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Considérations relatives au choix des contacteurs CC dans les applications BESS haute tension
Les contacteurs CC sont largement utilisés dans les systèmes de stockage d'énergie par batterie pour connecter et déconnecter des circuits CC haute tension dans des conditions contrôlées.
Dans un système de stockage d'énergie par batterie (BESS), un contacteur peut être intégré au pack de batteries, au boîtier haute tension, au rack de batteries ou au circuit principal CC. Bien que son fonctionnement de base soit simple, les conditions électriques environnantes peuvent varier considérablement d'un système à l'autre.
Le processus de sélection implique donc plus que la simple correspondance entre la tension et l'intensité nominales du contacteur et les spécifications du système.
Le courant continu, les conditions de commutation, l'endurance électrique, les exigences en cas de défaut, la température et les caractéristiques de la charge connectée peuvent tous influencer la pertinence d'un contacteur CC particulier pour une application BESS haute tension.
Commencez par la tension réelle du système CC
La première condition est de confirmer la tension maximale que le contacteur subira dans l'application.
Cela devrait se baser sur les conditions réelles du système CC plutôt que sur la seule tension nominale de la batterie.
En fonction de la configuration et de l'état de fonctionnement de la batterie, la tension peut varier pendant la charge et la décharge. Il convient donc de tenir compte de la tension maximale admissible lors du choix du contacteur.
Les ingénieurs doivent évaluer :
- Tension de fonctionnement maximale
- configuration de la chaîne de batteries
- Tension de charge
- Transitoires de tension attendus
- exigences d'isolation
- marges de sécurité applicables
La tension nominale CC du contacteur doit être adaptée à toute la plage de fonctionnement du système.
Ceci est particulièrement important dans les applications BESS haute tension, où les performances d'interruption deviennent plus exigeantes à mesure que la tension CC augmente.
Le courant continu ne représente qu'une partie de la valeur nominale.
Un contacteur à courant continu doit pouvoir supporter le courant prévu en fonctionnement normal sans dépasser ses limites thermiques.
Cependant, le courant continu maximal n'est pas toujours la seule valeur de courant qui compte.
Un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) peut être soumis à différentes conditions de courant pendant :
- Charge normale
- Décharge normale
- Fonctionnement à puissance maximale
- surcharge temporaire
- Événements de précharge et de commutation
- Démarrage et arrêt du système
Le contacteur doit donc être évalué en fonction du profil de fonctionnement attendu.
Un système qui transporte un courant modéré la plupart du temps, mais qui subit fréquemment des fonctionnements à courant élevé, peut imposer des exigences différentes au contacteur par rapport à un système fonctionnant à un courant continu stable.
La résistance de contact et l'élévation de température aux bornes sont également importantes car elles influencent la génération de chaleur pendant de longues périodes de fonctionnement.
Considérons les conditions de commutation réelles
Le courant transporté par un contacteur et le courant interrompu par un contacteur ne sont pas toujours identiques.
Cette distinction est importante dans les applications en courant continu.
Certains contacteurs peuvent être principalement nécessaires pour la connexion et la déconnexion contrôlées dans des conditions de fonctionnement normales, tandis que d'autres peuvent être soumis à des opérations de commutation plus exigeantes.
L'application doit donc définir :
- Tension de commutation attendue
- Courant de commutation attendu
- Faire le courant
- Courant de coupure
- Fréquence de commutation
- caractéristiques de charge
La commutation d'un circuit faiblement chargé est différente de l'interruption du courant dans un circuit CC de forte puissance.
Les performances du contacteur doivent être vérifiées en fonction du cycle de commutation réel et non uniquement en fonction de son courant nominal continu.
La résistance électrique doit être adaptée à l'application.
Le nombre de cycles de commutation peut affecter l'usure des contacts et la durée de vie globale.
Un contacteur utilisé uniquement pour l'isolation occasionnelle d'un système peut avoir un profil de fonctionnement très différent de celui d'un contacteur utilisé fréquemment lors du contrôle quotidien de la charge et de la décharge.
