Energie réactive - court-circuit

[H!Lt0n]

Bonjour,

Pour une application de smart-battery, je dois gérer un court-circuit d'un courant de 2kA. Le problème ne vient pas du courant mais de la surtension produite. Pour une batterie de 12V avec un tel courant, je mesure une pique de tension qui peut atteindre 25 volt au lieu des 12 habituels.

J'imagine que cette surtension provient de l'inductance équivalente du circuit à savoir principalement le câble qui me sert à provoquer le court-circuit ? Pour éviter cette surtension, qui ne dure que 10us, j'utilise une diode TVS (SMAJ serie) qui peux encaisser 600W.

Ma question est donc, peut-on considérer cette énergie réactive comme de l'énergie active et donc simplement multiplier le courant de court-circuit par la différence de tension entre la tension de pique et celle de breakdown de la diode (2000A * (25 - 14) = 22kW) pour avoir la puissance dissipée ?

Merci
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[mgduc]

Tu l'a pris ou ton 2kA? Tu mesure ça comment? Moi un court-circuit de 2kA je me tien loin de la... Mais j'aimerais bien voir ça.

[zibuth27]

hello,

j'ai du mal à comprendre

"gérer un court-circuit"
pour moi un court-circuit est un fil relié à la batterie. 2kA me disent que la résistance totale fil + batterie est de 6 milliohms. Cela veut dire une grosse batterie, un gros et court fil, et des résistances de contact excellentes, quasi-théoriques (on a déjà du mal à les réduire sous 10 milliohms)
Ces 2kA représentent le courant de court-circuit et non le courant stocké dans l'inductance que j'estime ici à 12nH

"pour une batterie de 12V avec un tel courant, je mesure une pique (tu veux dire un pic?) de tension de 25V"
c'est une mesure ou une simulation?
pendant le court-circuit, la tension ne PEUT PAS être supérieure à 12V

Parles-tu du moment de l'ouverture du circuit après court-circuit? La surtension est alors créée dans l'inductance et le courant ne passe plus par la batterie

Que se passe-t-il pendant les transitoires: passage de la distance de court-circuit de zéro à une distance où plus rien ne change? Comment traites-tu la création d'un arc et son courant?
Tu utilises la TVS en série (si je lis ce que tu écris sans interpréter) ? alors comment peux-tu avoir du courant?

Comment traites-tu les fortes dispersions de ce "circuit". La moindre variation de l'état de charge, de la résistance du fil, de son inductance, des résistances de contact (qui varient beaucoup)

Ta transil doit-elle travailler de manière répétitive? à quelle cadence ? ou protéger un seul court-circuit?

ce n'est pas une énergie réactive mais impulsionnelle

Bref, ça manque beaucoup de précisions


saluts


ps : c'est Zenertransil qui t'a suggéré les TVS ? (private joke)

[gienas]

Bonjour H!Lt0n et tout le groupe

... j'ai du mal à comprendre

"gérer un court-circuit" ...

Je vois que je ne suis pas seul, car, moi non plus, je ne saisis pas le problème.

Il me semble en effet totalement impossible que le court circuit entraîne une surtension. La fin du court circuit peut-être, mais ce sont des dates différentes.

Devant les chiffres qui ne sont pas anodins (2000A), j'aurais tendance à me méfier des mesures qui peuvent faire apparaître des monstruosités inexplicables puisqu'elles sont inexistantes.

Avant de se pencher sur le problème, il me semble indispensable de décrire l'environnement précis, les conditions de capture des chronogrammes, et aussi de montrer ces chronogrammes.

[A voir en vidéo sur Futura]

[H!Lt0n]

Bonjour,

Tout d'abord merci de vos réponses. Je ne peux malheureusement pas donné trop d'informations mais la batterie en question est une batterie LION de plus de 100Ah. La résistance total du circuit est d'environ 7mOhm (en comprenant la résistance des mosfets, des cellules, et du shunt de mesures de courant), c'est de la que je tiens mon courant théorique qui peut donc atteindre 1800A (12.6/0.007 = 1800). Même en rajoutant la résistance de contact (très faible) nous serions toujours à plus de 1000A. Mon but ici n'est pas de chipoter sur +- 100A mais de comprendre ce qui se passe car c'est de toute façon une énergie énorme.

