Surveillance de la température des batteries dans les systèmes de stockage d'énergie par batterie : des points de détection à la protection du système

La surveillance de la température est une fonction de base dans un système de stockage d'énergie par batterie, mais la valeur de la mesure dépend fortement de l'endroit où la température est mesurée et de la manière dont les données sont utilisées.

Dans un système de stockage d'énergie par batterie (BESS), la chaleur ne provient pas uniquement des cellules de la batterie. Les connexions conductrices, les barres omnibus, les contacteurs, les fusibles, les câbles et autres composants électriques peuvent également devenir des sources de chaleur locales. Une mesure de température effectuée à un seul endroit ne donne donc qu'une vision partielle de la situation.

Pour les supports de batteries et les systèmes électriques haute tension, la surveillance de la température doit être envisagée dans le cadre d'une architecture de surveillance et de protection plus large.

Où faut-il mesurer la température ?

Il n'existe pas de point de température unique qui puisse représenter l'état de l'ensemble d'un rack de batteries.

Les différentes parties du système peuvent être soumises à des conditions thermiques différentes.

Au niveau de la batterie, la surveillance de la température peut se concentrer sur les cellules ou les modules, car la température de la batterie influe sur la charge, la décharge et les conditions de fonctionnement générales.

Au niveau électrique, d'autres points peuvent également mériter une attention particulière :

• Connexions de barres omnibus

• bornes de câble

• Points de connexion à courant élevé

• contacteurs CC

• points d'installation des fusibles

• Autres composants à l'intérieur du support de batterie ou du boîtier électrique

Ces emplacements ne présentent pas nécessairement le même comportement thermique que les cellules de la batterie.

Un rack peut donc avoir une température moyenne normale alors qu'un point de connexion particulier est nettement plus chaud que la zone environnante.

C’est l’une des raisons pour lesquelles l’emplacement du capteur est aussi important que le capteur lui-même.

Un point chaud peut être plus important qu'une température moyenne

La surveillance thermique des batteries est parfois considérée principalement comme un moyen de détecter une augmentation générale de la température.

Pour la protection du système, l'emplacement de l'élévation de température peut toutefois être tout aussi important.

Une augmentation localisée peut être associée à :

• résistance de contact accrue

• Une connexion lâche ou dégradée

• Concentration de courant élevée

• Mauvaise dissipation de chaleur

• Chargement anormal

• Vieillissement des composants

Un capteur de température installé au niveau d'une connexion électrique appropriée peut donc fournir des informations qui ne seraient pas visibles lors d'une mesure générale de la température ambiante.

Ceci est particulièrement pertinent dans les conceptions compactes de systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) où les composants à courant élevé sont installés à proximité les uns des autres.

L'objectif n'est pas de placer des capteurs partout, mais d'identifier les points où les données de température peuvent fournir des informations utiles sur l'état de la batterie et du système électrique.

La température de la batterie et la température électrique sont des mesures différentes.

La température de la batterie et la température des composants électriques ne doivent pas être automatiquement considérées comme identiques.

Une cellule de batterie peut fonctionner dans sa plage de température prévue tandis qu'une borne de câble ou une connexion de barre omnibus subit un échauffement local anormal.

L'inverse est également possible. Un module de batterie peut subir une augmentation de température en raison de son état de fonctionnement, tandis que les connexions électriques environnantes restent dans leur plage normale.

Cette distinction est importante lorsque des données de température sont utilisées pour prendre des décisions en matière de protection.

Le système de surveillance doit savoir ce que représente chaque mesure au lieu de considérer toutes les valeurs de température comme interchangeables.

C’est pourquoi l’emplacement physique de chaque point de détection doit être pris en compte lors de la définition de l’architecture de surveillance.

Des données des capteurs aux décisions du système de gestion technique du bâtiment

La mesure de la température devient plus utile lorsqu'elle est connectée au système de gestion technique du bâtiment (GTB) et au système de contrôle global.

Un BMS peut utiliser les informations de température ainsi que d'autres paramètres de la batterie tels que la tension des cellules, la tension du pack et le courant de charge/décharge pour déterminer si la batterie fonctionne dans ses limites définies.

