Monitorización de la temperatura de la batería en sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS): desde los puntos de detección hasta la protección del sistema.

La monitorización de la temperatura es una función básica en un sistema de almacenamiento de energía en baterías, pero el valor de la medición depende en gran medida de dónde se mida la temperatura y cómo se utilicen los datos.

En un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS), el calor no proviene únicamente de las celdas de la batería. Las conexiones conductoras de corriente, las barras colectoras, los contactores, los fusibles, los cables y otros componentes eléctricos también pueden convertirse en fuentes de calor localizadas. Por lo tanto, un valor de temperatura tomado en un solo punto puede reflejar solo una parte de la realidad.

En el caso de los bastidores de baterías y los sistemas eléctricos de alta tensión, la monitorización de la temperatura debe considerarse como parte de la arquitectura general de monitorización y protección.

¿Dónde se debe medir la temperatura?

No existe un único punto de temperatura que pueda representar el estado de todo un bastidor de baterías.

Las distintas partes del sistema pueden experimentar diferentes condiciones térmicas.

A nivel de batería, la monitorización de la temperatura puede centrarse en las celdas o los módulos, ya que la temperatura de la batería afecta a la carga, la descarga y las condiciones generales de funcionamiento.

A nivel eléctrico, otros lugares también merecen atención:

• Conexiones de barras colectoras

• Terminales de cable

• Puntos de conexión de alta corriente

• contactores de CC

• Puntos de instalación de fusibles

• Otros componentes dentro del soporte de la batería o la caja eléctrica

Estas zonas no tienen necesariamente el mismo comportamiento térmico que las celdas de la batería.

Por lo tanto, un rack puede tener una temperatura media normal, mientras que un punto de conexión concreto puede estar funcionando a una temperatura significativamente superior a la de la zona circundante.

Esta es una de las razones por las que la ubicación del sensor es tan importante como el sensor en sí.

Un punto caliente puede ser más importante que la temperatura promedio.

La monitorización térmica de la batería a veces se considera principalmente como una forma de detectar un aumento general de la temperatura.

Sin embargo, para la protección del sistema, la ubicación del aumento de temperatura puede ser igual de importante.

Un aumento localizado puede estar asociado con:

• Mayor resistencia de contacto

• Una conexión floja o deteriorada

• Alta concentración de corriente

• Disipación de calor deficiente

• Carga anormal

• Envejecimiento de los componentes

Por lo tanto, un sensor de temperatura instalado en una conexión eléctrica adecuada puede proporcionar información que no sería visible a partir de una medición general de la temperatura ambiente.

Esto es especialmente relevante en diseños compactos de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS, por sus siglas en inglés), donde los componentes de alta corriente se instalan muy cerca unos de otros.

El objetivo no es colocar sensores por todas partes, sino identificar los puntos donde los datos de temperatura puedan proporcionar información útil sobre el estado de la batería y del sistema eléctrico.

La temperatura de la batería y la temperatura eléctrica son mediciones diferentes.

La temperatura de la batería y la temperatura de los componentes eléctricos no deben considerarse automáticamente como lo mismo.

Una celda de batería puede estar funcionando dentro de su rango de temperatura esperado, mientras que un terminal de cable o una conexión de barra colectora experimenta un calentamiento local anormal.

También puede ocurrir lo contrario. Un módulo de batería puede experimentar un aumento de temperatura debido a su estado de funcionamiento, mientras que las conexiones eléctricas circundantes permanecen dentro de su rango normal.

Esta distinción es importante cuando se utilizan datos de temperatura para tomar decisiones de protección.

El sistema de monitorización necesita saber qué representa cada medición, en lugar de tratar todos los valores de temperatura como intercambiables.

Por este motivo, al definir la arquitectura de monitorización, se debe tener en cuenta la ubicación física de cada punto de detección.

De los datos de los sensores a las decisiones del sistema de gestión de baterías (BMS)

La medición de la temperatura resulta más útil cuando se conecta al sistema de gestión de edificios (BMS) y al sistema de control general.

Un sistema de gestión de baterías (BMS) puede utilizar la información de temperatura junto con otros parámetros de la batería, como el voltaje de la celda, el voltaje del paquete y la corriente de carga/descarga, para determinar si la batería está funcionando dentro de sus límites definidos.

