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Les composants moins visibles sont les pierres angulaires de systèmes de stockage d’énergie réussis

(Source : malp – stock.adobe.com.)

L’électrification de nombreux aspects de notre vie quotidienne s’intensifie et prend de multiples formes sous l’impulsion de nombreux facteurs convergents. Ces facteurs sont, entre autres, une meilleure disponibilité des sources renouvelables d’énergie (comme l’énergie solaire à l’aide de panneaux photovoltaïques et l’énergie éolienne à l’aide de grandes turbines), lesquelles sont associées à des batteries rechargeables à plus grande densité (ce qui réduit le coût de stockage), des systèmes sophistiqués de gestion des batteries permettant de surveiller leur (dé)charge et des onduleurs servant à convertir l’énergie stockée en électricité utilisable.

Ainsi, les applications sont de plus en plus diversifiées : installations réseau hautement visibles, applications pour bâtiments de bureaux de taille moyenne et bâtiments résidentiels, mais cela se traduit aussi par une plus large adoption des véhicules électriques (EV) avec chargeurs (voir figure 1) et même des applications moins visibles comme des élévateurs à fourche industriels sans propane. La taille et la portée de ces systèmes vont d’applications à grande échelle, voire à échelle régionale, à des applications très concentrées et localisées.

Figure 1 : cette rangée de bornes de recharge pour véhicules électriques prouve que l’énergie électrique prend une place croissante dans notre quotidien avec en corollaire une augmentation des défis qui y sont associés (Source : Noel – stock.adobe.com)

Le défi réside dans les détails

Indépendamment de la taille ou de l’étendue d’un projet, il existe une vérité que chaque ingénieur avec une expérience du monde réel connaît, à savoir que ce sont les composants moins visibles et moins prestigieux qui font souvent la différence entre un système qui fonctionne à un certain point, mais qui présente des lacunes et des problèmes de performance, et un système solide, précis et fiable qui satisfait en outre aux nombreuses normes de sécurité ainsi qu’aux obligations légales qui régissent son fonctionnement.

Les composants avec des fonctions précises, tels que les panneaux solaires, les turbines éoliennes, les systèmes de gestion de batteries (BMS) et les onduleurs, font l’objet de la plupart des efforts de conception et reçoivent l’essentiel de l’attention. C’est cette visibilité qui leur vaut, dans une certaine mesure, d’être connus même du grand public. Or, pour qu’un système soit complet et fonctionnel, il doit nécessairement reposer sur de nombreux autres composants « plus petits ». Par exemple, les blocs principaux d’une petite installation solaire à onduleur (figure 2) s’accompagnent forcément de fonctions plus petites et essentielles.

Figure 2 : une installation solaire à onduleur de base possède de grands blocs fonctionnels et des fonctions plus petites, mais essentielles (Source : TE Connectivity)

Voici deux exemples de ces fonctions :

• Les contacteurs (cercle orange 3) sont des interrupteurs de marche/arrêt haute capacité, à commande électrique (similaires à un relais). Ils sont utilisés pour la distribution électrique, des fonctions d’interrupteur principal et la commande globale. Un contacteur permet de commuter et de contrôler les voies de puissance.
• Les filtres EMI (cercle orange 4) fournissent l’atténuation nécessaire des interférences en mode commun et en mode différentiel ainsi que des interférences électromagnétiques (EMI), qui sont inévitablement créées par les onduleurs de puissance. Sans ces filtres, les systèmes de stockage d’énergie à batterie (BESS) créent des interférences excessives, ce qui affecte non seulement leur fonctionnement, mais aussi celui des systèmes à proximité. Ils n’obtiendraient alors probablement pas la certification concernant les limites réglementaires.

Taille et échelle optimale des matériaux

Bien que ces contacteurs et filtres présentent des diagrammes schématiques et des fonctions similaires à leurs homologues dans un système à basse consommation, les similarités s’arrêtent ici (voir figures 3 et 4).

Figure 3 : le contacteur est un interrupteur à haute tension/courant élevé à commande électrique, similaire à un relais, utilisé pour distribuer la puissance (Source : Mouser Electronics)

Figure 4 : les filtres EMI sont proposés dans des configurations à double et simple étape. Ils jouent un rôle essentiel dans l’atténuation des interférences en mode commun et en mode différentiel ainsi que des interférences électromagnétiques (EMI) (Source : Mouser Electronics)

Les composants doivent être physiquement plus imposants, avoir des contacts et connexions internes et externes plus robustes, utiliser des matériaux et des supports de contact différents et pouvoir résister à des manipulations indélicates et des installations exposées. Les tensions et les courants relativement élevés suscitent des préoccupations en ce qui concerne l’usure des contacts, le réchauffement localisé et le risque d’embrasement généralisé éclair et de décharge disruptive à haute tension qui pourraient dégrader la performance, voire causer la défaillance du système.

Il suffit d’observer attentivement un contacteur et un filtre pour se faire une bonne idée de ces fonctions dans des applications à plus haute puissance.

La gamme ECK150/200/250 de contacteurs CC haute tension de TE Connectivity est conçue pour assurer les fonctions de commande dans les bornes de recharge de véhicules électriques, les onduleurs solaires, les systèmes de stockage d’énergie à batterie, les véhicules à guidage automatique (VGA), et les élévateurs à fourche à batterie (voir figure 5). Les unités peuvent servir pour la tension de rupture CC à 1 000 VCC et un courant de coupure de 2 000 A (tous deux maximum) avec un courant de charge continu de 250 A.

