses inconvénients. S'agissant d'un dispositif actif, il nécessite une infrastructure (capteur de courant, électronique embarquée) pour fonctionner, contrairement à un fusible, qui fonctionne de manière passive. L'avantage concurrentiel d'un pyroswitch doit être validé au cas par cas. 

Ce dernier point a donné lieu à une nouvelle exigence concernant les fusibles. Lorsqu’un court-circuit se produit dans une branche du réseau, le dispositif de sécurité le plus proche doit être le premier à se déclencher et à empêcher la propagation du défaut au reste du réseau. Prenons l’exemple d’une pompe défectueuse : nous voulons que le fusible en amont prenne en charge ce défaut. Les pyroswitches ayant un temps de réponse rapide, il est essentiel de s’assurer que le fusible réduit le courant en dessous d’un certain seuil afin d’empêcher le pyroswitch en amont de se déclencher. En effet, pour le conducteur, il est plus facile d’immobiliser son véhicule en toute sécurité si une seule pompe est déconnectée plutôt que si tous les packs de batteries le sont.

Examinons de plus près ce qui se passe.

Examinons de plus près ce qui se passe. Le système de contrôle pyrotechnique est assez simple. Si, au bout d’un certain temps, le courant reste supérieur à un certain seuil, le BMS envoie un signal pour déclencher le dispositif pyrotechnique. Cette conception exige que le fusible non seulement saute rapidement, mais qu’il réduise également le courant aussi vite que possible afin que celui-ci repasse sous la valeur seuil.

Fort de plus d’un siècle d’expertise dans le dimensionnement des fusibles, associé au développement d’outils numériques et à trois centres d’essais internes, Mersen est votre partenaire expert idéal.
Chaque application est unique : les profils varient, les conditions environnementales diffèrent et l’espace disponible pour le fusible est de plus en plus restreint. C’est pour répondre à ces attentes que Mersen a développé une gamme de produits performants tant sur le plan technique qu’économique, afin de relever les défis de la mobilité électrique, et en particulier ceux liés aux véhicules lourds.

La grande diversité d’éléments fusibles déjà présents dans le portefeuille de Mersen nous permet de combiner rapidement des composants afin de fournir des premiers prototypes répondant aux défis de nos clients. Avant de livrer ces prototypes, nous aurons mené une phase de validation numérique approfondie afin de vérifier les performances thermiques du fusible dans les conditions d’exploitation du client et d’estimer sa durée de vie. À la suite de ces prototypes, les centres d’essais de MERSEN situés en Chine, en Europe et aux États-Unis prendront le relais pour mener des campagnes d’essais allant de l’atténuation des risques à la qualification complète.