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Comment les conditions thermiques influencent le choix des fusibles CC dans les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS)
Le choix des fusibles dans un système de stockage d'énergie par batterie ne se résume pas à faire correspondre le calibre du fusible au courant nominal du système.
Un fusible peut être installé à l'intérieur d'un rack de batteries, d'un boîtier haute tension, d'une armoire CC ou de tout autre compartiment électrique fermé. La température au point d'installation peut différer de la température ambiante extérieure à l'équipement, notamment lorsque plusieurs composants électroniques de puissance et conducteurs fonctionnent dans le même espace.
C’est pourquoi les conditions thermiques doivent être prises en compte lors du choix d’un fusible à courant continu pour un fonctionnement continu.
Pourquoi la température est importante pour les fusibles CC
Un fusible génère de la chaleur lorsque le courant traverse son élément fusible. L'efficacité de la dissipation de cette chaleur dépend notamment de la température ambiante et des conditions d'installation.
Lorsque la température ambiante augmente, la marge thermique disponible diminue. Selon le modèle du fusible, son courant continu admissible peut donc devoir être réduit conformément aux spécifications du fabricant.
Cela signifie qu'un fusible dimensionné pour un courant particulier dans des conditions de test spécifiées ne doit pas être automatiquement considéré comme capable de supporter le même courant en continu dans chaque installation de système de stockage d'énergie par batterie (BESS).
Il convient de toujours vérifier les données de déclassement en température applicables à la série de fusibles et aux conditions d'installation spécifiques.
La température ambiante ne fait pas tout.
La température autour d'un fusible à l'intérieur d'un boîtier BESS peut être considérablement différente de la température ambiante.
La chaleur peut provenir de sources proches :
- modules de batterie
- Barres omnibus
- contacteurs CC
- connexions par câble
- Électronique de puissance
- Autres composants de protection
La conception du boîtier influe également sur la dissipation de la chaleur.
Un fusible installé dans une armoire compacte à circulation d'air limitée peut donc être soumis à un environnement thermique différent de celui d'un fusible identique installé dans une configuration plus ouverte.
Pour une sélection précise, les ingénieurs doivent tenir compte de la température au lieu d'installation réel plutôt que de se fier uniquement à la température ambiante générale de l'établissement.
Courant continu et marge thermique
Le courant de fonctionnement normal est un autre facteur important.
Un fusible fonctionnant en permanence à un courant proche de son intensité nominale génère plus de chaleur qu'un fusible supportant une charge nettement inférieure. Lorsque ce phénomène s'ajoute à une température ambiante élevée, la marge thermique disponible peut s'avérer insuffisante.
Pour les applications BESS, le courant continu attendu doit donc être évalué conjointement avec :
- Température ambiante
- Température de l'enceinte
- conditions d'installation
- Conditions de refroidissement
- exigences de déclassement des fusibles
Par exemple, un rack de batteries peut présenter un courant de décharge normal qui semble inférieur au calibre du fusible. Cependant, si le fusible est installé dans un boîtier chaud et fonctionne à un pourcentage élevé de son courant nominal pendant des périodes prolongées, la marge de fonctionnement réelle peut être inférieure à celle indiquée par le calibre nominal.
Déclassement en température dans la sélection des fusibles BESS
Le déclassement en fonction de la température permet de tenir compte de l'effet des conditions de fonctionnement sur le courant admissible d'un fusible.
La valeur exacte de réduction de courant dépend de la construction du fusible et des spécifications du fabricant. Elle ne doit pas être estimée à l'aide d'une règle générale applicable à tous les fusibles.
Lors du choix d'un fusible, les ingénieurs doivent donc consulter la fiche technique correspondante pour vérifier :
- courbes de déclassement en température
- conditions ambiantes nominales
- Recommandations actuelles continues
- exigences d'installation
- Normes applicables
Il en résulte une évaluation plus réaliste de la capacité du fusible sélectionné à fonctionner en continu dans les conditions réelles du système.
L'emplacement d'installation peut modifier l'environnement thermique
Un même modèle de fusible peut être soumis à des conditions thermiques différentes selon son lieu d'installation.
Support de batterie
Un fusible au niveau du rack peut être situé à proximité des modules de batterie, des contacteurs, des barres omnibus et des connexions de câbles.
L'espace disponible et la circulation d'air à l'intérieur du rack peuvent affecter la dissipation de la chaleur, en particulier lorsque plusieurs composants conducteurs de courant sont installés à proximité les uns des autres.
Boîte haute tension
Un boîtier haute tension contient souvent plusieurs composants électriques dans un boîtier relativement compact.
Il convient de tenir compte de la chaleur combinée générée par les fusibles, les contacteurs, les conducteurs et autres composants lors de l'évaluation de la température autour du fusible.
Interface pour armoire CC et conversion de puissance
Un fusible installé à proximité d'un équipement de conversion de puissance peut être exposé à une chaleur supplémentaire générée par l'électronique de puissance et les connexions à courant élevé.
Les conditions thermiques dans cette zone peuvent donc différer de celles au niveau du rack de batteries.
