L'ingénieur

Luca Martini, ingénieur système, Analog Devices

Au 21e siècle, les gouvernements du monde travaillent sur des plans d'action pour relever les défis complexes et à long terme de la réduction des émissions de CO2. Les émissions de CO2 se sont avérées responsables des effets dévastateurs du changement climatique, et les besoins en nouvelles technologies de conversion d'énergie efficaces et en amélioration de la chimie des batteries augmentent rapidement.

Y compris les sources d'énergie renouvelables et non renouvelables, la population mondiale a consommé près de 18 000 milliards de kWh l'année dernière seulement et la demande ne cesse de croître ; en fait, plus de la moitié de l'énergie jamais produite a été consommée au cours des 15 dernières années.

Nos réseaux électriques et nos groupes électrogènes sont en constante expansion ; le besoin d'énergie plus efficace et respectueuse de l'environnement n'a jamais été aussi grand. Parce qu'il était plus facile à utiliser, les premiers développeurs de réseaux travaillaient avec du courant alternatif (ca) pour alimenter le monde en électricité, mais dans de nombreux domaines, le courant continu (cc) peut considérablement améliorer l'efficacité.

Poussées par le développement d'une technologie de conversion de puissance efficace et économique basée sur des semi-conducteurs à large bande interdite, tels que les dispositifs GaN et SiC, de nombreuses applications voient désormais des avantages à passer à l'échange d'énergie en courant continu. En conséquence, la mesure précise de l'énergie en courant continu devient pertinente, en particulier lorsque la facturation de l'énergie est impliquée. Dans cet article, les opportunités de comptage en courant continu dans les stations de recharge de véhicules électriques, la production d'énergie renouvelable, les fermes de serveurs, les micro-réseaux et le partage d'énergie entre pairs seront discutées, et une conception de compteur d'énergie en courant continu sera proposée.

Le taux de croissance des véhicules électriques rechargeables (VE) est estimé à +70 % CAGR à partir de 20181 et devrait augmenter de +25 % CAGR d'année en année de 2017 à 2024.2 Le marché des bornes de recharge suivra à 41,8 % CAGR de 2018 à 2023.3 Cependant, pour accélérer la réduction de l'empreinte carbone causée par le transport privé, les véhicules électriques doivent devenir le premier choix du marché automobile.

Ces dernières années, de gros efforts ont été déployés pour améliorer la capacité et la durée de vie des batteries, mais un vaste réseau de recharge des véhicules électriques est également une condition fondamentale pour permettre de longs trajets sans se soucier de l'autonomie ou du temps de charge. De nombreux fournisseurs d'énergie et entreprises privées déploient des chargeurs rapides jusqu'à 150 kW, et les chargeurs ultrarapides d'une puissance allant jusqu'à 500 kW par pile de charge suscitent un vif intérêt. Compte tenu des bornes de recharge ultrarapides avec une puissance de pointe de charge localisée allant jusqu'à des mégawatts et des tarifs d'énergie de recharge rapide associés, la recharge des véhicules électriques deviendra un énorme marché d'échange d'énergie, avec le besoin conséquent d'une facturation précise de l'énergie.

Actuellement, les chargeurs EV standard sont mesurés du côté AC avec l'inconvénient de ne pas mesurer l'énergie perdue dans la conversion AC-DC et, par conséquent, la facturation est inexacte pour le client final. Depuis 2019, de nouvelles réglementations européennes obligent les fournisseurs d'énergie à facturer au client uniquement l'énergie transférée au VE, ce qui fait que les pertes de conversion et de distribution d'énergie sont à la charge du fournisseur d'énergie.

Alors que les convertisseurs SiC EV à la pointe de la technologie peuvent atteindre une efficacité supérieure à 97 %, il est clairement nécessaire de permettre une facturation précise du côté cc pour les chargeurs rapides et ultrarapides, où l'énergie est transférée en cc lorsqu'elle est directement connectée à la batterie de le véhicule. Outre les intérêts publics en matière de comptage de la recharge des véhicules électriques, les systèmes de recharge privés et résidentiels des véhicules électriques peer-to-peer pourraient être encore plus incitatifs pour une facturation précise de l'énergie côté courant continu.

