Diseño del bus de CC de BESS: Gestión del flujo de energía entre sistemas de baterías y PCS

En un sistema de almacenamiento de energía en baterías, la energía no se transfiere simplemente desde el paquete de baterías directamente al PCS.

Un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) de mayor tamaño puede contener múltiples ramas o bastidores de baterías que operan dentro de una arquitectura eléctrica común. Estas ramas deben conectarse de manera que la energía de carga y descarga fluya entre el sistema de baterías y el controlador de potencia (PCS), manteniendo una distribución de corriente controlada y límites eléctricos claros.

Aquí es donde el bus de CC cobra importancia.

El bus de CC proporciona una ruta eléctrica común para agrupar la energía de múltiples ramas de la batería y transferirla hacia el PCS. Durante la carga, la misma ruta transporta energía en la dirección opuesta, desde el PCS hacia el sistema de baterías.

A medida que aumentan los niveles de potencia del BESS, el bus de CC deja de ser simplemente una conexión entre dos equipos. Su configuración eléctrica puede afectar la distribución de corriente, la caída de tensión, el comportamiento ante fallos, el aislamiento y la forma en que las diferentes ramas de la batería interactúan con el PCS.

Dónde encaja el bus de CC en un BESS

Una ruta de alimentación simplificada del BESS se puede representar como:

Sistemas de baterías → Conexiones de CC → Bus de CC → PCS → Sistema de CA

En el lado de la carga, la dirección se invierte:

Sistema de CA → PCS → Bus de CC → Sistemas de baterías

La arquitectura real varía según la capacidad del sistema, la configuración de la batería, la topología del PCS y el enfoque de integración.

Un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) puede utilizar un bus de CC centralizado, varias secciones de bus, ramas de batería independientes o una configuración más modular. El objetivo es el mismo: proporcionar una interfaz eléctrica controlada entre la batería y el sistema de control de potencia (PCS).

Por lo tanto, el bus de CC se sitúa entre las rutas de alimentación individuales de la batería y la etapa de conversión común.

Esta posición le confiere varias funciones:

• Agregación de corriente de múltiples ramas de la batería
• Distribución de la corriente de carga a las ramas individuales de la batería.
• Proporcionar puntos de conexión definidos para sistemas de baterías.
• Establecer zonas de aislamiento eléctrico
• Apoyo a la protección a nivel de sistema
• Conectar la ruta de alimentación del lado de la batería con el PCS

El diseño cobra mayor importancia a medida que aumenta el número de ramas de batería en paralelo.

Por qué las múltiples ramificaciones de la batería modifican el diseño.

Una única rama de la batería tiene una ruta de alimentación relativamente sencilla.

Cuando se conectan varias ramas en paralelo, el bus de CC debe manejar la corriente combinada y proporcionar una ruta eléctrica adecuada para cada rama.

Por ejemplo, si cuatro ramas de la batería suministran cada una 250 A bajo una condición de funcionamiento determinada, la sección común del bus de CC podría necesitar transportar aproximadamente 1000 A.

La corriente real dependerá del estado operativo del sistema de baterías, la estrategia de control, la impedancia de la rama y otras condiciones del sistema. Sin embargo, el ejemplo ilustra un punto importante:

La capacidad actual de una sección común de bus no se puede determinar simplemente a partir de la capacidad de una sola rama de la batería.

Las distintas secciones del autobús también pueden transportar corrientes diferentes.

Una conexión de derivación puede transportar únicamente la corriente asociada a un sistema de baterías, mientras que la sección del bus principal más cercana al PCS puede transportar la corriente combinada de varias derivaciones.

Esto genera diferentes requisitos eléctricos en diferentes puntos dentro del mismo bus de CC.

Distribución de corriente a través del bus de CC

La distribución de corriente es una de las consideraciones centrales en el diseño del bus de CC de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS).

Idealmente, las ramas de baterías conectadas en paralelo deberían compartir la corriente de forma controlada y predecible.

En la práctica, el intercambio actual puede verse afectado por:

• Resistencia del cable o de la barra colectora
• Resistencia de conexión
• Longitud de la rama
• Resistencia de contacto
• Diferencias de voltaje de la batería
• Temperatura de funcionamiento
• diferencias SOC
• impedancia eléctrica
• Comportamiento de control

Si una rama tiene una impedancia eléctrica menor que otra, puede transportar una mayor porción de la corriente.

Esto puede generar una carga térmica desigual y provocar que algunas ramas operen más cerca de sus límites, mientras que otras soportan una carga menor.

Por lo tanto, el diseño del bus de CC debe tener en cuenta más que la corriente total.

