Maximizar la precisión de la monitorización de las celdas y la integridad de los datos en los sistemas de gestión de las baterías de almacenamiento de energía

Las baterías conectadas a la red son fuentes viables de energía de reserva y de emergencia; los CI de medición específicos para la aplicación que cumplen sus requisitos únicos y sofisticados garantizan un rendimiento fiable del sistema.

Hay un interés creciente en el uso de conjuntos de baterías a gran escala para el almacenamiento de energía de reserva y de tránsito, como demuestra el reciente anuncio de Tesla Motors de su sistema Powerwall para hogares y oficinas. Las baterías de estos sistemas se cargan continuamente de la red o de otra fuente y luego proporcionan energía de CA al usuario a través de un inversor CC/CA.

El uso de baterías para la reserva de energía no es nuevo, con muchos sistemas que van desde los básicos de 120/240Vac y varios cientos de vatios para la reserva a corto plazo de un ordenador de sobremesa, hasta miles de vatios para vehículos especializados, como barcos, coches híbridos o vehículos totalmente eléctricos, hasta cientos de kilovatios para la reserva de centros de datos y telecomunicaciones a escala de red (véase la Figura 1). Sin embargo, aunque los avances en la química y la tecnología de las baterías están atrayendo la atención, el sistema de gestión de baterías (BMS) es un componente igualmente crítico de una instalación viable basada en baterías.

La implementación de sistemas de gestión de baterías para el almacenamiento de energía presenta muchos retos, y sus soluciones no se limitan a escalar a partir de paquetes de baterías a pequeña escala y de baja capacidad. En cambio, se necesitan estrategias nuevas y más sofisticadas y componentes de apoyo críticos.

El reto comienza con la necesidad de una gran precisión y confianza en las numerosas mediciones de los parámetros clave de la célula de la batería. Además, el diseño debe ser modular en sus subsistemas para permitir que la configuración se adapte a las necesidades específicas de la aplicación, así como a las posibles ampliaciones, los problemas de gestión global y el mantenimiento necesario.

El entorno operativo de las matrices de almacenamiento a gran escala también presenta otros retos importantes. El BMS debe proporcionar datos precisos y coherentes en un entorno eléctrico extremadamente ruidoso y a menudo caliente, a pesar de los inversores de alta tensión/corriente y los consiguientes picos de corriente. Además, debe proporcionar datos muy precisos sobre las mediciones de la temperatura interna del módulo y del sistema, que son esenciales para la carga, el control y la descarga, en lugar de unos pocos valores generales agregados.

Debido al papel fundamental de estos sistemas de energía, su fiabilidad operativa es intrínsecamente crítica. Para hacer realidad este objetivo tan sencillo, el SBA debe garantizar la exactitud e integridad de los datos, así como la evaluación continua de la salud para poder tomar las medidas necesarias en todo momento. Conseguir un diseño y una seguridad robustos es un proceso de varios niveles, y el SGE debe anticiparse a los problemas, realizar autopruebas y detectar fallos en todos los subsistemas, y luego aplicar las acciones adecuadas tanto en el modo de espera como en el operativo. Como mandato final, debido a los altos niveles de tensión, corriente y potencia, hay muchas normas reguladoras estrictas que el BMS debe cumplir.

El diseño del sistema traduce los conceptos en resultados concretos

Aunque el control de las baterías recargables es sencillo en teoría -sólo hay que colocar los circuitos de medición de tensión y corriente en los terminales de las celdas-, la realidad de un BMS es bastante diferente y mucho más complicada.

Un diseño robusto comienza con un control exhaustivo de cada una de las celdas de la batería, lo que exige mucho a las funciones analógicas. Las lecturas de las células deben ser precisas en milivoltios y miliamperios, y las mediciones de tensión y corriente deben estar sincronizadas en el tiempo para calcular la potencia. El SGE también debe evaluar la validez de cada medición, ya que debe maximizar la integridad de los datos, al tiempo que identifica los errores o las lecturas dudosas. No puede ignorar las lecturas inusuales que puedan indicar un problema potencial, pero al mismo tiempo no debe tomar medidas basadas en datos que contengan errores.

