Les systèmes de stockage d'énergie combinent des piles de batteries haute tension, des composants électroniques de gestion de batterie, des équipements de conversion de puissance et des systèmes de contrôle basse tension au sein de la même architecture électrique. Ces pièces ne fonctionnent pas toujours au même potentiel électrique et sont souvent situées à proximité de circuits de commutation à courant élevé générant un bruit électromagnétique important.
Pour cette raison, la communication au sein d’un système de stockage d’énergie par batterie n’est pas seulement une question de débit de données ou de protocole. Dans de nombreux endroits, les ingénieurs doivent également décider comment les informations peuvent circuler entre des régions électriquement séparées sans créer de chemins de courant indésirables, de boucles de masse ou d'interférences de mode commun.
La communication par fibre optique constitue un moyen de franchir ces frontières, car le signal se propage sous forme de lumière plutôt que sous forme de courant électrique à travers un câble conducteur. Cela rend la fibre particulièrement utile là où l'isolation galvanique, la sensibilité réduite du chemin de communication aux interférences électromagnétiques ou la séparation entre les domaines de contrôle haute tension et basse tension sont importantes.
La question d’ingénierie n’est donc pas simplement : « Un BMS doit-il utiliser la fibre ? »
Une meilleure question est :Où le système contient-il une limite d'isolement et quel type de lien de communication est le plus approprié à travers cette limite ?
Pourquoi les BMS et les systèmes de stockage d'énergie ont-ils besoin d'une isolation électrique ?
L'isolation électrique BMS fait référence à la séparation des circuits de communication ou de contrôle qui fonctionnent à différents potentiels électriques tout en permettant aux informations de passer entre eux. L'objectif est d'empêcher tout flux de courant indésirable à travers le chemin de communication tout en permettant aux informations de circuler entre les domaines électriques sans lier directement leurs références électriques locales.
Cette exigence provient directement de la structure électrique d’un bloc batterie haute tension.
Les piles de batteries haute tension créent plusieurs domaines de potentiel électrique
Une batterie haute tension est normalement construite en connectant plusieurs cellules ou modules en série. Bien que cela crée la tension de bloc requise, cela signifie également que différentes parties de la pile se trouvent à des potentiels électriques différents par rapport à la terre du système.
Un circuit de surveillance connecté à un groupe de cellules situé près du bas de la pile peut fonctionner à proximité du potentiel inférieur du pack. Un autre circuit de surveillance situé beaucoup plus haut dans la chaîne série peut flotter à un potentiel nettement plus élevé.
Du point de vue des mesures, les deux circuits peuvent remplir des fonctions similaires, telles que la lecture de la tension, de la température ou des informations de diagnostic des cellules. Cependant, électriquement, ils ne sont pas référencés au même potentiel.
Plusieurs domaines de potentiel électrique à l’intérieur d’une pile de batteries haute tension
Cela crée un problème fondamental de conception du BMS. Les informations doivent circuler à travers la pile de batteries et finalement atteindre un contrôleur central, mais l'électronique impliquée peut appartenir à différents domaines de tension.
De nombreuses architectures BMS utilisent donc des dispositifs de surveillance empilés, des interfaces série isolées, des liaisons couplées par transformateur, un CAN isolé ou d'autres méthodes pour déplacer les données en toute sécurité entre les domaines.
La fibre est une autre option lorsque le chemin de communication lui-même doit rester électriquement non conducteur.
La limite d'isolation entre l'électronique côté batterie et les contrôleurs basse tension
Le point le plus important n’est pas que la batterie soit « haute tension » au sens général. Le point important est de savoir où un domaine électrique doit communiquer avec un autre.
Par exemple, une section de surveillance de la batterie peut flotter avec la pile de batteries tandis que le contrôleur central BMS fonctionne à partir d'une alimentation basse tension référencée au châssis ou à la masse de commande.
De même, un rack de batterie, un système de conversion de puissance et un contrôleur de supervision peuvent chacun avoir leurs propres domaines de mise à la terre et d'alimentation.
Chaque fois qu'une liaison de communication franchit l'une de ces limites, l'interface doit être conçue de manière à ce que la communication normale ne devienne pas involontairement un chemin pour un courant de mode commun ou une énergie de défaut.
C'est le rôle de l'isolation galvanique.
