Courant de circulation dans les chaînes de batteries en parallèle : pourquoi cela se produit et comment l’architecture du BMS l’empêche | JKESS

Le scénario d’extension qui échoue

Envisage une expansion commerciale et industrielle (C&I) à titre d’exemple : une usine installe un système de batterie de 128 kWh en 2024 et nécessite 256 kWh en 2026, à mesure que sa charge augmente. L’approvisionnement propose d’acheter un autre système identique et de le connecter en parallèle. Trois mois plus tard, l’équipe d’exploitation constate un déséquilibre persistant du courant et une diminution plus rapide du SOC signalée dans l’une des chaînes. Les références des modèles correspondent, mais les batteries n’ont plus la même histoire d’exploitation.

Le courant de circulation constitue une explication possible, parmi d’autres telles que le partage inégal de la charge, les différences de température, la résistance des connexions, les erreurs de capteur ou des défauts de cellules. Des chaînes neuves et vieillies peuvent présenter des capacités et des résistances internes différentes, si bien que leurs trajectoires de tension interne et de SOC divergent durant le fonctionnement, même si leurs lectures initiales de SOC sont identiques. Une tension source plus élevée peut alors entraîner un courant vers l’autre chaîne. Vérifiez les courants de branche signés et les données des cellules avant de diagnostiquer la cause.

Le transfert interne incontrôlé génère des pertes résistives et un surplus de débit dans la batterie. Il peut accroître les contraintes thermiques et cycliques, amener les tensions cellulaires à atteindre leurs limites et déclencher la protection du système de gestion de la batterie (BMS) ; des courants suffisamment élevés peuvent faire sauter un fusible ou déclencher un disjoncteur. Certains problèmes apparaissent dès la connexion, tandis que d’autres deviennent plus évidents au fil de semaines de données fonctionnelles. Ce guide explique les principes physiques sous-jacents, trois contre-mesures techniques et le rôle du matériel maître et esclave JKESS dans une conception technique de chaînes parallèles.

Les principes physiques : pourquoi le courant de circulation se produit

Le courant de circulation ne prouve pas en soi une mauvaise qualité de la batterie. Il découle des lois des circuits lorsque des sources parallèles présentent des tensions internes différentes. Une première estimation utile, pour deux chaînes sans charge externe, est la suivante :

I_circulating = ΔV / R_loop

Une fois connectées, les chaînes partagent une tension de bus commune, à l’exception des chutes de tension dans les interconnexions. Le désaccord moteur provient de leurs sources équivalentes, et non de deux tensions différentes au même nœud de bus idéal. Sous charge externe, le courant dans chaque branche comprend à la fois le partage de charge et l’effet du désaccord de tension. Cette estimation résistive ne modélise pas les régimes transitoires de connexion, l’inductance ni la relaxation électrochimique.

2V ÷ 0.05Ω = 40A

P_loss = I² × R_loop       = 40² × 0.05 = 80W

Référence technique : Weng et al., recherche sur le déséquilibre de courant dans des batteries connectées en parallèle non identiques , développe un modèle à circuit équivalent et examine comment les différences de capacité et de résistance influencent le courant, l’état de charge (SOC) et le vieillissement. L’exemple numérique ci-dessus correspond à un calcul illustratif de circuit, et non à un résultat d’essai produit.

Protection parallèle non protégée contre protection indépendante par chaîne

La protection par branche indépendante facilite la détection et l’isolement des défauts. Elle doit être associée à une mesure par chaîne et à une réponse de commande coordonnée ; les dispositifs de protection seuls ne suppriment pas le courant de circulation.

Si une chaîne se déconnecte, les chaînes restantes peuvent recevoir un courant plus élevé. Le système de gestion de l’énergie (EMS) ou le convertisseur de puissance (PCS) doit réduire la puissance ou arrêter le fonctionnement si nécessaire afin d’éviter une coupure en cascade. Une protection indépendante ne constitue pas une autorisation pour effectuer des travaux sous tension.

Les trois contre-mesures techniques

1. Équiper chaque chaîne de disjoncteurs et de fusibles indépendants

   La protection des branches vise à isoler sélectivement les défauts. Spécifiez un disjoncteur et un fusible adaptés au courant continu pour chaque chaîne, ainsi que des contacteurs commandés par le système de gestion de la batterie (BMS) ou un mécanisme de déclenchement automatique adapté. Un courant de circulation modéré peut rester en dessous du seuil de déclenchement par surintensité ; ainsi, un fusible ne constitue pas un substitut à l’isolement contrôlé.

   Priorités de sélection : harmonisez le calibre en courant continu, les courbes temps-intensité, la tension nominale en courant continu, le courant de défaut disponible, le pouvoir de coupure, la protection des conducteurs et les pics de fonctionnement autorisés. Évaluez les contributions aux défauts provenant de chaque chaîne connectée. L’interruption sélective et le maintien du fonctionnement doivent être vérifiés au niveau du système.