Una arquitectura modular de BMS mejora la solidez, la escalabilidad y la fiabilidad. La modularidad también facilita el uso del aislamiento cuando sea necesario en los enlaces de datos entre subsecciones para minimizar el impacto del ruido eléctrico y mejorar la seguridad. Además, los formatos avanzados de codificación de datos, incluidos los protocolos de detección de errores CRC (comprobación de redundancia cíclica) y de acuse de recibo de enlace, garantizan la integridad de los datos, de modo que la función de gestión del sistema tiene la seguridad de que los datos que recibe son los que se enviaron.

Un ejemplo de un BMS que incorpora estos principios es el sistema de gestión de baterías escalable y personalizable desarrollado por Nuvation Engineering (Waterloo, Ontario y Sunnyvale, CA). El diseño del BMS de Nuvation tiene un historial probado de éxito en los sistemas de almacenamiento de energía en red y en los equipos de reserva de energía, donde la fiabilidad y la solidez son fundamentales. La principal ventaja de este SGE "plug and play" es su topología jerárquica de varios niveles (Figura 2) con tres subsistemas, cada uno con funciones únicas, como se muestra en la Figura 3.

1. La interfaz de célula permite gestionar y controlar de cerca cada célula de la pila; el sistema utiliza tantas interfaces de célula como sean necesarias, en función del número de pilas. Estas interfaces pueden conectarse en cadena a medida que aumenta el número de celdas y, por tanto, el voltaje de la batería.
2. La interfaz de célula está conectada a un único controlador de pila que supervisa y gestiona varias unidades de interfaz de célula. Si es necesario, se pueden conectar varios controladores de células para soportar grandes paquetes con muchas células en paralelo.
3. La interfaz de alimentación conecta los controladores de las células a las líneas de alta tensión/corriente y se conecta con el inversor/cargador. Aísla física y eléctricamente los componentes de alta tensión/alta corriente de la batería de los demás módulos. También alimenta el BMS directamente desde la pila de baterías, eliminando la necesidad de cualquier fuente de alimentación externa para el funcionamiento del BMS.

La arquitectura modular y jerárquica del BMS de Nuvation admite voltajes de paquetes de baterías de hasta 1250Vdc, utilizando módulos de interfaz de celdas, cada uno de los cuales contiene hasta 16 celdas, pilas con hasta 48 módulos de interfaz de celdas y paquetes de baterías que contienen múltiples celdas en paralelo. Todo el conjunto se gestiona como una sola unidad desde la perspectiva del usuario.

Un diseño sólido se construye de abajo hacia arriba

Factores como la arquitectura modular, la topología jerárquica y el diseño sensible a los errores son esenciales para la integridad y la escalabilidad del SGE Nuvation, pero no son suficientes. El éxito de la implementación requiere bloques funcionales de alto rendimiento que sirvan de base física.

Por lo tanto, el LTC^®el CI de monitorización de la batería multicelular 6804 de Linear Technology (Figura 4) desempeña un papel fundamental en la implementación del BMS de Nuvation. Está diseñado específicamente para satisfacer las necesidades de los sistemas BMS y los diseños multicelulares, empezando por proporcionar mediciones precisas de hasta 12 celdas de batería apiladas en serie. Sus entradas de medición no están referenciadas a tierra, lo que simplifica enormemente la medición de estas células, y el propio LTC6804 es apilable para utilizarlo con matrices de mayor voltaje (y también admite una variedad de químicas de células). Ofrece un error máximo de 0,033% con una resolución de 16 bits, y sólo tarda 290μs en medir las 12 celdas de la pila. Estas mediciones sincronizadas de tensión y corriente son esenciales para un análisis significativo de los parámetros de potencia.

Por supuesto, el rendimiento en el entorno benigno de un prototipo de banco de pruebas no es el mismo que el rendimiento real que se puede conseguir en un entorno real de BMS, eléctrica y ambientalmente hostil. La arquitectura del convertidor analógico-digital (ADC) del LTC6804 está diseñada para soportar y minimizar estos efectos adversos, utilizando filtros especialmente diseñados para el ruido del convertidor de potencia.

