Las baterías de iones de litio (Li-Ion) y otras químicas de baterías no solo son elementos clave en el mundo de la automoción, sino que también se utilizan principalmente para sistemas de almacenamiento de energía (ESS - Energy Storage Systems). Por ejemplo, las gigafábricas pueden producir varios MWh al día de energía extraída de la generación renovable. ¿Cómo camos cuenta de las diversas cargas que se imponen a la red energética durante 24 horas?

Esto puede hacerse utilizando sistemas de almacenamiento de energía basados en baterías (BESS) que apoyen la red. Este artículo analiza las soluciones de controladores de gestión de baterías y su eficacia tanto en el desarrollo como en el despliegue de ESS.

Desafíos de las baterías de iones de litio
Se necesita un sistema de gestión de baterías (BMS - Battery Management System) para el uso de celdas de iones de litio. El BMS es indispensable porque las celdas de iones de litio pueden ser peligrosas. Si se sobrecargan, pueden sufrir un calentamiento excesivo y explotar. Si se descargan en exceso, se producen reacciones químicas dentro de la celda que afectan permanentemente a su capacidad para mantener la carga. Ambos casos implican la pérdida de celdas de la batería de forma peligrosa y costosa. Además, se necesita un BMS, ya que las celdas de iones de litio a menudo se apilan para formar un paquete de baterías. La carga de las celdas apiladas se realiza a menudo en serie aplicando una fuente de corriente constante en paralelo con la pila. Sin embargo, esto conlleva el desafío del balanceo o equilibrio (balancing), que es el acto de mantener todas las celdas en el mismo estado de carga (SOC). ¿Cómo podemos cargar o descargar completamente todas las celdas sin sobrecargar o descargar en exceso ninguna celda individual de la pila de baterías? El equilibrio es uno de los muchos beneficios críticos de un buen BMS. Las funciones principales del BMS incluyen:
- Monitorización de parámetros de la celda, como el voltaje de la celda, la temperatura de la celda y la corriente que entra y sale de la celda.
- Cálculo del SOC midiendo los parámetros mencionados anteriormente, así como la corriente de carga y descarga en amperios-segundo (A.s) utilizando un contador de culombios.
- Equilibrado de celdas (pasivo) para garantizar que todas las celdas estén en el mismo SOC.

Soluciones de sistemas de gestión de baterías
Analog Devices cuenta con una amplia gama de dispositivos BMS (ADBMSxxxx). El ADBMS 1818, por ejemplo, es ideal para aplicaciones industriales y BESS y puede medir una pila de baterías de 18 celdas. Se requiere un microcontrolador para operar cualquier CI ADBMS. La unidad de microcontrolador (MCU) se comunica con el BMS, recibe los datos de medición y realiza cálculos para determinar el SOC y otros parámetros. Aunque la mayoría de los microcontroladores pueden comunicarse con un BMS, no todos son adecuados. Es preferible un microcontrolador con una gran capacidad de procesamiento. Los datos que devuelve el BMS pueden ser grandes, sobre todo cuando se requiere una pila de celdas grande (algunas pilas pueden alcanzar los 1500 V y están compuestas por hasta 32 ADBMS1818 conectados en cadena). En este caso, el microcontrolador debe tener un ancho de banda lo suficientemente grande como para comunicarse con los diferentes circuitos integrados BMS del sistema mientras procesa los resultados. Como parte de la solución de la plataforma BMS, el microcontrolador MAX32626 tiene dos fuentes de alimentación que se gestionan a través de un controlador PowerPath™. El controlador PowerPath prioriza la fuente de alimentación en función de la demanda de energía de la placa (periféricos conectados y carga de procesamiento, etc.).
La mayoría de los circuitos integrados de monitorización ADI tienen una arquitectura apilable para sistemas de alto voltaje, lo que significa que se pueden conectar múltiples front-ends analógicos (AFE) en una daisy chain. Por lo tanto, una de las principales características de la placa controladora del BMS, denominada unidad controladora de almacenamiento de energía (ESCU), es que funciona con múltiples AFE al mismo tiempo.

La Figura 1 ilustra un diagrama de bloques típico del BMS en el que la ESCU está resaltada en azul. Aunque la ESCU no está optimizada para aplicaciones de seguridad funcional, el usuario puede implementar circuitos de protección y/o redundancias para alcanzar ciertos requisitos de nivel de integridad de seguridad (SIL).

