¶ I - Définition des architectures
¶ I.1 - Introduction
Les deux caractéristiques basiques d'un pack batterie sont sa tension exprimée en Volt (V) et sa capacité de stockage représentant la quantité de courant qu'il peut fournir par unité de temps. La capacité de stockage est exprimée en Ampère heure (Ah). Le produit de ces deux caractéristiques permet d'obtenir l'énergie stockable dans le système de stockage qui est exprimé en Watt heure (Wh).
En combinant l'énergie stockée avec le régime de fonctionnement noté C et définie par la technique comment étant le Crate, il est possible de définir la puissance électrique du système pour un Crate donnée. Cette puissance est exprimée en Watt (W). En divisant cette puissance par la tension nous obtenons le courant de sollicitation de la batterie exprimé en Ampères (A). Le courant de sollicitation peut également être déterminé en fonction de la capacité de stockage (Ah) et le régime de fonctionnement (C).
¶ II.2 - Les packs batteries face aux besoins énergétiques
Un besoin en énergie permettant de dimensionner un pack batterie se traduit par un profil de charge. Le profil de charge se matérialise sous la forme d'un graphique représantant une puissance délivrée en fonction du temps. Sur ces graphiques il est possible de voir facilement les phases de charge et de décharge du pack batterie. Il est également possible de déterminer facilement la puissance maximale en charge et en décharge ainsi que l'énergie nécessaire en intégrant la courbe de puissance. Cette dernière est un élément très important pour le dimensionnement d'un pack batterie et est généralement exprimée en kWh ou Wh.
Une batterie est un assemblage d'éléments électrochimiques appelés accumulateur. L'assemblage peut s'effectuer en série ou/et en parallèle donnant lieu à la création de différentes architectures batteries en fonction des besoins. Une batterie possédant moins d'éléments montés en série possédera une tension plus faible tandis que les batteries possédant moins d'éléments en parallèle posséderont une capacité de stockage inférieure. Ainsi pour répondre à un même besoin énergétique, il existe une infinité d'associations possible. La définition finale de l'architecture est un travail complexe qui prend en considération les aspects mécaniques, électriques, thermiques mais aussi industriel et économique.
Définitions
- Accumulateur électrochimique : Dispositif de stockage électrochimique réversible ne pouvant pas être défini comme l'association série/parallèle d'éléments plus petits.
- Piles : Dispositif de sockage électrochimique non réversible (ne pouvant pas être rechargé).
La définition de l'architecture commence par la définition du nombre d'éléments associé en série/parallèle pour obtenir la bonne tension de fonctionnement ainsi que la capacité de stockage souhaitée. Une fois ce premier travail effectué plus que deux architectures peuvent être choisies. Une première consistant à faire une mise en série puis une mise en parallèle ce qui donne lieu à l'architecture xPyS. La seconde consiste à effectuer une mise en parallèle puis une mise en série ce qui donne lieu à l'architecture ySxP.
Bien que les deux architectures présentent les mêmes caractéristiques électriques génériques (tension et capacité de stockage) ces deux architectures sont radicalement différentes en termes de gestion électronique, d'industrialisation et de résilience. Pour les batteries basses tension (BT) la convention utilisée par tous les fabricants est l'architecture ySxP. Le principal avantage de cette architecture réside dans la simplification de la gestion électronique du pack batterie par le système BMS.
Pour les batteries dépassant les 60VDC, le pack batterie est généralement décomposé en plusieurs modules unitaires identiques de tension réduite et inférieure à 60VDC. L'avantage de cette décomposition en modules est de limiter l'exposition aux hautes tensions lors du processus de fabrication des batteries. Les opérateurs peuvent ainsi travailler sans être exposés aux risques liés à la haute tension. L'exposition aux hautes tensions n'intervient que lors de la mise en série des modules durant la phase d'assemblage final.
Une batterie lithium est au minima constitué d'un bloc de cellules ySxP couplé à un système de gestion électronique nommée généralement BMS (Battery Management system), d'un casing et d'un connecteur de puissance. Les batteries un peu plus évoluées peuvent également comprendre un connecteur de communication, une interface HMI ou un système dynamique de gestion thermique.
Une fois fabriqué les batteries peuvent être associé en série parallèle pour former des packs batteries basiques.
Olenergies n'autorise pas la mise en série de ces batteries BT. Pour des systèmes nécessitant des tensions supérieures ou égales à 60VDC, une architecture batterie différente est préconisée.
¶ II - Mise en parallèle des batteries BT
La mise en parallèle des batteries s'opère en reliant ensemble les bornes de même polarité de plusieurs batteries. Cette association permet d'augmenter la capacité de stockage, mais ne modifie pas la tension du système de stockage.
Pour les batteries lithium, chacune des batteries possède son propre système de gestion électronique (BMS) et est indépendante des autres batteries. Une ligne de communication numérique peut être établie entre les BMS pour un fonctionnement synchronisé avec un chargeur par exemple.
Bien que la mise en parallèle semble une manipulation simple, quelques précautions sont à prendre.
- 1. Ne pas mélanger plusieurs types de batteries Les batteries associées en parallèles doivent posséder des caractéristiques identiques. En effet, elles doivent posséder la même plage de fonctionnement en tension et la même capacité de stockage. Pour limiter le déséquilibre lors du fonctionnement, elles doivent également posséder des caractéristiques électriques et électrochimiques proches. Pour s'en assurer, il est fortement conseillé d'utiliser des batteries provenant du même lot de fabrication et par conséquent du même fabriquant.
