Endurance électrique des contacteurs CC dans les systèmes de stockage d'énergie par batterie haute tension

Un contacteur à courant continu peut fonctionner normalement pendant des milliers de cycles mécaniques dans un environnement de test, mais ce nombre ne dit pas tout.

Dans un système de stockage d'énergie par batterie, le contacteur peut être amené à établir ou à interrompre un circuit à courant continu sous certaines conditions de tension et de courant. Chaque commutation induit une contrainte électrique sur les contacts et le système de protection contre les arcs électriques.

C’est pourquoi l’endurance électrique mérite une attention particulière lors de l’évaluation d’un contacteur CC pour les applications BESS.

La durée de vie mécanique et la durée de vie électrique sont différentes.

L'endurance mécanique fait référence au nombre de fois où un contacteur peut fonctionner physiquement dans des conditions spécifiées.

L'endurance électrique est liée à la commutation d'une charge électrique réelle.

Ces deux chiffres ne doivent pas être considérés comme interchangeables.

Un contacteur peut avoir une longue durée de vie mécanique car son mécanisme peut fonctionner de manière répétée sans supporter de charge électrique importante. Cependant, dès que la tension et le courant sont introduits, la commutation devient plus exigeante.

La durée de vie électrique réelle dépend des conditions d'ouverture et de fermeture des contacts.

Pour les applications BESS, les données d'endurance électrique sont donc plus utiles lorsqu'elles sont évaluées par rapport à la charge de commutation réelle du système.

Le courant de commutation a un effet direct

Le courant traversant un contacteur influe à la fois sur sa température de fonctionnement normale et sur les contraintes subies lors de la commutation.

Lorsqu'un courant est interrompu, l'énergie électrique présente dans le circuit ne disparaît pas simplement. Le contacteur doit contrôler l'arc électrique qui en résulte jusqu'à ce que le circuit soit coupé en toute sécurité.

Un courant plus élevé engendre généralement des conditions de commutation plus exigeantes.

C’est pourquoi il ne faut pas supposer automatiquement qu’un contacteur conçu pour un courant continu particulier aura la même endurance électrique lors de commutations répétées de ce courant.

Il convient de prendre en compte les conditions réelles de formation et de rupture.

La tension continue rend les interruptions plus exigeantes.

Interrompre un courant continu est différent d'interrompre un courant alternatif car le courant ne passe pas naturellement par zéro à chaque cycle.

Une fois les contacts séparés, le contacteur doit contrôler et éteindre l'arc électrique continu.

À mesure que la tension du système augmente, les exigences imposées à la conception de la gestion de l'arc du contacteur deviennent plus contraignantes.

Cela est particulièrement pertinent pour les plateformes BESS haute tension.

Il est donc nécessaire d'évaluer le contacteur en fonction des conditions de tension et de courant qu'il rencontrera réellement lors de la commutation, plutôt que de se fier uniquement à une valeur de courant nominale.

Le profil opérationnel est important

Tous les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) n'utilisent pas leurs contacteurs de la même manière.

Un système peut actionner le contacteur principal principalement lors du démarrage, de l'arrêt et de la maintenance.

Un autre système peut avoir une fréquence de commutation plus élevée en fonction de sa stratégie de contrôle et de son architecture système.

Les événements typiques peuvent inclure :

• Démarrage du système
• Arrêt du système
• connexion de la batterie
• Isolation de la batterie
• Entretien
• Opération liée à la protection

Le nombre de manœuvres de commutation au cours de la durée de vie prévue doit être pris en compte lors de l'évaluation de l'endurance électrique.

Un contacteur destiné à une isolation occasionnelle peut avoir des exigences très différentes de celles d'un contacteur qui est censé commuter de manière répétée en fonctionnement normal.

Résistance de contact et chauffage à long terme

L'endurance électrique ne se résume pas à ce qui se passe lorsque les contacts s'ouvrent.

Lorsque le contacteur reste fermé, le courant circule à travers les contacts et génère de la chaleur en fonction de la résistance des contacts.

Lorsque l'intensité du courant augmente, même une faible résistance peut entraîner une dissipation de puissance notable.

Cela fait de la résistance de contact un paramètre important pour les applications BESS à courant élevé.

La température ambiante, les connexions des bornes, la disposition des conducteurs et la conception du boîtier peuvent également affecter la température finale du contacteur.

Pour un système destiné à fonctionner en continu pendant de longues périodes, ces facteurs doivent être considérés ensemble plutôt que d'examiner isolément le courant nominal du contacteur.

Le port de lentilles de contact peut affecter les performances au fil du temps.

Les commutations électriques répétées peuvent progressivement affecter les surfaces de contact.

Le degré d'usure dépend de facteurs tels que :

• Tension de commutation
• Courant de commutation
• caractéristiques de charge
• Nombre d'opérations
• Durée de l'arc
• Conception de contact

Lorsque les conditions de contact changent, les caractéristiques électriques peuvent également changer.

Pour les applications avec commutations fréquentes, les tests d'endurance électrique dans des conditions de fonctionnement représentatives sont donc précieux pour comparer différentes solutions de contacteurs.

Le rôle des contacteurs dans la protection des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS)

On ne peut pas s'attendre à ce qu'un contacteur CC interrompe tous les courants de défaut dans le circuit de la batterie.

