Comment garantir des déploiements BESS modulaires sûrs et efficaces avec des connecteurs de pôles batterie enfichables

L'utilisation de systèmes de stockage d'énergie batterie (BESS) modulaires se développe dans les installations résidentielles, industrielles et à l'échelle des fournisseurs d'énergie électrique. Composés de plusieurs modules de batteries interconnectés, les systèmes BESS fournissent une alimentation de secours en cas de défaillance du réseau principal, régulent les pics de consommation d'énergie dans les installations industrielles et favorisent l'intégration dans le réseau de sources d'énergies renouvelables telles que l'énergie éolienne et l'énergie solaire. Si leur architecture modulaire simplifie l'installation, permet l'évolutivité et prend en charge le remplacement efficace des modules de batteries usés, les concepteurs doivent être particulièrement attentifs au choix des connecteurs de pôles batterie.

Outre la robustesse, la rentabilité et la conformité aux normes de sécurité et de performances les plus récentes, les concepteurs doivent également tenir compte de la flexibilité des connecteurs en termes d'orientation et de leur capacité à supporter de multiples cycles d'insertion et d'extraction, tout en maintenant une résistance de contact électrique minimale afin d'éviter la surchauffe. De plus, pour garantir la sécurité des utilisateurs, des fonctionnalités telles que la protection contre l'inversion de polarité et la protection contre le risque de contact doivent figurer sur la liste des exigences.

Cet article traite des problèmes associés à la connectivité des modules BESS. Il présente une gamme de connecteurs de pôles batterie enfichables de Phoenix Contact, conçus pour les applications BESS, et montre comment les utiliser.

Exigences de performances pour les connecteurs de pôles batterie

Les performances attendues des connecteurs de pôles batterie varient selon qu'il s'agit d'applications résidentielles, commerciales ou de réseaux électriques (Tableau 1). Si la sécurité est une priorité pour toutes les applications, les installations résidentielles bénéficient de hauts niveaux de flexibilité. Les considérations de maintenance sont importantes dans les conceptions BESS commerciales. Les installations BESS à l'échelle des fournisseurs d'énergie électrique mettent moins l'accent sur la flexibilité mais constituent globalement l'application la plus exigeante, pour laquelle on attend une installation rapide (temps de travail réduit), une haute sécurité, un faible taux de défaillance, un faible coût et une maintenance efficace. Il est essentiel de sélectionner la solution de connectivité appropriée pour répondre aux différentes exigences de performances.

Tableau 1 : Les différentes applications présentent des exigences variables pour les performances des connecteurs BESS. Un connecteur de pôles batterie approprié peut répondre aux exigences de ces trois catégories d'applications. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Les cosses de câble sont une méthode courante pour connecter les modules de batterie dans un système BESS (Figure 1). Les connecteurs à cosses sont relativement bon marché, mais ils présentent plusieurs inconvénients lorsqu'ils sont utilisés dans une installation BESS :

• Ils souffrent d'une mauvaise standardisation et d'un manque de flexibilité d'application
• La connexion et le serrage manuels des écrous sur chaque connecteur à cosse constituent un processus fastidieux et qui peut entraîner des erreurs de câblage
• Si les écrous ne sont pas correctement serrés, la connexion peut présenter une résistance élevée, entraînant une surchauffe
• Les connecteurs à cosse ne sont pas protégés de l'environnement ; lorsqu'ils sont utilisés dans des boîtiers extérieurs, la fiabilité des connecteurs à cosse peut être réduite par l'exposition à la poussière ou aux jets d'eau basse pression, et par la condensation et la pulvérisation d'eau
• Les connecteurs à cosses ne sont protégés contre les risques de contact et ne sont pas conformes aux normes de sécurité en vigueur, et présentent un risque d'électrocution pour les installateurs et le personnel de maintenance

Figure 1 : Le câblage d'un système BESS modulaire avec des cosses de câbles prend du temps et est sujet à des erreurs de câblage, et les connecteurs à cosse ne sont pas intrinsèquement protégés contre les risques de contact. (Image : Phoenix Contact)

Pour surmonter les inconvénients liés à l'utilisation de connecteurs à cosse, les concepteurs peuvent se tourner vers les connecteurs de pôles batterie enfichables spécialement conçus par Phoenix Contact, qui répondent aux exigences des installations BESS grand public, commerciales/industrielles et de réseaux électriques (Figure 2).