   Emplacement d'installation: utiliser le schéma unifilaire approuvé et l’arrangement de mise à la terre pour déterminer quels conducteurs nécessitent protection et isolation. Aucune règle universelle ne stipule que le disjoncteur doit être placé sur le conducteur positif et le fusible sur le conducteur négatif. Vérifier la séquence de précharge et de raccordement pour l’équipement livré ; un circuit de précharge du lien CC n’est pas automatiquement dimensionné pour égaliser des chaînes de batteries désynchronisées.

2. Surveiller chaque chaîne en charge, en décharge et en veille

   Placer un canal indépendant de détection bidirectionnelle du courant sur chaque chaîne parallèle et conserver son signe. Un système équipé uniquement d’un capteur de courant total ne peut pas identifier le transfert interne masqué par la sommation. Par exemple, en décharge positive, +40 A dans une chaîne et −40 A dans une autre donnent approximativement 0 A au niveau de la connexion externe.

   Enregistrer les données actuelles avec les tensions des cellules, la tension de chaîne, la température, le SOC, l’état des contacteurs et le mode de fonctionnement. Configurer les seuils et les délais temporels en tenant compte de la précision des capteurs, du partage attendu de la charge, des caractéristiques nominales des chaînes et de la stratégie de commande approuvée. Réagir par des alarmes, une inhibition de connexion, des limites de puissance ou une isolation, selon le cas ; régler la puissance externe à zéro ne permet pas nécessairement d’arrêter le courant interne.

   Pour une comparaison de deux chaînes avec des courants de même sens et supérieurs au seuil de mesure, une métrique descriptive de déséquilibre est :

   Current imbalance (%) =100 × |I1 − I2| / max(|I1|, |I2|)

   À proximité du mode veille, utiliser des ampères signés et des seuils absolus. Les pourcentages deviennent instables à proximité de zéro. Des directions de courant opposées nécessitent une évaluation séparée, et des chaînes de capacités inégales peuvent légitimement transporter des courants différents ; comparer chaque branche à son allocation attendue et à ses limites.

3. Utiliser une supervision de niveau maître pour limiter les écarts de SOC et de tension

   Un écart de SOC constitue l’un des facteurs contribuant au courant de circulation, mais la réponse en tension dépend également de la résistance, de la température, de l’état des cellules et des opérations récentes. Les maîtres de chaîne et le superviseur système doivent échanger, via le protocole CAN/RS485 approuvé, des mesures et des limites validées, puis appliquer les critères d’adéquation en tension et en SOC avant de connecter une chaîne.

   Pendant le fonctionnement, la commande de supervision peut analyser les écarts, réduire la puissance du système, empêcher une reconnexion ou isoler une chaîne inadaptée. Un écart de SOC de cinq points de pourcentage peut servir uniquement de seuil indicatif d’analyse, à condition qu’il soit accepté pour le projet ; il ne constitue pas un seuil universel de connexion. Sur un bus continu en parallèle direct, le logiciel du BMS ne peut pas régler indépendamment le courant continu de chaque chaîne sans matériel de puissance adapté, tel qu’un étage DC/DC dédié à chaque chaîne.

   JKESS décrit la gestion en cascade de 4 à 16 boîtiers esclaves par maître. Associez le matériel approprié de gestion des modules à un canal défini de protection et de détection pour chaque chaîne parallèle, et vérifiez les fonctions de surveillance inter-chaînes pour le micrologiciel et la conception système sélectionnés. L’équilibrage actif au niveau cellulaire favorise la cohérence au sein des modules ; il ne remplace pas le contrôle du courant entre chaînes.

Référence d’architecture : Note d’application pour chaînes parallèles : considérations relatives à la protection et à la topologie (PDF) cette référence technique externe traite de la surveillance indépendante des chaînes, de l’isolement automatique et des compromis liés à la topologie ; elle ne constitue pas une preuve d’une fonctionnalité ou d’une affirmation de compatibilité d’un produit JKESS.

Comment l’architecture JKESS HV BESS gère les chaînes parallèles

Une boîte maîtresse, des unités de gestion de batterie esclaves (BMU) et un contrôleur au niveau système remplissent des rôles distincts. La plateforme maître-esclave JKESS fournit les blocs fonctionnels de mesure, de communication et de protection au niveau des modules. Un projet à chaînes parallèles doit également définir la détection, l’isolation et la commande de supervision de chaque chaîne complète.

La configuration compte. La page produit principale publie deux plages de cellules en série, aussi ce guide ne les considère-t-il pas comme interchangeables. La capacité énergétique dépend des cellules sélectionnées et de la configuration électrique, et non uniquement du nombre de boîtiers. Assurez la concordance entre la spécification d’achat et le matériel exact, le micrologiciel et le schéma système approuvé.

