Introduction
Cette note d'application décrit la sélection, l'intégration et la validation d'un système de batterie haute tension destiné à une foreuse directionnelle électrique rechargeable (PBEV). Ce projet, fruit d'une collaboration entre WATTALPS et VERMEER, vise à adapter une technologie de batterie de pointe afin de répondre aux exigences élevées du forage directionnel horizontal (HDD) dans des conditions de sol variées.
Contexte de l'application
La foreuse directionnelle Vermeer fonctionne dans des conditions de sol très variées (sol dur, galets, sol de consistance moyenne, limon, roche tendre, sol sableux et sol meuble) et à des températures extrêmes (jusqu'à 49 °C de température ambiante).
Le système de batterie devait répondre aux exigences suivantes en matière de journée de travail moyenne et de cycle de service :
- Suivi (30 min) : sur batterie uniquement
- Modèles courts : sur batterie uniquement
- Fonctionnement normal : branché sur secteur + batterie
Campagne de sélection et de validation des batteries
WATTALPS a fourni un bloc-batterie modulaire de 800 V et 21 kWh équipé d'un système breveté de refroidissement par immersion. Ce système garantit une gestion thermique et des performances optimales dans des conditions extrêmes.
WATTALPS a mené une campagne de validation exhaustive afin de s'assurer que le système de batterie répond aux exigences rigoureuses des applications HDD :
- Essais mécaniques et environnementaux : résistance aux vibrations , intégrité mécanique, résistance au feu, protection contre les surtensions, les surintensités et la surchauffe, jet d'eau à haute pression, immersion dans l'eau et résistance au brouillard salin
- Essais thermiques et CEM : performances thermiques à des températures ambiantes élevées pouvant atteindre 45 °C, capacité de démarrage à froid jusqu'à -20 °C, conformité CEM aux normes, notamment la norme EN 55011 et la série de normes CEI 61000
Enseignements tirés
Stratégie d'équilibrage intelligent
L'équilibrage traditionnel effectué à la fin de la charge n'est pas compatible avec un fonctionnement continu en mode rechargeable. Afin de réduire les temps d'arrêt des machines, WATTALPS a mis en place une stratégie d'équilibrage dynamique dans laquelle l'équilibrage automatique s'effectue pendant les périodes de repos, quel que soit l'état de la batterie.
De plus, étant donné que le déséquilibre est dû à un vieillissement différentiel, WATTALPS s'est attaqué aux causes de ce phénomène en ne sélectionnant que des cellules de haute qualité, en optimisant la conception de la batterie afin que toutes les cellules fournissent le même courant et soient maintenues à la même température grâce à sa technologie brevetée de refroidissement par immersion.
Aperçus BMS – Gestion des charges dynamiques élevées
L'effort de forage varie rapidement en fonction des fluctuations de la dureté du sol. Grâce à son système de surveillance de la tension des cellules doubles, le BMS WATTALPS a été conçu pour gérer les fortes variations de courant et éviter les mesures de tension erronées.
Apprentissage et intégration des batteries
Dans la configuration du premier prototype, le refroidissement de la batterie faisait partie du même circuit que le reste du groupe motopropulseur, ce qui entraînait des températures de liquide de refroidissement trop élevées pour la batterie. Un système de gestion thermique dédié, comprenant un petit radiateur liquide-air réservé à la batterie, a été mis en place avec succès. Le protocole de communication a été mis à jour pour être compatible avec la norme J1939. Le montage de la batterie et la configuration du système de chauffage ont été optimisés. Des mesures visant à réduire le bruit électrique ont été mises en œuvre.
Essais de démarrage à chaud et à froid
Les essais réalisés dans des conditions de forte chaleur (45 °C) ont montré que la batterie ne surchauffait pas, même dans des conditions de fonctionnement très exigeantes. En effet, la grande capacité thermique du liquide de refroidissement, combinée à celle de la batterie, a permis aux cellules de la batterie de rester à une température inférieure à celle de l'environnement pendant la majeure partie de la période de pic de température au cours de la journée. Lorsque la température des cellules dépassait la température ambiante, le refroidisseur à air s'est révélé suffisamment efficace pour maintenir la température des cellules en dessous de leur seuil de déclassement, permettant ainsi un fonctionnement continu à haut rendement.
En cas de démarrage à froid, puissance du système augmentent pour un même rendement, tandis que les performances des cellules diminuent à basse température. Pour pallier cette situation, la batterie est équipée d’un dispositif de chauffage qui peut être activé au démarrage de la machine et qui permet de la réchauffer rapidement jusqu’à sa température de fonctionnement optimale. Une fois cette température atteinte, la machine peut fonctionner sans interruption à plein rendement. Avec les batteries WATTALPS, cette solution est plus efficace, car l'énergie nécessaire pour chauffer la batterie est inférieure à la perte de capacité à basse température. De plus, cette énergie peut être avantageusement prélevée sur le réseau lorsque la foreuse est connectée à l'aide de son câble.
Calendrier du projet
Lancé au printemps 2024 après un an de développement sur des prototypes d'essai, le projet a débuté avec des prototypes et des essais pilotes de base. Des essais thermiques, de compatibilité électromagnétique (CEM), en laboratoire et sur le terrain ont été réalisés durant l'été 2024. Les essais pilotes en Europe se sont achevés à l'automne 2024 et le produit a été lancé en 2025, avec la collecte des premiers retours d'expérience des clients sur le terrain.
Conclusion
L'intégration du système de batteries haute tension de WATTALPS dans la foreuse directionnelle de Vermeer démontre la faisabilité et les performances des solutions PBEV dans des environnements de chantier exigeants. Grâce à une validation rigoureuse et à des stratégies de conception innovantes, ce projet établit une référence en matière d'électrification dans les applications lourdes.
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