Figure 2 : Les connecteurs de pôles batterie enfichables pour systèmes BESS surmontent les limites des connecteurs à cosse et répondent aux exigences de performances des installations grand public, industrielles et de réseaux électriques. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Ces connecteurs offrent une bonne accessibilité et la possibilité de connecter le pôle batterie depuis n'importe quelle direction pour une installation rapide, avec une faible résistance de contact. Ils incluent une protection contre l'inversion de polarité et sont entièrement protégés contre les risques de contact pour la sécurité de l'opérateur. Un boîtier répertorié IP65 fournit une protection contre la pénétration de poussière et contre les jets d'eau basse pression provenant de toutes les directions, ainsi qu'une protection contre la condensation et la pulvérisation d'eau.

Les connecteurs sont répertoriés selon la catégorie III de surtension de la Commission électrotechnique internationale (CEI) et ils sont capables de résister à des tensions transitoires dans des installations fixes telles que des armoires extérieures abritant les systèmes BESS. Ils ont un degré de pollution de 2 selon la norme CEI 60664-1, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans les environnements où seule une pollution non conductrice se produit. Une condition de conductivité temporaire causée par la condensation peut occasionnellement se produire.

Les connecteurs de pôles batterie enfichables de Phoenix Contact sont dotés d'un code couleur et d'un détrompage mécanique pour éviter tout câblage croisé. Ils peuvent être simplement enfichés dans la prise protégée contre le risque de contact, où ils s'enclenchent et se verrouillent en place (Figure 3).

Figure 3 : Ces connecteurs de pôles batterie enfichables sont dotés d'un détrompage mécanique et d'un code couleur afin d'éviter tout câblage croisé. Un clic se fait entendre lors de l'enclenchement dans la prise protégée et du verrouillage. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Pour simplifier et accélérer davantage l'installation, les connecteurs peuvent être tournés jusqu'à 360° selon les besoins. L'utilisation de ces connecteurs de pôles batterie permet d'économiser 75 % du temps d'installation typique requis par rapport à l'utilisation de connecteurs à cosse. Un rack batteries industriel ou commercial typique peut comporter 10 à 12 modules, tandis qu'une installation BESS à l'échelle d'un fournisseur d'énergie électrique dans un conteneur comporte des centaines ou des milliers de modules de batteries. Dans de telles applications, l'utilisation de connecteurs de pôles batterie spécialement conçus permet de réaliser des économies de temps et d'argent considérables lors de l'installation par rapport aux connecteurs à cosse.

Ces connecteurs de pôles batterie enfichables se caractérisent par une faible résistance de contact et offrent de hauts niveaux de fiabilité et de sécurité, y compris des mécanismes de verrouillage positif pour éviter les déconnexions accidentelles (Figure 4). Ils sont répertoriés à 1500 volts CC (V_CC), 120 ampères (A), et pour plus de 100 cycles d'insertion/de retrait avec une force d'insertion ≤ 75 Newtons (N) et une force de retrait de ≥ 10 N.

Figure 4 : Ces connecteurs de pôles batterie enfichables sont dotés d'un mécanisme de verrouillage positif : à gauche (A), le mécanisme de verrouillage/levier de dégagement est représenté à l'état verrouillé ; au centre (C), la paire est déconnectée ; cette déconnexion est obtenue en faisant glisser le mécanisme de verrouillage (à droite, B) vers l'avant, vers l'interface de raccordement. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Exemples de connecteurs de pôles batterie

Le système de connecteurs de pôles batterie de Phoenix Contact se compose de paires de connecteurs de câble et de connecteurs à montage sur panneau avec des contacts plaqués argent, ayant une résistance de contact totale ≤ 5 milliohms (mΩ). Les connecteurs sont répertoriés selon UL 4128, la dernière norme UL pour les applications de batterie. Avant cette norme, la plupart des connecteurs de batterie étaient répertoriés selon la norme UL 1977, qui est une norme plus générale avec une tension nominale maximum de 1000 V_CC. Les connecteurs de pôles batterie de Phoenix Contact sont conçus pour une tension de 1500 V_CC, répondant à la norme UL 4128. En plus de répondre à la dernière norme UL 4128 (listée ci-dessous), ces connecteurs de pôles batterie répondent aux exigences d'importantes normes internationales liées aux systèmes BESS, y compris :

• CEI 61984 - Connecteurs - Exigences de sécurité et essais
• CEI 62933 - Systèmes de stockage de l'énergie électrique (EES)
• CEI 63066 - Connecteurs d'assemblage basse tension pour unités de stockage d'énergie amovibles
• UL 9540 - Norme relative aux systèmes et équipements de stockage d'énergie
• UL 4128 - Schéma d'enquête sur les connecteurs intercellulaires et intercalaires utilisés dans les applications de systèmes de batteries électrochimiques

Les connecteurs de câble tels que le 1106307 sont fournis en noir pour les pôles négatifs, tandis que le connecteur 1106306 est fourni en orange pour les pôles positifs (Figure 5). Une terminaison à sertir sur les connecteurs de câble accepte les câbles de 16 millimètres carrés (mm²) et de 25 mm², avec une longueur de dénudage de 22 mm. Un mécanisme de verrouillage coulissant prévient les déconnexions accidentelles.