D'où viennent les différences de potentiel EMI et de terre dans les systèmes de stockage d'énergie ?
Les systèmes de stockage d’énergie contiennent bien plus que des cellules de batterie et des composants électroniques de surveillance. Ils comprennent également des contacteurs, des bus CC, des étages CC/CC, des équipements PCS, des onduleurs, des pilotes de grille, des alimentations auxiliaires, des systèmes de refroidissement et des réseaux de contrôle externes.
Beaucoup de ces circuits commutent des tensions et des courants importants à grande vitesse.
Cela crée un environnement de communication électriquement exigeant.
Bruit de commutation PCS, différence de potentiel de terre et interférence de communication
L'électronique de puissance à commutation rapide génère du bruit en mode commun
Un PCS ou un onduleur fonctionne en commutant rapidement des dispositifs semi-conducteurs tels que les IGBT ou les MOSFET SiC. Ces transitions de commutation créent des changements importants et rapides de tension et de courant.
Dans le matériel réel, la capacité et l'inductance parasites sont toujours présentes.
Lorsque la tension change rapidement, un courant de déplacement peut traverser des capacités parasites. Lorsque le courant change rapidement, les inductances parasites peuvent générer des perturbations de tension supplémentaires. Ensemble, ces effets contribuent au bruit en mode commun et en mode différentiel.
Le résultat n’est pas que tous les liens de communication électrique échoueront. Des interfaces CAN, RS-485, SPI et autres interfaces électriques correctement conçues peuvent fonctionner de manière fiable dans des environnements industriels difficiles.
Cependant, le concepteur de communication doit gérer plusieurs facteurs à la fois :
Ces effets sont particulièrement pertinents dans les circuits électroniques de puissance présentant des transitions rapides de tension et de courant.
La différence de potentiel au sol peut devenir une partie du problème de communication
Deux équipements n’ont pas forcément exactement le même potentiel de terre.
Un rack de batteries, une armoire PCS, un panneau de commande ou une télécommande peuvent être connectés via différents chemins de mise à la terre. Des courants élevés, une impédance de câble, des transitoires de commutation ou une séparation physique peuvent produire des différences de tension entre les points de terre nominaux.
Si le support de communication contient un chemin conducteur entre ces emplacements, une partie de cette différence de tension peut apparaître à travers l'interface de communication.
C'est l'une des raisons pour lesquelles des boucles de masse se produisent.
Un système de communication en cuivre peut toujours être isolé en utilisant des émetteurs-récepteurs isolés ou d'autres dispositifs d'isolation galvanique. Le problème n’est donc pas simplement « le cuivre contre la fibre ».
La différence est qu’un câble à fibre optique ne fournit pas de conducteur électrique entre les deux extrémités.
Qu'est-ce que l'isolation des fibres optiques change au niveau de la couche physique ?
L’intérêt principal de l’isolation par fibre optique est simple :le support de communication ne conduit pas de courant électrique entre les deux points d'extrémité.
Les données électriques sont converties en lumière au niveau de l'émetteur. Le signal optique traverse la fibre. À la réception, la lumière est reconvertie en signal électrique.
Le câble lui-même étant non conducteur, l'émetteur et le récepteur peuvent fonctionner dans des domaines électriques différents sans établir de chemin de signal métallique entre eux.
Communication en cuivre vs isolation par fibre optique
La fibre supprime le chemin conducteur du signal
Dans une liaison en cuivre, les signaux électriques dépendent des relations de tension ou de courant entre les conducteurs.
Dans une liaison fibre optique, les informations sont transportées optiquement à travers le cœur de la fibre.
Cette différence physique produit plusieurs conséquences utiles.
Premièrement, la fibre ne crée pas de connexion galvanique entre les deux domaines électriques.
Deuxièmement, le courant de boucle de terre transmis par le câble ne peut pas circuler à travers le chemin optique.
Troisièmement, les champs électromagnétiques n’induisent pas de tension de signal dans la fibre de la même manière qu’ils le peuvent dans les conducteurs métalliques.
Cela rend les liaisons optiques particulièrement attrayantes autour des systèmes de commutation haute tension, des champs électromagnétiques puissants et des régions de contrôle électriquement séparées.