Plus en détail, la protection d'overcharge et d'undercharge d'une batterie Lithium ressemble à cela:

Deux mosfets tête bêche. Le premier (Q1) est celui d'overcharge car lorsqu'il ne conduit pas, on ne peux pas charger les cellules mais encore les décharger via sa diode. La même principe est valable pour Q2 et l'undercharge.

Concernant la détection proprement dite, lorsque la tension que je mesure sur mon shunt low-side dépasse une certaine valeur (correspondant à 200A), j'ouvre mes mosfets afin de supprimer le court-circuit, celui-ci se stop violemment après 10us. Il reste donc de l'énergie dans le câble (d'après mon analyse). La puissance à ce moment là est gigantesque (10KW rien que dans le shunt) mais l'énergie reste cependant faible car le temps de détection du court-circuit est court (10us => 100mJ dans le shunt), dites moi si mon raisonnement est faux.

Je peux d'ailleurs dire que mon circuit fonctionne et qu'il n'y a pas besoin de se tenir loin de la batterie puisque je ne parle pas de simulation mais bien de tests et résultats réels.

Je n'ai pas de courbes sous la main mais je peux vous en montrer plus lundi.

Dans mon cas, lorsque j'ouvre les mosfets, la tension du côté de la sortie atteint un pic de 25V pendant 30us (de mémoire), c'est pour cela que j'en déduit que l'énergie provient du câble car je ne vois que ça. Ces 25V apparaissent seulement lorsque je n'ai pas de diode TVS j'ai donc ajouté une diode TVS (pas en série mais reliée entre la sortie + et -) et cette tension n'atteint plus 25 mais seulement 14V donc la TVS fait son travail => d'ou ma question, quelle puissance dissipe t-elle ? Car elle ne peut encaisser que 600W en temps normal pendant 10us.
Elle est donc sous dimensionnée puisque dans ce cas là, elle réduit la tension de 25V à 14V pendant + de 20us avec un courant de court-circuit de 1000A donc 13KW pendant 20us. Est-ce correcte ?

[bobflux]

Ta transil absorbe l'énergie stockée dans l'inductance...

Donc son dimensionnement dépend de l'inductance entre ta batterie et le court circuit.

Si la charge est un gros moteur (donc stockage inductif important) et que la protection se déclenche sur une surintensité et non sur un court-circuit, ou bien peut-être un CC dans la bobine du moteur, la transil devra encaisser les 1/2 LI^2 (moins les pertes).

Idem si le moteur devient générateur pour une raison ou une autre, à ce moment là c'est ennuyeux pour ta diode...

[H!Lt0n]

Très bien, merci pour ces nouvelle vue. C'est en effet à prévoir puisque nous développons des batteries et non des systèmes complets, c'est donc à la charge de l'utilisateur de protéger correctement la batterie en fonction du type de charge, diode de rouge libre etc. inséparable de la charge et non de la batterie.

Concernant mon problème, cela est dû à un mosfet qui commande la gate du mosfet de puissance d'overdischarge et qui sert de protection d'inversion de polarité venant d'un chargeur:
sans_r.png
Lorsque PACK- devient plus positif que PACK+ (charge placé inversé), M3 conduit et donc VGS de M4 devient nul, il s'ouvre et protège le reste du circuit. Cela induit un problème dans le cas d'un surtension puisque le VGS de M3 peut atteindre une tension destructrice (+ de 20V), j'ai donc ajouté D4 pour protéger ce mosfet mais cette diode est directement à l'entrée de la batterie.

Une solution possible serait alors d'ajouter une résistance de 10R entre la gate de M3 et PACK- ainsi se serait elle qui encaisserait une partie de l’énergie (à calculer évidement) tout en protégeant des inversions de polarité ?
avec_r.png

[Zenertransil]

Je pige pas grand chose non plus...

