Consideraciones de diseño para bastidores de baterías de alto voltaje en sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) modernos.

Los bastidores para baterías son uno de los componentes fundamentales de los sistemas modernos de almacenamiento de energía en baterías.

Si bien las celdas de la batería determinan la capacidad energética de un sistema, el bastidor de la batería determina cómo se organizan, supervisan, protegen y conectan esas celdas al resto de la arquitectura eléctrica.

A medida que las plataformas BESS siguen aumentando en voltaje y capacidad, el diseño de los bastidores de baterías se ha vuelto más complejo.

Los ingenieros deben tener en cuenta no solo la integración de la batería, sino también la protección eléctrica, el rendimiento térmico, la estructura mecánica y la coordinación con equipos posteriores, como cajas de alta tensión y sistemas PCS.

El papel de los bastidores de baterías en la arquitectura de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS, por sus siglas en inglés)

Un sistema típico de almacenamiento de energía en baterías (BESS) de alto voltaje consta de múltiples capas:

Celda de batería

↓

Módulo de batería

↓

Soporte para baterías

↓

Caja de alto voltaje

↓

PCS

El soporte de baterías actúa como un punto de conexión importante entre los módulos de baterías y el sistema de alimentación de nivel superior.

Dependiendo del diseño del sistema, un soporte para baterías puede incluir:

• Módulos de batería
• Componentes del sistema de gestión de la batería
• conexiones de bus de CC
• contactores de CC
• fusibles de CC
• Dispositivos de monitorización
• Componentes de gestión térmica

El soporte no es simplemente una estructura mecánica para sujetar las baterías.

Se trata de una unidad eléctrica integrada responsable de suministrar energía de forma segura y fiable.

Una mayor capacidad de la batería plantea nuevos desafíos a nivel de rack.

El desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía de mayor tamaño ha aumentado los requisitos que se imponen a los bastidores de baterías.

Mayor capacidad significa:

• Más energía almacenada
• Corrientes de funcionamiento más elevadas
• Mayor carga térmica
• Requisitos de protección más exigentes

Cuando varios módulos de batería funcionan conjuntamente, pequeñas diferencias entre ellos pueden afectar al rendimiento del sistema.

Por lo tanto, el diseño del soporte de la batería debe tener en cuenta lo siguiente:

• Compartición actual entre módulos
• Fiabilidad de la conexión
• consistencia del voltaje
• Distribución de la temperatura
• Aislamiento de fallos

Un diseño de bastidor fiable ayuda a garantizar que los módulos de batería individuales funcionen como parte de un sistema estable, en lugar de como unidades independientes.

Diseño de conexiones eléctricas en bastidores de baterías de alta tensión

La conexión eléctrica es uno de los aspectos más importantes del diseño del soporte para baterías.

Los circuitos de alta corriente requieren una cuidadosa consideración de:

• Diseño de barras colectoras
• Selección de cables
• Conexión de terminal
• Resistencia de contacto
• Estabilidad mecánica

Incluso pequeños incrementos en la resistencia de conexión pueden generar calor adicional durante el funcionamiento continuo.

Con el tiempo, un diseño de conexión deficiente puede afectar la eficiencia, el rendimiento a diferentes temperaturas y la fiabilidad del sistema.

Para aplicaciones de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) de alto voltaje, las conexiones eléctricas deben mantener un rendimiento estable en condiciones de funcionamiento a largo plazo.

Sistemas de protección de CC dentro de los bastidores de baterías

La protección es una parte fundamental del diseño del soporte para baterías.

Un bastidor de baterías contiene una cantidad significativa de energía almacenada, lo que significa que las condiciones anormales deben gestionarse de forma rápida y eficaz.

Las consideraciones típicas en materia de protección incluyen:

• Protección contra sobrecorriente
• Protección contra cortocircuitos
• Aislamiento eléctrico
• Detección de fallos
• Capacidad de apagado de emergencia

Los fusibles de CC se utilizan habitualmente para proporcionar una protección rápida contra corrientes de falla excesivas.

Los contactores de CC se utilizan para controlar la conexión y el aislamiento entre el bastidor de baterías y el circuito de CC externo.

Estos componentes trabajan conjuntamente con el BMS y otros dispositivos de protección para crear una estrategia de protección coordinada.

Coordinación entre el bastidor de baterías y la caja de alta tensión

Los soportes para baterías no funcionan de forma independiente.

Normalmente se conectan a una caja de alta tensión, que gestiona la agregación y distribución de las salidas de múltiples bastidores de baterías.