Dans un système BESS haute tension typique, le contacteur et le fusible ont des fonctions différentes.

Le contacteur assure une commutation et une isolation contrôlées, tandis qu'un fusible CC correctement sélectionné peut interrompre les courants de défaut au-delà de la capacité de commutation prévue du contacteur.

Cette distinction est importante lorsqu'on considère l'endurance électrique.

Si le contacteur est exposé de manière répétée à des conditions de défaut dépassant son fonctionnement prévu, ses contacts peuvent subir des contraintes électriques inutiles.

Le système de protection doit donc être coordonné de manière à ce que chaque composant fonctionne conformément à son rôle prévu.

Fréquence de contrôle et de commutation du BMS

Le BMS ou contrôleur système détermine quand le contacteur est mis en marche.

Cela signifie que l'endurance du contacteur est en partie liée à la stratégie de contrôle du système de batterie.

Des commutations fréquentes et inutiles peuvent augmenter le nombre de manœuvres électriques pendant la durée de vie du contacteur.

En revanche, une stratégie de commande qui maintient un contacteur fermé en fonctionnement normal et ne l'active que lorsque l'isolation est requise peut entraîner un cycle de service très différent.

Le contacteur doit donc être évalué en tenant compte de la logique de commande attendue plutôt qu'indépendamment du système de gestion technique du bâtiment (GTB).

L'opération de précharge reste importante

Les circuits de précharge sont couramment utilisés pour limiter le courant d'appel lorsqu'un bus CC d'un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) est connecté à des charges capacitives en aval.

La séquence de précharge peut influencer les conditions électriques subies par le contacteur principal.

Une séquence correctement contrôlée peut réduire le stress associé au raccordement du circuit principal CC.

Cela ne signifie pas que la précharge élimine toute contrainte de commutation. La tension, le courant, la synchronisation et les conditions réelles du circuit doivent toujours être évalués.

C’est pourquoi les caractéristiques électriques du contacteur doivent être prises en compte conjointement avec la stratégie complète de précharge et de commande du circuit principal.

Les conditions d'installation peuvent influencer la durabilité.

Les performances électriques du contacteur sont également affectées par son environnement d'installation.

Un contacteur installé à l'intérieur d'un boîtier haute tension compact peut être soumis à des températures ambiantes plus élevées que le même appareil fonctionnant dans un environnement plus ouvert.

Les connexions des bornes et la disposition des conducteurs peuvent également affecter la génération de chaleur.

Ces conditions sont importantes car un stress thermique prolongé peut influencer les performances à long terme des composants électriques.

Le contacteur doit donc être évalué dans des conditions qui représentent raisonnablement l'installation finale du système de stockage d'énergie par batterie (BESS).

Comment évaluer l'endurance électrique

Pour un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) haute tension, plusieurs questions sont utiles lors de l'évaluation d'un contacteur CC :

1. Quelle est la tension de fonctionnement maximale ?
2. Quelle est l'intensité du courant continu normal ?
3. Quel courant sera présent lors de la commutation ?
4. À quelle fréquence le contacteur fonctionnera-t-il ?
5. Quelles sont les conditions de réussite et de rupture prévues ?
6. Quelle est la durée de vie électrique spécifiée pour ces conditions ?
7. Quelle est la résistance de contact ?
8. Comment la température affecte-t-elle le fonctionnement en continu ?
9. Comment le contacteur est-il coordonné avec le fusible CC ?
10. La stratégie de contrôle génère-t-elle des opérations de commutation inutiles ?

Les réponses offrent une image beaucoup plus claire qu'un simple chiffre de durée de vie mécanique.

Choix du cycle de service réel

Il n'existe pas de spécification de contacteur unique qui convienne à tous les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS).

Un contacteur utilisé dans un système de batterie résidentiel peut avoir un profil de commutation différent de celui installé dans un système de stockage d'énergie commercial ou industriel de haute puissance.

La tension, le courant, la fréquence de commutation, le comportement de précharge, la coordination des défauts et les conditions thermiques doivent tous être pris en compte.

Le contacteur le plus adapté n'est donc pas nécessairement celui qui possède le courant nominal le plus élevé ou la durée de vie mécanique la plus longue.

Il s'agit de celle dont les caractéristiques électriques correspondent au cycle de service réel du système de batterie.

L'endurance électrique contribue à la fiabilité à long terme des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS).

Étant donné que les systèmes BESS doivent fonctionner de manière fiable sur de longues périodes de service, les composants de commutation à l'intérieur du circuit haute tension doivent être évalués selon des critères allant au-delà de leurs seules caractéristiques électriques de base.

Pour les contacteurs CC, l'endurance électrique relie plusieurs aspects de l'application : tension de commutation, courant, fréquence de fonctionnement, résistance de contact, conditions thermiques et coordination avec le système de protection.

L'analyse conjointe de ces facteurs offre aux ingénieurs une base plus réaliste pour évaluer la fiabilité des contacteurs.

Pour les systèmes de stockage d'énergie par batterie haute tension, la compréhension du fonctionnement électrique réel d'un contacteur CC est une étape importante vers une commutation et une isolation fiables tout au long de la durée de vie du système.