Vue d'ensemble et développement actuel des systèmes de stockage d'énergie

Poussés par les objectifs mondiaux de neutralité carbone, les systèmes de stockage d'énergie à grande échelle deviennent un élément important des nouveaux systèmes électriques. Qu'il s'agisse du stockage de l'énergie au niveau du réseau pour la régulation de la fréquence de pointe, du stockage de l'énergie pour l'écrêtement des pointes et le remplissage des vallées dans l'industrie et le commerce, ou des systèmes de stockage de l'énergie résidentiels, la technologie de stockage de l'énergie par batteries au lithium pénètre pleinement dans tous les aspects du système électrique.

Selon les données de l'industrie, la capacité mondiale installée des systèmes de stockage d'énergie devrait dépasser 100 GWh en 2024 et atteindre plus de 500 GWh d'ici 2030. La croissance rapide de ce marché impose des exigences plus élevées en matière de sécurité, de fiabilité et d'économie des systèmes de stockage d'énergie, et la détection précise du courant est une base essentielle pour atteindre ces objectifs.

I. Architecture du système de stockage d'énergie et points de détection de courant

1.1 Analyse de l'architecture du système

Les systèmes de stockage d'énergie à grande échelle sont généralement de conception modulaire et se composent de plusieurs groupes de batteries connectées en parallèle. Les architectures de systèmes typiques sont les suivantes

• Couches de base :Les cellules individuelles sont connectées en série pour former un module
• Hiérarchie des modules :Plusieurs modules constituent un bloc-batterie.
• Hiérarchie de la batterie :Les batteries sont connectées en série pour former des grappes.
• Hiérarchie du système :Plusieurs groupes de batteries connectés en parallèle à un PCS (convertisseur de stockage d'énergie)

Dans cette architecture, la détection de courant est généralement déployée dans les nœuds clés suivants :

• Courant de la batterie :Surveillance de l'état de charge et de décharge de chaque groupe pour le calcul du SOC et la gestion de l'égalisation
• Courant de bus absorbé :Surveillance du courant total du système pour le contrôle et la protection de la puissance
• Courant d'entrée/sortie du PCS :Surveillance de l'état de fonctionnement du convertisseur pour les calculs d'efficacité

1.2 Exigences techniques pour la détection du courant

Les systèmes de stockage d'énergie présentent les exigences clés suivantes pour la détection du courant :

Haute précision :La précision a une incidence directe sur la précision du calcul du SOC et sur l'équité du comptage et du règlement. Les systèmes de stockage d'énergie au niveau du réseau nécessitent généralement une précision de détection du courant de 0,2 ou 0,5.

Large gamme :Les systèmes de stockage d'énergie ont une plage de variation de courant de 1:1000, voire plus, dans différentes conditions de fonctionnement telles que la veille, la charge et la décharge à faible puissance et le fonctionnement à pleine puissance. Les solutions de détection de courant doivent maintenir une bonne précision sur toute la plage.

Grande fiabilité :La durée de vie d'une installation de stockage d'énergie est généralement de 15 à 20 ans, et l'élément de détection du courant doit être stable et fiable dans le cadre d'un fonctionnement à long terme.

Application du shunt dans le BMS pour le stockage de l'énergie

2.1 Considérations relatives à la sélection des shunts

Les facteurs suivants doivent être pris en compte lors de la sélection d'un shunt dans un système de stockage d'énergie :

Sélection de la valeur de résistance :Le choix de la valeur de la résistance de shunt nécessite un équilibre entre la précision de la mesure et la consommation d'énergie. Une valeur de résistance trop importante entraînera une augmentation de la consommation d'énergie et une chute de tension excessive ; une valeur de résistance trop faible rendra le signal de sortie trop faible et affectera la précision de la mesure. Pour les systèmes de stockage d'énergie, les valeurs de résistance de shunt typiques sont comprises entre 50 μΩ et 200 μΩ.

Courant nominal :Le courant nominal du shunt doit laisser une marge suffisante, généralement de 1,2 à 1,5 fois le courant de fonctionnement maximal du système, afin de faire face aux surcharges transitoires et aux conditions de fonctionnement anormales.