Liste de contrôle pré-expansion : 8 éléments à vérifier avant de mettre en parallèle une nouvelle chaîne

1. Vérifiez la compatibilité électrique. Confirmer l’identité de la chimie approuvée et du nombre de cellules en série, la compatibilité des plages de tension et la polarité correcte. Mesurer les tensions à vide (OCV) des chaînes au repos et utiliser la limite de raccordement approuvée par le fabricant ; ≤ 2 V n’est pas universellement sûr dans une boucle à faible résistance.
2. Examiner les cellules et leur état. Comparer le modèle, les registres de lot, la capacité, la résistance interne, l’âge, l’état de santé (SOH) et l’écart de tension entre cellules. Une étiquette produit identique ou une lecture initiale de SOC ne garantit pas la compatibilité.
3. Confirmer la protection indépendante par branche. Vérifier le disjoncteur, le fusible, le chemin d’isolement commandé, la coordination des courants de défaut et l’arrangement de précharge/raccordement approuvé pour chaque chaîne.
4. Valider la détection du courant. Confirmer la détection bidirectionnelle indépendante pour chaque chaîne, y compris la polarité du capteur, le décalage à zéro, la précision, l’enregistrement des données et la capacité de mesure en veille.
5. Vérifier la stratégie de supervision. Confirmer les limites d’acceptation du SOC et de la tension, les autorisations de raccordement, les limites de courant, les réponses à une perte de communication et la réduction de puissance après la déconnexion d’une chaîne.
6. Vérifier les conditions thermiques. Comparer les températures des cellules et de l’ambiance, et inspecter les performances de l’écoulement d’air ou du refroidissement liquide. Une différence de température ≤ 3 °C peut constituer un objectif projet, et non un seuil universel de réussite/échec ; appliquer les critères thermiques approuvés.
7. Effectuer les vérifications d’isolation spécifiées. Du personnel qualifié doit utiliser la procédure d’isolement approuvée pour l’équipement, la tension d’essai et la résistance d’acceptation. Un critère tel que ≥ 1 MΩ à 1 000 VCC ne s’applique que lorsqu’il est explicitement spécifié ; ne pas appliquer d’essai d’isolation haute tension sur des composants électroniques connectés, sauf si la procédure l’autorise.
8. Planifier la mise en service et la surveillance postérieure. Configurer les alarmes avant la connexion, vérifier la séquence d’alimentation approuvée et enregistrer le courant de chaque branche, le SOC, les tensions des cellules et les températures pendant une période d’observation initiale de 72 heures. Poursuivre la surveillance des tendances par la suite.

5 erreurs fréquentes lors du raccordement parallèle de chaînes de batteries

1. 1. Raccorder directement en parallèle des chaînes présentant des SOC différents

   Une chaîne neuve entièrement chargée et une chaîne existante à 80 % de SOC peuvent échanger un courant substantiel dès la connexion. Aligner la tension et le SOC selon la procédure approuvée, et vérifier également les limites par cellule ainsi que la tension du pack. Ne pas utiliser le contacteur principal pour égaliser un désaccord non approuvé.

2. 2. Protéger l’ensemble du groupe avec un seul disjoncteur

   Un disjoncteur partagé ne permet pas une isolation sélective de chaque branche. Prévoir des disjoncteurs et fusibles coordonnés par chaîne, ainsi qu’un mécanisme de déconnexion contrôlé. Des courants internes modérés peuvent ne jamais atteindre le seuil de déclenchement d’un fusible.

3. 3. Surveiller uniquement le courant total de la batterie

   Le total peut sembler normal alors qu’une chaîne se décharge dans une autre. Fournissez des mesures bidirectionnelles par chaîne et examinez le sens du courant, son amplitude absolue ainsi que la répartition attendue de la charge dans chaque mode de fonctionnement.

4. 4. Ignorer les différences de température

   Un refroidissement inégal modifie la résistance, la capacité disponible et le comportement de l’état de charge (SOC). Examinez les températures mesurées des cellules et les tendances thermiques, et non seulement la température ambiante. Maintenez l’installation dans les limites d’uniformité thermique approuvées ; 3 °C n’est pas une règle universellement valable.

5. 5. Omettre l’analyse des tendances durant les 72 premières heures

   Un essai de démarrage bref peut manquer un comportement qui apparaît à un état de charge (SOC), une charge ou une température différente. Passez en revue les courants signés des branches et les alarmes associées pendant une période d’observation initiale de 72 heures, puis poursuivez la surveillance à long terme. Ni la première connexion ni 72 heures sans alarme ne garantissent une compatibilité durable.

Questions fréquemment posées