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Circuitos de control y alimentación auxiliar de BESS: Selección de componentes más allá de la ruta principal de CC.
En un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS), la atención suele centrarse en la ruta principal de alimentación de CC entre los paquetes de baterías, las cajas de alta tensión, las cajas de combinación y el sistema de conversión de potencia (PCS). Sin embargo, el sistema también depende de circuitos auxiliares para el monitoreo, el control, la comunicación y el funcionamiento coordinado.
Estos circuitos no suministran la misma potencia que el circuito principal de la batería, pero sus requisitos de funcionamiento no son menos importantes. Una fuente de alimentación de control inestable, una interfaz de comunicación incompatible o un relé inadecuado pueden afectar la respuesta del sistema a las órdenes de funcionamiento y a las condiciones anómalas.
Por lo tanto, para los diseñadores de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS), la selección de componentes debe abarcar tanto la ruta de alimentación principal como los circuitos electrónicos de soporte.
Los circuitos auxiliares cumplen diferentes funciones.
La disposición exacta del circuito varía según la arquitectura del sistema, pero la electrónica auxiliar suele dar soporte a varias funciones.
La alimentación de control suministra energía a los componentes electrónicos e interfaces que la requieren independientemente de la ruta de conmutación principal. Según el diseño, esto puede incluir conversión CC-CC, regulación de voltaje y distribución local de energía.
El sistema de monitorización recopila información como voltaje, corriente, temperatura y estado del equipo. Los sensores, los circuitos de acondicionamiento de señal y las interfaces de comunicación facilitan que esta información esté disponible para el sistema de gestión de baterías (BMS) o el controlador de nivel superior.
El control de conmutación coordina dispositivos como contactores y relés. El circuito de control debe proporcionar las condiciones de accionamiento requeridas y, cuando corresponda, recibir información sobre el estado de conmutación.
La comunicación conecta el BMS, el PCS, los dispositivos de monitorización y los equipos de control de supervisión. La interfaz requerida depende del diseño del sistema y de los protocolos utilizados por los equipos conectados.
Estas funciones deben evaluarse individualmente. Un componente adecuado para un circuito puede no cumplir con los requisitos de voltaje, corriente, ambientales o de interfaz de otro.
Comience con la fuente de alimentación auxiliar.
Los requisitos de alimentación auxiliar deben definirse antes de seleccionar los componentes individuales.
Los ingenieros deben identificar la fuente de alimentación disponible, los voltajes de salida requeridos, la carga máxima, el comportamiento de arranque y las condiciones de funcionamiento previstas. Si se utiliza un convertidor CC-CC, su rango de entrada debe cubrir las variaciones de voltaje esperadas de la fuente, mientras que su salida debe ser compatible con los componentes electrónicos conectados.
Varios parámetros merecen atención:
Rango de tensión de entrada: Confirme la tensión de entrada mínima y máxima en las condiciones de funcionamiento previstas.
Tensión y corriente de salida: Tenga en cuenta la carga normal y cualquier aumento temporal durante el arranque o la conmutación.
Eficiencia de conversión: Considere las pérdidas de potencia y el calor resultante dentro del recinto.
Respuesta transitoria: Compruebe cómo responde la fuente de alimentación cuando cambian las cargas conectadas.
Características de protección: Evaluar los requisitos de protección contra sobrecorriente, sobretensión, subtensión y sobrecalentamiento.
Requisitos de aislamiento: Determine si la arquitectura del circuito y las normas de diseño aplicables requieren aislamiento galvánico.
La elección correcta depende de las cargas que se alimentan y de la configuración del circuito auxiliar. No se debe seleccionar un convertidor únicamente porque sus tensiones nominales de entrada y salida parezcan coincidir.
Los circuitos de control necesitan componentes de conmutación compatibles.
Los circuitos de control de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) pueden utilizar relés, contactores o dispositivos semiconductores, según la función que se realice.
Un relé utilizado para funciones de control o interfaz de baja potencia tiene requisitos diferentes a los de un contactor de CC que conmuta un circuito de batería de alta corriente. Considerarlos intercambiables puede llevar a una selección incorrecta.
En el caso de un relé, los ingenieros pueden necesitar comprobar la tensión de la bobina, la potencia de la bobina, la configuración de los contactos, las especificaciones de los contactos para la carga real, la resistencia eléctrica y las características de aislamiento requeridas.