Caractéristiques de température :La plage de température de fonctionnement du système de stockage d'énergie est généralement de -20℃~+55℃. Le shunt doit choisir un matériau à faible dérive de température (tel que l'alliage manganèse-cuivre de haute précision), et le TCR doit être contrôlé dans la limite de ±20ppm/℃.

2.2 Structures à quatre bornes avec connexions Kelvin

Le shunt de haute précision a une conception à quatre bornes (Kelvin). Deux bornes de courant sont utilisées pour accéder à la boucle de courant élevé et deux bornes de tension sont utilisées pour échantillonner le signal de tension. Cette conception sépare le chemin du courant du chemin de mesure de la tension, éliminant ainsi les effets du contact et de la résistance du fil sur la précision de la mesure.

Dans la pratique, la ligne de prélèvement de tension doit être aussi proche que possible des bornes de tension du shunt, et un câblage à paires torsadées doit être utilisé pour supprimer les interférences électromagnétiques. Le circuit d'échantillonnage doit avoir une impédance d'entrée élevée pour éviter l'effet de charge sur le shunt.

2.3 Conception thermique

Les shunts à courant élevé génèrent une chaleur importante pendant leur fonctionnement. Si l'on prend l'exemple d'un shunt de 100μΩ, 500A, la consommation nominale est de 25 W. Si la chaleur n'est pas dissipée à temps, elle entraînera une augmentation de la température du shunt, ce qui affectera la précision de la mesure et endommagera même l'appareil.

Une conception thermique efficace comprend

• Choisir un shunt de forte puissance :Prévoir une marge de puissance suffisante
• Des rangées de cuivre pour la dissipation de la chaleur :Transfert de chaleur à travers des rangées de cuivre de grande section
• Refroidissement par air forcé :Ajouter des ventilateurs pour faciliter le refroidissement si nécessaire
• Compensation de la température :Surveillance de la température par NTC pour la compensation logicielle

Troisièmement, isolation de la haute tension et conditionnement du signal

3.1 Exigences en matière de ségrégation

La tension du bus CC du système de stockage d'énergie est généralement comprise entre 600 et 1 500 V, ce qui en fait un système à haute tension. Une isolation électrique fiable doit être réalisée entre le circuit de détection de courant et le système de contrôle pour assurer la sécurité du personnel et le fonctionnement normal de l'équipement.

Les mesures d'isolation sont généralement réalisées en utilisant des ADC isolés ou des amplificateurs isolés. Le niveau d'isolation doit répondre aux exigences des normes de sécurité pertinentes (par exemple IEC 62109), avec une tension d'isolation typique de ≥3000Vrms.

3.2 Circuit de conditionnement du signal

La sortie du shunt est un petit signal de l'ordre du millivolt (valeurs typiques 50mV~150mV) qui doit être amplifié et filtré avant d'être introduit dans l'ADC. Les points de conception du circuit de conditionnement du signal sont les suivants :

• Amplificateur d'instrumentation :Sélection d'un amplificateur d'instrumentation de haute précision, à faible dérive, CMRR ≥ 100dB
• Filtrage passe-bas :Supprime le bruit à haute fréquence, la fréquence de coupure étant généralement fixée à 1/10e de la fréquence d'échantillonnage.
• Protection contre les surtensions :Augmenter les TVS et autres dispositifs de protection pour éviter les dommages causés par les surtensions transitoires au circuit.

IV. conception CEM et mesures anti-interférences

4.1 Environnement CEM pour les systèmes de stockage d'énergie

L'environnement électromagnétique des systèmes de stockage d'énergie à grande échelle est très complexe. Lorsque plusieurs PCS fonctionnent en parallèle, les harmoniques à haute fréquence générées par la fréquence de commutation (généralement de 8 à 20 kHz) sont transmises au circuit BMS par le biais du bus CC et de la capacité parasite. En outre, les perturbations transitoires telles que les coups de foudre et les perturbations du réseau sont également des facteurs à prendre en compte.