La température peut influencer plusieurs décisions, notamment :

• Il convient de poursuivre la charge ou la décharge.

• Faut-il limiter le courant ?

• Faut-il déterminer si une situation anormale doit déclencher une alarme ?

• Si un seuil de protection a été atteint

• Si la batterie doit passer dans un état de fonctionnement différent

L'important est que le capteur ne prenne pas la décision de protection de lui-même.

Le capteur effectue la mesure. Le système de gestion technique du bâtiment (GTB) interprète les données conformément à la logique de protection et de contrôle configurée.

Cette distinction devient de plus en plus importante à mesure que les systèmes de batteries utilisent davantage de points de surveillance et des informations de fonctionnement plus détaillées.

Les différences de température peuvent également contenir des informations utiles.

La température absolue n'est pas toujours la seule valeur utile.

La différence entre les points de détection peut fournir des informations supplémentaires sur l'état du système de batterie.

Par exemple, si plusieurs sections de batterie comparables fonctionnent dans des conditions similaires, mais qu'un emplacement présente une différence de température persistante, cette variation peut justifier une enquête plus approfondie.

Le même principe peut s'appliquer aux points de connexion électrique.

Une valeur de température isolée peut sembler acceptable, tandis qu'une comparaison entre plusieurs points peut révéler une anomalie.

Cela rend la surveillance multipoints de la température utile non seulement pour la protection, mais aussi pour la surveillance de l'état et la maintenance.

La qualité de l'architecture de surveillance dépend donc à la fois des performances des capteurs et de la manière dont les données collectées sont interprétées.

Surveillance de température filaire et sans fil

Le choix entre la détection filaire et sans fil dépend de la structure physique du système.

Les capteurs filaires permettent une connexion simple au système de surveillance, mais un plus grand nombre de points de détection peut augmenter les besoins en câblage.

Dans un rack de batteries comportant de nombreux modules et plusieurs points de surveillance, le cheminement des câbles peut devenir un élément de conception pratique à prendre en compte.

La surveillance sans fil de la température permet de réduire la quantité de câblage nécessaire entre les points de mesure et le système d'acquisition de données. Ceci s'avère utile lorsque l'espace d'installation est limité ou lorsque les points de surveillance sont répartis sur une infrastructure électrique étendue.

La détection sans fil peut également s'avérer pertinente lorsque la surveillance est nécessaire à des endroits tels que les barres omnibus, les connexions de câbles ou d'autres interfaces électriques où l'ajout de câblage supplémentaire est peu pratique.

Le choix doit néanmoins se fonder sur l'ensemble des exigences du système, notamment la méthode de communication, l'environnement d'installation, la précision de mesure, l'alimentation électrique et les exigences de maintenance.

Surveillance de la température au-delà de la cellule de la batterie

À mesure que les architectures électriques des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) deviennent plus compactes, la surveillance de la température ne s'arrête pas nécessairement au module de batterie.

Le circuit électrique autour de la batterie peut également contenir d'importantes informations thermiques.

Par exemple, une connexion à courant élevé peut subir un échauffement supplémentaire dû à la résistance de contact. Un fusible peut fonctionner dans un boîtier où la température locale diffère sensiblement de la température ambiante extérieure. Un contacteur peut également être soumis à ses propres conditions thermiques en fonction du courant continu et de son environnement d'installation.

Ces mesures peuvent aider les ingénieurs à faire la distinction entre un problème thermique lié à la batterie et un problème associé au circuit électrique.

C’est également pourquoi la surveillance de la température et la sélection des composants ne doivent pas être considérées comme des tâches de conception totalement distinctes.

L'environnement thermique autour d'un composant de protection ou de commutation peut affecter sa marge de fonctionnement, tandis que le composant lui-même peut contribuer à l'environnement thermique local.

Le positionnement des capteurs doit respecter l'architecture électrique et thermique.

Il est préférable de considérer l'emplacement des capteurs en même temps que la configuration physique du système de stockage d'énergie par batterie (BESS).

Une approche utile consiste à identifier :

Là où la chaleur est générée → là où la chaleur peut s'accumuler → là où les variations de température peuvent indiquer une condition anormale

Cela peut entraîner des priorités de détection différentes dans différentes parties du système.