La disposición física de las conexiones de las derivaciones, la longitud de los conductores y los puntos de conexión también pueden influir en cómo se distribuye la corriente.

Segmentación de autobuses y puntos de conexión

A medida que los sistemas BESS se hacen más grandes, un único bus de CC ininterrumpido no siempre es la configuración más práctica.

La segmentación de buses puede proporcionar secciones eléctricas claramente definidas dentro del sistema.

Dependiendo de la arquitectura, un bus segmentado puede permitir a los ingenieros separar:

• Grupos de la rama de baterías
• Secciones de conexión PCS
• Áreas de mantenimiento
• Zonas de protección
• Puntos de aislamiento

Esto puede facilitar la gestión de la arquitectura eléctrica cuando el sistema contiene múltiples ramificaciones de batería.

Por ejemplo, si es necesario aislar una rama específica de la batería para realizar tareas de mantenimiento, el diseño eléctrico debe permitir desconectar dicha rama sin interrumpir innecesariamente otras partes del sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS).

La disposición exacta depende de la arquitectura del sistema y de los requisitos operativos, pero es importante definir claramente los puntos de conexión y aislamiento al diseñar una ruta de alimentación de CC escalable.

Gestión de la caída de tensión en el bus de CC

La caída de tensión se vuelve cada vez más importante a medida que aumentan la corriente y la longitud del conductor.

Una relación simplificada es:

Vcaída = I × R

donde I es la corriente que fluye a través del conductor y R es su resistencia eléctrica.

En un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS), la resistencia está influenciada por el material del conductor, el área de la sección transversal, la longitud, los puntos de conexión y la temperatura.

Por lo tanto, un bus de CC de alta corriente debe mantener un equilibrio adecuado entre el rendimiento eléctrico, las dimensiones físicas, el comportamiento térmico y los requisitos de instalación.

La caída de tensión no solo afecta al bus principal.

Las conexiones entre las ramas individuales de la batería y el bus común también pueden contribuir a la diferencia de voltaje total que percibe el PCS.

Por lo tanto, en un sistema con múltiples ramas paralelas, el diseño debe considerar la trayectoria de CC completa en lugar de evaluar el bus principal de forma aislada.

La interfaz del bus de CC y del PCS

La conexión entre el bus de CC y el PCS es uno de los puntos más importantes en la ruta de alimentación del BESS.

El PCS debe operar dentro de un rango definido de voltaje y corriente continua. Al mismo tiempo, el voltaje del sistema de baterías cambia durante la carga y la descarga.

Esto significa que el bus de CC y sus conexiones eléctricas asociadas deben adaptarse al rango de funcionamiento real del sistema de baterías, en lugar de depender únicamente de un valor de voltaje nominal.

La interfaz PCS también debe admitir el flujo de energía bidireccional.

Durante el alta:

Batería → Bus CC → PCS → Salida CA

Durante la carga:

Entrada de CA → PCS → Bus de CC → Batería

Por lo tanto, el autobús debe soportar corriente en ambas direcciones bajo las condiciones de funcionamiento pertinentes.

Esto es diferente a diseñar una ruta de alimentación de CC unidireccional simple.

Zonas de protección alrededor del autobús de DC

El bus de CC también influye en cómo se organiza la protección dentro de un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS).

La protección debe coordinarse con la estructura física y eléctrica del sistema.

Una derivación de la batería puede requerir protección cerca de su punto de conexión, mientras que el bus común y la interfaz PCS pueden tener requisitos de protección diferentes.

Esto crea múltiples zonas de protección en lugar de tratar todo el lado de CC como una sola sección eléctrica.

El diseño podría tener que tener en cuenta lo siguiente:

• Contribución de la corriente de falla de las ramas individuales de la batería
• Corriente de falla en el bus de CC común
• Ubicación de los dispositivos de protección
• Aislamiento entre ramas
• Coordinación de la protección
• Requisitos de interrupción de CC
• Tiempo de eliminación de fallas

El objetivo no es simplemente añadir dispositivos de protección al sistema.

La protección debe corresponderse con las trayectorias de corriente reales y los límites de falla creados por la arquitectura de CC.

Esto cobra especial importancia cuando varias ramas de la batería están conectadas al mismo bus.

Conmutación y aislamiento en el lado de CC

Un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) escalable necesita formas controladas de conectar y desconectar las rutas de alimentación de la batería.

Los dispositivos de conmutación pueden utilizarse en puntos definidos para facilitar el funcionamiento normal, el mantenimiento y el aislamiento de fallos.