Le seul moyen d'avoir une surtension c'est d'avoir une oscillation sur cellule LC, mais jamais un court-circuit ne créera une surtension! Puisque la tension batterie est alors égale à la tension sur le court-circuit, et que c'est donc ce dernier qui impose la marche... Qu'Est-ce que c'est que ce binz?

Et quel rapport avec l'énergie réactive?

[H!Lt0n]

Le câble se comporte comme un inductance ? L’énergie ne disparait pas, donc l'inductance essaie de maintenir ce courant et donc fait varier la tension pour maintenir ce courant ? Il s'agit donc de puissance réactive non ?!

De plus la page wikipédia sur les voltage spike (pic de surtension) précise bien qu'une des causes de ces pics peut-être un court-circuit:

http://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_spike

[H!Lt0n]

J'ai un peu l'impression qu'on apprend à éviter les court-circuits mais pas vraiment comment ils se comportent. Personnellement, je n'ai jamais eu de théorie de près ou de loin sur ce genre d’évènement mais d'après moi, ce qu'on peut mesurer est loin de ce qu'on imagine de façon théorique.

Je serais ravi en tout cas de tomber sur un spécialiste qui me dise que j'ai tort et surtout pourquoi

[fabang]

La surtension apparait lors de l'interruption du courant. Ce n'est pas le court-circuit à proprement parle qui crée la surtension, mais la fin du court-circuit.
Tu ne dis pas précisément ou tu prends ton référentiel de tension. On peut imaginer que c'est sur la masse à un endroit proche de la batterie. Par contre la surtension est négative (-25V), une diode de roue libre en sortie du système permet l'évacuation en douceur de l'énergie stockée dans l'inductance des câbles. D'ailleurs si tu n'as que -25V de surtension c'est que la coupure de courant n'est pas très rapide.

[Zenertransil]

Disons que c'est quelque chose de très spécial, et on ne peut pas étudier en quelques années toutes les subtilités du génie électrique... Mais ce n'est pas inintéressant pour autant, et c'est primordial pour ceux qui conçoivent les dispositifs de protection!

L'énergie réactive c'est pas ça, c'est un terme "réservé" au régime alternatif... Là on est en régime impulsionnel, transitoire si tu préfères, il y a bien de l'énergie magnétique ET électrostatique accumulées dans le câble (inductance série, capacité shunt), mais je ne crois pas qu'on puisse utiliser le terme "puissance/énergie réactive"!

Je ne suis pas d'accord avec ton "ce qu'on peut mesurer est loin de ce qu'on imagine de façon théorique", si c'est le cas c'est que le modèle choisi n'est pas assez fiable! Si on prend un modèle "générateur de thévenin en courant continu" avec seulement une résistance série, la surtension ne s'explique pas. Si on prend un modèle réel de ligne, RLC en pi, on comprend facilement la TTR (tension transitoire de rétablissement) qui intervient après interruption du court-circuit, et qui peut être de forte valeur!

Mais comme ça a été dit, c'est APRES mais pas PENDANT, où là, la tension s'effondre! D'ailleurs, pour calculer les sections de câbles en régime TN (où un défaut d'isolement se traduit par un court-circuit) on prend en première approximation une chute de tension en ligne de 20%... La tension chutera d'autant plus que l'impédance de source est élevée, avec une source parfaite elle ne changera pas mais je ne vois pas comment elle pourrait augmenter...

[H!Lt0n]

Pour tout dire, il y a bien une sorte de diode de roue libre représentée par la diode induite dans le mosfet de puisance d'overdischarge. Lors d'un court-circuit, je n'ouvre que le mosfet d'overdischarge et il ne reste qu'une diode en direction des cellules. Avec cette méthode, l'énergie présente dans le câble peut retourner dans les cellules mais ne peut en ressortir. Et je limite grandement l’énergie dissipée dans les mosfets de puissance. Je n'ouvre que plus tard le mosfet d'overcharge déconnectant ainsi complètement les cellules de la sortie.

Avant d'utiliser ce principe, j'avais beaucoup de pics dans les deux sens (ondulations de puissance) qui rebondissait "de façons réactive" dans mon câble.