Les modules de batterie peuvent nécessiter une surveillance de la température afin de respecter les limites de fonctionnement de la batterie.

Les barres omnibus et les bornes peuvent nécessiter une surveillance car elles transportent un courant élevé.

Les points de connexion méritent une attention particulière car une résistance locale peut créer une chaleur concentrée.

D'autres composants peuvent nécessiter une surveillance lorsque leur température de fonctionnement a une incidence directe sur leur fiabilité ou leurs exigences de protection.

Cette approche est plus utile que d'augmenter simplement le nombre de capteurs.

Plus de données ne signifie pas automatiquement une meilleure surveillance. Les points de détection doivent fournir des informations exploitables.

La surveillance de la température et la protection contre les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) fonctionnent de concert.

La surveillance de la température constitue une couche d'un système de protection plus vaste.

Dans un système de stockage d'énergie par batterie (BESS), la protection électrique peut comprendre des fusibles, des contacteurs CC, une surveillance de l'isolation, une mesure du courant et des fonctions de protection du système de gestion du bâtiment (BMS).

La surveillance de la température constitue une autre source d'information qui peut aider à identifier les conditions de fonctionnement anormales.

Ces fonctions ont des rôles différents.

Un capteur de température détecte une condition physique.

Le BMS évalue cet état ainsi que d'autres informations sur la batterie.

Un système de contrôle peut alors déterminer la réponse appropriée.

Un fusible ou un contacteur, selon l'architecture du système et le type de panne, peut assurer l'isolation physique ou la fonction d'interruption.

Il est important de bien définir ces rôles lors de la conception d'une stratégie de protection complète.

Cela permet également d'éviter une erreur de conception courante : s'attendre à ce qu'un seul dispositif de surveillance ou un seul composant de protection résolve à lui seul un problème au niveau du système.

Les données de température prennent de la valeur avec le temps

Une mesure de température est utile au moment où elle est effectuée, mais les données de température enregistrées peuvent apporter une valeur ajoutée.

Une surveillance continue permet de montrer comment un point particulier se comporte dans différentes conditions de charge et de décharge.

Avec le temps, les ingénieurs pourront peut-être identifier :

• Des hausses de température répétées au même endroit

• Différences entre les sections de la batterie

• Évolution du comportement thermique sous des charges similaires

• Profils de température anormaux

• Conditions qui surviennent avant une panne ou un événement de maintenance

Cela permet de faire évoluer la surveillance de la température au-delà de la simple génération d'alarmes.

Il peut également faciliter les décisions de maintenance en aidant les ingénieurs à identifier les emplacements qui nécessitent une inspection plus approfondie.

Pour les systèmes de batteries plus grands ou plus complexes, ces informations historiques peuvent devenir de plus en plus utiles car les conditions de fonctionnement du système évoluent au cours de sa durée de vie.

Conception de la couche de surveillance en parallèle du rack de batteries

La surveillance de la température est plus efficace lorsqu'elle est prise en compte lors de la conception du rack de batteries plutôt que d'être ajoutée après que l'architecture électrique ait déjà été fixée.

Les modules de batterie, les barres omnibus, les connexions à courant élevé, les composants de protection, le système de refroidissement et les points de détection occupent le même espace physique et interagissent thermiquement.

L'architecture de surveillance doit donc refléter la structure réelle des racks.

Cela est cohérent avec l'approche plus générale de la conception des racks de batteries haute tension : la surveillance des batteries, la gestion thermique, la protection et l'intégration électrique doivent fonctionner ensemble plutôt que d'être traitées comme des tâches séparées.

Pour les développeurs de systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS), la question pratique ne se résume pas à savoir combien de capteurs de température sont nécessaires. Il s'agit plutôt de déterminer quels emplacements doivent être surveillés, quelles informations chaque point fournit et comment ces informations seront utilisées par le système de gestion technique du bâtiment (GTB) ou le contrôleur du système.

C’est là que la détection de température devient partie intégrante de la conception du système plutôt qu’un simple composant supplémentaire installé à l’intérieur du rack.