Figura 1. Diagrama de bloques simplificado de BMS compatible con las soluciones de BMS de ADI.

Hardware y software de la placa controladora de BMS
Información sobre el hardware
La ESCU de ADI interactúa con una variedad de dispositivos BMS (AFE, indicador de gas, transceptor isoSPI). Los aspectos más destacados del hardware y los componentes de la placa controladora de BMS son:
- MCU integrado: El Arm® Cortex®-M4 MAX32626 es adecuado para aplicaciones de almacenamiento de energía. Funciona a baja potencia y destaca por su velocidad, ya que tiene un oscilador interno que funciona a frecuencias de hasta 96 MHz. En modo de baja potencia, puede funcionar a velocidades tan bajas como 4 MHz para ahorrar energía. Cuenta con excelentes funciones de gestión de energía, como una corriente de modo de bajo consumo de 600 nA y un reloj en tiempo real (RTC) habilitado. El MAX32626 también alberga una óptima variedad de periféricos, como SPI, UART, I2C, interfaz 1-Wire®, USB 2.0, motores PWM, ADC de 10 bits y muchos otros. En este MCU se incorpora una unidad de protección de confianza (TPU) con funciones de seguridad avanzadas.
- Interfaces: La ESCU alberga múltiples interfaces:
■ SPI, I2.C y CAN.
■ isoSPI para una transferencia de información robusta y segura a través de una barrera de alto voltaje.
■ USB-C para alimentar la placa y flashear el MCU.
■ JTAG para la programación y depuración del microcontrolador.
■ Conector Arduino (permite más flexibilidad para añadir placas compatibles con Arduino, como un escudo Ethernet, placas de sensores o incluso un escudo Proto).
- Transceptores isoSPI: contiene 2 LTC 6820 para lograr la comunicación isoSPI con los CI BMS en una daisy chain utilizando un solo transformador. Esto garantiza que esta placa esté completamente aislada de los CI BMS conectados a grandes
. La presencia de un transceptor isoSPI dual proporciona una comunicación aislada redundante y reversible en la que el MCU host alterna los puertos de comunicación para supervisar la integridad de la señal (un futuro desarrollo de esta placa incluirá el ADBMS6822 (transceptor isoSPI dual) para velocidades de datos más altas y soporte de la función de monitorización de celdas de baja potencia (LPCM) que está presente en los últimos IC BMS de ADI).
- Gestión de la energía:
■ La alimentación puede suministrarse mediante una toma de CC o un USB conectado al PC a través de una interfaz USB 2.0 (hay disponible un conector USB-C).
■ Un circuito priorizador, que utiliza el LTC 4415, gestiona y selecciona la fuente de alimentación. Elige entre la toma de CC o la entrada USB-C en función de la carga en el lado del controlador y de los periféricos. Por ejemplo, si se conecta y ejecuta un escudo Arduino, el consumo de energía de la placa aumentará más allá de lo que puede proporcionar USB-C. La arquitectura ideal de diodo-OR del LTC4415 cambiará entonces para seleccionar el conector de CC como fuente de alimentación.
■ La cadena de alimentación proporciona diferentes carriles de tensión (3,3 V; 2,5 V y 5 V), que se pueden configurar mediante puentes.
- Seguridad y protección: El MAX32626 gestiona un controlador de puerta aislado integrado, ADuM4120, que controla un N-FET conectado a un contactor externo (que se encuentra en la placa de la batería, por ejemplo). Esto tiene una función de protección, ya que el MCU encenderá y apagará el MOSFET a través del ADuM4120 para abrir los contactores y desconectar las baterías en casos de emergencia o fallo.
La Figura 2 ilustra un diagrama de bloques de alto nivel que destaca los elementos principales del ESCU.

Figura 2. Diagrama de bloques detallado del hardware del ESCU.

La PCB tiene un pequeño factor de 10 cm × 9 cm. Las interfaces principales se muestran en la Figura 3.

Figura 3. La parte superior del ESCU.

