Sisteme de stocare a energiei: Cum să gestionați cu ușurință și în siguranță pachetul de baterii

Bateriile litiu-ion (Li-Ion) și alte tipuri de baterii chimice nu sunt doar elemente-cheie în industria auto, ci sunt utilizate pe scară largă și în sistemele de stocare a energiei (ESS – Energy Storage Systems). De exemplu, gigafabricile pot produce zilnic mai mulți MWh de energie provenită din surse regenerabile. Cum putem gestiona diferitele sarcini care apasă asupra rețelei energetice pe parcursul a 24 de ore? Acest lucru poate fi realizat prin utilizarea sistemelor de stocare a energiei pentru susținere a rețelei (BESS – Battery-based grid-supporting Energy Storage Systems). Articolul analizează sistemele de control al bateriilor și eficiența lor, atât în dezvoltarea, cât și în implementarea ESS.

Provocările pe care le ridică bateriile litiu-ion

Un sistem de gestionare a bateriei (BMS – Battery Management System) este indispensabil pentru utilizarea celulelor Li-Ion, deoarece acestea pot fi periculoase. Dacă sunt supraîncărcate, pot intra în scăpare termică (thermal runaway) și pot exploda. În cazul descărcării excesive, în interiorul celulei apar reacții chimice care afectează permanent capacitatea acesteia de a menține sarcina. Ambele situații duc la pierderea celulelor bateriei într-un mod periculos și costisitor.

Un alt motiv pentru utilizarea unui BMS este că celulele Li-Ion sunt adesea conectate în serie pentru a forma un pachet de baterii. Încărcarea acestora se face, de regulă, prin aplicarea unei surse de curent constant la întreaga stivă. Totuși, acest lucru ridică problema echilibrării: menținerea tuturor celulelor la aceeași stare de încărcare (SOC – State of Charge). Cum putem încărca sau descărca complet toate celulele fără a supraîncărca sau supradescărca o anumită celulă din stivă?

Echilibrarea este unul dintre numeroasele beneficii esențiale ale unui BMS performant. Funcțiile principale ale unui BMS includ:

• Monitorizarea parametrilor celulei, cum ar fi tensiunea, temperatura și curentul de încărcare/descărcare.
• Calcularea SOC (State of Charge) prin măsurarea acestor parametri, precum și a curentului de încărcare și descărcare în amperi-secundă (A·s), cu ajutorul unui contor Coulomb.
• Echilibrarea pasivă a celulelor (cell balancing – passive), pentru a menține toate celulele la același SOC.

(N.red.: Echilibrarea celulelor poate fi de două tipuri: pasivă și activă. În varianta pasivă (cell balancing – passive), surplusul de energie din celulele cu încărcare mai mare este disipat sub formă de căldură, pentru a le aduce la același nivel cu celelalte celule. În varianta activă, energia în exces este redistribuită către celulele mai descărcate, însă aceasta presupune o complexitate mai mare a circuitului și costuri suplimentare.)

Soluții pentru sistemele de gestionare a bateriilor

Analog Devices dispune de o familie extinsă de dispozitive BMS (ADBMSxxxx). De exemplu, ADBMS1818 este ideal pentru aplicații industriale și BESS, putând măsura o stivă de baterii de 18 celule. Pentru a utiliza orice circuit integrat ADBMS este necesar un microcontroler. Acesta comunică cu BMS, primește datele de măsurare și efectuează calcule pentru a determina SOC și alți parametri. Deși majoritatea microcontrolerelor pot comunica cu un BMS, nu toate sunt adecvate.

Este de dorit un microcontroler cu o putere mare de procesare. Datele pe care le transmite BMS pot fi voluminoase, mai ales atunci când este necesară o stivă mare de celule (unele stive pot ajunge la 1500 V și sunt compuse din până la 32 de dispozitive ADBMS1818 conectate în lanț). În aceste cazuri, microcontrolerul trebuie să dispună de o lățime de bandă suficientă pentru a comunica cu multiplele circuite integrate BMS din sistem și, în același timp, să proceseze rezultatele.