Figure 1. Mesure de l'énergie CC dans la station-service EV du futur.

Figure 2. Comptage d'énergie CC dans une infrastructure de micro-réseau durable.

Qu'est-ce qu'un micro-réseau ? Essentiellement, un micro-réseau est une version plus petite d'un système d'alimentation électrique. En tant que tel, une alimentation sûre, fiable et efficace est requise. Des exemples de micro-réseaux peuvent être trouvés dans les hôpitaux, sur les bases militaires et même dans le cadre des systèmes de services publics où la production d'énergie renouvelable, les générateurs de carburant et le stockage d'énergie travaillent ensemble pour créer un système de distribution d'énergie fiable.

D'autres exemples de micro-réseaux peuvent être trouvés dans les bâtiments. Avec le large déploiement de générateurs d'énergie renouvelable, les bâtiments peuvent même devenir autosuffisants, avec des panneaux solaires sur les toits et des éoliennes à petite échelle générant autant d'énergie qu'il est utilisé, indépendantes mais secourues par le réseau.

De plus, jusqu'à 50 % des charges électriques d'un bâtiment fonctionnent en courant continu. Actuellement, chaque appareil électronique doit convertir le courant alternatif en courant continu, et jusqu'à 20 % d'énergie est perdue au cours du processus, avec une économie totale estimée jusqu'à 28 % par rapport à la distribution traditionnelle en courant alternatif.4

Dans un bâtiment à courant continu, la consommation d'énergie peut être réduite en convertissant le courant alternatif en courant continu en une seule fois et en alimentant directement en courant continu les appareils qui en ont besoin, tels que les lumières LED et les ordinateurs.

L'intérêt pour les micro-réseaux à courant continu augmente rapidement, tout comme le besoin de normalisation.

La CEI 62053-41 est une norme en attente qui indique les exigences et les niveaux nominaux pour les systèmes CC résidentiels et les compteurs de type fermé similaires à l'équivalent CA pour le comptage d'énergie CC.

Le segment des micro-réseaux en courant continu est évalué à environ 7 milliards de dollars en 20175 et connaîtra une croissance supplémentaire grâce à la tendance émergente de la distribution en courant continu.

Les opérateurs de centres de données envisagent activement différentes technologies et solutions pour améliorer l'efficacité énergétique de leurs installations, car l'électricité est l'un de leurs coûts les plus importants.

Les opérateurs de centres de données voient des avantages significatifs dans la distribution en courant continu car le nombre minimum de conversions requises entre le courant alternatif et le courant continu diminue, et l'intégration avec les énergies renouvelables est plus facile et plus efficace. La réduction des étapes de conversion est estimée à :

Figure 3. Moins de composants sont nécessaires dans une alimentation en courant continu pour les centres de données, et les pertes sont inférieures à celles d'une distribution en courant alternatif traditionnelle.

Figure 4. Intégration des énergies renouvelables dans un centre de données à courant continu.

Les tensions de bus de distribution vont jusqu'à environ 380 VDC, et la mesure précise de l'énergie en courant continu suscite de plus en plus d'intérêt, car de nombreux opérateurs adoptent une approche plus mesurable consistant à facturer le client en colocation en fonction de la consommation d'énergie.

Les deux façons les plus populaires de facturer les clients de colocation pour l'utilisation de l'électricité sont :

Dans le but d'encourager l'efficacité énergétique, l'approche de la production mesurée gagne en popularité et la tarification client peut être décrite comme :

Coût récurrent = redevance d'espace + (relevé de compteur pour l'équipement informatique × PUE)

Un rack moderne typique consomme jusqu'à 40 kW de courant continu. Par conséquent, les courants jusqu'à 100 A doivent être surveillés avec des compteurs CC de qualité de facturation.