Información de software
En cuanto al software, ADI ofrece una solución completa que incluye una interfaz gráfica de usuario (GUI) de código abierto que puede utilizarse para comunicarse con la placa controladora. La GUI admite hasta tres dispositivos ADBMS conectados en cadena.
La GUI se comunica con el MCU a través de un protocolo de comunicación de código abierto bien definido que puede ampliarse fácilmente. El protocolo define los mensajes que se envían al MCU a través del puerto serie. Los mensajes están protegidos por comprobación de redundancia cíclica (CRC) para permitir la detección de errores. Estos mensajes permiten al usuario conectarse y desconectarse del MCU de forma ordenada; establecer parámetros del sistema, realizar mediciones, habilitar y comprobar fallos, y escribir los comandos necesarios en la parte ADBMS. El código de aplicación del MCU utiliza hilos RTOS libres para realizar operaciones paralelas. Esto es útil porque un hilo de medición puede ejecutarse en paralelo con un hilo de comprobación de fallos, de modo que se puede implementar un tiempo de intervalo de fallo.
Se proporciona una interfaz de software con la placa controladora BMS y está escrita en Python. Las principales secciones de usuario son las siguientes:
1. Pestaña Sistema (System tab): Esta es la página principal de la aplicación (Figura 4). Permite al usuario establecer la comunicación serie con el PC, seleccionar el número de tarjetas AFE conectadas y determinar el intervalo de medición y los umbrales que se utilizarán para las comprobaciones de sobretensión y subtensión. Después de pulsar conectar, el usuario está listo para iniciar las mediciones. Si ambas luces de estado del sistema se iluminan en verde (como en la Figura 4), aparecen las pestañas de medición en función del número de tarjetas introducidas por el usuario.

Figura 4. Pestaña Sistema de la aplicación de usuario.

2. Las pestañas BMS, como se ilustra en la Figura 5, muestran las mediciones procesadas por el ESCU a cada AFE conectado. Las pestañas BMS contienen las lecturas de voltaje de celda y GPIO, estado y fallas de la placa AFE. La medición del voltaje de la celda también se representa gráficamente y se traza en tiempo real.

Figura 5. Pestañas de medición del BMS.

3. Pestaña de referencia: La interfaz gráfica de usuario incluye una pestaña de referencia que representa un diagrama de bloques de alto nivel
de la placa y los esquemas.
Los esquemas y los archivos Gerber, junto con el firmware de evaluación, la interfaz gráfica de usuario y la guía de usuario, son de código abierto y los proporciona ADI.

Conclusión
En el mercado energético en rápida evolución, existe una necesidad apremiante de BESS. La demanda es urgente de una solución completa que esté lista para ser implementada. También se necesita soporte para acelerar el tiempo de comercialización y no agregar retrasos desconocidos. ADI está preparada para satisfacer esa demanda en su totalidad con su ESCU. Esta placa proporciona las características clave requeridas para BESS y proporciona una base completa con flexibilidad para un mayor desarrollo.
Con la solución de controlador BMS de ADI, los usuarios podrán:
- Evaluar múltiples AFE simultáneamente, ya que esta solución está dirigida a arquitecturas apilables y escalables. No se requiere ninguna placa transceptora isoSPI adicional.
- Depurar el sistema BMS sin problemas gracias al JTAG integrado, los LED de estado y los diversos conectores e interfaces.
- Disminuir el tiempo de comercialización aprovechando el hardware y el software de código abierto.
La placa controladora BMS de ADI está equipada con las características clave necesarias para BESS y ofrece una base flexible necesaria para el desarrollo futuro.

Referencias
«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.

Sobre el autor
Paulo Roque es ingeniero de aplicaciones de sistemas en el Grupo de Sistemas de Almacenamiento de Energía con sede en Limerick, Irlanda. Ha trabajado para Analog Devices desde 2013 en diversos puestos y productos, más recientemente en el campo de la magnetización. Paulo es licenciado en robótica por la Universidad de Limerick.
Amina Joerg es ingeniera de aplicaciones de campo en el equipo industrial, con sede en Alemania. Ha trabajado para Analog Devices desde 2018 en múltiples funciones, más recientemente en el Grupo de Energía como ingeniera de aplicaciones de sistemas. Amina tiene un máster en ingeniería eléctrica.

Autores:

Amina Joerg, ingeniera de aplicaciones de campo, y Paulo Roque, ingeniero de aplicaciones de sistemas en ADI