Pourquoi cela aide avec les boucles de masse et les interférences en mode commun
Les problèmes de mode commun deviennent souvent difficiles lorsqu'un récepteur de communication doit tolérer des différences de tension entre sa référence électrique locale et la référence côté émetteur.
La fibre change cette situation car le câble optique transporte l'information sans nécessiter la connexion des deux références électriques.
Au lieu de concevoir l'interface du câble pour qu'elle tolère une tension de mode commun élevée, le concepteur peut séparer les domaines électriques et transférer uniquement les informations de manière optique.
Cela peut simplifier l’isolation des équipements physiquement séparés, en particulier lorsque le chemin de câble traverse des zones électriquement bruyantes.
Cependant, la liaison optique ne fait qu'isoler le chemin de communication.
L'électronique de l'émetteur, l'électronique du récepteur, les alimentations, la disposition du circuit imprimé, la ligne de fuite et le dégagement, la mise à la terre, la protection contre les surtensions et la conception CEM doivent toujours être conçus correctement.
La fibre ne rend donc pas l’ensemble du BMS ou du PCS immunisé contre les interférences électromagnétiques. Il supprime un chemin de couplage conducteur important.
La fibre ne remplace pas toutes les autres méthodes d’isolation
Les isolateurs numériques, les émetteurs-récepteurs CAN isolés, les interfaces RS-485 isolées, la communication couplée par transformateur, les optocoupleurs et l'isolation capacitive ou magnétique restent des options d'ingénierie valables.
Pour une isolation courte au niveau du PCB, ces approches peuvent être plus simples et plus économiques que l'installation d'un émetteur-récepteur optique et d'un câble à fibre optique.
La fibre devient plus attrayante lorsque la limite d'isolation s'étend sur un parcours de câble physique, lorsque les deux domaines sont physiquement séparés ou lorsque la route de communication traverse un environnement EMI puissant.
La technologie appropriée dépend de l'emplacement physique de la barrière d'isolation et des exigences du chemin de communication.
Où les liaisons fibre optique peuvent-elles s'intégrer dans une architecture BMS ou de stockage d'énergie ?
La fibre n’a pas besoin de remplacer chaque lien de communication à l’intérieur d’un système de stockage d’énergie.
Son rôle le plus important se situe généralement aux endroits où la séparation électrique apporte une valeur claire au niveau du système.
Où les liaisons fibre s'intègrent dans une architecture BMS et de stockage d'énergie
Communication du rack de batterie ou du module
Dans un rack ou une armoire de batteries, de courtes liaisons optiques peuvent être utilisées entre les contrôleurs ou les unités de surveillance lorsqu'une isolation électrique est requise entre les sections du système.
Ceci est particulièrement pertinent lorsque l’électronique est répartie sur différents domaines de tension.
La distance requise peut n'être que de quelques mètres ou plusieurs dizaines de mètres, mais la liaison peut néanmoins bénéficier d'une séparation électrique complète.
Pour ces applications, les liaisons optiques industrielles compactes peuvent s’avérer plus pertinentes que les réseaux fibre optique longue distance de type télécommunications.
Système de batterie vers PCS ou contrôleur central
Un autre endroit important est la limite de communication entre le système de batterie et le PCS ou le contrôleur de supervision.
Le côté batterie peut contenir une électronique de surveillance haute tension flottante, tandis que le PCS contient des étages de commutation haute puissance. Un contrôleur central peut fonctionner dans un environnement basse tension séparé.
Si le chemin de communication traverse ces régions, la fibre peut empêcher le câble de signal lui-même de devenir une connexion électrique entre elles.
L’avantage n’est donc pas seulement une meilleure performance sonore.
L'avantage le plus fondamental est la séparation des domaines électriques.
Pourquoi POF peut-il bien fonctionner pour les liaisons d'isolation BMS à courte distance ?
La fibre optique en plastique, en particulier la POF à gros cœur utilisée avec les émetteurs-récepteurs industriels de lumière visible, est bien adaptée à de nombreuses liaisons optiques internes courtes.
Son rôle est différent de celui de la fibre télécom longue distance.
Liens courts intra-système et au niveau du rack
Les systèmes POF industriels sont couramment utilisés sur des distances mesurées en mètres ou en dizaines de mètres.
Cette gamme correspond à de nombreux chemins de communication internes aux machines, armoires, racks et équipements.