Microcontrolerul MAX32626

Figura 1: O diagramă bloc BMS simplificată compatibilă cu soluțiile ADI BMS. (Sursa: ADI)

Ca parte a soluției de platformă BMS, microcontrolerul MAX32626 are două surse de alimentare gestionate prin intermediul unui controler PowerPath™. Acesta prioritizează sursa de alimentare în funcție de cererea energetică a plăcii (perifericele conectate și sarcina de procesare etc.).

Majoritatea circuitelor integrate de monitorizare de la ADI sunt proiectate într-o arhitectură suprapusă pentru sisteme de înaltă tensiune, ceea ce înseamnă că mai multe front-end-uri analogice (AFE) pot fi conectate în lanț.

Prin urmare, una dintre principalele caracteristici ale plăcii de control BMS, denumită unitate de control al stocării energiei (ESCU – Energy Storage Controller Unit), este capacitatea de a lucra simultan cu mai multe AFE-uri.

Figura 1 ilustrează o diagramă bloc tipică BMS, unde ESCU este evidențiată în albastru. Deși ESCU nu este optimizată pentru aplicații de siguranță funcțională, utilizatorul poate implementa circuite de protecție și/sau redundanțe pentru a îndeplini anumite cerințe SIL (Safety Integrity Level).

Placa de control BMS Hardware și software

Informații despre hardware

ESCU de la ADI se interfațează cu o varietate de dispozitive BMS (AFE, circuit de monitorizare a stării de încărcare a bateriei, transceiver isoSPI). Cele mai importante elemente hardware și componente ale plăcii de control BMS sunt:

• Microcontroler integrat: MAX32626 cu Arm® Cortex®-M4 este potrivit pentru aplicațiile de stocare a energiei. Acesta funcționează în regim de consum redus și excelează la capitolul viteză, deoarece are un oscilator intern care rulează la frecvențe de până la 96 MHz. În modul cu consum redus, poate rula la viteze de până la 4 MHz pentru economisirea energiei. Are caracteristici excelente de gestionare a puterii, cum ar fi un curent de 600 nA în modul low-power și un ceas în timp real (RTC) activat. MAX32626 integrează, de asemenea, o varietate optimă de periferice, inclusiv SPI, UART, I²C, interfață 1-Wire®, USB 2.0, controlere PWM pentru motoare, ADC pe 10 biți și multe altele. Un modul hardware de protecție (TPU), cu caracteristici avansate de securitate, este încorporat în acest microcontroler.

Interfețe

• ESCU include numeroase interfețe:
• SPI, I²C și CAN.
• isoSPI pentru transferul sigur și robust de informații printr-o izolație de înaltă tensiune.
• USB-C pentru alimentarea plăcii și pentru programarea firmware-ului microcontrolerului.
• JTAG pentru programarea și depanarea microcontrolerului.
• Conector Arduino, care permite mai multă flexibilitate pentru adăugarea de plăci compatibile, cum ar fi un shield Ethernet, plăci cu senzori sau chiar un Proto Shield.
• Transceivere isoSPI: Integrează 2 dispozitive LTC6820 pentru comunicația isoSPI cu circuitele integrate BMS într-o arhitectură înlănțuită (daisy chain), folosind un singur transformator. Astfel, placa este complet izolată de circuitele integrate BMS conectate la stive de baterii de înaltă tensiune. Prezența unui transceiver isoSPI dual asigură o comunicație izolată redundantă și reversibilă, în care microcontrolerul gazdă alternează porturile de comunicație pentru a monitoriza integritatea semnalului. O dezvoltare viitoare a acestei plăci va include ADBMS6822 (transceiver isoSPI dual), care oferă viteze de date mai mari și suport pentru funcția de monitorizare a celulelor cu consum redus de putere (LPCM – Low Power Cell Monitoring), prezentă în cele mai recente circuite integrate BMS de la ADI.

Figura 2: Schemă bloc hardware detaliată a ESCU. (Sursa: ADI)

Notă red.: Daisy chain desemnează o arhitectură de conectare în lanț, unde dispozitivele sunt legate unul după altul pentru a facilita comunicația sau distribuția semnalului.