Por ejemplo, puede ser necesario que una rama de la batería permanezca aislada eléctricamente mientras otra rama continúa funcionando.

Los requisitos de conmutación dependen de la ubicación del dispositivo y de su modo de funcionamiento.

Un dispositivo utilizado para la conexión controlada de una derivación de batería puede experimentar condiciones diferentes a las de uno utilizado en una ruta de alimentación de CC principal.

Por este motivo, los componentes de conmutación deben considerarse como parte de la arquitectura general del bus de CC, en lugar de como selecciones de hardware independientes.

La tensión, la corriente, las características de carga y la frecuencia de conmutación deben coincidir con la aplicación real.

Consideraciones térmicas para secciones de barras colectoras de alta corriente

Las pérdidas eléctricas en un bus de CC generan calor.

A medida que aumenta la corriente, las pérdidas resistivas se vuelven cada vez más importantes:

P = I²R

Esto significa que un aumento relativamente pequeño de la corriente puede provocar un aumento mayor de la pérdida resistiva cuando la resistencia permanece constante.

Por lo tanto, para aplicaciones de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) de alta potencia, el diseño térmico debe abarcar no solo el conductor principal del bus, sino también los puntos de conexión y las interfaces.

Entre las áreas que merecen atención se incluyen:

• Sección transversal de la barra colectora o conductora
• Resistencia de conexión
• Temperatura terminal
• Flujo de aire del recinto
• Temperatura ambiente
• Corriente de funcionamiento continua
• Corriente máxima
• Aumento de temperatura en las articulaciones

Los puntos de conexión pueden ser especialmente importantes porque un pequeño aumento en la resistencia de contacto puede producir un calentamiento localizado adicional bajo una corriente alta.

Por lo tanto, el bus de CC debe evaluarse como una trayectoria de corriente completa y no simplemente como un trozo de material conductor.

Diseño para la expansión modular de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS)

La modularidad es cada vez más importante en el diseño de sistemas BESS.

Una arquitectura modular permite integrar capacidad adicional de batería o capacidad de conversión de energía sin necesidad de rediseñar todo el sistema.

El bus de CC debe tener en cuenta esta posibilidad desde el principio.

Un diseño escalable puede definir:

• Puntos de conexión reservados
• Capacidad de autobuses para sucursales adicionales
• límites de aislamiento
• Zonas de protección
• Capacidad de interfaz PCS
• Espacio físico para futuras conexiones

Esto no significa que todos los sistemas deban diseñarse para una futura expansión.

Sin embargo, cuando la expansión forma parte de los requisitos del proyecto, el bus de CC debe considerarse desde el principio, en lugar de añadirse una vez que la arquitectura eléctrica principal ya esté definida.

Qué deben comprobar los ingenieros al diseñar un bus de CC para sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS)

Las cuestiones clave de diseño pueden agruparse en varias áreas.

Estos factores deben evaluarse en conjunto.

Por ejemplo, aumentar el número de ramificaciones de la batería afecta no solo a la corriente total, sino también a la estructura del bus, las zonas de protección, la carga térmica y el número de puntos de conexión y aislamiento.

Una visión a nivel de sistema del flujo de potencia de CC del BESS

En ocasiones, el bus de CC se trata como una simple conexión entre las baterías y el PCS.

A niveles de potencia del sistema más elevados, ese enfoque ya no es suficiente.

El bus determina cómo se unen las distintas ramas de la batería, cómo se distribuye la corriente, dónde se pueden aislar las secciones eléctricas y cómo se interconecta el lado de la batería con el PCS.

Por lo tanto, un bus de CC bien diseñado debe cumplir cuatro requisitos básicos:

Flujo de potencia controlado
La energía debe fluir de manera eficiente entre las ramas de la batería y el PCS tanto en condiciones de carga como de descarga.

Distribución de corriente predecible
Las ramas en paralelo deben operar dentro de sus límites eléctricos y térmicos previstos.

Protección y aislamiento definidos
Las averías y las actividades de mantenimiento deben poder gestionarse dentro de secciones eléctricas claramente definidas.

Arquitectura de sistema escalable
La estructura del bus debe coincidir con la configuración actual del sistema y, cuando sea necesario, permitir una expansión práctica.

Para los diseñadores de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS, por sus siglas en inglés), estas consideraciones se vuelven cada vez más importantes a medida que los sistemas de baterías utilizan más ramificaciones en paralelo y niveles de potencia más altos.

El bus de CC no es simplemente la vía conductora entre dos componentes principales. Forma parte de la arquitectura del sistema que conecta la alimentación de la batería, la protección, la conmutación y la conversión de energía en una única vía eléctrica controlada.