Dans un système de stockage d'énergie, cela peut inclure la communication entre :
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cartes contrôleur séparées,
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supports de batterie,
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des unités de surveillance locales,
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armoires de commande,
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ou des interfaces isolées entre les sections haute tension et basse tension.
Il n’existe pas de distance maximale universelle unique pour le POF.
La distance réelle réalisable dépend de la liaison optique complète, y compris la sortie de l'émetteur, la sensibilité du récepteur, le débit de données, l'atténuation de la fibre, la perte du connecteur, la température de fonctionnement, la qualité de l'installation et la marge de conception requise.
Pour cette raison, POF doit être traité comme unplateforme optique industrielle courte distance, et non comme un type de fibre avec une limite de distance fixe.
Considérations sur la fibre à gros cœur, la terminaison et l'installation
Une caractéristique pratique du POF industriel est son noyau optique relativement grand.
Le grand noyau peut simplifier l'alignement et la terminaison dans des systèmes de connecteurs appropriés, ce qui est utile pour les liaisons optiques au niveau de l'équipement où l'assemblage pratique et la facilité d'entretien sont importants.
Cela peut être précieux dans les équipements industriels où la liaison optique doit être assemblée, remplacée ou entretenue sans procédures complexes de manipulation des fibres.
La construction finale du câble compte toujours.
Le matériau de la gaine, la température nominale, les performances en flexion, la résistance à la traction, la conception du connecteur, les performances de flamme et la stabilité mécanique à long terme peuvent tous affecter la fiabilité.
La fibre elle-même ne constitue qu’une partie du lien de communication terminé.
Quand faut-il utiliser du HCS ou de la fibre de verre à la place du POF ?
POF est utile, mais ce n'est pas le bon choix pour chaque liaison optique.
À mesure que la distance, la température, la bande passante ou les exigences environnementales augmentent, d'autres types de fibres peuvent offrir une marge plus importante.
Lorsque HCS fournit plus de marge ou de distance de lien
La silice à gaine dure, ou HCS, utilise un noyau optique en silice avec une structure de gaine en polymère.
Comparé au POF à gros cœur typique, le HCS offre généralement une atténuation optique plus faible et peut prendre en charge des liaisons industrielles plus longues avec des émetteurs-récepteurs compatibles.
Cela rend le HCS utile lorsque l’application bénéficie toujours d’une architecture optique industrielle robuste mais nécessite une plus grande distance de transmission ou une marge optique supplémentaire.
Dans certaines familles d'émetteurs-récepteurs industriels, la même plate-forme de communication générale peut prendre en charge des liaisons POF plus courtes et des liaisons HCS beaucoup plus longues.
La distance exacte reste spécifique à l'émetteur-récepteur.
La capacité de température est également importante. Certaines constructions HCS peuvent prendre en charge des plages de fonctionnement plus larges que les constructions de câbles POF classiques, ce qui les rend adaptées aux environnements d'équipement plus exigeants.
Quand la fibre de verre conventionnelle devient plus appropriée
La fibre multimode ou monomode en verre standard devient plus pertinente lorsque les exigences de communication vont au-delà d'une liaison d'isolation interne de l'équipement.
Les raisons typiques incluent :
-
distance de transmission plus longue,
-
une bande passante plus élevée,
-
interfaces Ethernet ou réseau standardisées,
-
intégration avec une infrastructure LC, SC, ST ou similaire existante,
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ou la communication entre les armoires, les pièces ou les installations plutôt qu'au sein d'un seul équipement.
Cela crée une distinction technique utile.
POF est souvent attractif pour les liens industriels internes courts.
HCS offre un terrain d’entente lorsqu’une portée plus longue ou une marge environnementale supplémentaire est requise.
La fibre de verre conventionnelle devient plus appropriée lorsque le système commence à ressembler à un réseau industriel plutôt qu'à un lien de contrôle interne isolé.
Comment les ingénieurs devraient-ils sélectionner la fibre pour un lien d’isolation de stockage d’énergie ?
La sélection des fibres doit commencer par l'ensemble des exigences de communication plutôt que par le matériau fibreux seul.