Le choix du lieu d'installation doit être considéré comme faisant partie intégrante du processus de sélection du fusible et non comme un élément à prendre en compte séparément une fois le composant déjà sélectionné.
Les conditions de refroidissement sont également importantes.
Le refroidissement influe sur la manière dont la chaleur est évacuée des composants électriques.
Selon la conception du système de stockage d'énergie par batterie (BESS), la gestion thermique peut impliquer :
- convection naturelle
- air pulsé
- Refroidissement liquide
- Refroidissement au niveau de l'armoire
Toutefois, la présence d'un système de refroidissement ne détermine pas à elle seule si un fusible peut fonctionner à son courant nominal.
Ce qui importe, c'est la température réelle autour du fusible et si cette température reste dans les conditions spécifiées pour le dispositif sélectionné.
Ceci est particulièrement pertinent dans les boîtiers BESS compacts, où le système de refroidissement de la batterie ou de l'électronique de puissance ne signifie pas nécessairement que chaque composant à l'intérieur du boîtier subit la même température.
Conditions thermiques et calibre du fusible
Il convient de prendre en compte le courant nominal d'un fusible ainsi que les conditions de fonctionnement prévues.
Une sélection pratique doit tenir compte de :
- Courant continu maximal
- Tension maximale du système
- Température ambiante
- Température de l'enceinte
- Méthode d'installation
- Conditions de refroidissement
- caractéristiques de déclassement du fusible
Choisir un fusible uniquement parce que son courant nominal est supérieur à la charge prévue ne fournit pas suffisamment d'informations pour confirmer que ce choix est approprié.
Parallèlement, le simple choix d'un fusible de calibre beaucoup plus élevé pour compenser un environnement à haute température peut affecter les caractéristiques de protection prévues.
La méthode appropriée consiste à évaluer les conditions de fonctionnement réelles par rapport aux données du fabricant concernant les fusibles.
Les systèmes de batteries de puissance supérieure nécessitent une attention accrue aux conditions thermiques.
Les systèmes de batteries de plus grande puissance peuvent augmenter le courant continu circulant dans le circuit de protection.
Parallèlement, les systèmes compacts permettent d'intégrer davantage de composants conducteurs et de sources de chaleur dans un volume d'enceinte limité.
Cette combinaison rend les conditions thermiques plus pertinentes lors du choix des composants de protection.
L'objectif n'est pas simplement de choisir un fusible de plus forte valeur. Le dispositif sélectionné doit également assurer la protection requise pour le circuit de la batterie, les conducteurs, les composants de commutation et les équipements connectés.
Il convient donc de prendre en compte les conditions thermiques parallèlement aux exigences de protection électrique.
Conditions thermiques et fonctionnement à long terme
Les équipements BESS sont souvent conçus pour fonctionner pendant de longues périodes dans des conditions de charge variables.
Un fusible choisi pour une application particulière doit donc être évalué dans les conditions auxquelles il est censé être soumis en fonctionnement normal, et non seulement lors de tests de courte durée.
La température de fonctionnement, le courant continu, les conditions d'encapsulation et le refroidissement contribuent tous à l'environnement thermique autour du fusible.
Le maintien de ces facteurs dans les limites spécifiées par le fabricant contribue à assurer des performances constantes du fusible en fonctionnement normal.
Une approche pratique pour la sélection des fusibles CC des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS)
Pour un système de stockage d'énergie par batterie (BESS) haute tension, les considérations thermiques peuvent être intégrées au processus de sélection des fusibles, en plus des principaux paramètres électriques.
Une évaluation pratique peut comprendre :
- Déterminer le courant de fonctionnement continu maximal.
- Vérifiez la tension maximale du système CC.
- Déterminer le courant de court-circuit attendu.
- Vérifiez la capacité de freinage requise.
- Identifiez l'emplacement exact du fusible.
- Déterminer la température ambiante et la température de l'enceinte prévues.
- Vérifiez les informations du fabricant concernant la réduction de la puissance en température.
- Évaluer les conditions de refroidissement et de ventilation.
- Vérifiez les caractéristiques temps-courant et I²t du fusible.
- Vérifier la coordination avec les autres composants de protection et de commutation.
Cette approche établit un lien entre le calibre du fusible et les conditions du système de stockage d'énergie par batterie (BESS) une fois terminé, plutôt que de traiter le fusible comme un composant isolé.
Les conditions thermiques font partie du choix des fusibles.
Le choix d'un fusible CC pour les applications BESS implique plus que la simple tension et le courant nominal.
La température, la charge continue, l'emplacement d'installation, la conception du boîtier et les conditions de refroidissement peuvent tous affecter l'environnement de fonctionnement réel d'un fusible.
La prise en compte de ces facteurs, ainsi que du courant de court-circuit, du pouvoir de coupure, des caractéristiques temps-courant et du I²t, fournit une base plus complète pour le choix d'un fusible CC approprié.
Pour les systèmes de stockage d'énergie haute tension, l'évaluation précoce de l'environnement thermique dans le processus de conception peut permettre d'éviter des calibres de fusibles inappropriés et de garantir un fonctionnement plus fiable à long terme.
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