L'endurance électrique doit donc être considérée conjointement avec :
- Courant de commutation
- Tension de commutation
- Nombre d'opérations
- Type de charge
- Durée de vie requise
Les données d'endurance électrique sont généralement liées à des conditions de fonctionnement spécifiques.
La durée de vie d'un contacteur peut varier selon qu'il commute des charges de faible courant, de courant élevé, des charges résistives ou d'autres types de charges.
Pour les applications BESS avec des cycles fréquents, cette information peut être plus utile que de se concentrer uniquement sur la durée de vie mécanique.
Conditions de défaut et capacité de courant de courte durée
Un contacteur à courant continu ne remplace pas un dispositif de protection contre les défauts à haute vitesse.
Lors d'un court-circuit grave, le contacteur peut être exposé à un courant élevé avant que le système de protection n'isole le défaut.
Il convient donc d'évaluer le contacteur quant à sa capacité à résister aux conditions électriques susceptibles de survenir durant la séquence de protection.
Les éléments pertinents à prendre en compte peuvent inclure :
- Courant de tenue à court terme
- résistance au soudage par contact
- Coordination avec les fusibles CC
- Séquence d'isolation des défauts
- réponse de contrôle du BMS
- protection en amont et en aval
Dans un circuit BESS correctement coordonné, les différents composants ont des rôles différents.
Le contacteur assure la commutation contrôlée et l'isolation électrique, tandis que le fusible ou autre dispositif de protection est chargé d'interrompre le courant de défaut dans sa plage de fonctionnement spécifiée.
Le choix d'un composant doit donc être vérifié au regard des performances des autres.
Résistance de contact et élévation de température
La résistance de contact est un facteur important à prendre en compte pour les circuits CC à courant élevé.
Même une résistance relativement faible peut générer une chaleur importante lorsque le courant circule en continu.
L'élévation de température qui en résulte dépend de plusieurs facteurs, notamment :
- Courant de fonctionnement
- résistance de contact
- Conception du terminal
- Taille du conducteur
- conditions d'installation
- Température ambiante
Dans les boîtiers compacts des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS), la chaleur provenant des composants voisins peut encore augmenter la température de fonctionnement du contacteur.
Pour cette raison, l'environnement thermique doit être pris en compte conjointement avec l'intensité nominale du contacteur.
Un contacteur adapté dans des conditions de test standard peut fonctionner différemment lorsqu'il est installé à l'intérieur d'un coffret haute tension ou d'un rack de batteries à forte densité de câbles.
Exigences relatives aux bobines et aux commandes
La partie commande du contacteur doit également correspondre à la conception du système.
Les paramètres importants peuvent inclure :
- Tension de la bobine
- Tension de prise
- Tension de décrochage
- Consommation d'énergie
- Puissance de bobine continue
- interface de contrôle
La tension de commande doit rester dans la plage de fonctionnement spécifiée du contacteur.
Ceci est particulièrement pertinent dans les systèmes alimentés par batterie où l'alimentation de commande peut varier selon les conditions de fonctionnement.
Le système de gestion technique du bâtiment (GTB) ou le système de contrôle doit également être capable de surveiller et de contrôler le contacteur de manière fiable.
Dans certaines applications, des contacts auxiliaires ou d'autres méthodes de retour d'information sont utilisés pour fournir des informations sur l'état de commutation.
Faites attention à la polarité et au sens du courant.
Certains contacteurs CC haute tension utilisent des aimants permanents pour faciliter l'interruption de l'arc électrique.
Pour ces conceptions, le sens du courant et la polarité de la connexion peuvent avoir une incidence sur les performances d'interruption.
Cela ne s'applique pas à tous les modèles de contacteurs, mais il convient de le vérifier chaque fois que le produit sélectionné présente des exigences de polarité spécifiques.
Pour les applications où le courant circule dans les deux sens pendant la charge et la décharge, les ingénieurs doivent vérifier que le contacteur est adapté aux conditions de fonctionnement prévues dans les deux sens.
Les instructions d'installation fournies par le fabricant doivent être scrupuleusement respectées.
Conception des installations et des connexions mécaniques
Les performances électriques peuvent également être affectées par l'installation mécanique.