Au début des années 1900, les compteurs d'énergie à courant alternatif traditionnels étaient entièrement électromécaniques. La combinaison d'une tension et d'une bobine de courant a été utilisée pour induire des courants de Foucault dans un disque rotatif en aluminium. Le couple résultant sur le disque était proportionnel au produit du flux magnétique généré par les bobines de tension et de courant. Enfin, l'ajout d'un aimant de rupture pour le disque rendait la vitesse de rotation directement proportionnelle à la puissance réelle consommée par la charge. À ce stade, la mesure de l'énergie consommée consiste simplement à compter le nombre de rotations sur une période de temps.

Les compteurs de courant alternatif modernes sont beaucoup plus complexes, précis et protégés contre les altérations. Désormais, un compteur intelligent à la pointe de la technologie peut même surveiller sa précision absolue et détecter les signes d'effraction 24h/24 et 7j/7 lorsqu'il est installé sur le terrain. C'est le cas du circuit intégré de mesure Analog Devices ADE9153B, activé avec la technologie mSure®. Les compteurs d'énergie - qu'ils soient modernes, traditionnels, ca ou cc - sont tous classés en fonction de leurs impulsions par kWh constantes et de la précision de leur classe de pourcentage. Le nombre d'impulsions par kWh indique le taux de mise à jour de l'énergie, ou la résolution. La classe de précision certifie l'erreur de mesure maximale de l'énergie.

Semblable à l'ancien compteur mécanique, l'énergie dans un intervalle de temps donné est calculée en comptant ces impulsions; plus la fréquence des impulsions est élevée, plus la puissance instantanée est élevée et vice versa.

L'architecture de base d'un compteur de courant continu est représentée sur la figure 5. Afin de mesurer la puissance consommée par la charge (P = V × I), au moins un capteur de courant et un capteur de tension sont nécessaires. Lorsque le côté bas est au potentiel de la terre, le courant traversant le compteur est généralement mesuré du côté haut pour minimiser le risque de fuites non mesurées, mais le courant peut également être mesuré du côté bas, ou des deux côtés si l'architecture de conception l'exige. La technique de mesure et de comparaison des courants des deux côtés de la charge est souvent utilisée pour activer le compteur avec une capacité de détection de défaut et de sabotage. Cependant, lorsque le courant est mesuré des deux côtés, au moins un capteur de courant doit être isolé afin de faire face au potentiel élevé aux bornes des conducteurs.

La tension est généralement mesurée avec un diviseur de potentiel résistif, où une échelle de résistances est utilisée pour réduire proportionnellement le potentiel à un niveau compatible avec l'entrée ADC du système.

En raison de la grande amplitude du signal d'entrée, une mesure de tension précise peut être facilement obtenue avec des composants standard. Il faut cependant faire attention aux coefficients de température et aux coefficients de tension du composant choisi, afin de garantir la précision requise sur toute la plage de température.

Comme indiqué précédemment, les compteurs d'énergie CC pour des applications telles que les bornes de recharge pour véhicules électriques doivent parfois facturer exclusivement l'énergie transférée au véhicule. Afin de répondre à l'exigence de mesure, les compteurs d'énergie CC pour les chargeurs de VE peuvent être tenus d'avoir plusieurs canaux de tension, permettant au compteur de détecter la tension également au point d'entrée du véhicule (mesure à 4 fils). Le comptage d'énergie CC dans une configuration à 4 fils garantit que toutes les pertes résistives de la pile de charge et du câble sont déduites de la facture d'énergie totale.

Figure 5. Architecture du système de compteur d'énergie CC.

Le courant électrique peut être mesuré soit par connexion directe, soit indirectement, en détectant le champ magnétique généré par le flux du porteur de charge. La section suivante traitera des capteurs les plus populaires pour la mesure du courant continu.

