Comment fonctionne une borne de recharge pour véhicule électrique ? Principe de fonctionnement (AC, DC, sécurité)

Lorsque vous branchez un véhicule électrique au réseau, un processus complexe mais très ordonné se met en route : le véhicule et la borne se reconnaissent, le courant qui peut être prélevé est fixé, les contrôles de sécurité sont effectués, et ce n'est qu'ensuite que l'énergie commence à circuler. Dans cet article, nous expliquons de bout en bout le principe de fonctionnement d'une borne de recharge pour véhicule électrique, de façon technique mais accessible.

En bref : une borne de recharge VE est une interface contrôlée qui transmet en toute sécurité au véhicule l'électricité provenant du réseau. La borne et le véhicule communiquent en permanence ; la borne achemine l'énergie, surveille les circuits de protection et gère l'autorisation. Mais le véritable travail « intelligent » réside dans la façon dont l'énergie est convertie et sécurisée.

Quel est le rôle fondamental d'une borne de recharge ?

Une idée reçue veut que le chargeur « remplisse » directement la batterie. En recharge AC (courant alternatif), la borne est avant tout un interrupteur commandé doublé d'un organe de sécurité : elle transmet la tension du réseau au véhicule, lui indique le courant qu'il peut prélever et coupe le circuit en cas de problème. Le véritable travail de conversion est assuré par un équipement intégré au véhicule. En recharge rapide DC (courant continu), en revanche, l'essentiel de la conversion s'effectue à l'intérieur de la borne.

Une borne de recharge VE remplit donc trois fonctions essentielles : (1) établir une communication sûre avec le véhicule, (2) transférer en toute sécurité une quantité d'énergie adéquate, (3) gérer l'autorisation et, si nécessaire, le pilotage à distance.

Comment le véhicule et la borne communiquent-ils ? (Control Pilot / signal pilote)

Avant que la recharge ne commence, le véhicule et la borne « se parlent ». Sur les prises Type 2 et CCS2, cette communication repose sur le Control Pilot (CP), c'est-à-dire le signal pilote. Par la ligne pilote, la borne et le véhicule confirment qu'ils sont bien reliés et s'accordent sur le nombre d'ampères autorisé.

En résumé, voici comment cela fonctionne : la borne envoie un signal sur la ligne pilote. Lorsque le véhicule est branché, il modifie ce signal pour indiquer des états tels que « connecté » et « prêt à charger ». Par la forme du signal, la borne communique au véhicule la limite de courant maximale ; le véhicule prélève alors une valeur inférieure à cette limite, selon la capacité de son chargeur embarqué. On évite ainsi, dès le départ, de tirer plus de courant que le câble ou la borne ne peuvent supporter.

En recharge rapide DC, une couche de communication numérique plus évoluée vient s'ajouter à cette signalisation de base. Le véhicule et la borne échangent en continu, seconde après seconde, des informations telles que la tension de la batterie, la température, le niveau de charge visé et la demande de courant instantanée. La borne ajuste en temps réel sa tension et son courant de sortie en fonction de ces données.

Détection de proximité (proximity) et identification du câble

Outre le signal pilote, la plupart des systèmes disposent aussi d'un signal de proximité (proximity). Grâce à cette ligne, la borne peut vérifier que le câble est réellement branché et pour quelle limite de courant il est dimensionné. Par exemple, un câble 16A et un câble 32A ne sont pas identifiés de la même façon, et le système fixe la limite en conséquence.

Le chemin AC : la conversion a lieu dans le véhicule (chargeur embarqué)

La plupart des bornes murales (wallbox) installées à domicile et sur le lieu de travail assurent une recharge AC. Le courant alternatif du réseau est acheminé directement jusqu'au véhicule par le câble. Or la batterie du véhicule se charge en courant continu (DC). C'est là qu'intervient le « chargeur embarqué » (onboard charger), l'unité de recharge intégrée au véhicule : il convertit le courant AC entrant en DC et alimente la batterie sous la tension adéquate.

