Rendement et consommation auxiliaire des systèmes BESS C&I

Rapport d'analyse de la chaîne énergétique et de la consommation auxiliaire pour un cycle unique charge/décharge d'une armoire de stockage industriel et commercial

Ce rapport concerne une armoire de stockage industriel et commercial de 125 kW / 261 kWh et analyse la chaîne énergétique d'un cycle complet DOD 0 % → 95 % → 0 %. Le RTE AC-AC nominal du système est de 88,5 % ; au-delà des rendements du PCS et du rendement aller-retour DC de la batterie, il faut également déduire la consommation auxiliaire du groupe de refroidissement liquide, du BMS/EMS et du déshumidificateur.

• RTE de cœur (PCS + batterie, hors auxiliaires) : 88,95 %
• Consommation électrique du refroidissement liquide pour un cycle au rapport cyclique nominal : environ 5,8 – 8,1 kWh (couvre la plage de plus de 50 % de rapport cyclique jusqu'à la puissance maximale)
• Plage de RTE net correspondante du système : 85,15 % – 87,48 % (du refroidissement à 25 % jusqu'au refroidissement nominal, couvrant les conditions de terrain courantes)

1. Paramètres du système

2. Câblage et bornes

Cette section ne traite pas du câblage externe, mais met l'accent sur les points de mesure d'énergie, recommandés comme suit :

• Mesure côté réseau : compteur bidirectionnel à la sortie du disjoncteur de raccordement dans l'armoire, servant de source pour $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$.
• Mesure côté AC du PCS : compteur bidirectionnel à la sortie AC du PCS, pour vérifier le rendement propre du PCS.
• Côté DC de la batterie : acquisition sur le bus DC du BMS, pour calculer le rendement aller-retour DC de la batterie.

3. Spécifications du groupe de refroidissement liquide

L'unité utilise un compresseur à fréquence variable et une pompe à eau à fréquence variable. Le signal de contrôle principal est la température des cellules de batterie ($T_{\max}$ / $T_{\min}$), le signal de consigne est la température de sortie de liquide ($T_{\text{outlet}}$, configurable par le BMS).

3.1 Logique de commande des modes de fonctionnement (BMS actif)

Note : $T_{\max}$ / $T_{\min}$ correspondent à la température maximale/minimale des cellules dans l'armoire DC ; $\Delta T$ est l'écart de température entre l'entrée et la sortie de liquide.

3.2 Logique de protection en cas de perte d'alimentation du BMS (BMS inactif)

En cas de perte d'alimentation, les logiques de refroidissement/chauffage ci-dessus sont conservées, et deux protections supplémentaires d'auto-circulation forcée sont ajoutées :

3.3 Priorité des modes

Refroidissement > Chauffage > Auto-circulation ; l'auto-circulation peut être directement supplantée par les conditions forcées (3.2).

4. Communication

Ce rapport ne traite pas des protocoles de communication externes, mais recommande, lors de l'acquisition de données sur site, d'uniformiser les interfaces et points suivants afin de faciliter le calcul du RTE par l'EMS de niveau supérieur :

• BMS → EMS : tension/courant DC de la batterie, SOC, SOH, températures des cellules.
• PCS → EMS : tension/courant/puissance côté AC, état charge/décharge, mot de défaut.
• Groupe de refroidissement liquide → EMS : température de sortie de liquide, marche/arrêt compresseur/pompe, mode actuel (refroidissement/chauffage/auto-circulation).

5. Procédure opérationnelle et base de calcul

5.1 Chaîne énergétique de référence

• Rendement aller-retour DC de la batterie 94 %, décomposé symétriquement en 96,95 % × 96,95 %
• Rendement charge/décharge du PCS : 97,3 % chacun
• DoD = 95 %

$$E_{\text{usable}} = 261 \times 95\% = 247,95 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{\text{usable}}}{\eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{AC-AC}}} = \frac{247,95}{0,973 \times 0,9695} = 262,84 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{AC\_gross}} = E_{\text{usable}} \times \eta_{\text{AC-AC}} \times \eta_{\text{DC-AC}} = 247,95 \times 0,9695 \times 0,973 = 233,91 \text{ kWh}$$

Rendement théorique du système hors refroidissement liquide et consommation auxiliaire fixe (cœur PCS + batterie) :

$$\eta_{\text{core}} = \eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{bat\_RT}} \times \eta_{\text{AC-AC}} = 0,973 \times 0,94 \times 0,973 = 88,95\%$$

5.2 Chaîne énergétique pour un cycle unique

• Chemin de charge : réseau → PCS (×97,3 %) → batterie DC (×96,95 %) → stockage 247,95 kWh.
• Chemin de décharge : batterie DC (×96,95 %) → PCS (×97,3 %) → sortie AC brute 233,91 kWh.
• Le refroidissement liquide et la consommation auxiliaire sont représentés comme une branche flottante : consommation auxiliaire ajoutée côté charge, déduite de la sortie brute du PCS côté décharge.

5.3 Formules générales

Soit $\delta$ le rapport cyclique de refroidissement (rapport cyclique d'auto-circulation $1-\delta$). Pour un cycle unique à pleine puissance, durée de charge $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 2,103 \text{ h}$, durée de décharge $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 1,871 \text{ h}$.