La détection de courant à connexion directe est une méthode éprouvée de mesure du courant alternatif et continu. Le flux de courant est acheminé à travers une résistance shunt de valeur connue. La chute de tension à travers la résistance shunt est directement proportionnelle au courant circulant comme décrit par la loi d'Ohm bien connue (V = R × I), et elle peut être amplifiée et numérisée, fournissant une représentation précise du courant circulant dans le circuit .

La détection de résistance shunt est une méthode bon marché, précise et puissante pour mesurer le courant de mA à kA, avec une bande passante théoriquement illimitée. Cependant, la méthode souffre de certains inconvénients.

Lorsque le courant circule dans une résistance, la chaleur Joule est générée proportionnellement au carré du courant. Cela entraînera non seulement des pertes en termes d'efficacité, mais l'auto-échauffement modifiera la valeur résistive du shunt elle-même avec une dégradation conséquente de la précision. Pour limiter l'effet d'auto-échauffement, une résistance de faible valeur est utilisée. Cependant, lorsqu'une petite résistance est utilisée, la tension aux bornes de l'élément de détection est également faible et parfois comparable au décalage continu du système. Dans ces conditions, atteindre la précision requise sur la partie inférieure de la plage dynamique peut ne pas être une tâche triviale. Des frontaux analogiques de pointe, avec un décalage cc ultra-faible et une dérive de température ultra-basse, peuvent être utilisés pour surmonter les limites des résistances shunt de petite valeur. Cependant, comme les amplificateurs opérationnels ont un produit gain-bande passante constant, un gain élevé limitera la bande passante disponible.

Les shunts de détection de courant de faible valeur sont généralement fabriqués à partir d'alliages métalliques spécifiques tels que le manganèse-cuivre ou le nickel-chrome, qui annulent les dérives de température opposées de leurs constituants pour entraîner une dérive globale de l'ordre de dizaines de ppm/°C.

Un autre facteur d'erreur dans la mesure en courant continu à connexion directe peut être le phénomène de force électromotrice thermique (EMF), également connu sous le nom d'effet Seebeck. L'effet Seebeck est un phénomène dans lequel une différence de température entre au moins deux conducteurs électriques ou semi-conducteurs dissemblables formant une jonction produit une différence de potentiel entre les deux. L'effet Seebeck est un phénomène bien connu et il est largement utilisé pour détecter la température dans les thermocouples.

Dans le cas de shunts de courant connectés à 4 fils, la chaleur Joule se formera au centre de l'élément d'alliage résistif, se propageant tandis que les fils de détection en cuivre, qui peuvent être connectés à un PCB (ou à un support différent), et qui peuvent avoir une température différente.

Le circuit de détection formera une distribution symétrique de différents matériaux ; par conséquent, le potentiel aux jonctions sur les fils de détection négatifs et positifs s'annulera approximativement. Cependant, toute différence de capacité thermique, telle qu'un fil de détection négatif connecté à une plus grande masse de cuivre (plan de masse), peut produire une discordance dans la distribution de température, entraînant une erreur de mesure causée par l'effet thermique EMF.

Pour cette raison, il faut faire attention au raccordement du shunt et à la distribution de la chaleur générée.

Figure 6. EMF thermique dans les shunts causés par le gradient de température.

Le capteur est construit avec un anneau à haute perméabilité magnétique à travers lequel passe le fil de courant détecté. Cela concentre les lignes de champ magnétique entourant le conducteur mesuré sur un capteur à effet Hall, qui est inséré dans la zone de section transversale du noyau magnétique. La sortie de ce capteur est préconditionnée et généralement disponible en différentes saveurs. Les plus courants sont : 0V à 5V, 4mA à 20mA, ou interface numérique. Tout en offrant une isolation et une plage de courant élevée pour un coût relativement faible, les précisions absolues ne sont généralement pas inférieures à 1 %.

