Quelle taille de transformateur et d'appareillage pour un site de recharge CC ?

Un site de recharge rapide CC est l’une des rares charges où le chiffre inscrit sur l’équipement n’est pas celui à utiliser pour le dimensionnement. Une borne de 350 kW est cotée selon ce qu’elle livre au véhicule. Le branchement, le transformateur et le tableau de distribution doivent supporter ce qu’elle tire du réseau, soit environ 6 % de plus. L’article 625 du NEC élimine ensuite l’échappatoire que la plupart des ingénieurs cherchent à emprunter, car les charges de recharge de VE sont continues et aucun facteur de demande ne s’applique, de sorte que la charge calculée est la charge raccordée totale prise à 125 %. Une aire de service de douze bornes composée de quatre unités de 150 kW et de huit unités de 350 kW atteint 3,615.1 kVA de puissance d’entrée CA, 5,000 kVA de capacité de transformateur et deux ensembles de 3,000 A à 480 V. Cet article traite ce site de bout en bout selon le NEC et le CEC, puis montre ce qu’un système de gestion de l’énergie permet d’en retrancher. Ce sont les règles qui sous-tendent le calculateur de capacité de branchement pour la recharge de VE.

Quelle est la charge électrique réelle d’une borne de recharge rapide CC ?

Une borne de recharge rapide CC est un redresseur. Sa puissance annoncée correspond à la puissance de sortie CC livrée au véhicule; le côté CA porte cette puissance plus les pertes de conversion, selon le facteur de puissance de déplacement que présente l’étage d’entrée. La charge à retenir dans le calcul du branchement est la puissance d’entrée CA nominale indiquée sur la plaque signalétique, exigence que rejoint le NEC 625.42 lorsqu’il impose que l’équipement ait une capacité suffisante pour alimenter la charge desservie.

Avant que les fiches techniques n’arrivent, on évalue le côté CA à partir de deux hypothèses déclarées :

S = P ÷ (η × PF)

où η est le rendement de conversion CA-CC et PF le facteur de puissance de déplacement à l’entrée. Cet article retient η = 0.95 et PF = 0.99, inscrits sur le schéma unifilaire comme des hypothèses plutôt que des faits. Ils ne pèsent pas autant qu’il n’y paraît sur le résultat. En reprenant la même aire de service de 3,400 kW avec η = 0.93, on obtient 3,400 ÷ 0.9207 = 3,692.8 kVA, et avec η = 0.97, 3,400 ÷ 0.9603 = 3,540.6 kVA — un écart d’environ ±2 % qui disparaît entièrement dans l’arrondi à la puissance normalisée de transformateur suivante. Ce qui change réellement la réponse, c’est d’utiliser la puissance de sortie CC en kW comme s’il s’agissait de kVA, ce qui sous-estime le site de tout juste 6 % dans ce cas.

Une fois la puissance d’entrée CA en kVA connue, quatre autres relations portent le reste de la conception :

S_transformer ≥ S ÷ 0.80

I = S × 1000 ÷ (√3 × V)

OCPD ≥ 1.25 × I_continuous

I_secondary,max = 1.25 × I_rated

Aucune clause de code n’énonce une limite de charge de transformateur de 80 % dans ces termes précis. Il s’agit de l’inverse de l’exigence de charge continue de 125 % du NEC 215.3, reportée sur le transformateur, et c’est la convention utilisée tout au long de l’article dimensionner un transformateur. Ce qui varie d’un projet à l’autre, c’est la tension secondaire et la présence ou non d’un système de gestion de l’énergie; le volet coût de ces choix est traité dans coût d’installation d’une borne de recharge rapide CC.

Qu’exigent le NEC 625 et la Section 86 du CEC ?

Les deux codes arrivent au même résultat par des voies différentes. Le NEC applique un multiplicateur de 125 % à la charge continue; le CEC plafonne la charge continue à 80 % du courant admissible du conducteur en vertu de la règle 8-104(6), ce plafond passant à 100 % en vertu de la règle 8-104(5) seulement lorsque l’équipement est marqué pour un fonctionnement continu à 100 %. Un équipement sans ce marquage est par défaut limité à 80 %. Les deux voies mènent au même conducteur et au même dispositif.

Deux entrées portent la conception. Le NEC 625.42 n’offre aucune diversité — comme le formule Consulting-Specifying Engineer : « il n’y a aucun facteur de demande en jeu. Toutes les charges de l’EVSE sont considérées comme des charges continues » — et le CEC 86-300 conditionne un circuit de dérivation partagé à la présence d’un EVEMS, le pendant canadien de la disposition du NEC 625.42(A).

Exemple chiffré — une aire de service autoroutière de 12 bornes à 480 V

Données : quatre bornes de 150 kW et huit bornes de 350 kW, un primaire de service public à 13.8 kV, et un secondaire de 480Y/277 V.