Le contacteur doit être installé conformément aux exigences du fabricant concernant :
- Orientation de montage
- Couple terminal
- barre omnibus ou connexion par câble
- Autorisation
- résistance aux vibrations
- Conditions environnementales
De mauvaises connexions aux bornes peuvent augmenter la résistance de contact et générer de la chaleur supplémentaire.
Les contraintes mécaniques exercées sur les bornes ou les barres omnibus peuvent également affecter la fiabilité à long terme.
Pour les applications BESS à courant élevé, le contacteur doit être évalué dans le cadre de la connexion électrique complète plutôt que comme un composant isolé.
La sélection doit tenir compte de l'ensemble du profil opérationnel
Un processus pratique de sélection d'un contacteur CC peut comprendre les étapes suivantes :
- Vérifiez la tension maximale du système CC.
- Déterminer le courant continu normal.
- Identifier les pics de courant et les conditions de surcharge temporaire.
- Définir le courant d'établissement et de coupure requis.
- Vérifiez la fréquence de commutation prévue.
- Évaluer l'endurance électrique dans les conditions réelles d'utilisation.
- Examiner les conditions de courant et de défaut à court terme.
- Vérifiez la coordination avec les fusibles CC et autres dispositifs de protection.
- Évaluer la température ambiante et celle de l'enceinte.
- Vérifier la tension de la bobine et les exigences de contrôle.
- Vérifiez les exigences de polarité et le sens du courant.
- Vérifier l'état de l'installation mécanique et des raccordements.
Ce processus permet d'aller au-delà d'une simple comparaison de tension et de courant.
Coordination du contacteur CC avec le reste du système BESS
Les performances d'un contacteur CC dépendent en partie de la manière dont il est intégré au système complet.
Le contacteur peut fonctionner conjointement avec :
- Fusibles CC
- Circuits de précharge
- Commandes BMS
- Dispositifs de surveillance actuels
- boîtes HV
- interfaces PCS
Par exemple, le moment de la séquence de précharge influe sur la contrainte électrique subie par le contacteur principal lors du raccordement du système.
De même, le dispositif de protection doit réagir de manière appropriée si le courant dépasse les conditions de fonctionnement prévues du contacteur.
C’est pourquoi le choix du contacteur et la conception du circuit doivent être considérés conjointement.
Sélection du contacteur CC dans les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) de forte puissance
À mesure que les plateformes BESS évoluent vers des architectures électriques plus puissantes et plus compactes, les contacteurs doivent fonctionner dans des conditions de plus en plus exigeantes.
Un courant plus élevé peut accroître les pertes par résistance de contact et l'élévation de température. Une tension continue plus élevée peut rendre la coupure du courant plus difficile. Les boîtiers haute tension compacts peuvent également imposer des exigences plus élevées en matière de performances thermiques.
Ces conditions n'impliquent pas nécessairement l'utilisation d'un seul type de contacteur pour chaque application.
Le choix approprié dépend de la tension réelle, du courant, du rapport cyclique, des caractéristiques de défaut, de l'environnement thermique et de la stratégie de contrôle du système.
Un contacteur sélectionné pour une plateforme de batterie donnée peut ne pas convenir automatiquement à une autre plateforme présentant un profil de puissance ou une architecture de circuit différents.
Choisir en fonction de l'application plutôt que de la plaque signalétique
Les valeurs nominales de tension et de courant sont des points de départ nécessaires, mais elles ne fournissent pas une image complète pour la sélection d'un contacteur haute tension pour système de stockage d'énergie par batterie (BESS).
Le contacteur doit également être adapté aux conditions de fonctionnement réelles du système.
Il convient de prendre en compte les performances de commutation, l'endurance électrique, le comportement thermique, les conditions de défaut, les exigences de contrôle et la coordination de la protection.
Pour les systèmes de stockage d'énergie par batterie haute tension, un contacteur CC approprié est celui qui correspond à l'application électrique complète plutôt que celui qui correspond simplement aux valeurs de tension et de courant les plus élevées indiquées dans les spécifications du système.
Un processus de sélection structuré peut aider les ingénieurs à évaluer ces conditions au plus tôt et à assurer une commutation et une isolation fiables tout au long de la durée de vie du système de stockage d'énergie par batterie (BESS).
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