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + k_{\text{cool}} \cdot \delta = 0,25 + 2,25\delta \quad \text{(kW)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 262,84 + 2,103 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0,26 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 233,91 - 1,871 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0,26 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}} = \frac{E_{\text{grid\_out}}}{E_{\text{grid\_in}}}$$

Forme fermée après substitution (en éliminant la variable intermédiaire $P_{\text{liq\_avg}}$) :

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 262,84 + 2,103 \cdot (0,25 + 2,25\delta + 0,26) = 263,91 + 4,732\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 233,91 - 1,871 \cdot (0,25 + 2,25\delta + 0,26) = 232,96 - 4,210\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{232,96 - 4,210\,\delta}{263,91 + 4,732\,\delta}$$

5.4 Scénarios de consommation auxiliaire

Consommation auxiliaire fixe : BMS + EMS = 200 W, déshumidificateur = 60 W (fonctionnement continu), soit $P_{\text{aux\_fixed}} = 260 \text{ W}$. Le groupe de refroidissement liquide est modélisé selon 8 états typiques :

[1] Conditions de déclenchement de l'auto-circulation : démarrage pour écart de température entrée/sortie $\Delta T \geq 4\,°C$, arrêt pour $\Delta T \leq 2\,°C$. Lorsque la batterie est au repos avec un faible écart de température, le refroidissement liquide est en réalité sur la ligne « arrêtée » (0 kW) ; lors de la charge/décharge ou en cas d'échauffement, on passe à la ligne « auto-circulation » (0,25 kW). En cas de perte d'alimentation du BMS, si la température de sortie $T_{\text{outlet}} \geq 38\,°C$ ou $\leq 8\,°C$, l'auto-circulation forcée est activée pendant 120 s.

5.5 Conclusions et recommandations

• RTE de cœur 88,95 % ; après ajout de l'auxiliaire fixe de 260 W, le RTE net est d'environ 88,6 % ; en auto-circulation du refroidissement liquide, il descend à 88,27 % ; à 50 % de rapport cyclique de refroidissement, il est de 86,70 %.
• Pour garantir le RTE nominal de 88,5 % au niveau du système, d'après $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0,885$, on déduit par calcul inverse :

  $$P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \leq 0,348 \text{ kW} \;\Rightarrow\; P_{\text{liq\_avg}} \leq 0,088 \text{ kW}$$

  c'est-à-dire que la puissance moyenne par cycle de l'ensemble refroidissement liquide + auxiliaires fixes doit être ≤ 0,35 kW (dont le groupe de refroidissement liquide lui-même ≤ 0,09 kW, se situant essentiellement en zone arrêtée ou proche de l'auto-circulation).
• Note concernant l'auto-circulation : selon la logique de commande de la section 3.1, l'auto-circulation ne démarre que lorsque $\Delta T \geq 4\,°C$ et ne fonctionne pas en permanence. Lorsque la batterie est au repos avec un faible écart de température, le refroidissement liquide est en réalité « arrêtée » (0 kW) et le RTE peut atteindre 88,62 % ; lors de la charge/décharge avec échauffement, on passe en auto-circulation (0,25 kW) pour un RTE d'environ 88,27 %. L'objectif de contrôle ≤ 0,09 kW ci-dessus ne s'applique pas durant les phases d'auto-circulation forcée en cas de perte d'alimentation du BMS (protection aux bornes de 120 s).

6. Points d'attention

1. La chaîne énergétique de ce rapport repose sur l'hypothèse de rendements symétriques charge/décharge ; si le PCS sur site présente des écarts de rendement importants selon les plages de SOC/puissance, il convient de procéder à un réajustement par segments.
2. Le rapport cyclique refroidissement/chauffage du groupe de refroidissement liquide varie significativement selon la température ambiante ; le RTE doit être calculé dans la plage de températures convenue au contrat.
3. Si le déshumidificateur fonctionne en marche/arrêt à la demande plutôt qu'en continu à 60 W, le terme fixe de la formule doit être remplacé par le rapport cyclique réel.
4. Avec le vieillissement de la batterie, le rendement aller-retour DC diminue ; le calcul du RTE doit intégrer simultanément un coefficient de correction lié au SOH.
5. Toutes les valeurs de puissance/énergie sont des statistiques pour un cycle unique et ne doivent pas être extrapolées directement à des données journalières/mensuelles.

Annexe A Définition des symboles

A.1 Paramètres du système

A.2 Rendements et énergie de référence

A.3 Temps et puissance auxiliaire

A.4 Groupe de refroidissement liquide

A.5 Énergie et RTE au niveau système

A.6 Conventions de nommage des symboles

• Les indices in / out désignent l'énergie entrant/sortant du réseau.
• Les indices ch / dis désignent les processus de charge/décharge.
• L'indice aux désigne les systèmes auxiliaires, l'indice liq désigne le refroidissement liquide.
• Les indices idle / cool / heat / max désignent les modes de fonctionnement du refroidissement liquide.
• Les indices max / min (indices nus) désignent la température maximale/minimale des cellules (et non des modes de puissance).
• La lettre grecque $\eta$ désigne le rendement, $\delta$ désigne le rapport cyclique (à ne pas confondre avec le DoD), $\Delta$ désigne une différence.