[H!Lt0n]

Disons que c'est quelque chose de très spécial, et on ne peut pas étudier en quelques années toutes les subtilités du génie électrique... Mais ce n'est pas inintéressant pour autant, et c'est primordial pour ceux qui conçoivent les dispositifs de protection!

L'énergie réactive c'est pas ça, c'est un terme "réservé" au régime alternatif... Là on est en régime impulsionnel, transitoire si tu préfères, il y a bien de l'énergie magnétique ET électrostatique accumulées dans le câble (inductance série, capacité shunt), mais je ne crois pas qu'on puisse utiliser le terme "puissance/énergie réactive"!

Je ne suis pas d'accord avec ton "ce qu'on peut mesurer est loin de ce qu'on imagine de façon théorique", si c'est le cas c'est que le modèle choisi n'est pas assez fiable! Si on prend un modèle "générateur de thévenin en courant continu" avec seulement une résistance série, la surtension ne s'explique pas. Si on prend un modèle réel de ligne, RLC en pi, on comprend facilement la TTR (tension transitoire de rétablissement) qui intervient après interruption du court-circuit, et qui peut être de forte valeur!

Mais comme ça a été dit, c'est APRES mais pas PENDANT, où là, la tension s'effondre! D'ailleurs, pour calculer les sections de câbles en régime TN (où un défaut d'isolement se traduit par un court-circuit) on prend en première approximation une chute de tension en ligne de 20%... La tension chutera d'autant plus que l'impédance de source est élevée, avec une source parfaite elle ne changera pas mais je ne vois pas comment elle pourrait augmenter...

Nous sommes d'accord, le problème vient du modèle que l'on utilise mais il est clair qu'il ne s'agit pas d'une simple résistance mais plutôt d'un circuit RLC complexe.

Concernant le nom à donné à ce phénomène (ou à ce type d'énergie), je ne suis pas un spécialiste mais pour moi, le circuit se comporte comme un circuit alternatif au moment du court-circuit. C'est pour cela que j'ai appelé cela de l'énergie réactive. Quelle est la différence entre une impulsion et de l'alternatif si l'on ne considère le phénomène que pendant un delta t défini ?

[Zenertransil]

Bah justement, le problème est là: on ne peut pas dire qu'un phénomène très bref est un "bout" de phénomène continu, les règles ne sont pas les mêmes... C'est pour ça, par exemple, qu'on passe du développement en séries de Fourier (somme d'éléments discrets) à la transformée de Fourier (intégrale, donc continue) en analyse spectrale!

Il ne faut pas confondre régime établi et continu, lorsqu'une charge quelconque est alimentée en alternatif depuis un temps assez long, elle est en régime établi même si les grandeurs évoluent dans le temps. En cas de transitoire (variation de tension, de courant, de couple, de vitesse etc) on ne peut plus utiliser les mêmes lois, c'est comme ça!

Les lois du continu, de l'alternatif sinusoïdal et du courant en étoile de mer Bordelaise découlent TOUTES des mêmes lois, qui sont celles du régime transitoire et sont TOUJOURS VRAIES : u=Ri, i=C.du/dt, u=L.di/dt. Seulement, c'est très lourd à utiliser, alors selon les conditions on utilise des simplifications: d'où, en alternatif, ZL=jwL pour la bobine, ZC=1/(jwC) pour le condensateur, etc... En continu c'est encore plus simple: ZL = 0 et Zc = infini. Idem pour les puissances et énergies, le Q= jwLI² de la bobine et le Q= jwCV² pour le condensateur découlent directement des E = LI²/2 et E = CU²/2 !

C'est ce que je disais tout à l'heure: tout n'est qu'une question de modélisation... Et la modélisation propre au régime établi, qu'il soit continu ou alternatif, n'est plus vraie en régime transitoire!

[H!Lt0n]

Ok merci pour ces lumière je comprend mieux, on parle donc bien d'énergie impulsionnelle et non d'énergie réactive.
Ça ne règle cependant pas mon problème mais au moins j'utiliserais un terme correcte à l'avenir.

Il semblerait que je sois bon pour réviser mes dérivées et intégrales, de la formule u=L.di/dt avec la chute de tension sur la TVS pendant un temps t, je peux retrouver le courant qui la traverse ?