Managementul alimentării

• Alimentarea poate fi realizată fie printr-un conector DC, fie printr-un port USB conectat la PC prin intermediul unei interfețe USB 2.0 (este disponibil și un conector USB-C).
• Un circuit de prioritizare, bazat pe LTC4415, gestionează și selectează sursa de alimentare. Acesta alege între conectorul DC sau intrarea USB-C, în funcție de sarcina controlerului și a perifericelor. De exemplu, dacă un shield Arduino este conectat și funcțional, consumul total de energie al plăcii poate depăși ceea ce poate furniza USB-C. În acest caz, arhitectura tip diodă-OR ideală a LTC4415 comută automat către conectorul DC ca sursă de alimentare.
• Lanțul de alimentare furnizează diferite linii de tensiune (3,3V, 2,5V și 5V), configurabile prin jumperi.
• Siguranță și protecție: MAX32626 controlează un driver de poartă izolat, ADuM4120, care comandă un tranzistor N-FET conectat la un contactor extern – echipament electric de putere, asemănător cu un releu, dar creat să comute curenți mari și tensiuni mari – (montat, de exemplu, pe placa bateriei). Acest ansamblu îndeplinește o funcție de protecție, deoarece microcontrolerul poate activa sau dezactiva MOSFET-ul prin ADuM4120 pentru a deschide contactoarele și a deconecta bateriile în caz de urgență sau defecțiune.

Figura 2 ilustrează o schemă bloc care evidențiază elementele esențiale ale ESCU.

Figura 3: Vedere de sus a ESCU. (Sursa: ADI)

Placa PCB are un format compact, de 10 × 9 cm. Principalele interfețe sunt ilustrate în figura 3.

Informații despre software

Pe partea de software, ADI oferă o soluție completă care include o interfață grafică cu utilizatorul (GUI) open-source, utilizată pentru comunicația cu placa controlerului. GUI suportă până la trei dispozitive ADBMS conectate într-o arhitectură daisy chain.

GUI comunică cu microcontrolerul prin intermediul unui protocol de comunicație open-source bine definit, care poate fi extins cu ușurință. Protocolul definește mesajele trimise către microcontroler prin portul serial. Aceste mesaje sunt protejate prin verificarea redundanței ciclice (CRC – Cyclic Redundancy Check), permițând detectarea erorilor.

Mesajele oferă utilizatorului posibilitatea de a se conecta și de a se deconecta de la microcontroler într-un mod ordonat, de a seta parametrii sistemului, de a efectua măsurători, de a activa și verifica defecțiunile, precum și de a scrie orice comenzi necesare în partea ADBMS.

Codul de aplicație

Codul de aplicație din microcontroler utilizează thread-uri (fire de execuție) RTOS gratuite pentru a executa operații paralele. Acest lucru este util, deoarece un thread de măsurare poate rula în paralel cu un thread de verificare a defecțiunilor, permițând implementarea unor intervale de timp prestabilite pentru detectarea acestora.

Figura 4: Tab-ul “System” al aplicației utilizatorului. (Sursa: ADI)

O interfață software este livrată împreună cu placa controlerului BMS și este scrisă în Python. Principalele secțiuni disponibile pentru utilizator sunt:

3. Tab-ul “System” – pagina principală a aplicației (figura 4). Permite stabilirea comunicației seriale cu PC-ul, selectarea numărului de plăci AFE conectate și configurarea intervalului de măsurare și a pragurilor utilizate pentru verificarea supratensiunii și subtensiunii. După apăsarea butonului “Connect”, utilizatorul poate începe măsurătorile. Dacă indicatoarele de stare ale sistemului devin verzi (ca în figura 4), tab-urile de măsurare apar în funcție de numărul de plăci introdus de utilizator.
4. Tab-ul/ tab-urile “BMS” – ilustrate în figura 5 – afișează măsurătorile procesate de ESCU pentru fiecare AFE conectat, tensiunile celulelor și ale pinilor GPIO, starea și valorile de eroare furnizate de placa AFE. Tensiunea celulei este de asemenea reprezentată grafic și trasată în timp real.
5. Tab-ul “Reference” – GUI include un tab de referință care afișează o diagramă bloc a plăcii și schemele electrice.

