Introduction
Un système ESS à portée étendue fait référence à un produit entièrement intégré dans lequel la batterie, l'équipement de conversion de puissance, l'interface du générateur et le contrôleur sont conçus comme une seule unité. Cette approche intégrée permet un refroidissement optimisé, une latence de communication réduite et des séquences de contrôle pré-testées. Injet HanCang a développé un prototype de système ESS étendu à une portée de cinq cents kilowattheures en 2024 et déployé six unités de production en 2025. Cet article détaille l'architecture de conception intégrée, la justification de la sélection des composants et les données de performances de la première année d'exploitation.
Description de l'architecture du système intégré
Le système ESS étendu de la gamme Injet HanCang utilise une architecture de bus CC commune. Le parc de batteries est constitué de cellules au lithium fer phosphate disposées dans une configuration de deux cent quarante volts. Un convertisseur DC DC bidirectionnel connecte la batterie à un bus DC de mille volts. Le générateur, une unité diesel à vitesse variable, se connecte au bus via un redresseur actif. L'onduleur raccordé au réseau connecte le bus au côté CA. Un automate programmable surveille l'état de charge de la batterie, l'état du générateur, la puissance de la charge et l'état du réseau. Le contrôleur émet des commandes de démarrage et d'arrêt au générateur en fonction des seuils d'état de charge. Tous les composants tiennent dans un conteneur d'expédition standard de vingt pieds. La batterie occupe la moitié gauche du conteneur. Le générateur occupe le coin arrière droit. L'onduleur, le redresseur et le contrôleur occupent la partie avant droite. La gestion thermique utilise une plaque refroidie par liquide pour la batterie et un refroidissement par air forcé pour le générateur et l'électronique de puissance.
Sélection et spécifications des composants
Chaque composant de la gamme étendue du système ESS a été sélectionné sur la base de critères de performance spécifiques. Les cellules de la batterie sont du phosphate de fer lithium prismatique avec une tension nominale de trois virgule deux volts et une capacité de trois cents ampères-heures. Le parc de batteries contient cent quarante-quatre cellules disposées en quarante-huit groupes en série de trois cellules parallèles. L'énergie nominale est de cinq cent dix-huit kilowattheures. Le générateur est une unité diesel turbocompressée à quatre cylindres d'une puissance nominale de cent cinquante kilowatts en continu. Le générateur comprend une batterie de démarrage de douze volts avec chargeur automatique. Le redresseur actif utilise des MOSFET en carbure de silicium et a un rendement nominal de quatre-vingt-dix-sept pour cent à pleine charge. L'onduleur raccordé au réseau est évalué à trois cents kilowatts en continu et cinq cents kilowatts pendant dix secondes. Le contrôleur est un automate programmable doté de deux alimentations redondantes et d'une horloge en temps réel pour la planification du temps d'utilisation.
Logique de contrôle et fonctionnement de la machine à états
La logique de contrôle du système ESS à portée étendue fonctionne comme une machine à états à cinq états. Le premier état est inactif, dans lequel le système surveille la charge et le réseau mais ne prend aucune mesure. Le deuxième état est la décharge de la batterie, où le système fournit une charge à partir de la batterie. Le troisième état est la charge de la batterie à partir du réseau, où le système charge la batterie pendant les périodes à faible coût. L'état quatre est la charge du générateur, où le système démarre le générateur et charge la batterie. L'état cinq est un défaut, où le système isole la batterie et arrête le générateur. Les transitions entre les états sont déclenchées par l'état de charge, l'heure de la journée et l'état du réseau. Les seuils d’état de charge sont configurables. Injet HanCang livre des systèmes avec des seuils par défaut de trente pour cent pour le démarrage du générateur et de soixante-dix pour cent pour l'arrêt du générateur. Le contrôleur comprend une zone morte de cinq points de pourcentage pour empêcher l'oscillation entre les états.
Résultats des tests de prototypes en laboratoire
Le prototype de cinq cents kilowattheures a subi un programme de tests en laboratoire de douze semaines avant son déploiement sur le terrain. Le programme de test a mesuré les performances électriques, les performances thermiques et la réponse en matière de sécurité. Les tests de performances électriques ont mesuré la régulation de la tension du bus CC à plus ou moins un pour cent pendant les transitoires de démarrage du générateur. Le temps de démarrage du générateur à pleine puissance était de huit secondes, limité par le réchauffement du moteur. Le taux de rampe de courant de la batterie a été limité au point deux C pour éviter les pics de tension. L'efficacité aller-retour du système, du carburant du générateur à la charge, y compris toute l'électronique de puissance, mesurée à trente-quatre pour cent à pleine charge. Perte en veille mesurée à un moment donné de deux kilowatts, principalement à cause du contrôleur et du système de gestion de la batterie. Le prolongateur d'autonomie a contribué à hauteur de 38 % de l'énergie totale au cours de la période de test, le reste provenant de la recharge sur le réseau.