La carga conectada al relé es de suma importancia. Conmutar una carga resistiva no es necesariamente equivalente a conmutar una carga capacitiva, inductiva o electrónica. Es necesario revisar las características y condiciones de funcionamiento aplicables, en lugar de basarse en un único valor de corriente.
Cuando un circuito de control controla un contactor principal de CC, el diseño también debe tener en cuenta los requisitos de la bobina del contactor, la tolerancia de la fuente de alimentación de control y cualquier contacto de retroalimentación auxiliar utilizado para confirmar su estado.
El circuito de control y el circuito de potencia conmutada tienen funciones diferentes. Sus componentes deben seleccionarse de acuerdo con sus respectivas funciones eléctricas.
Las señales de monitoreo dependen de algo más que el sensor.
El rendimiento de la monitorización depende de la ruta completa de la señal, no solo del elemento sensor.
Una ruta de medición típica puede incluir un sensor, un circuito de acondicionamiento de señal, una etapa de conversión analógica-digital y una interfaz de comunicación. La configuración específica depende de la arquitectura del sistema de gestión de edificios (BMS) o del sistema de monitorización.
Al evaluar los componentes electrónicos en esta ruta, los ingenieros deben considerar:
El rango de medición y la precisión requerida
Compatibilidad de impedancia de entrada y señal
Susceptibilidad al ruido y requisitos de filtrado
Aislamiento entre secciones del circuito, cuando sea necesario.
Temperatura de funcionamiento y estabilidad a largo plazo
Requisitos de conectores y cableado
El entorno eléctrico dentro de una carcasa de batería puede ser complejo. Los procesos de conmutación, la conversión de energía y los largos tendidos de cables pueden generar ruido eléctrico que afecte a las señales de medición o a la comunicación.
Por lo tanto, la conexión a tierra, el blindaje, el enrutamiento y el diseño de la interfaz deben tenerse en cuenta junto con las especificaciones de los componentes.
Un sensor con especificaciones nominales adecuadas aún puede requerir prácticas de instalación y acondicionamiento de señal apropiadas para proporcionar mediciones fiables en el sistema final.
Las interfaces de comunicación deben coincidir con la arquitectura del sistema.
La comunicación entre el BMS, el PCS y el controlador de supervisión permite que las diferentes partes de un BESS intercambien información operativa.
La interfaz física, las características eléctricas y el protocolo de comunicación deben ser compatibles con el equipo conectado.
Dependiendo del diseño, el circuito puede requerir transceptores, dispositivos de aislamiento, componentes de protección, conectores y fuentes de alimentación auxiliares.
El proceso de selección debe establecer:
¿Qué dispositivos necesitan comunicarse?
¿Qué interfaz física y protocolo se requieren?
Si es necesario el aislamiento galvánico
La longitud prevista del cable y el entorno de instalación.
El nivel de ruido eléctrico y exposición transitoria
Tipo de conector y asignación de pines
Los componentes de comunicación deben evaluarse como parte de la interfaz completa. Por ejemplo, seleccionar un transceptor con el protocolo adecuado no garantiza una comunicación fiable si el cableado, la terminación, la conexión a tierra o el aislamiento no son apropiados.
Estos detalles cobran especial relevancia cuando varios subsistemas están conectados dentro de un recinto compacto o distribuidos en múltiples secciones de equipos.
Los conectores e interconexiones también afectan la fiabilidad.
Los circuitos auxiliares suelen contener numerosas conexiones de baja potencia para señales de control, canales de medición, comunicación y distribución local de energía.
Aunque estas conexiones transportan menos corriente que el bus principal de CC, siguen requiriendo especificaciones eléctricas y mecánicas adecuadas.
Entre los factores importantes se incluyen la tensión y la corriente nominales, la resistencia de contacto, el calibre del cable, los requisitos del ciclo de acoplamiento, la resistencia a las vibraciones, el rango de temperatura y la protección ambiental.
El entorno de instalación es importante. Un conector utilizado dentro de un compartimento electrónico protegido puede estar expuesto a condiciones diferentes a las de uno instalado cerca de la pared de una carcasa de batería o en un área expuesta a vibraciones, humedad o variaciones de temperatura.
También se deben verificar las asignaciones de pines y la disposición del cableado con la documentación del sistema. Las conexiones incorrectas pueden afectar la precisión de las mediciones, la comunicación o el comportamiento del control.
En los conjuntos que requieren mantenimiento regular, la accesibilidad de los conectores y la capacidad de identificar correctamente las conexiones también pueden influir en la eficiencia del mantenimiento.