La interfaz de datos utiliza una interfaz SPI aislada de un par trenzado que admite velocidades de datos de hasta 1Mb y distancias de hasta 100 metros. Para mejorar aún más la integridad del sistema, el CI incluye una serie de pruebas continuas del subsistema. Como prueba adicional de su fiabilidad y robustez, el LTC6804 cumple la rigurosa norma AEC-Q100 de calidad para el sector del automóvil. Este CI consigue sus resultados mediante un diseño específico para la aplicación que se centra en los problemas y entornos de los SGE, incluidos los objetivos únicos de la aplicación a nivel de sistema y sus numerosos retos.

Tres grandes problemas resueltos

El LTC6804 aborda tres áreas principales que afectan al rendimiento del sistema, la precisión de la conversión, el equilibrio de las celdas y las consideraciones de conectividad e integridad de los datos:

1. Precisión de la conversión

Debido a los requisitos de precisión a corto y largo plazo de la aplicación BMS, utiliza una referencia de conversión Zener enterrada en lugar de una referencia de banda prohibida. Esto proporciona una referencia estable con baja deriva (20ppm/√)kHr), un bajo coeficiente de temperatura (3ppm/°C), una referencia de tensión primaria de baja histéresis (20ppm) y una excelente estabilidad a largo plazo. Esta precisión y estabilidad es esencial, ya que constituye la base de todas las mediciones posteriores de las células de la batería, y estos errores tienen un impacto acumulativo en la credibilidad de los datos adquiridos, la coherencia de los algoritmos y el rendimiento del sistema.

Aunque una referencia de alta precisión es una característica necesaria para garantizar un rendimiento superior, no es suficiente. La arquitectura del convertidor A/D y su funcionamiento deben cumplir las especificaciones en un entorno eléctricamente ruidoso, que es el resultado de los transitorios de modulación de anchura de pulso (PWM) del inversor de alta corriente/tensión del sistema. La evaluación precisa del estado de carga (SOC) y de la salud de las baterías también requiere mediciones correlacionadas de tensión, corriente y temperatura.

Para mitigar el ruido del sistema antes de que pueda afectar al rendimiento del BMS, el convertidor LTC6804 utiliza una topología delta-sigma, con la ayuda de seis opciones de filtro seleccionables por el usuario para hacer frente a entornos ruidosos. El enfoque delta-sigma reduce el efecto de las interferencias electromagnéticas (EMI) y otros ruidos transitorios por su propia naturaleza de utilizar muchas muestras por conversión, con filtrado y promediado.

2. Equilibrio celular

La necesidad de equilibrar las celdas es una consecuencia inevitable en cualquier sistema que utilice grandes paquetes de baterías dispuestos en grupos de celdas o módulos. Aunque la mayoría de las pilas de litio están bien adaptadas cuando se adquieren por primera vez, pierden capacidad a medida que envejecen. El proceso de envejecimiento puede diferir de una célula a otra debido a una serie de factores, como los gradientes de temperatura del paquete. Para agravar todo el proceso, una célula a la que se le permite funcionar más allá de sus límites de SOC envejecerá prematuramente y perderá capacidad adicional. Estas diferencias de capacidad, combinadas con pequeñas diferencias en las corrientes de autodescarga y de carga, dan lugar a un desequilibrio de las células.

Para solucionar el problema del desequilibrio de las células, el LTC6804 admite directamente el equilibrio pasivo (con un temporizador ajustable por el usuario). El equilibrado pasivo es un método sencillo y barato para normalizar el SOC de todas las celdas durante el ciclo de carga de la batería. Al eliminar la carga de las células de menor capacidad, el equilibrado pasivo garantiza que estas células de menor capacidad no se sobrecarguen. El LTC6804 también puede utilizarse para controlar el equilibrado activo, una técnica de equilibrado más complicada que transfiere la carga entre las células durante el ciclo de carga o descarga.