La temperatura puede afectar a varias decisiones, entre ellas:

• Si la carga o la descarga deben continuar

• Si la corriente debería limitarse

• Si una condición anormal debería activar una alarma

• Si se ha alcanzado un umbral de protección

• Si la batería necesita entrar en un estado de funcionamiento diferente

Lo importante es que el sensor no toma la decisión de protección por sí solo.

El sensor proporciona la medición. El BMS interpreta los datos de acuerdo con la lógica de protección y control configurada.

Esta distinción cobra cada vez más importancia a medida que los sistemas de baterías utilizan más puntos de monitorización e información operativa más detallada.

La diferencia de temperatura también puede contener información útil.

La temperatura absoluta no siempre es el único valor útil.

La diferencia entre los puntos de detección puede proporcionar información adicional sobre el estado del sistema de baterías.

Por ejemplo, si varias secciones de batería comparables funcionan en condiciones similares, pero una de ellas muestra una diferencia de temperatura persistente, esa variación podría merecer una investigación más a fondo.

El mismo principio puede aplicarse a los puntos de conexión eléctrica.

Un único valor de temperatura puede parecer aceptable si se observa de forma aislada, mientras que una comparación entre varios puntos puede revelar un patrón anómalo.

Esto hace que la monitorización de temperatura en múltiples puntos sea útil no solo para la protección, sino también para la monitorización del estado y el mantenimiento.

Por lo tanto, la calidad de la arquitectura de monitorización depende tanto del rendimiento del sensor como de la forma en que se interpretan los datos recopilados.

Monitorización de temperatura por cable e inalámbrica

La elección entre sensores cableados e inalámbricos depende de la estructura física del sistema.

Los sensores cableados pueden proporcionar una conexión sencilla al sistema de monitorización, pero un mayor número de puntos de detección puede aumentar los requisitos de cableado.

En un bastidor de baterías con muchos módulos y múltiples puntos de monitorización, el enrutamiento de los cables puede convertirse en una consideración práctica del diseño.

La monitorización inalámbrica de la temperatura puede reducir la cantidad de cableado necesario entre los puntos de detección y el sistema de recopilación de datos. Esto resulta útil cuando el espacio de instalación es limitado o cuando los puntos de monitorización están distribuidos en una estructura eléctrica extensa.

La detección inalámbrica también puede ser relevante cuando se requiere monitorización en lugares como barras colectoras, conexiones de cables u otras interfaces eléctricas donde añadir cableado adicional resulta inconveniente.

La elección debe basarse en los requisitos completos del sistema, incluidos el método de comunicación, el entorno de instalación, la precisión de la medición, la fuente de alimentación y los requisitos de mantenimiento.

Monitorización de la temperatura más allá de la celda de la batería

A medida que las arquitecturas eléctricas de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) se vuelven más compactas, la monitorización de la temperatura no tiene por qué limitarse al módulo de la batería.

El circuito eléctrico que rodea la batería también puede contener información térmica importante.

Por ejemplo, una conexión de alta corriente puede experimentar un calentamiento adicional debido a la resistencia de contacto. Un fusible puede funcionar en una carcasa donde la temperatura local difiere considerablemente de la temperatura ambiente externa. Un contactor también puede experimentar sus propias condiciones térmicas dependiendo de la corriente continua y del entorno de instalación.

Estas mediciones pueden ayudar a los ingenieros a distinguir entre un problema térmico relacionado con la batería y un problema asociado con el circuito eléctrico.

Esta es también la razón por la que la monitorización de la temperatura y la selección de componentes no deben tratarse como tareas de diseño completamente separadas.

El entorno térmico que rodea a un componente de protección o conmutación puede afectar a su margen de funcionamiento, mientras que el propio componente puede contribuir al entorno térmico local.

La ubicación de los sensores debe seguir la arquitectura eléctrica y térmica.

La ubicación de los sensores debe considerarse junto con la disposición física del sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS).