1. Puissance de sortie CC raccordée. 4 × 150 kW = 600 kW, et 8 × 350 kW = 2,800 kW, de sorte que le site totalise 600 + 2,800 = 3,400 kW.
2. Puissance d’entrée CA. S = 3,400 ÷ (0.95 × 0.99) = 3,400 ÷ 0.9405 = 3,615.1 kVA.
3. Plaque signalétique du transformateur. La charge continue maintient l’appareil à 80 % ou moins, donc 3,615.1 ÷ 0.80 = 4,518.9 kVA. La puissance triphasée normalisée suivante est 5,000 kVA, fournie sous la forme d’un seul appareil ou de 2 × 2,500 kVA. Chaque appareil de 2,500 kVA porte alors la moitié du site, 3,615.1 ÷ 2 = 1,807.5 kVA, soit 1,807.5 ÷ 2,500 = 72.3 % de la plaque signalétique.
4. Courant de branchement. I = 3,615,100 ÷ (√3 × 480) = 3,615,100 ÷ 831.38 = 4,348.3 A, soit 2,174.2 A par ensemble dans une configuration à deux transformateurs.
5. Dispositif principal et jeu de barres. 2,174.2 × 1.25 = 2,717.7 A, donc la cotation normalisée suivante selon le NEC 240.6(A) est 3,000 A, sur un jeu de barres de 3,000 A.
6. Vérification du dispositif principal par rapport au transformateur. Le courant secondaire nominal d’un appareil de 2,500 kVA à 480 V est de 2,500,000 ÷ 831.38 = 3,007.0 A, de sorte qu’un dispositif principal de 3,000 A se situe à 3,000 ÷ 3,007.0 = 99.8 % du courant nominal, et la charge continue à 2,717.7 ÷ 3,000 = 90.6 % du dispositif principal. La protection contre les surintensités de l’appareil 13.8 kV–480 V lui-même relève du tableau NEC 450.3(A), le tableau des installations de plus de 1000 V dont les colonnes dépendent de la supervision, de la plage d’impédance et du type de dispositif — l’article dimensionner la protection contre les surintensités du transformateur traite ce tableau et les équivalents de la Section 26 du CEC.
7. Circuits de dérivation. Une borne de 350 kW tire 372.1 kVA, soit 372,100 ÷ 831.38 = 447.6 A; à 125 %, cela donne 559.5 A, donc 600 A. Une borne de 150 kW tire 159.5 kVA, soit 191.8 A; à 125 %, cela donne 239.8 A, donc 250 A.
8. Vérification de cohérence de l’ensemble. Chaque ensemble alimente deux bornes de 150 kW et quatre bornes de 350 kW, de sorte que les dispositifs de dérivation totalisent 2 × 250 + 4 × 600 = 2,900 A pour un jeu de barres de 3,000 A.
9. Le transformateur auxiliaire, où le NEC 450.3(B) s’applique bel et bien. Un abaisseur de 300 kVA 480–208Y/120 V pour l’éclairage et les prises du site a un courant secondaire nominal de 300,000 ÷ (√3 × 208) = 300,000 ÷ 360.27 = 832.7 A. Le tableau 450.3(B) plafonne son dispositif secondaire à 125 %, soit 832.7 × 1.25 = 1,040.9 A, et la note 1 permet la cotation normalisée suivante, 1200 A.

Un seul transformateur de 5,000 kVA à 480 V aurait un courant secondaire nominal de 6,014.1 A, au-delà du sommet de 6000 A des constructions courantes de tableaux de distribution UL 891 et du sommet de 5000 A de l’appareillage de commutation débrochable UL 1558 typique. Diviser en deux appareils de 2,500 kVA et deux ensembles de 3,000 A permet de garder la conception à l’intérieur d’une construction ordinaire de tableau de distribution.

À quoi ressemble le même site au Canada à 600 V ?

Le CEC 86-302 classe la charge raccordée de l’EVSE comme continue aux fins de la règle 8-104, et la règle 8-104(6) exprime la marge sous forme de plafond — charge continue ne dépassant pas 80 % du courant admissible du conducteur, ce plafond passant à 100 % en vertu de la règle 8-104(5) uniquement si l’équipement est marqué en conséquence — plutôt que sous forme du multiplicateur de 125 % du NEC. L’arithmétique est identique; la formulation est inversée. La règle 8-104(3) fixe le seuil de ce qui est considéré comme continu à 3 heures sur 6 au-delà de 225 A, seuil qu’un site de recharge public franchit sans conteste.