Un enroulement secondaire multitour sur le noyau perméable entraîné par un amplificateur de courant fournit une rétroaction négative pour atteindre une condition de flux total nul. En mesurant le courant de compensation, la linéarité est améliorée et il n'y a pas d'hystérésis du noyau avec une dérive de température globale supérieure et une plus grande précision par rapport à la solution en boucle ouverte. Les plages d'erreur typiques sont inférieures à 0,5 %, mais le circuit de compensation supplémentaire rend le capteur plus coûteux et parfois limité en bande passante.

Est-ce un système complexe en boucle ouverte ou fermée où le courant est mesuré en surveillant les variations de flux magnétique d'un noyau intentionnellement saturé ? Une bobine est enroulée autour d'un noyau ferromagnétique à haute perméabilité qui est intentionnellement saturé par une bobine secondaire entraînée par une tension carrée symétrique. L'inductance de la bobine s'effondre chaque fois que le noyau approche de la saturation positive ou négative, et le taux de variation de son courant augmente. La forme d'onde de courant de la bobine reste symétrique à moins qu'un champ magnétique externe ne soit appliqué en plus, auquel cas la forme d'onde devient asymétrique. En mesurant la taille de cette asymétrie, l'intensité du champ magnétique externe, et par conséquent le courant qui l'a généré, peut être estimée. Il offre une bonne stabilité de température et une précision jusqu'à 0,1 %. Cependant, l'électronique complexe du capteur en fait une solution coûteuse avec des prix 10 fois plus élevés que les autres solutions isolées.

Figure 7. Un transducteur de courant en boucle ouverte basé sur un concentrateur de flux et un capteur magnétique.

Figure 8. Un exemple du principe de fonctionnement des transducteurs de courant en boucle fermée.

Alors que la normalisation du comptage d'énergie en courant continu peut ne pas sembler trop difficile à réaliser par rapport à l'écosystème de normes de comptage en courant alternatif existant, les parties prenantes de l'industrie débattent encore des exigences pour différentes applications, demandant plus de temps pour peaufiner les détails exacts du comptage en courant continu.

La CEI travaille sur la CEI 62053-41 afin de définir des exigences spécifiques pour les compteurs statiques à courant continu pour l'énergie active avec des classes de précision de 0,5 % et 1 %.

La norme propose une gamme de tensions et courants nominaux, et fixe des limites à la consommation électrique maximale des voies de tension et de courant du compteur. De plus, comme l'exigence de mesure en courant alternatif, une précision spécifique est définie sur toute la plage dynamique, ainsi que le seuil de courant pour la condition sans charge.

Dans le projet, il n'y a pas d'exigence spécifique pour la bande passante du système, mais un test de variation de charge rapide est nécessaire pour être réalisé avec succès, définissant une exigence implicite sur la bande passante minimale du système.

La mesure CC dans les applications de recharge de véhicules électriques est parfois conforme à la norme allemande VDE-AR-E 2418 ou à l'ancienne norme ferroviaire EN 50463-2. Selon la norme EN 50463-2, les précisions sont spécifiées par transducteur, et l'erreur d'énergie combinée est alors une somme en quadrature de la tension, du courant et de l'erreur de calcul :

Analog Devices est un leader de l'industrie de la technologie de détection de précision, offrant une chaîne de signaux complète pour les mesures de courant et de tension de précision afin de répondre aux exigences des normes restrictives. La section suivante montrera une preuve de concept pour un compteur d'énergie CC conforme à la prochaine norme spécifique à l'application CEI 62053-41.

Compte tenu de l'espace de comptage d'énergie CC de facturation dans les micro-réseaux et les centres de données, nous pouvons supposer les exigences indiquées dans le tableau 3.

Une détection de courant bon marché et précise peut être obtenue en utilisant un shunt de faible valeur et faible EMF (<1μVEMF/°C). Maintenir la résistance shunt faible est fondamental pour réduire l'effet d'auto-échauffement et maintenir le niveau de puissance en dessous des limites requises par la norme.