Pour obtenir de telles performances, les contacteurs sont logés dans des boîtiers cylindriques hermétiques à l’aide d’une technologie céramique, ce qui en fait des éléments sûrs et fiables.

Figure 5 : la gamme ECK150/200/250 de contacteurs CC haute tension utilise une technologie de scellage céramique assurant la fiabilité dans des conditions difficiles (Source : Mouser Electronics)

Ces contacteurs de 52 mm de longueur et de 56 mm de diamètre satisfont à toutes les exigences importantes UL, CE et CCC. Un autre avantage de cette série est la présence de l’activateur « économiseur » intégré, modulé en largeur d’impulsion, grâce auquel la puissance de retenue requise du contacteur est de seulement 1,7 W malgré la haute tension/le courant élevé, ce qui réduit l’énergie perdue et la dissipation thermique.

La gamme Corcom AHV de filtres EMI triphasés haute performance, également fournis par TE Connectivity, offre des modules avec une tension nominale maximale de 760 VCA et un courant nominal maximal de 1 000 A. Ils présentent une configuration delta à simple ou double phase dans un design de rayon ou de châssis compact. Leur faible encombrement permet de gagner de la place tout en réduisant les coûts (figure 6). Ainsi, les dimensions de la plus petite unité (7 A) sont d’environ 300 mm de profondeur sur 140 mm de hauteur et 70 mm de largeur, tandis que les dimensions correspondantes de la plus grande unité (180 A) sont de 310 × 265 × 165 mm.

Figure 6 : la gamme Corcom AHV de filtres EMI triphasés haute performance est disponible dans des modèles à simple ou double phase afin d’offrir différents niveaux d’atténuation de bruit (Source : Mouser Electronics)

Ils sont parfaitement adaptés aux convertisseurs/onduleurs pour énergie renouvelable, installations de chargement de véhicules électriques et autres équipements et appareils industriels. Ils sont disponibles dans des configurations à simple et double phase afin de satisfaire aux objectifs de suppression des EMI. Par exemple, l’unité rayon simple phase 75 A avec entrée et sortie de bloc terminal présente les affaiblissements d’insertion en mode commun et mode différentiel suivants, exprimés en dB (voir figure 7) :

Figure 7 : l’atténuation en mode commun et en mode différentiel (en dB) de 0,01 à 30 MHz pour un filtre 75 A, simple phase, de la gamme Corcom AHV est élevée (Source : TE Connectivity)

En comparaison, l’unité rayon 75 A double phase correspondante présente une atténuation légèrement plus élevée pour les deux modes sur toutes les fréquences (voir figure 8).

Figure 8 : si l’atténuation fournie par une unité simple phase ne suffit pas pour le système ou les obligations réglementaires, l’unité double phase en ajoute une autre d’environ 10 à 20 dB sur le même spectre de fréquence (Source : TE Connectivity)

Conclusion

Les blocs fonctionnels à visibilité accrue d’un BESS ou d’un système moins important jouent néanmoins un rôle essentiel. C’est pourquoi les concepteurs ont tout intérêt à sélectionner avec attention les composants passifs, moins visibles, tels que les contacteurs, filtres EMI et même les connecteurs. Choisir des dispositifs qui ne présentent pas les valeurs requises ou la robustesse mécanique, électrique ou environnementale exigée, c’est s’exposer à des défauts de performance immédiats, des problèmes réglementaires et des soucis de fiabilité à court et à long terme. TE Connectivity propose une gamme complète de produits dans une large sélection de valeurs nominales et de formats, afin de répondre à ces besoins et de compléter l’offre de petits et grands composants pour des systèmes de fourniture et de stockage d’énergie bien conçus et performants.

À propos de l’auteur

Bill Schweber est ingénieur électronique. Outre des articles pour Mouser Electronics, il a écrit trois manuels sur les systèmes de communication électronique, ainsi que des centaines d’articles techniques, de chroniques et de présentations de produits. Par le passé, il a travaillé en tant que gestionnaire technique pour différents sites spécifiques d'EE Times et en tant qu’éditeur exécutif et éditeur analogique d'EDN.

Titulaire d’un diplôme en MSEE (université du Massachusetts) et d’un autre en BSEE (Columbia), il est ingénieur professionnel agréé et possède une licence Advanced Class d’amateur radio. Bill a également planifié, écrit et présenté des cours en ligne sur différents sujets d’ingénierie comme les principes fondamentaux de MOSFET, la sélection d'ADC et les LED de pilotage.

À propos de TE Connectivity

TE Connectivity est un leader technologique industriel mondial qui développe un avenir plus sûr, durable, productif et connecté. Sa vaste gamme de solutions de connectivité et de capteurs, éprouvée dans les environnements les plus difficiles, permet de réaliser des avancées dans les secteurs du transport, des applications industrielles, de la technologie médicale, de l’énergie, de la transmission de données et des applications domestiques. Avec environ 80 000 employés – dont plus de 7 500 ingénieurs – qui travaillent aux côtés de clients dans environ 140 pays, TE garantit que CHAQUE CONNEXION COMPTE.