Condiciones térmicas y espacio de instalación
Los componentes electrónicos auxiliares suelen instalarse cerca de otros equipos, como dispositivos de conversión de energía, contactores, terminales de cableado y hardware de monitorización de baterías.
El entorno térmico resultante puede diferir de las condiciones utilizadas para especificar un componente individual.
Los convertidores CC-CC, los relés, los reguladores de potencia y otros dispositivos electrónicos generan calor durante su funcionamiento. Su temperatura depende de la carga eléctrica, las pérdidas por conversión, el flujo de aire, el diseño de la carcasa y las fuentes de calor cercanas.
Antes de finalizar el diseño, los ingenieros deben revisar el rango de temperatura de funcionamiento del componente y cualquier requisito de reducción de potencia que se indique en su documentación.
El espacio de embalaje e instalación también es importante. Un componente puede cumplir con los requisitos eléctricos, pero resultar difícil de integrar si sus dimensiones, la disposición de montaje, el acceso a los conectores o las necesidades de disipación de calor entran en conflicto con el diseño de la carcasa.
Evaluar estas limitaciones con antelación puede reducir la necesidad de realizar cambios durante la integración del sistema.
Protección y estabilidad del suministro en circuitos auxiliares
Los componentes electrónicos auxiliares requieren una protección adecuada a sus propias condiciones de funcionamiento.
El fusible principal de la batería no es suficiente para proteger automáticamente todas las ramas del suministro auxiliar. Cada rama puede requerir su propia protección contra sobrecorriente, según el diseño del circuito, la capacidad de los conductores y los requisitos de seguridad aplicables.
La protección debe coordinarse con las condiciones de fallo previstas y la capacidad de resistencia de los componentes y el cableado.
La estabilidad del suministro es otro factor a considerar. Cuando una fuente de alimentación de control sufre una caída de tensión o una interrupción, los dispositivos afectados pueden reiniciarse, perder la comunicación o cambiar de estado según su diseño.
Los ingenieros deben determinar qué funciones deben permanecer disponibles durante una interrupción transitoria o breve del suministro eléctrico y establecer si se requieren medidas como el almacenamiento local de energía, el filtrado de entrada o una arquitectura de suministro diferente.
Estas medidas deben basarse en los requisitos funcionales del sistema, en lugar de añadirse sin un propósito definido.
Una lista de verificación práctica para la selección de componentes
Antes de finalizar los circuitos auxiliares, los ingenieros pueden revisar el diseño utilizando la siguiente lista de verificación:
Identifique la función de cada circuito auxiliar y el equipo al que alimenta.
Confirme los requisitos de voltaje de entrada, voltaje de salida y corriente.
Compruebe las cargas de arranque, la respuesta transitoria y la estabilidad del suministro.
Verifique la compatibilidad del relé, el contactor y el controlador con sus cargas reales.
Defina el rango de monitorización, la precisión y los requisitos de acondicionamiento de la señal.
Confirme los protocolos de comunicación, las interfaces eléctricas y las necesidades de aislamiento.
Revise las especificaciones del conector, el cableado, la asignación de pines y las condiciones de instalación.
Evaluar la temperatura, la disipación de calor, la vibración y el espacio disponible.
Verifique la protección de las sucursales y su coordinación con el sistema general.
Confirme que los componentes seleccionados cumplen con los requisitos eléctricos y ambientales aplicables.
El objetivo no es especificar cada componente de forma independiente, sino garantizar que los circuitos de alimentación, control, monitorización y comunicación funcionen conjuntamente dentro de las condiciones de funcionamiento previstas.
Más allá de la ruta principal de alimentación de CC
El rendimiento de un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS, por sus siglas en inglés) depende de la interacción entre los equipos eléctricos de alta potencia y la electrónica de soporte que los monitoriza y controla.
Los paquetes de baterías, las cajas de alto voltaje, las cajas de combinación y las interfaces PCS tienen cada uno sus propios requisitos de alimentación, mientras que los circuitos auxiliares admiten funciones como la medición, la comunicación y el control de conmutación.
Esto genera una tarea de selección de componentes más amplia que la simple elección de los principales dispositivos de conmutación y protección de CC.
Para los desarrolladores de sistemas, definir los requisitos eléctricos de cada circuito con antelación ayuda a aclarar qué especificaciones de los componentes son importantes, dónde se debe comprobar la compatibilidad y qué detalles deben confirmarse durante la revisión del diseño.
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