Figure 5 : La partie connecteur de câble du système de connecteurs de pôles batterie est proposée en orange pour les pôles positifs (illustré ci-dessus) et en noir pour les pôles négatifs. Elle inclut un mécanisme de verrouillage coulissant (à droite du connecteur ci-dessus) pour prévenir les déconnexions accidentelles. (Source de l'image : Phoenix Contact)

En plus de répondre aux exigences techniques des installateurs et des intégrateurs de systèmes, les connecteurs de pôles batterie à montage sur panneau offrent aux concepteurs de systèmes BESS la flexibilité de choisir une fixation par barre-bus ou tige filetée dans le système (Figure 6). Comme les connecteurs de câble, les connecteurs à montage sur panneau sont disponibles en orange pour les pôles positifs (avec un choix de barre-bus, comme 1130816, ou de tige filetée, comme 1106303) et en noir pour les pôles négatifs (avec un choix de barre-bus, par exemple 1130814, ou de tige filetée, comme 1106304).

Figure 6 : La partie connecteur de pôles batterie à montage sur panneau est disponible avec des options de connexion barre-bus (à gauche) ou tige filetée (à droite). (Source de l'image : Phoenix Contact)

Résumé des caractéristiques de performances et des avantages du système de connecteurs de pôles batterie :

• Temps d'installation 75 % plus rapide que celui des connecteurs à cosses, réduisant les coûts d'installation
• Code couleur pour identification de la polarité :
  • Orange (+) positif
  • Noir (-) négatif
• Les paires de connecteurs noir et orange sont dotées d'interfaces uniques pour éviter les connexions croisées
• Le mécanisme de verrouillage positif prévient les déconnexions accidentelles
• Les connecteurs de câble ont des terminaisons à sertir pour des fils de 16 mm² et 25 mm²
• Le système de connecteurs raccordé peut être tourné à 360° pour simplifier l'installation
• Système répertorié pour 100 cycles d'insertion/de retrait avec une force d'insertion ≤ 75 N et une force de retrait ≥ 10 N
• Conception entièrement protégée contre le risque de contact pour la sécurité de l'opérateur
• Les boîtiers répertoriés IP65 garantissent la protection environnementale
• Contacts plaqués argent pour une résistance de contact ≤ 5 mΩ et une interface de connexion fiable
• Système répertorié CEI pour 120 A et 1500 V_CC
• Plage de températures de fonctionnement de -40°C à +125°C

Considérations de conception et d'application

Pour garantir un fonctionnement sûr et fiable, les concepteurs et les installateurs doivent tenir compte de plusieurs facteurs lorsqu'ils utilisent des systèmes de connecteurs de pôles batterie enfichables :

• Ne pas connecter ou déconnecter les connecteurs sous charge.
• Le connecteur doit être entièrement branché et verrouillé avant d'être mis sous tension.
• En fonctionnement normal, le connecteur sera chaud. À haute température ambiante, ces connecteurs peuvent chauffer davantage. S'il est prévu que le connecteur soit utilisé dans des conditions de température ambiante élevée, des avertissements de brûlure tels que ceux requis par la norme DIN EN ISO 13732-1:2008-12 peuvent être nécessaires.
• Un capot de protection doit être placé sur les connecteurs qui ne sont pas utilisés.
• La charge de traction sur les connecteurs d'un assemblage de câble ne peut pas dépasser la limite supérieure de la spécification.

Conclusion

Alors que le déploiement des systèmes BESS s'accélère pour garantir une alimentation fiable et s'adapter aux sources d'énergies renouvelables, les concepteurs doivent accorder une attention particulière aux exigences relatives aux connecteurs de pôles batterie pour ces systèmes de batterie modulaires. En utilisant des connecteurs de pôles batterie enfichables, les concepteurs peuvent répondre aux principales exigences de sécurité et de performances, tout en prenant en charge les exigences de fiabilité, d'évolutivité, de maintenance, d'impact environnemental et de coût des installations BESS résidentielles, commerciales/industrielles et de fournisseurs d'énergie électrique.

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