C'est pourquoi la vitesse maximale de la recharge AC est le plus souvent fixée non par la borne, mais par la capacité du chargeur embarqué du véhicule. Par exemple, même si la borne peut délivrer 22 kW, un véhicule dont le chargeur embarqué est limité à 11 kW se rechargera en pratique à 11 kW. En recharge AC, selon que le raccordement est monophasé (une phase) ou triphasé (trois phases), la puissance peut aller de 7,4 kW à 22 kW.

Les wallbox AC de Bemis E-V Charge (3,7–22 kW, Type 2) et les câbles de recharge Type 2 fonctionnent précisément selon ce chemin AC : la borne achemine l'énergie AC de manière sûre et contrôlée, et c'est le véhicule qui se charge de la conversion.

Le chemin DC : la conversion a lieu dans la borne (recharge rapide)

En recharge rapide DC, la logique s'inverse. Pour ne pas être bridé par la puissance limitée du chargeur embarqué, le travail de conversion est déplacé hors du véhicule, dans la borne. Dans les bornes de recharge rapide DC, comme les unités CCS2, de puissants convertisseurs (redresseurs / modules de puissance) intégrés à la borne transforment le courant AC du réseau en courant DC de forte puissance et le délivrent directement à la batterie.

Le chargeur embarqué étant mis hors circuit, la recharge DC permet d'atteindre des puissances bien plus élevées ; c'est pourquoi on parle de « recharge rapide » pour les bornes DC. Le véhicule indique en permanence à la borne « je veux telle tension et tel courant » ; la borne répond à cette demande grâce à ses propres modules de puissance et ajuste sa sortie selon l'état instantané de la batterie.

• Recharge AC : la borne achemine du courant AC, et la conversion est assurée par le chargeur embarqué du véhicule. La limite de puissance est généralement fixée par le véhicule.
• Recharge DC : les convertisseurs intégrés à la borne transforment l'AC en DC et le délivrent directement à la batterie. Une puissance bien plus élevée est possible.
• Type 2 : la prise standard de recharge AC en Turquie et en Europe.
• CCS2 : le standard de recharge rapide DC en Turquie et en Europe ; il fonctionne grâce à deux broches DC ajoutées sous la prise Type 2.
• Le kW mesure la puissance (la vitesse), le kWh mesure l'énergie (la quantité stockée ou transférée).

En recharge AC, la conversion est assurée par le chargeur embarqué du véhicule ; en recharge DC, c'est la borne qui s'en charge. Dans tous les cas, la mission essentielle de la borne est de transférer l'énergie de manière sûre et contrôlée.

Comment la sécurité est-elle assurée ? (Protection, mise à la terre, verrouillage de la prise)

La recharge mettant en jeu des puissances élevées, la sécurité est l'élément le plus critique d'une borne de recharge VE. Son principe de fonctionnement intègre plusieurs niveaux de protection.

La protection différentielle coupe instantanément l'alimentation dès qu'une fuite de courant indésirable (par exemple un défaut d'isolement) est détectée dans le circuit, ce qui prévient le risque d'électrocution. La mise à la terre offre au courant de fuite un chemin sûr en cas de défaut et empêche des surfaces comme le boîtier de se retrouver sous tension. La borne surveille également les situations de surintensité et de surchauffe ; si une anomalie est détectée, elle interrompt la recharge.

Le verrouillage de la prise fait lui aussi partie de la sécurité : pendant la recharge, la fiche est verrouillée par la borne ou par le véhicule. On évite ainsi que le câble soit retiré par inadvertance pendant que l'énergie circule ; le verrou ne s'ouvre pas tant que la recharge n'a pas été arrêtée en toute sécurité. Côté robustesse physique, l'indice de protection IP65–IP66 indique que l'appareil est adapté aux conditions extérieures, face à la poussière et à l'eau ; le marquage CE, lui, indique que le produit répond aux exigences européennes de conformité applicables.

Que surveille la borne en permanence pendant la recharge ?

