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De plus en plus d'usines passent aux systèmes de batteries 48V car ils offrent le bon équilibre entre efficacité, fonctionnalités de sécurité et compatibilité avec d'autres équipements. Lorsque les systèmes fonctionnent à 48 volts, ils consomment moins de courant pour une même puissance fournie, ce qui signifie des pertes d'énergie réduites par effet de résistance dans les câbles (rappelez-vous la formule P égale I au carré R vue à l'école). De plus, ce courant plus faible permet aux entreprises d'utiliser des câbles plus fins, ce qui réduit globalement les coûts. Un autre avantage majeur concerne la sécurité. À 48 volts, ces systèmes restent en dessous de la limite de 60 volts définie comme Tension Basse de Sécurité par les normes internationales telles que l'IEC 61140. Cela signifie que les travailleurs n'ont pas à craindre d'arcs électriques dangereux lors d'opérations de maintenance courantes, et qu'ils peuvent généralement se passer d'acheter des équipements de protection coûteux. Et devinez quoi ? Ce niveau de tension existe depuis longtemps dans des domaines tels que les réseaux téléphoniques, les systèmes d'automatisation industrielle et les tableaux de commande un peu partout. Ainsi, les installations peuvent raccorder ces systèmes à l'existant sans dépenser des sommes importantes en nouveaux câblages ou modifications.
La norme 48 V facilite considérablement l'utilisation des composants électriques de base dans tous les domaines. Un grand nombre des systèmes d'alimentation sans interruption (ASI) et des onduleurs actuels sont en effet livrés avec une prise en charge intégrée de l'entrée CC 48 V directement en sortie d'usine. Cela signifie que les batteries peuvent être connectées directement, sans passer par les étapes de conversion énergivores de courant alternatif à courant continu ou de courant continu à courant continu qui consomment beaucoup d'énergie. Ce qui est particulièrement intéressant, c'est que cela fonctionne également bien dans les anciennes installations industrielles. De nombreuses usines alimentent encore leurs réseaux de capteurs, leurs automates programmables (API) et divers circuits de commande avec une tension de 48 V. En raison de cette infrastructure existante, le passage aux batteries au lithium de 48 V s'opère rapidement, présente un risque minimal pour les opérations et ne nécessite pas non plus d'importants investissements en capital.
Une évaluation précise des besoins énergétiques industriels constitue la base d'une conception fiable de secours par batterie 48 V. Ce processus permet d'identifier les systèmes essentiels nécessitant une protection et de quantifier leur consommation d'énergie afin d'éviter les interruptions de service.
Commencez par établir une liste complète de tous les équipements présents dans l'installation, puis mesurez la quantité d'énergie que chaque appareil consomme réellement. Les pinces ampèremétriques conviennent très bien à ce type de travail, bien que certaines personnes préfèrent les systèmes de sous-comptage pour les installations plus importantes. En parcourant la liste, concentrez-vous d'abord sur les équipements qui doivent absolument rester en fonctionnement en permanence. Des éléments comme les contrôleurs de processus, les dispositifs de sécurité qui arrêtent les machines en cas de dysfonctionnement, ainsi que tout le matériel réseau assurant la connectivité des opérations doivent être prioritaires. Pour le reste ? L'éclairage des zones de bureaux, les unités de chauffage ou de climatisation supplémentaires non directement liées aux processus de production peuvent généralement attendre ou même être temporairement désactivés sans causer de problèmes majeurs. Veillez à enregistrer les valeurs de consommation habituelles, mais surveillez également les pics soudains de demande énergétique. Les moteurs et les gros compresseurs sont notoirement connus pour absorber jusqu'à trois fois leur courant normal au démarrage, il est donc essentiel de bien connaître ce qui se produit exactement durant ces phases de mise en route.
| Type d'équipement | Plage de puissance | Criticitée |
|---|---|---|
| Systèmes de contrôle des processus | 300–800 W | Élevé |
| Serveurs et équipements réseau | 500–1500 W | Élevé |
| Compresseurs CVC | 2000–5000 W | Moyenne |
| Éclairage des installations | 100–300 W | Faible |
Les outils modernes de modélisation prédictive réduisent les erreurs de dimensionnement de 39 % par rapport aux calculs manuels lorsqu'ils sont combinés avec des données historiques de charge. Calculez la consommation quotidienne totale en kWh en multipliant la puissance moyenne en watts par le nombre d'heures de fonctionnement, puis ajoutez une marge de 25 % pour tenir compte du vieillissement du matériel et d'une éventuelle extension future.
La plupart des installations industrielles s'en tiennent à des classifications standard de disponibilité de fonctionnement de nos jours. Les installations de niveau Tier III nécessitent une disponibilité moyenne d'environ 99,982 %, tandis que les installations de niveau Tier II visent environ 99,741 %. En ce qui concerne les cycles de fonctionnement des équipements, il existe une grande différence entre les charges continues, telles que les systèmes SCADA, et les machines qui démarrent et s'arrêtent fréquemment pendant leurs périodes d'exploitation. Pour les applications véritablement critiques, de nombreuses spécifications exigent une configuration de redondance dite N+1. Cela signifie essentiellement disposer d'une capacité d'alimentation de secours qui dépasse les besoins maximaux d'un module supplémentaire entier. Les facteurs environnementaux sont également importants. Les performances des batteries au lithium diminuent fortement lorsque la température descend en dessous des conditions normales de fonctionnement. Au point de congélation (0 degré Celsius), ces batteries fournissent généralement seulement environ 15 à 20 pour cent de leur capacité nominale par rapport à ce qu'elles peuvent délivrer à la température de référence standard de 25 degrés Celsius.
