Conception du bus CC des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) : Gestion du flux de puissance entre les systèmes de batteries et les PCS

Dans un système de stockage d'énergie par batterie, l'énergie ne passe pas simplement de la batterie directement au PCS.

Un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) de grande taille peut comporter plusieurs groupes de batteries ou baies de batteries fonctionnant au sein d'une architecture électrique commune. Ces groupes doivent être connectés de manière à permettre la circulation de l'énergie de charge et de décharge entre le système de batteries et le système de commutation (PCS), tout en maintenant une distribution de courant contrôlée et des limites électriques clairement définies.

C'est là que le bus CC devient important.

Le bus CC assure un chemin électrique commun pour agréger l'énergie provenant de plusieurs batteries et la transférer vers le système de commutation. Pendant la charge, ce même chemin transporte l'énergie en sens inverse, du système de commutation vers les batteries.

À mesure que la puissance des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) augmente, le bus CC ne se limite plus à la simple connexion entre deux équipements. Son agencement électrique peut influer sur la distribution du courant, la chute de tension, le comportement en cas de défaut, l'isolation et l'interaction des différentes branches de la batterie avec le système de commutation.

Où le bus CC s'intègre-t-il dans un système BESS ?

Un chemin d'alimentation simplifié d'un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) peut être représenté comme suit :

Systèmes de batteries → Connexions CC → Bus CC → PCS → Système CA

Du côté de la charge, le sens est inversé :

Système CA → PCS → Bus CC → Systèmes de batteries

L'architecture réelle varie en fonction de la capacité du système, de la configuration de la batterie, de la topologie du PCS et de l'approche d'intégration.

Un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) peut utiliser un bus CC centralisé, plusieurs sections de bus, des branches de batterie séparées ou une configuration plus modulaire. L'objectif reste le même : assurer une interface électrique contrôlée entre le système de stockage d'énergie par batterie et le système de contrôle de puissance (PCS).

Le bus CC se situe donc entre les chemins d'alimentation individuels des batteries et l'étage de conversion commun.

Cette position lui confère plusieurs fonctions :

• Agrégation du courant provenant de plusieurs branches de batterie
• Distribution du courant de charge aux branches individuelles de la batterie
• Fournir des points de connexion définis pour les systèmes de batteries
• Établissement de zones d'isolation électrique
• Protection au niveau du système
• Raccordement du circuit d'alimentation côté batterie au PCS

La conception devient d'autant plus importante que le nombre de branches de batteries en parallèle augmente.

Pourquoi la présence de plusieurs branches de batterie modifie la conception

Une seule branche de batterie possède un chemin d'alimentation relativement simple.

Lorsque plusieurs branches sont connectées en parallèle, le bus CC doit supporter le courant combiné et fournir un chemin électrique approprié à chaque branche.

Par exemple, si quatre branches de batterie fournissent chacune 250 A dans des conditions de fonctionnement particulières, la section commune du bus CC peut devoir supporter environ 1 000 A.

Le courant réel dépendra de l'état de fonctionnement du système de batteries, de la stratégie de contrôle, de l'impédance des branches et d'autres conditions du système. Toutefois, cet exemple illustre un point important :

La capacité de courant d'une section de bus commune ne peut pas être déterminée simplement à partir de la capacité d'une seule branche de batterie.

Différentes sections du bus peuvent également transporter des courants différents.

Une connexion de branchement ne peut transporter que le courant associé à un seul système de batterie, tandis que la section de bus principale plus proche du PCS peut transporter le courant combiné de plusieurs branches.

Cela crée des exigences électriques différentes à différents points d'un même bus CC.

Répartition du courant sur le bus CC

La distribution du courant est l'un des éléments centraux à prendre en compte dans la conception du bus CC des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS).

Idéalement, les branches de batteries en parallèle devraient partager le courant de manière contrôlée et prévisible.

En pratique, le partage actuel peut être affecté par :

• résistance du câble ou de la barre omnibus
• résistance de connexion
• longueur de branche
• résistance de contact
• différences de tension de la batterie
• Température de fonctionnement
• Différences SOC
• Impédance électrique
• Contrôler le comportement

Si une branche présente une impédance électrique plus faible qu'une autre, elle peut transporter une plus grande partie du courant.

Cela peut créer une charge thermique inégale et entraîner un fonctionnement de certaines branches plus proche de leurs limites, tandis que d'autres branches sont moins chargées.

La conception du bus CC doit donc prendre en compte plus que le courant total.