Ce qui change concrètement, c’est la tension. À 600 V, la même puissance de 3,615.1 kVA donne 3,615,100 ÷ (√3 × 600) = 3,615,100 ÷ 1,039.23 = 3,478.6 A, contre 4,348.3 A à 480 V. Par ensemble, cela représente 1,739.3 A, et 1,739.3 × 1.25 = 2,174.2 A, de sorte que le dispositif principal passe de 3,000 A à 2,500 A. La puissance du transformateur en kVA ne change pas, puisque le kVA est indépendant de la tension — seuls le courant, et donc l’appareillage, le jeu de barres et le câblage, en dépendent. La protection contre les surintensités du transformateur relève quant à elle de la Section 26 du CEC plutôt que de la Section 86, et diverge du NEC du côté primaire; l’article dimensionner la protection contre les surintensités du transformateur présente ces numéros de clause.

Dans quelle mesure un système de gestion de l’énergie change-t-il le transformateur ?

C’est le levier isolé le plus important sur la liste de matériel. Le NEC 625.42(A) permet à un EMS conforme au 750.30 de fixer la charge maximale de l’équipement sur le branchement et l’artère, et le 625.42(B) étend la même logique à l’EVSE dont l’accès à un moyen de réglage de l’ampérage est restreint en vertu du 750.30(C). Au Canada, le CEC 8-500 permet à un EVEMS de surveiller le branchement, les artères et les circuits de dérivation, et de contrôler les charges de l’EVSE, à condition que la charge contrôlée ne dépasse pas la règle 8-104(5) ou (6). En plafonnant l’aire de service à 1,800 kW de livraison simultanée, la charge calculée diminue en conséquence :

2,392.3 kVA s’arrondit à un seul transformateur de 2,500 kVA au lieu de 5,000 kVA. La puissance d’entrée CA non plafonnée derrière ce chiffre est de 1,800 ÷ 0.9405 = 1,913.9 kVA, de sorte que le courant de branchement devient 1,913,900 ÷ 831.38 = 2,302.0 A à 480 V, et 2,302.0 × 1.25 = 2,877.5 A — un seul ensemble de 3,000 A remplace les deux. Le compromis porte sur le débit lors des pointes coïncidentes, une question d’utilisation plutôt que de code — l’article gestion de la charge de recharge de VE montre où ce compromis vaut la peine d’être fait, et le calculateur de capacité de branchement exécute les deux cas côte à côte.

Référence borne par borne

Puissance d’entrée CA et dispositif de dérivation pour les puissances de sortie CC courantes, avec η = 0.95 et PF = 0.99. L’Alternative Fuels Data Center du DOE note que les bornes de recharge CC atteignent désormais jusqu’à 500 kW; la ligne de 1,250 kW représente une borne de classe mégawatt pour véhicules lourds et montre où le 480 V atteint ses limites.

Et le transformateur qui découle de la puissance de sortie totale du site, à 80 % de charge continue :

La même échelle alimente le calculateur de dimensionnement de transformateur, et l’article dimensionner un transformateur présente les quatre autres ajustements — demande, croissance, altitude et harmoniques — qui s’ajoutent à la marge de service continu utilisée ici.

Ce qu’il faut préciser

• Puissance du transformateur en kVA, obtenue à partir de la somme des puissances d’entrée CA divisée par 0.80 et arrondie à l’échelon supérieur de l’échelle ANSI C57.12. Le chiffre provient des fiches techniques des bornes, non de la cotation commerciale — 3,615.1 ÷ 0.80 = 4,518.9 kVA sur le site de l’exemple chiffré.
• Tension et configuration secondaires, 480Y/277 V ou 600Y/347 V, décidées selon le courant qu’elles produisent. 3,478.6 A contre 4,348.3 A pour la même puissance en kVA représente tout un échelon de gabarit; l’article choisir une tension de distribution pour une installation traite ce compromis plus large.
• Cotation du dispositif principal et du jeu de barres, à 125 % de la charge continue — NEC 215.3 pour une artère, 230.90(A) lorsque le dispositif est le sectionneur de branchement — puis vérifiée par rapport au courant secondaire nominal du transformateur — 3,007.0 A pour un appareil de 2,500 kVA à 480 V — et par rapport au bon tableau de protection, 450.3(A) au-delà de 1000 V ou 450.3(B) à 1000 V et moins.
• Courant de défaut disponible et cotation de l’équipement, à partir de la lettre d’impédance de source du service public et de l’impédance en pourcentage (%Z) du transformateur, vérifiés par rapport à la tenue au court-circuit de l’ensemble selon le NEC 110.9. L’article courant de défaut disponible et SCCR traite ce calcul.
• Service harmonique, demandé sous forme de données de distorsion auprès du fabricant des bornes et reporté soit dans une cotation en facteur K, soit dans un transformateur à atténuation d’harmoniques, avec vérification du point de couplage commun par rapport à l’IEEE 519. Voir transformateurs à facteur K et limites de l’IEEE 519.
• Point de consigne de l’EMS ou de l’EVEMS et son application, citée au NEC 625.42(A) et 750.30 ou au CEC 8-500, avec le maximum contrôlé indiqué en kW sur le schéma unifilaire afin que l’examinateur de plans puisse retracer la réduction.