Tanto si se realiza mediante enfoques activos como pasivos, el equilibrado de las células se basa en una gran precisión de las mediciones. A medida que aumenta el error de medición, también debe aumentar la banda de seguridad de funcionamiento que establece el sistema, por lo que la eficacia del rendimiento de equilibrado se verá limitada. Además, a medida que el rango de SOC se reduce, también aumenta la sensibilidad a estos errores. El error total de medición del LTC6804, inferior a 1,2 mV, se ajusta a los requisitos del sistema.

3. Consideraciones sobre la conectividad/integridad de los datos

La modularidad en el diseño de las baterías mejora la escalabilidad, la capacidad de servicio y la flexibilidad del factor de forma. Sin embargo, esta modularidad requiere que el bus de datos entre los paquetes tenga un aislamiento galvánico (sin recorrido óhmico), para que los fallos en un paquete no afecten al resto del sistema ni pongan tensiones elevadas en el bus. Además, el cableado entre los paquetes debe tolerar altos niveles de interferencia electromagnética.

Un bus de datos aislado de dos hilos es una solución viable para lograr estos objetivos de forma compacta y económica. Por este motivo, el LTC6804 ofrece una interconexión SPI aislada denominada iso-SPI, que codifica las señales de reloj, entrada de datos, salida de datos y selección de chip en pulsos diferenciales, que luego se acoplan a través de un transformador, un componente de aislamiento robusto, fiable y de larga tradición (Figura 5).

Los dispositivos del bus pueden conectarse en cadena, lo que reduce en gran medida el tamaño del arnés y permite diseños modulares para grandes baterías de alto voltaje, a la vez que se mantienen altas velocidades de datos y una baja susceptibilidad a la EMI (Figura 6).

Para demostrar la inmunidad al ruido, Linear Technology realizó pruebas BCI con el LTC6804. Se trataba de acoplar 100mA de energía de RF en el mazo de cables de la batería, con una portadora de RF barrida de 1MHz a 400MHz y una modulación AM de 1kHz en la portadora. El filtro digital LTC6804 se programó para una frecuencia de corte de 1,7 kHz, y también se añadieron un filtro RC externo y un estrangulador de ferrita. El resultado: el error de lectura de la tensión fue inferior a 2 mV en todo el rango de barrido de RF.

Una serie de funciones de autoevaluación y autocomprobación aumentan la idoneidad del LTC6804 para las aplicaciones BMS. Entre ellas se encuentran la detección de cable abierto, una segunda referencia interna para el reloj del ADC, la autocomprobación del multiplexor e incluso la medición de sus tensiones de alimentación internas. El dispositivo está diseñado para sistemas que deben cumplir la norma ISO 26262 y la norma IEC 61508.

Conclusión

Hay mucho glamour asociado a las fuentes de alimentación de reserva y de arrastre para los sistemas a nivel de red. Parece tan sencillo: basta con mantener un conjunto de baterías cargadas (ya sea de la línea de CA de la red, o de la energía solar, eólica u otras fuentes renovables), y luego utilizar las baterías con un inversor de CC/CA cuando necesites suministrar una potencia de CA equivalente a la de la red.

La realidad es que las baterías no son sencillas en ninguna de sus características de comportamiento o rendimiento, y requieren una carga cuidadosamente controlada, un seguimiento de su tensión, corriente y temperatura, y una descarga. A medida que aumentan los niveles de potencia, un sistema práctico, eficiente y seguro no es un diseño trivial, por lo que un BMS multicelular conectado a la red es un sistema complejo. Hay muchas cuestiones singulares que deben entenderse y resolverse, y la seguridad es también una preocupación importante.

Un diseño de sistema exitoso y viable requiere una arquitectura modular, estructurada y descendente que se apoye desde abajo en componentes optimizados como el LTC6804. Combinado con un sofisticado y seguro software de adquisición y control de datos, el resultado es un potente y fiable sistema de gestión de edificios que requiere una mínima intervención del operador y que funcionará de forma autónoma durante años de servicio fiable.