La disposition physique des connexions de dérivation, la longueur des conducteurs et les points de connexion peuvent également influencer la façon dont le courant est distribué.

Segmentation des bus et points de connexion

À mesure que les systèmes BESS s'agrandissent, un bus CC unique et ininterrompu n'est pas toujours la solution la plus pratique.

La segmentation des bus permet de définir clairement les sections électriques au sein du système.

Selon l'architecture, un bus segmenté peut permettre aux ingénieurs de séparer :

• groupes de branche de batterie
• sections de connexion PCS
• zones d'entretien
• Zones de protection
• Points d'isolation

Cela peut simplifier la gestion de l'architecture électrique lorsque le système comporte plusieurs branches de batteries.

Par exemple, si une branche particulière de la batterie doit être isolée pour maintenance, la conception électrique doit permettre la déconnexion de cette branche sans interrompre inutilement d'autres parties du système de stockage d'énergie par batterie (BESS).

La configuration exacte dépend de l'architecture du système et des exigences de fonctionnement, mais des points de connexion et d'isolation clairement définis sont importants lors de la conception d'un chemin d'alimentation CC évolutif.

Gestion de la chute de tension le long du bus CC

La chute de tension devient de plus en plus importante à mesure que le courant et la longueur du conducteur augmentent.

Une relation simplifiée est :

Vdrop = I × R

où I est le courant qui circule dans le conducteur et R est sa résistance électrique.

Dans un système de stockage d'énergie par batterie (BESS), la résistance est influencée par le matériau conducteur, la section transversale, la longueur, les points de connexion et la température.

Un bus CC à courant élevé doit donc maintenir un équilibre approprié entre performances électriques, dimensions physiques, comportement thermique et exigences d'installation.

La chute de tension n'affecte pas seulement le bus principal.

Les connexions entre les différentes branches de la batterie et le bus commun peuvent également contribuer à la différence de tension totale perçue par le PCS.

Pour un système comportant plusieurs branches parallèles, la conception doit donc prendre en compte le chemin CC complet plutôt que d'évaluer le bus principal de manière isolée.

L'interface bus CC et PCS

La connexion entre le bus CC et le PCS est l'un des points les plus importants du circuit d'alimentation du BESS.

Le PCS doit fonctionner dans une plage de tension et de courant continu définie. Parallèlement, la tension du système de batterie varie pendant la charge et la décharge.

Cela signifie que le bus CC et ses connexions électriques associées doivent pouvoir s'adapter à la plage de fonctionnement réelle du système de batterie au lieu de se fier uniquement à une valeur de tension nominale.

L'interface PCS doit également prendre en charge le flux d'énergie bidirectionnel.

Lors de la sortie :

Batterie → Bus CC → PCS → Sortie CA

Pendant la charge :

Entrée CA → PCS → Bus CC → Batterie

Le bus doit donc supporter le courant dans les deux sens dans les conditions de fonctionnement concernées.

Cela diffère de la conception d'un simple circuit d'alimentation CC unidirectionnel.

Zones de protection autour du bus CC

Le bus CC influence également la manière dont la protection est organisée au sein d'un système de stockage d'énergie par batterie (BESS).

La protection doit être coordonnée avec la structure physique et électrique du système.

Une branche de batterie peut nécessiter une protection à proximité de son point de connexion, tandis que le bus commun et l'interface PCS peuvent avoir des exigences de protection différentes.

Cela crée plusieurs zones de protection au lieu de traiter l'ensemble du circuit CC comme une seule section électrique.

La conception devra peut-être tenir compte des éléments suivants :

• Contribution du courant de défaut provenant des branches individuelles de la batterie
• Courant de défaut sur le bus CC commun
• Emplacement des dispositifs de protection
• Isolation entre les branches
• Coordination de la protection
• exigences d'interruption du courant continu
• Temps de résolution des défauts

L'objectif n'est pas simplement d'ajouter des dispositifs de protection au système.

La protection doit correspondre aux chemins de courant réels et aux limites de défaut créées par l'architecture CC.

Cela devient particulièrement important lorsque plusieurs branches de batterie sont connectées au même bus.

Commutation et isolation côté courant continu

Un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) évolutif nécessite des méthodes contrôlées pour connecter et déconnecter les circuits d'alimentation des batteries.

Des dispositifs de commutation peuvent être utilisés à des points définis pour assurer le fonctionnement normal, la maintenance et l'isolation des pannes.

Par exemple, une branche de batterie peut devoir rester isolée électriquement tandis qu'une autre branche continue de fonctionner.