- 2. S'assurer de l'équilibre des batteries avant la connexion Si lors de la mise en parallèle les batteries ne possèdent pas la même tension (et donc le même SoC) un courant parasite sera échangé entre les batteries lors de la mise en parallèle. Ce courant peut générer, à la connexion, des étincelles pouvant endommagées des connectiques de puissance augmentant ainsi, de manière irréversible, la résistance électrique de contact au niveau de la liaison entre la batterie et le système électrique de distribution. De plus, le courant parasite réduira, temporairement, la capacité utile du pack batterie.
- SoC (State of Charge) : État de charge de la batterie représantant le pourcentage de la capacité utile utilisable à un instant t donné.
- SoH (State of Health) : État de santé de la batterie représentant son veillissement et sa perte de capacité associée.
- 3. Utiliser un câblage adapté Assurez-vous que la section des conducteurs soit adaptée au courant maximal les traversant. Ce courant est généralement déterminé par la puissance maximale de conversion de l'onduleur/chargeur utilisé.
- 4. Adopter la bonne architecture électrique Afin de limiter les déséquilibres lors du fonctionnement du pack, il est important d'utiliser des câbles de liaisons de même longueur pour toutes les batteries. Les câbles de liaison doivent également posséder la même section. Ils doivent être le plus court que possible afin de limiter la chute de tension entre les batteries et le système de conversion. Ainsi, il est préférable de positionner les batteries les unes à côté des autres en prenant en compte les contraintes thermiques.
- 5. Utiliser des outils isolés pour effectuer le montage. L'utilisation d'outils non-isolés peut mener à des courts-circuits accidentels provoquant l'inflammation des batteries ainsi que leurs destruction.
- 6. Vérifier la polarité des batteries avant la mise en parallèle. Si la mise en parallèle de deux batteries est effectuée avec une mauvaise polarité, les deux batteries seront en court-circuit ce qui mènera à la destruction des deux batteries.
Si des batteries de tension différentes sont utilisées, la batterie avec la tension la plus élevée se déchargera dans la batterie possédant la tension la plus faible. Ainsi, aucune énergie ne sera utilisable par le système extérieur.
Si des batteries de capacité différentes sont utilisées, un déséquilibre de courant se produira entre les deux batteries. Cet échange de courant réduira de manière significative la durée de fonctionnement du pack batterie ainsi que sa durée de vie.
Pour s'assurer du même état de charge (SoC) des batteries avant leurs interconnexions, le moyen le plus simple et de toutes les chargées de manière individuelle. Ainsi, toutes les batteries sont complètement chargées et formeront un pack équilibré sans courant parasite.
Définitions
Le chemin parcouru par le courant de chaque batterie doit être identique. Les montages suivant permettent une bonne répartition du courant ainsi qu'un dimensionnement optimal du système électrique.
Il existe plusieurs types de branchement pour mettre des batteries en parallèles. Les montages les plus rependus sont représentés sur le schéma ci-dessous.
Nous recommandons d'utiliser le montage en diagonal pour sa simpliciter d'intégration et sa bonne répartition du courant.
Pour notre gamme OlenBox il n'est pas conseillé de monter plus de 4 batteries en parallèle. Pour les batteries OlenPack LV la mise en parallèle peut monter jusqu'à 16 unités. Si ces montages n'offrent pas une capacité de stockage suffisante, il est nécessaire de passer sur des batteries de plus grande capacité ou sur une architecture Haute Tension.
¶ III - Résumé
Les batteries Olenergies peuvent être connectées en parallèle si les conditions suivantes sont remplies :
- Toutes les batteries utilisées possèdent la même capacité de stockage ainsi que la même tension nominale. (Utiliser des batteries initialement chargées de même modèle)
- Toutes les batteries utilisées possèdent le même SoH. (Utilisé des batteries neuves produites dans le même batch)
- Adopter un montage électrique permettant une répartition optimale du courant. (Longeur de câble et section traversées identique pour toutes les batteries)
La procédure de connexion est la suivante :
- Étape 1 - S'assurer de la polarité des batteries à l'aide d'un multimètre.
- Étape 2 - S'assurer que toutes les batteries possèdent la même tension à 0.1V près.
- Étape 3 - Connecter toutes les bornes négatives ensemble en gardant les protections électriques sur les bornes positives
- Étape 4 - Replacer les protections électriques sur les bornes négatives ainsi que sur les jonctions de câbles.
- Étape 5 - Connecter toutes les bornes positives ensemble en gardant les protections électriques sur les bornes négatives.
- Étape 6 - Replacer les protections électriques sur les bornes positives ainsi que sur les jonctions de câbles.
Mise en garde - Si un écart de tension trop important est présent entre deux batteries lors de la mise en parallèle un fort courant peut endommager la batterie et déclencher la protection électronique contre les courts-circuits. Une différence de tension lors de la mise en parallèle réduit également la capacité utile du pack le temps de l'équilibrage des états de charge (SoC).
Attention - À partir de cette étape, le risque de court-circuit est important. Pour limiter les risques, il est conseillé d'utiliser des outils isolés et de protéger électriquement tous les conducteurs à nue du pôle ne faisant pas l'objet d'une manipulation.
Bonne pratique - Travailler sur un seul pôle à la fois pour limiter les risques.
Information - Une légère étincelle peut être observée lors de la connexion du second pôle. Cette étincelle peu être liée à une légère différence de tension entre les batteries.
Une fois la mise en parralèle effectuée, le pack batterie peut être connecté au système de convertion ou à la charge utilisée.