Obtenir la bonne taille pour un bloc-batterie de 48 V commence par déterminer le nombre d'heures kilowatt (kWh) dont nous avons besoin. Le calcul de base ressemble à ceci : prenez la charge critique en kilowatts et multipliez-la par la durée pendant laquelle vous souhaitez une alimentation de secours. Ensuite, divisez ce nombre par deux facteurs : premièrement, le pourcentage de profondeur de décharge, et deuxièmement, le facteur d'efficacité du système. La plupart des batteries au lithium peuvent supporter une profondeur de décharge d'environ 80 à 90 %, soit presque deux fois plus que les batteries au plomb, qui atteignent environ 50 %. Supposons qu'une personne ait besoin de 10 kW de puissance pendant quatre heures, avec une profondeur de décharge de 80 % et un système dont l'efficacité est de 95 %. Le calcul donne environ 52,6 kWh nécessaires. Pour convertir cette valeur en ampères-heures pour notre système de 48 V, multipliez simplement les kWh par 1000, puis divisez par 48 volts. Cela donne environ 1 096 ampères-heures. Suivre cette méthode permet d'éviter d'acheter une batterie trop petite, tout en maintenant des coûts raisonnables à long terme et en assurant des performances optimales dès le départ.
Lorsque nous souhaitons prolonger l'alimentation de secours au-delà d'une seule journée, nous multiplions essentiellement notre consommation quotidienne habituelle par le nombre de jours souhaités. Examinons un exemple : si une installation consomme environ 120 kilowattheures par jour et souhaite disposer de trois jours complets d'autonomie tout en maintenant une profondeur de décharge de 80 %, le calcul se fait comme suit. On prend ces 120 kWh multipliés par trois jours, ce qui donne 360, puis on divise par 0,8 en raison de cette exigence de 80 %, ce qui nous donne environ 450 kWh nécessaires. Cependant, personne ne fonctionne dans des conditions idéales. Le froid seul peut réduire la capacité des batteries d'environ 20 % lorsque la température descend en dessous de zéro. Les batteries au lithium perdent également en efficacité au fil du temps, d'environ 3 % par an. Et lorsqu'il y a des demandes soudaines de courant élevé, le système subit des chutes de tension qui rendent la capacité utilisable réelle encore plus faible que prévue. Pour cette raison, la plupart des ingénieurs ajoutent une marge de sécurité supplémentaire de 25 à 30 %. Cela augmente notre estimation initiale de 450 à environ 562 kWh de capacité totale, garantissant ainsi que tout continue de fonctionner correctement même en cas de problèmes imprévus pendant de longues pannes de courant.
Les systèmes de secours dans les environnements industriels utilisent généralement des configurations série-parallèle pour maintenir une sortie de 48 V stable, même lorsque les charges varient. Lorsque les batteries sont connectées en série, elles atteignent le niveau de tension requis. En les ajoutant en parallèle, on augmente la capacité totale (mesurée en Ah), ce qui permet au système de fonctionner plus longtemps pendant les pannes de courant. Le grand avantage est que cette configuration évite les flux de courant inégaux, souvent responsables d'une défaillance prématurée des batteries. Prenons l'exemple d'une configuration courante appelée 4S4P, ce qui signifie quatre groupes de quatre batteries reliées ensemble. Cela fournit la tension souhaitée de 48 volts tout en multipliant la capacité totale par quatre. Ce qui est vraiment important, c'est de s'assurer que le courant circule uniformément à travers toutes ces connexions en parallèle. La plupart des techniciens expérimentés savent que pour maintenir les variations en dessous d'environ 5 %, il faut soigner la conception des barres conductrices et appairer précisément les cellules. Des tests effectués par imagerie thermique sur des sites industriels réels confirment régulièrement ces observations.
Pour les exploitants d'installations de niveau III ou IV visant ce taux de disponibilité idéal de 99,995 %, la redondance N+1 n'est pas simplement souhaitable, mais absolument nécessaire. Lorsqu'un module tombe en panne, les opérations se poursuivent sans interruption. L'approche modulaire intègre des interrupteurs-sectionneurs fusibles sophistiqués capables de couper les parties défectueuses en seulement une demi-seconde. En ce qui concerne la croissance, ces systèmes sont conçus pour s'agrandir facilement grâce à des interfaces de baie standardisées. Les installations peuvent augmenter leur capacité progressivement, en ajoutant des incréments de 5 kWh selon les besoins. Aucun câblage complexe n'est requis non plus. Les entreprises indiquent réaliser environ 60 % d'économies sur les mises à niveau en passant des anciennes installations monolithiques à ce type d'infrastructure. Des études récentes de 2023 confirment ces gains, en montrant l'importance des économies réalisées au fil du temps grâce à cette infrastructure flexible.