Un enfoque útil consiste en identificar:

Donde se genera calor → donde se puede acumular calor → donde los cambios de temperatura pueden indicar una condición anormal

Esto puede dar lugar a diferentes prioridades de detección en diferentes partes del sistema.

Los módulos de batería pueden requerir monitorización de la temperatura para conocer los límites de funcionamiento de la batería.

Las barras colectoras y los terminales pueden requerir supervisión debido a que transportan corrientes elevadas.

Los puntos de conexión pueden merecer atención, ya que la resistencia local puede generar calor concentrado.

Puede que sea necesario supervisar otros componentes cuando su temperatura de funcionamiento tenga una relación directa con los requisitos de fiabilidad o protección.

Este enfoque resulta más útil que simplemente aumentar el número de sensores.

Más datos no significan automáticamente una mejor monitorización. Los puntos de medición deben proporcionar información que permita tomar medidas.

La monitorización de la temperatura y la protección del sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) trabajan conjuntamente.

El control de la temperatura es una capa más de un sistema de protección más amplio.

En un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS), la protección eléctrica puede incluir fusibles, contactores de CC, monitorización del aislamiento, medición de corriente y funciones de protección del sistema de gestión de baterías (BMS).

La monitorización de la temperatura proporciona otra fuente de información que puede ayudar a identificar condiciones de funcionamiento anormales.

Estas funciones desempeñan diferentes roles.

Un sensor de temperatura detecta una condición física.

El sistema de gestión de la batería (BMS) evalúa esa condición junto con otra información de la batería.

Un sistema de control puede entonces determinar la respuesta adecuada.

Según la arquitectura del sistema y las condiciones de la falla, un fusible o un contactor puede proporcionar la función de aislamiento físico o de interrupción.

Es importante tener claras estas funciones al diseñar la estrategia de protección completa.

También evita un error de diseño común: esperar que un solo dispositivo de monitorización o un solo componente de protección resuelva por sí solo un problema a nivel de sistema.

Los datos de temperatura se vuelven más valiosos con el tiempo.

La medición de la temperatura es útil en el momento en que se realiza, pero los datos de temperatura registrados pueden aportar un valor adicional.

La monitorización continua puede mostrar cómo se comporta un punto determinado bajo diferentes condiciones de carga y descarga.

Con el tiempo, los ingenieros podrán identificar:

• Aumentos repetidos de temperatura en el mismo lugar.

• Diferencias entre las secciones de la batería

• Cambios en el comportamiento térmico bajo cargas similares

• Patrones de temperatura anormales

• Condiciones que se producen antes de una avería o un evento de mantenimiento.

Esto lleva la monitorización de la temperatura más allá de la simple generación de alarmas.

También puede servir de apoyo en las decisiones de mantenimiento, ayudando a los ingenieros a identificar las zonas que requieren una inspección más minuciosa.

En el caso de sistemas de baterías más grandes o complejos, esta información histórica puede resultar cada vez más útil, ya que las condiciones de funcionamiento del sistema cambian a lo largo de su vida útil.

Diseño de la capa de monitorización junto al bastidor de baterías

La monitorización de la temperatura funciona mejor cuando se tiene en cuenta durante el diseño del bastidor de baterías, en lugar de añadirla una vez que la arquitectura eléctrica ya está definida.

Los módulos de batería, las barras colectoras, las conexiones de alta corriente, los componentes de protección, el sistema de refrigeración y los puntos de detección ocupan el mismo espacio físico e interactúan térmicamente.

Por lo tanto, la arquitectura de monitorización debe reflejar la estructura real del rack.

Esto concuerda con el enfoque general del diseño de bastidores para baterías de alto voltaje: la monitorización de la batería, la gestión térmica, la protección y la integración eléctrica deben trabajar conjuntamente en lugar de tratarse como tareas separadas.

Para los desarrolladores de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS), la cuestión práctica no es simplemente cuántos sensores de temperatura se necesitan, sino qué ubicaciones deben monitorearse, qué información proporciona cada punto y cómo el sistema de gestión de baterías (BMS) o el controlador del sistema utilizarán esa información.

Es ahí donde la detección de temperatura pasa a formar parte del diseño del sistema, en lugar de ser simplemente otro componente instalado dentro del rack.