• La continuité de la liaison avec le véhicule, via le signal pilote
• Le respect de la limite de courant convenue
• L'absence de courant de fuite, de court-circuit ou de défaut de mise à la terre
• Les températures (fiche, câble, modules de puissance)
• Le maintien du verrouillage de la prise pendant toute la recharge

Autorisation : qui lance la recharge ? (RFID / application / OCPP)

À domicile, la plupart des wallbox peuvent démarrer la recharge dès que le véhicule est branché. Dans les parties communes, sur le lieu de travail et sur les bornes publiques, en revanche, on souhaite que seules des personnes autorisées puissent lancer la recharge. Les méthodes les plus courantes sont la carte RFID et l'application mobile : l'utilisateur présente sa carte ou démarre la session depuis l'application, la borne vérifie l'autorisation, puis permet à l'énergie de circuler.

C'est ici qu'intervient l'OCPP. Les modèles compatibles OCPP permettent de raccorder la borne à un système central de gestion (CSMS). L'autorisation, le démarrage/arrêt à distance, le suivi de l'utilisation et la mesure de l'énergie peuvent ainsi être gérés de manière centralisée. C'est particulièrement important sur les lieux de travail et pour les flottes, où plusieurs bornes sont exploitées.

Si vous souhaitez approfondir l'OCPP et les notions qui l'entourent, nous avons également publié un guide dédié qui explique à quoi sert ce protocole.

Les étapes d'une session de recharge

La meilleure façon de résumer le principe de fonctionnement est de suivre le déroulement d'une session de recharge du début à la fin. Une session type passe par les étapes suivantes :

• 1) Connexion : le câble est branché au véhicule et à la borne ; la connexion est détectée grâce au signal de proximité.
• 2) Identification et accord : via le signal pilote, le véhicule et la borne se reconnaissent, et la limite de courant maximale est fixée.
• 3) Autorisation : si nécessaire, la session est autorisée par carte RFID ou via l'application.
• 4) Verrouillage et contrôle : la prise est verrouillée et les contrôles de sécurité (courant de fuite, mise à la terre, température) sont menés à bien.
• 5) Transfert d'énergie : sur le chemin AC, c'est le chargeur embarqué du véhicule qui charge la batterie ; sur le chemin DC, ce sont les convertisseurs de la borne.
• 6) Gestion : la borne surveille le courant en permanence ; à mesure que la batterie se remplit, elle réduit progressivement la puissance.
• 7) Fin de session : une fois l'objectif atteint ou lorsque l'utilisateur arrête la recharge, l'énergie est coupée, le verrou s'ouvre et le câble peut être retiré en toute sécurité.

Pourquoi la recharge ralentit-elle au-delà de 80 % ? (Taper / réduction progressive)

En recharge rapide DC surtout, vous remarquerez que la vitesse de charge chute nettement une fois que la batterie a atteint un certain niveau, souvent autour de 80 %. C'est ce qu'on appelle le « taper », c'est-à-dire une réduction progressive : il ne s'agit pas d'une panne, mais d'un comportement de protection volontaire.

À mesure qu'elle se remplit, une batterie ne peut plus accepter un courant élevé en toute sécurité ; pour éviter la surchauffe et une usure prématurée des cellules, le véhicule demande de moins en moins de courant à la borne, qui abaisse sa puissance de sortie en conséquence. C'est pourquoi, en recharge rapide, la plage la plus efficace va généralement d'un faible niveau de charge jusqu'à 80 % ; les derniers 20 % peuvent prendre un temps disproportionné. En recharge AC, les puissances étant déjà plus faibles, ce ralentissement est souvent moins marqué.

En résumé : que fait réellement une borne de recharge ?

Une borne de recharge VE est un appareil commandé qui communique avec le véhicule, achemine l'énergie en toute sécurité et, si nécessaire, gère l'autorisation et peut être pilotée à distance. Sur les modèles AC, c'est le véhicule qui assure la conversion ; sur les modèles DC, c'est la borne. Mais dans tous les cas, la sécurité (protection différentielle, mise à la terre, verrouillage de la prise) et une communication fiable (signal pilote) sont au cœur du principe de fonctionnement.

Bemis E-V Charge fabrique dans sa propre usine de Bursa (Turquie) tous les maillons de ce principe de fonctionnement : wallbox AC, chargeurs portables, câbles Type 2, adaptateurs V2L/C2L et bornes de recharge rapide DC CCS2. Grâce à des modèles conformes CE et IP65–IP66, et à des modèles compatibles OCPP, la marque propose des produits aussi bien pour les particuliers que pour les professionnels.