4.2 Mesures de conception anti-interférence

De multiples mesures anti-interférences sont nécessaires pour garantir la précision de la détection du courant :

• Conception blindée :Les shunts et les circuits de conditionnement des signaux sont protégés par des écrans métalliques.
• Transmission différentielle :Transmission différentielle de signaux d'échantillonnage à l'aide de fils torsadés blindés
• Conception de la mise à la terre :Mettre en place un système de mise à la terre solide pour éviter les boucles de terre
• Filtrage numérique :Des algorithmes de filtrage sont utilisés dans le logiciel pour supprimer les interférences résiduelles.

V. Cas d'application typiques

5.1 Projet de stockage d'énergie à l'échelle du réseau de 100 MWh

Un projet de centrale de stockage d'énergie de 100 MWh pour un réseau électrique provincial utilise la technologie des batteries lithium-fer-phosphate. Le système se compose de 40 groupes de batteries connectées en parallèle, chacune ayant une capacité de 2,5 MWh et un courant nominal de 800 A.

Ce projet adopte un shunt manganèse-cuivre de haute précision dans le schéma de détection de courant, ainsi qu'un CAN Sigma-Delta de 24 bits, pour atteindre une précision de mesure de 0,2 niveau. Le shunt est sélectionné comme spécification 100μΩ/1000A et est conçu avec une dissipation directe de la chaleur par une rangée de cuivre. Avec cette solution, l'erreur de mesure du courant du système dans la plage de température complète est contrôlée à ±0,2%, ce qui soutient efficacement le calcul précis du SOC et le comptage et le règlement de l'énergie.

5.2 Systèmes de stockage d'énergie commerciaux et industriels

Un système de stockage d'énergie commercial et industriel de 500kWh pour un parc industriel avec une conception de batterie refroidie par liquide. Le système a une tension continue de 750 V et un courant nominal de 300 A.

Compte tenu de la capacité relativement faible du système et du coût sensible, le projet adopte une solution de shunt économique. La valeur de la résistance du shunt est de 150μΩ, et avec l'ADC 16 bits, la précision de la mesure atteint 0,5 niveau. Sous la prémisse de répondre aux exigences techniques, le coût du système est efficacement contrôlé.

VI. les tendances futures du développement

6.1 Précision et stabilité accrues

Au fur et à mesure que la capacité du système de stockage d'énergie augmente et que le fonctionnement et la gestion s'affinent, les exigences en matière de précision de détection du courant continueront à s'améliorer. La recherche et le développement de nouveaux matériaux d'alliage et l'amélioration de la technologie de traitement permettront de porter la précision du shunt à un niveau de 0,1, voire plus.

6.2 Intelligence et intégration

Le module de shunt intégré (ADC intégré, capteur de température, interface de communication) deviendra une tendance importante pour simplifier la conception du système et améliorer la fiabilité. Parallèlement, la fonction d'autodiagnostic basée sur l'IA sera progressivement introduite pour assurer la surveillance de l'état de santé et la maintenance prédictive du shunt.

6.3 Développement standardisé

Avec le développement normalisé de l'industrie du stockage de l'énergie, les normes techniques relatives à la détection du courant seront améliorées. Cela favorisera l'unification des spécifications des produits et réduira le coût global de l'industrie.

remarques finales

Le développement rapide des systèmes de stockage d'énergie à grande échelle a renforcé les exigences en matière de technologie de détection de courant. Grâce à sa haute précision et à sa grande fiabilité, le shunt joue un rôle irremplaçable dans les systèmes de stockage d'énergie. Grâce à une sélection et à une conception raisonnables, à des mesures d'isolation parfaites et à une protection CEM efficace, la solution de shunt peut répondre aux exigences techniques des systèmes de stockage d'énergie.

Safran est profondément engagé dans l'industrie du stockage de l'énergie depuis longtemps et a accumulé une riche expérience en matière d'applications. Nous pouvons fournir une assistance technique complète, de la sélection des shunts à l'intégration du système, en fonction des besoins spécifiques des clients.