Facteurs d'ingénierie pour la sélection d'une liaison d'isolation de fibre
| Facteur de sélection |
Question d'ingénierie |
| Distance |
Quelle est la longueur réelle du chemin optique acheminé, y compris les boucles de service et le routage des armoires ? |
| Débit de données |
Quelle bande passante et quelle synchronisation de protocole la liaison doit-elle prendre en charge ? |
| Budget optique |
La combinaison émetteur, fibre, connecteur et récepteur offre-t-elle une marge suffisante ? |
| Température |
Chaque composant de la liaison peut-il fonctionner sur la plage de température requise ? |
| Type de connecteur |
Comment la fibre sera-t-elle terminée, installée, remplacée et entretenue ? |
| Environnement mécanique |
Le câble subira-t-il des vibrations, des flexions, des charges de traction, des abrasions ou des mouvements répétés ? |
| Exigence d'isolement |
Quels domaines électriques doivent rester galvaniquement séparés ? |
| Marge de fiabilité |
Quelle marge reste-t-il après prise en compte de la température, du vieillissement, de la perte du connecteur, de la contamination et de la tolérance d'installation ? |
Budget de distance et de liaison optique
La distance ne doit jamais être évaluée uniquement à partir de l’atténuation des fibres.
Une liaison optique fonctionnelle dépend de la puissance de l'émetteur, de la sensibilité du récepteur, des pertes des connecteurs, des épissures ou des interfaces, des effets de la température, du vieillissement et de la marge technique.
Une fibre avec une atténuation plus faible peut prendre en charge une liaison plus longue, mais uniquement si la paire d'émetteurs-récepteurs est conçue pour fonctionner avec cette fibre.
Débit de données et compatibilité des émetteurs-récepteurs
La vitesse de communication requise doit être adaptée à l'émetteur et au récepteur optiques.
Une fibre courte ne signifie pas automatiquement que n'importe quelle combinaison d'émetteur-récepteur fonctionnera.
La longueur d'onde de l'émetteur, la sensibilité du récepteur, le type de fibre, la géométrie du connecteur et le débit de données doivent former un système compatible.
Température et conditions environnementales
La température de fonctionnement de la fibre ne doit pas être considérée indépendamment.
La liaison complète comprend la fibre, la gaine du câble, le connecteur, l'émetteur, le récepteur et l'électronique environnante.
Si un composant a une plage de température autorisée inférieure à celle des autres, ce composant peut devenir un facteur limitant pour l'ensemble de la liaison.
Connecteurs, terminaison et maintenance
Le choix du connecteur n’affecte pas seulement la perte d’insertion.
Cela influence également la vitesse d'installation, les procédures de maintenance, la facilité d'entretien, la rétention mécanique, la répétabilité et la sensibilité à la contamination.
Pour les équipements pouvant être entretenus sur le terrain, ces facteurs pratiques peuvent être aussi importants que les performances optiques nominales.
Marge de fiabilité sur toute la durée de vie
Un lien qui fonctionne dans un prototype à température ambiante ne constitue pas automatiquement une conception de production fiable.
Le budget optique doit inclure une marge suffisante pour :
-
variation des composants,
-
les changements de température,
-
perte de connecteur,
-
vieillissement,
-
flexion,
-
contamination,
-
et tolérance d'installation.
Ceci est particulièrement important dans les systèmes de stockage d’énergie destinés à une longue durée de vie.
POF vs HCS vs fibre de verre conventionnelle pour l'isolation du stockage d'énergie
POF vs HCS vs fibre de verre conventionnelle pour l'isolation industrielle Lin
| Type de fibre |
Rôle typique d'ingénierie |
Positionnement à distance |
Force pratique |
Quand l’envisager |
| FOP |
Liens courts sur le contrôle interne et l’isolement |
Court, généralement de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres selon la liaison |
Grand noyau, terminaison industrielle pratique, forte isolation galvanique |
Liaisons de contrôle BMS courtes au niveau du rack et de l'armoire |
| HCS |
Liaisons optiques industrielles nécessitant plus de marge |
Plus long que le POF typique avec les émetteurs-récepteurs compatibles |
Atténuation inférieure et capacité environnementale plus forte dans des constructions appropriées |
Liens internes plus longs, conditions plus difficiles, marge de lien supplémentaire |
| Fibre de verre conventionnelle |
Réseaux industriels et interconnexions plus longues |
Liaisons plus longues, en fonction du système optique et de la norme du réseau |
Bande passante élevée, faible atténuation, écosystème connecteur/réseau standardisé |
D'armoire à armoire, au niveau de l'installation, Ethernet, communication longue distance |
Ces catégories ne doivent pas être traitées comme des limites strictes.