La coordinación entre el bastidor de baterías y la caja de alta tensión afecta a:

• Distribución actual
• Coordinación de la protección
• Estrategia de aislamiento
• Monitoreo del sistema

Una interfaz diseñada correctamente ayuda a garantizar que las fallas se puedan identificar y aislar sin afectar innecesariamente a todo el sistema de almacenamiento de energía.

Esto es especialmente importante para las instalaciones de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) a gran escala, donde varios bastidores operan simultáneamente.

Consideraciones sobre la gestión térmica

El rendimiento de la batería está estrechamente relacionado con la temperatura.

Dentro de un bastidor de baterías, el calor puede generarse a partir de:

• celdas de batería
• Barras conductoras
• Puntos de conexión
• Componentes de protección
• Pérdidas de potencia durante la carga y descarga

Una distribución desigual de la temperatura puede afectar al rendimiento y la fiabilidad a largo plazo de la batería.

Por lo tanto, el diseño del rack debe tener en cuenta:

• Circuitos de refrigeración por aire o líquido
• Ubicación de los componentes
• Disipación de calor
• Control de temperatura
• Entorno operativo

La gestión térmica no se limita únicamente a la refrigeración de las celdas de la batería.

Los componentes eléctricos dentro del rack también deben funcionar dentro de rangos de temperatura adecuados.

Integración del sistema de gestión de baterías

El BMS desempeña un papel importante en la monitorización y el control del funcionamiento del bastidor de baterías.

Las funciones de monitorización típicas incluyen:

• Medición del voltaje de la celda
• Control de temperatura
• Medición actual
• Estimación de estado
• Detección de fallos

El sistema de gestión de baterías (BMS) también interactúa con componentes eléctricos como los contactores de corriente continua.

Por ejemplo, cuando se detectan condiciones anormales, el BMS puede ordenar al contactor que desconecte el soporte de la batería del circuito externo.

Esto requiere una comunicación fiable entre los sistemas de monitorización y los componentes eléctricos.

Consideraciones de seguridad y mantenimiento

A medida que los sistemas de almacenamiento de energía se hacen más grandes, los requisitos de mantenimiento adquieren mayor importancia.

Un soporte para baterías bien diseñado debe tener en cuenta lo siguiente:

• Separación eléctrica clara
• Puntos de inspección accesibles
• Conexiones fiables
• Procedimientos de aislamiento seguros
• Requisitos de reemplazo de componentes

El mantenimiento no solo consiste en sustituir los componentes dañados.

También implica garantizar que los técnicos puedan inspeccionar, probar y dar mantenimiento al sistema de forma segura durante su vida útil.

Diseño de bastidores para baterías en sistemas de almacenamiento de energía de alto voltaje.

Las arquitecturas de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) de mayor voltaje ofrecen ventajas como una menor corriente para el mismo nivel de potencia y una mayor eficiencia del sistema.

Sin embargo, un voltaje más alto también introduce requisitos adicionales para:

• Coordinación del aislamiento
• Diseño de protección
• Capacidad de conmutación
• Selección de componentes

Los componentes del bastidor de baterías deben seleccionarse de acuerdo con la tensión real del sistema y las condiciones de funcionamiento.

Un componente adecuado para una arquitectura de rack puede no ser necesariamente adecuado para otro sistema con diferentes niveles de voltaje, requisitos de corriente o condiciones ambientales.

La importancia del diseño a nivel de sistema

Un soporte para baterías no debe diseñarse como un componente aislado.

Su rendimiento depende de lo bien que funcione en conjunto con:

• Módulos de batería
• BMS
• contactores de CC
• fusibles de CC
• Cajas de alta tensión
• Equipos PCS

Un enfoque de sistema integral ayuda a los ingenieros a equilibrar la capacidad energética, la protección, la fiabilidad y los requisitos de servicio.

Esto es especialmente importante a medida que los proyectos de sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) avanzan hacia capacidades mayores y arquitecturas eléctricas más complejas.

Construyendo sistemas BESS de alto voltaje más confiables

El diseño del soporte de las baterías desempeña un papel importante a la hora de determinar la fiabilidad de los sistemas modernos de almacenamiento de energía.

A medida que las plataformas BESS sigan expandiéndose, la integración eléctrica a nivel de rack, la coordinación de la protección, la gestión térmica y las consideraciones de mantenimiento adquirirán cada vez mayor importancia.

Un soporte para baterías bien diseñado proporciona algo más que una simple conexión entre los módulos de batería y el sistema de alimentación.

Crea una base fiable para un funcionamiento seguro del almacenamiento de energía durante todo el ciclo de vida del sistema.