Données de performance sur le terrain de six unités de production
Six systèmes ESS à gamme de production étendue ont été déployés sur des sites commerciaux à travers les États-Unis au premier trimestre 2025. Injet HanCang a collecté les données de performances de ces unités pendant neuf mois. L'ensemble de données combiné comprend cinquante-quatre mille heures de fonctionnement. La disponibilité moyenne du système était de quatre-vingt-dix-neuf virgule deux pour cent. La cause la plus fréquente des temps d’arrêt était la maintenance programmée du générateur. Les temps d'arrêt imprévus ont été en moyenne de huit heures par système sur une période de neuf mois. Le nombre moyen de démarrages de générateurs par système était de cent vingt. La durée moyenne de course était de deux heures. L’état de charge moyen de la batterie au démarrage du générateur était de trente et un pour cent. L'état de charge moyen à l'arrêt du générateur était de soixante-neuf pour cent. La dégradation moyenne de la capacité de la batterie sur les six systèmes était de zéro virgule huit pour cent. Le système avec le cyclage le plus élevé présentait une dégradation de 1,4 pour cent. Le système avec le cyclage le plus faible présentait une dégradation de zéro virgule trois pour cent.
Performance thermique dans des conditions extrêmes
Deux des six systèmes de production sont situés dans des régions aux températures estivales extrêmes. Un système en Arizona a connu des températures ambiantes de quarante-cinq degrés Celsius. L'autre système au Texas a connu une température de quarante-deux degrés Celsius. Injet HanCang a analysé les données thermiques des deux systèmes au cours de la semaine la plus chaude de l'année. Le système Arizona maintenait la température des cellules de la batterie entre trente et trente-huit degrés Celsius. Le système de refroidissement consommait en moyenne cinq virgule deux kilowatts, ce qui représente deux virgule six pour cent du débit moyen du système. Le système texan maintenait la température des cellules de la batterie entre vingt-huit et trente-six degrés. Le système de refroidissement consommait en moyenne quatre virgule huit kilowatts. Les températures dans le compartiment du générateur ont atteint un maximum de cinquante-huit degrés aux deux endroits, ce qui correspond aux spécifications de fonctionnement de soixante-cinq degrés. Aucun arrêt lié à la chaleur ne s'est produit dans aucun des deux endroits.
Données de maintenance et intervalles d'entretien
Les dossiers de maintenance des six systèmes de production fournissent des données sur les besoins réels en matière de service. Le générateur nécessite une vidange d'huile toutes les cinq cents heures de fonctionnement. Les heures moyennes de fonctionnement des générateurs dans les six systèmes étaient de deux cent quarante heures sur neuf mois, ce qui signifie que chaque système a nécessité environ une vidange d'huile au cours de la période. Le système de refroidissement de la batterie nécessite le remplacement du liquide de refroidissement toutes les quatre mille heures ou trois ans. Aucun remplacement de liquide de refroidissement n'a été nécessaire au cours de la période de neuf mois. Les filtres à air du compartiment générateur devaient être remplacés tous les six mois dans les endroits poussiéreux et tous les douze mois dans les endroits propres. Le système Arizona nécessitait deux changements de filtre à air. Le système texan en exigeait un. Les systèmes restants n’en nécessitaient aucun. Le logiciel du contrôleur a été mis à jour une fois sur tous les systèmes pour corriger une erreur de calcul de l’état de charge. Le coût total de maintenance des six systèmes pour la période de neuf mois s'est élevé à douze mille dollars, soit une moyenne de deux mille dollars par système.
Performance du système de sécurité et de protection
Chaque système ESS à portée étendue comprend plusieurs couches de protection. Un déclencheur de surtension basé sur le matériel déconnecte la batterie si la tension du bus CC dépasse mille cent volts. Un fusible thermique sur chaque module de batterie s'ouvre à quatre-vingt-dix degrés Celsius. La surveillance de la température des gaz d'échappement du générateur arrête l'unité si la température dépasse six cents degrés Celsius. Un pare-flammes est installé sur la prise d'air du générateur. Le compartiment à piles est doté d'un évent de surpression et d'un système de détection d'emballement thermique utilisant des capteurs de gaz. Au cours de la période de neuf mois sur le terrain, aucun événement de protection ne s'est produit sur aucun des six systèmes. Injet HanCang a effectué un test contrôlé du système de protection sur l'unité prototype. Une seule cellule a été forcée à s'emballer thermiquement à l'aide d'un chauffage interne. Le système a détecté un dégagement de gaz dans les douze secondes et a isolé le module concerné. Aucune propagation vers les cellules adjacentes ne s'est produite.
Conclusion
Le système ESS à portée étendue intégrée d'Injet HanCang a démontré un fonctionnement fiable sur six déploiements de production. Les résultats des tests du prototype montrent une efficacité carburant/charge de trente-quatre pour cent et un temps de réponse du générateur de huit secondes. Les données de performances sur le terrain issues de neuf mois d'exploitation montrent une disponibilité de quatre-vingt-dix-neuf virgule deux pour cent et une dégradation moyenne de la batterie de zéro virgule huit pour cent. Les données de performances thermiques provenant d'emplacements extrêmement chauds confirment que le système de refroidissement liquide maintient les températures de la batterie dans les limites des spécifications. Les données de maintenance montrent un coût annuel moyen de deux mille dollars par système. Les tests de sécurité ont confirmé le confinement de l'emballement thermique en douze secondes. Ces résultats soutiennent l’utilisation de systèmes ESS à portée étendue intégrée pour les applications commerciales nécessitant une durée d’exécution prolongée.