Le choix correct dépend de l'architecture optique complète plutôt que du seul matériau de la fibre.
Ingénierie à emporter
Les systèmes de stockage d’énergie n’utilisent pas la fibre simplement parce que la fibre est rapide ou parce que les batteries sont à haute tension.
La vraie raison est plus fondamentale.
Un BMS, un système de batterie haute tension, un PCS et un contrôleur de supervision peuvent contenir plusieurs domaines de potentiel électrique. Lorsque des informations doivent traverser ces domaines, le chemin de communication doit être conçu de manière à ne pas créer involontairement de connexion conductrice, de chemin de boucle de masse ou de problème d'interférence de mode commun.
La fibre résout ce problème particulier de couche physique en transportant les informations de manière optique plutôt qu'électrique.
Pour les liaisons d'isolation internes courtes, le POF peut être une solution pratique car il combine la séparation galvanique avec une interface optique industrielle à gros cœur.
Lorsque les exigences en matière de distance, de température, de marge optique ou de bande passante augmentent, le HCS ou la fibre de verre conventionnelle peuvent devenir plus appropriés.
La bonne sélection commence donc par quatre questions :
Où est la limite de l’isolement ? Quelle distance doit parcourir le signal ? Dans quel environnement le lien doit-il survivre ? Et quelle est la marge de fiabilité requise sur la durée de vie du système ?
Ces questions déterminent si la fibre est nécessaire et, si c'est le cas, quel type de fibre est techniquement judicieux.
FAQ
Pourquoi un BMS a-t-il besoin d'une isolation électrique ?
Un BMS peut inclure des circuits fonctionnant à différents potentiels électriques, en particulier dans les piles de batteries haute tension. L'isolation permet aux informations de surveillance et de contrôle de circuler entre ces domaines sans créer de chemin conducteur indésirable entre eux.
Pourquoi utiliser la fibre optique plutôt que le cuivre dans un BMS haute tension ?
La fibre ne fournit pas de chemin électrique métallique entre l'émetteur et le récepteur. Cela peut éliminer les boucles de masse transmises par les câbles et réduire l'exposition du chemin de communication aux interférences de mode commun. Les liaisons en cuivre peuvent également être isolées, mais elles nécessitent une méthode d'isolation électrique au niveau de l'interface.
La fibre optique en plastique peut-elle être utilisée pour la communication BMS ?
Oui. Le POF peut convenir aux courtes liaisons de communication internes de BMS ou de stockage d'énergie où l'isolation galvanique et la sensibilité réduite aux interférences électromagnétiques sont importantes. Sa distance pratique dépend de l'émetteur, du récepteur, du débit de données, de la température, de l'atténuation de la fibre, des connecteurs et du budget de la liaison optique.
Quand faut-il utiliser HCS à la place du POF ?
Le HCS peut être préféré lorsque la distance requise ou la marge optique dépasse ce qu'une liaison POF peut confortablement fournir, ou lorsque l'environnement d'exploitation nécessite une construction de fibre avec une température ou une capacité mécanique plus large.
La communication par fibre optique élimine-t-elle les problèmes EMI dans un système de stockage d'énergie ?
Non. La fibre supprime les chemins de courant conducteurs du câble de communication et empêche le support optique lui-même de capter les interférences électromagnétiques comme le peuvent les conducteurs métalliques. Les circuits électroniques aux deux extrémités peuvent toujours être affectés par les interférences électromagnétiques, de sorte que la disposition des circuits imprimés, la mise à la terre, le blindage, l'isolation électrique et la conception de la protection restent nécessaires.
Que doivent vérifier les ingénieurs lors de la sélection de la fibre pour la communication BMS vers PCS ?
Les principaux facteurs sont la distance de communication, le débit de données, le bilan de la liaison optique, la température de fonctionnement, la méthode de connecteur et de terminaison, l'environnement mécanique, les limites d'isolation et la marge de fiabilité à long terme. La liaison complète doit être évaluée en tant que système plutôt que de sélectionner la fibre indépendamment.
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