Erreurs courantes

• Additionner les kW de sortie CC et les appeler kVA. Sur le site de l’exemple chiffré, cela donne 3,400 kVA au lieu de 3,615.1 kVA, sous-estimant le branchement de 215.1 kVA, soit tout juste 6 %, et le courant de 4,348.3 − 4,089.6 = 258.7 A. La puissance d’entrée CA indiquée dans la fiche technique est le chiffre que demande le NEC 625.42, et c’est la première chose que vérifie un examinateur.
• Appliquer un facteur de demande au nombre de bornes. Il n’en existe aucun pour l’EVSE. Une hypothèse de diversité de 20 % ramène la base à 2,892.1 kVA et le transformateur à 2,892.1 ÷ 0.80 = 3,615.1 kVA, soit un appareil de 3,750 kVA au lieu de 5,000 kVA — un échelon de cotation complet obtenu grâce à un facteur que le code n’accorde pas. La seule réduction autorisée est un point de consigne d’EMS en vertu du NEC 625.42(A) ou un EVEMS en vertu du CEC 8-500, appliqué de façon matérielle.
• Classer un transformateur de moyenne tension sous le tableau NEC 450.3(B). Ce tableau ne vise que les transformateurs cotés à 1000 V ou moins; un appareil 13.8 kV–480 V est protégé sous le tableau 450.3(A), dont les colonnes dépendent de la supervision, de la plage d’impédance et du type de dispositif. Le 450.3(B) régit plutôt l’abaisseur 480–208Y/120 V, où 832.7 A de courant secondaire nominal plafonnent le dispositif secondaire à 1,040.9 A.
• Prendre 125 % d’un chiffre déjà déclassé. Le multiplicateur de 125 % et le plafond de 80 % expriment la même marge deux fois, une fois par le NEC 215.3 et une fois par le CEC 8-104(6). Les cumuler donne 5,648.6 kVA sur le site de l’exemple chiffré et un échelon de cotation superflu.

Où Entogo s’inscrit

Entogo fabrique dans sa propre usine le volet transformateur, poste et appareillage de commutation d’un site de recharge. Les appareils triphasés sur socle (pad-mounted) couvrent 75–2500 kVA en classe 15/25/35 kV, avec des primaires de 12.47–34.5 kV et des secondaires de 208Y/120, 240/120, 480Y/277 ou 600 V, de sorte que le cas canadien à 600 V ci-dessus est directement couvert; ils sont conçus et fabriqués selon IEEE C57.12.34 et DOE 10 CFR 431. Lorsque la commutation de moyenne tension et la section basse tension doivent tenir dans une seule enveloppe, le poste unitaire secondaire compact couvre la classe 15/25 kV jusqu’à 2,500 kVA avec des secondaires de 208Y/120, 480Y/277 et 600 V, conçu et fabriqué selon IEEE C37.121 et ANSI C57.12.34 / C57.12.28. Les tableaux de distribution basse tension couvrent 800–6000 A à 600 V ou moins, conçus et fabriqués selon UL 891, et l’appareillage de commutation débrochable atteint 5000 A à 65/85/100 kAIC, conçu et fabriqué selon UL 1558 et ANSI C37.20.1. Le tout est certifiable UL (cULus) / CSA sur demande.

Faites passer votre site dans le calculateur de capacité de branchement pour la recharge de VE pour fixer la puissance en kVA et le dispositif principal, puis apportez le résultat à une demande de prix pour transformateur ou aux pages transformateur sur socle (pad-mounted) et tableau de distribution basse tension pour les gabarits. Les puissances courantes ont leurs propres pages de gabarit, dont 500 kVA et 2500 kVA, et infrastructure de recharge de VE montre comment le transformateur, l’appareillage de commutation et la gamme de bornes sont regroupés. Comme l’usine est intégrée, la capacité est planifiée en fonction du projet plutôt que d’une file d’attente.

Tout le calcul se réduit à une substitution et à un multiplicateur. Convertissez d’abord la puissance de sortie CC en puissance d’entrée CA, prenez 125 % parce que le NEC 625.42 stipule que la charge est continue et n’accorde aucune diversité, puis laissez les échelles de cotations normalisées arrondir le résultat. Les 5,000 kVA de transformateur, les deux dispositifs principaux de 3,000 A et les dispositifs de dérivation de 600 A découlent tous de ces deux gestes, et un point de consigne d’EMS est le seul levier qui fasse légitimement baisser la réponse.