Figura 5. Tab-urile de măsurare BMS. (Sursa: ADI)

Schemele și fișierele Gerber, împreună cu firmware-ul de evaluare, GUI și ghidul de utilizare, sunt open-source și furnizate de ADI.

Concluzie

Pe piața energiei, care evoluează rapid, există o nevoie urgentă de BESS. Este nevoie de soluții complete, gata de implementare, dar și de sprijin pentru a accelera timpul de lansare pe piață și pentru a evita întârzierile neprevăzute. ADI este pregătită să răspundă acestei cereri de ESCU. Această placă oferă caracteristicile cheie necesare pentru BESS și constituie o bază solidă și flexibilă pentru dezvoltări ulterioare.

Cu soluția de control BMS de la ADI, utilizatorii vor putea:

• Evalua simultan mai multe AFE-uri, deoarece această soluție vizează arhitecturi modulare și scalabile. Nu este necesară o placă suplimentară de transceiver isoSPI.
• Depana sistemul BMS fără dificultăți, datorită JTAG-ului integrat, LED-urilor de stare, conectorilor și interfețelor diverse.
• Reduce timpul de lansare pe piață prin utilizarea hardware-ului și software-ului open-source.
• Beneficia de o placă de control BMS echipată cu funcționalitățile esențiale pentru BESS și cu flexibilitatea necesară pentru dezvoltări viitoare.

Referințe

“Lithium-Ion Battery Energy Storage Solutions.” Analog Devices, Inc., 2022.
“Energy Storage Solutions.” Analog Devices, Inc.
Amina Bahri. “AN-2093: ADBMS1818 Slave Module Solution.” Analog Devices, Inc., 2021.

Autori:

Paulo Roque, Systems applications engineer, ADI – Energy Storage Systems Group cu sediul în Limerick, Irlanda
Amina Joerg, Field applications engineer, ADI – Industrial Team cu sediul în Germania

Despre autori:
Paulo Roque este inginer aplicații de sisteme în cadrul Grupului de stocare a energiei, cu sediul în Limerick, Irlanda. Din 2013, activează la Analog Devices în diverse funcții și pentru diferite produse, cel mai recent în domeniul soluțiilor magnetice. Paulo deține o diplomă de licență în robotică de la Universitatea din Limerick.

Amina Joerg este inginer de aplicații de teren în cadrul echipei industriale, cu sediul în Germania. Lucrează la Analog Devices din 2018, ocupând diverse funcții, cel mai recent în cadrul grupului Energy, ca inginer de aplicații de sistem. Amina deține un master în inginerie electrică de la Universitatea de Științe Aplicate din Kempten.

Analog Devices

Vizitați https://ez.analog.com

Glosar de termeni

• ESS (Energy Storage Systems) – Sisteme de stocare a energiei.
• BESS (Battery-based Energy Storage Systems) – Sisteme de stocare a energiei bazate pe baterii, utilizate pentru susținerea rețelelor electrice.
• BMS (Battery Management System) – Sistem de gestionare a bateriilor, responsabil cu monitorizarea, protecția și echilibrarea celulelor.
• SOC (State of Charge) – Starea de încărcare a unei baterii, exprimată ca procent din capacitatea totală.
• Cell balancing (passive) – Echilibrarea celulelor prin disiparea energiei suplimentare sub formă de căldură pentru a menține același nivel de încărcare între celule.
• AFE (Analog Front-End) – Circuit analogic de front-end care preia semnalele electrice de la celule și le transmite către BMS.
• ESCU (Energy Storage Controller Unit) – Unitate de control a stocării energiei, placa principală de control într-un sistem BMS.
• isoSPI – Interfață serială izolată pentru comunicații de mare siguranță între BMS și ESCU.
• Daisy chain – Arhitectură de conectare în lanț, unde mai multe dispozitive sunt conectate unul după altul.
• LPCM (Low Power Cell Monitoring) – Funcție de monitorizare a celulelor cu consum redus de energie.
• CRC (Cyclic Redundancy Check) – Metodă de verificare a erorilor în comunicațiile digitale.
• RTOS (Real-Time Operating System) – Sistem de operare în timp real, utilizat pentru rularea simultană a mai multor procese critice.