Les exigences de commutation dépendent de l'emplacement de l'appareil et de son mode de fonctionnement.

Un dispositif utilisé pour la connexion contrôlée d'une branche de batterie peut être soumis à des conditions différentes de celles d'un dispositif utilisé dans un circuit d'alimentation CC principal.

C’est pourquoi les composants de commutation doivent être considérés comme faisant partie intégrante de l’architecture globale du bus CC plutôt que comme des sélections matérielles indépendantes.

La tension, le courant, les caractéristiques de charge et la fréquence de commutation doivent tous correspondre à l'application réelle.

Considérations thermiques pour les sections de bus à courant élevé

Les pertes électriques dans un bus CC génèrent de la chaleur.

À mesure que l'intensité du courant augmente, les pertes par effet Joule deviennent de plus en plus importantes :

P = I²R

Cela signifie qu'une augmentation relativement faible du courant peut entraîner une augmentation plus importante des pertes par effet Joule lorsque la résistance reste constante.

Pour les applications BESS haute puissance, la conception thermique doit donc couvrir non seulement le conducteur principal du bus, mais aussi les points de connexion et les interfaces.

Les domaines qui méritent une attention particulière sont les suivants :

• Section transversale de la barre omnibus ou du conducteur
• résistance de connexion
• température terminale
• Flux d'air à l'intérieur de l'enceinte
• Température ambiante
• courant de fonctionnement continu
• Courant de crête
• Augmentation de la température au niveau des articulations

Les points de connexion peuvent être particulièrement importants car une légère augmentation de la résistance de contact peut produire un échauffement localisé supplémentaire sous courant élevé.

Le bus CC doit donc être considéré comme un chemin de courant complet et non simplement comme un morceau de matériau conducteur.

Conception pour l'extension modulaire des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS)

La modularité revêt une importance croissante dans la conception des systèmes BESS.

Une architecture modulaire permet d'intégrer une capacité de batterie ou une capacité de conversion de puissance supplémentaires sans avoir à repenser l'ensemble du système.

Le bus CC doit prendre en compte cette possibilité dès le départ.

Une conception évolutive peut définir :

• Points de connexion réservés
• Capacité de bus pour les lignes supplémentaires
• Limites d'isolement
• Zones de protection
• capacité d'interface PCS
• Un espace physique pour les connexions futures

Cela ne signifie pas que chaque système doit être conçu pour une extension future.

Toutefois, lorsque l'extension fait partie des exigences du projet, le bus CC doit être pris en compte dès le début plutôt que d'être ajouté une fois l'architecture électrique principale déjà fixée.

Éléments à vérifier par les ingénieurs lors de la conception d'un bus CC pour système de stockage d'énergie par batterie (BESS)

Les principales questions de conception peuvent être regroupées en plusieurs domaines.

Ces facteurs doivent être évalués conjointement.

Par exemple, l'augmentation du nombre de branches de batterie affecte non seulement le courant total, mais aussi la structure du bus, les zones de protection, la charge thermique et le nombre de points de connexion et d'isolation.

Vue systémique du flux de puissance CC des systèmes de stockage d'énergie par batterie

Le bus CC est parfois considéré comme une simple connexion entre les batteries et le PCS.

À des niveaux de puissance système plus élevés, cette approche n'est plus suffisante.

Le bus détermine comment plusieurs branches de batterie se rejoignent, comment le courant est distribué, où les sections électriques peuvent être isolées et comment le côté batterie interagit avec le PCS.

Un bus CC bien conçu doit donc répondre à quatre exigences de base :

Flux de puissance contrôlé
L'énergie doit circuler efficacement entre les branches de la batterie et le PCS, aussi bien en conditions de charge que de décharge.

Distribution prévisible du courant
Les branches parallèles doivent fonctionner dans leurs limites électriques et thermiques prévues.

Protection et isolement définis
Les pannes et les activités de maintenance doivent pouvoir être gérées au sein de sections électriques clairement définies.

Architecture système évolutive
L'architecture du bus doit correspondre à la configuration actuelle du système et, le cas échéant, permettre une extension pratique.

Pour les concepteurs de systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS), ces considérations deviennent de plus en plus importantes à mesure que les systèmes de batteries utilisent davantage de branches parallèles et des niveaux de puissance plus élevés.

Le bus CC n'est pas simplement le chemin conducteur entre deux composants principaux. Il fait partie de l'architecture du système qui relie l'alimentation par batterie, la protection, la commutation et la conversion de puissance en un seul chemin électrique contrôlé.