Un shunt commercial de 75 μΩ maintiendra la puissance dissipée en dessous de 0,5 W.

Figure 9. Architecture du système de compteur CC.

Cependant, 1 % du courant nominal de 80 A générera un petit signal de 60 μV sur un shunt de 75 μΩ, nécessitant une chaîne de signaux dans la plage de performances de dérive de décalage inférieures au microvolt.

L'ADA4528, avec une tension de décalage maximale de 2,5 μV et une dérive de tension de décalage maximale de 0,015 μV/°C, est bien adapté pour fournir une dérive ultra-faible, une amplification de 100 V/V pour le petit signal de shunt. Par conséquent, l'échantillonnage simultané, ADC 24 bits AD7779 peut être directement connecté à l'étage d'amplification, avec une contribution de dérive de décalage référencée d'entrée de 5 nV/°C.

Une tension continue élevée peut être mesurée avec précision avec un diviseur de potentiel résistif de rapport 1000:1 directement connecté à l'entrée ADC AD7779.

Enfin, un microcontrôleur implémente une simple fonctionnalité de métrologie pilotée par interruption, échantillon par échantillon, où pour chaque échantillon ADC, la routine d'interruption :

De plus, en plus de la fonctionnalité de métrologie, le microcontrôleur permet des interfaces au niveau du système telles que RS-485, un écran LCD et des boutons-poussoirs.

Figure 10. Preuve de concept - prototype.

1 Tom Turrentine, Scott Hardman et Dahlia Garas. "Piloter la transition du véhicule électrique vers la durabilité." Centre national pour le transport durable, UC Davis, juillet 2018.

2 "Rapport sur le marché mondial des véhicules électriques par type (véhicule électrique à batterie, véhicule électrique hybride et véhicules électriques hybrides rechargeables), par type de véhicule (deux roues, voiture de tourisme et véhicules utilitaires) et par régions - tendances de l'industrie, taille , Part, Croissance, Estimation et Prévisions, 2017-2024." Étude de marché sur la valeur.

3 Marché des bornes de recharge pour véhicules électriques par borne de recharge (borne de recharge AC, borne de recharge DC), type d’installation (résidentielle, commerciale) et région (Amérique du Nord, Europe, Asie-Pacifique et Row) – Prévisions globales jusqu’en 2023. Recherche et marchés , avril 2018.

4 Venkata Anand Prabhala, Bhanu Prashant Baddipadiga, Poria Fajri et Mehdi Ferdowsi. "Un aperçu des architectures et des avantages des systèmes de distribution de courant continu." MDPI, septembre 2018.

5 "Marché mondial des micro-réseaux par type (micro-réseau CA, micro-réseau CC, hybride), connectivité (connecté au réseau, distant/îlot), offre (matériel, services, logiciels), source d'énergie (gaz naturel, solaire, piles à combustible, chaleur combinée et Énergie, diesel et autres), application (santé, industrie, armée, services publics d'électricité et établissements d'enseignement), région (Amérique du Nord, Europe, Asie-Pacifique, Amérique du Sud, Moyen-Orient et Afrique), analyse globale de l'industrie, taille du marché , Part, Croissance, Tendances et Prévisions, 2018-2025." Researchstore.biz.

Luca Martini a reçu une M.Ing. diplôme en génie électronique et des télécommunications pour l'énergie de l'Université de Bologne, Italie, en 2016. Dans le cadre de son M.Eng. diplôme, il a passé sept mois à Fraunhofer IIS, à Nuremberg, en Allemagne, à développer un système de contrôle de précision en temps réel pour la caractérisation des récupérateurs d'énergie piézoélectriques. De 2006 à 2016, Luca a travaillé comme développeur de systèmes et de matériel dans le secteur biomédical. En 2016, Luca a rejoint le groupe Energy and Industrial System chez Analog Devices, à Édimbourg, au Royaume-Uni. Il peut être contacté à [email protected]