PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIER´
IA
DEPARTAMENTO DE INGENIER´
IA EL´
ECTRICA Y ELECTR ´
ONICA
Para obtener el t´ıtulo de
INGENIERO EL´
ECTRICO
por
Alvaro Jos´
e Gonz´
alez ´
Angel
DISE ˜
NO E IMPLEMENTACI ´
ON DE UN SISTEMA DE MONITOREO
PARA UN BANCO DE BATER´
IAS
Sustentado el 2 de DICIEMBRE de 2014 frente al jurado:
Composici´
on del jurado
- Asesor: Gustavo A. Ramos PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
- Jurados : Miguel Eduardo Hern´andez Figueredo MSc, Estudiante de doctorado, Universidad de Los Andes
AJGA
”Nunca vayas por el camino trazado, porque conduce hacia donde otros han ido ya.”
BELL, Alexander Graham
Agradecimientos
El desarrollo de este proyecto se llev´o a cabo gracias al acompa˜namiento e idea que recib´ı de mi asesor Gustavo Ramos PH.D., de mis compa˜neros de investigaci´on Miguel Hernadez M.Sc y David Celeita M.Sc de los cuales aprend´ı mucho, a Alejandro Monroy, asistente de laboratorio por la fabricaci´on y montaje del circuito impreso y de mis comapa˜neros del laboratorio 007 Ivon Baez, Manuel Trujillo y Daniel Fern´andez por el ambiente de apoyo que generamos . Agradecimientos especiales al esfuerzo y apoyo de mis padres Alvaro H. Gonz´alez y Elizabeth ´Angel y mi hermano Andres Felipe Gonz´alez; a la formaci´on que recib´ı de mis profesores y el ejemplo de vida que recib´ı del padre Francis Wehri O.S.B.
´
Indice general
1. Introducci´on 1
1.1. Descripci´on de la problem´atica y justificaci´on del trabajo . . . 1
1.2. Alcance y productos finales . . . 1
1.3. Objetivos . . . 2
1.3.1. Objetivo General . . . 2
1.3.2. Objetivos Espec´ıficos . . . 2
2. Marco te´orico, conceptual e hist´orico 3 2.1. Marco Te´orico . . . 3
2.2. Marco Conceptual . . . 3
2.2.1. SOH . . . 3
2.2.2. SOC . . . 4
2.2.3. Integraci´on de Corriente . . . 4
2.2.4. Medici´on de Voltaje por celda . . . 4
2.2.5. Impedance TrackT M . . . . 4
2.3. Marco Hist´orico . . . 5
2.3.1. Bater´ıas ´Acido Plomo . . . 5
2.3.2. Las baterias en las UPS . . . 5
2.3.3. bq34z110 . . . 5
3. Definici´on y especificaci´on del trabajo 6 3.1. Definici´on . . . 6
3.2. Dise˜no caja negra . . . 6
4. Metodolog´ıa del trabajo 7 4.1. Plan de trabajo . . . 8
4.2. B´usqueda de informaci´on . . . 8
5. Trabajo realizado 9 5.1. Descripci´on del Resultado Final . . . 11
5.1.1. Ciclos de carga y descarga . . . 11
5.1.2. Interfaz Grafica . . . 13
5.2. Trabajo computacional . . . 14
6. Validaci´on del trabajo 17 6.1. Metodolog´ıa de prueba . . . 17
6.2. Evaluaci´on del plan de trabajo . . . 17
7. Discusi´on 19
´INDICE GENERAL iii
8. Conclusiones y trabajos futuros 20
8.1. Conclusiones . . . 20 8.1.1. Trabajo Futuro . . . 20
Bibliograf´ıa 20
´
Indice de figuras
3.1. Caja negra del sistema completo . . . 6
4.1. Montaje del uso del modulo de evaluaci´on con un paquete de 48V . . . 7
5.1. Caja Blanca . . . 9
5.2. FCC se deriva de QM AX y RBAT [1] . . . 10
5.3. Obtencion del QM AX [1] . . . 11
5.4. Ciclo de aprendizaje . . . 12
5.5. Bater´ıa en reposo . . . 13
5.6. Ciclo de descarga . . . 14
5.7. Ciclo de carga . . . 15
5.8. Interfaz con usuario . . . 15
5.9. Interfaz con usuario . . . 16
6.1. Ventana del bqESW para calibrar bq34z110 . . . 18
´
Indice de cuadros
2.1. Determinaci´on SOC a partir del OCV a 25◦ [1] . . . 4
3.1. Especificaciones y restricciones . . . 6
4.1. Plan de trabajo . . . 8
5.1. Configuraci´on de flash interna . . . 12
Cap´ıtulo 1
Introducci´
on
1.1.
Descripci´
on de la problem´
atica y justificaci´
on del trabajo
En 1859 se inici´o el uso de las bater´ıas ´acido-plomo (PbA)las que siguen siendo las m´as utilizadas porque son econ´omicas, resistentes a ambientes y temperaturas extremas y adem´as son reciclables. Su aplicaci´on es amplia, desde sistemas de ignici´on hasta sistemas continuos de potencia UPS. Esta qu´ımica permite descargas profundas sin afectar su optimo rendimiento. En aplicaciones cr´ıticas como servidores o estaciones de comunicaci´on remota es necesario conocer el rendimiento y el estado de las bater´ıas para evitar la perdida de informaci´on o la incomunicaci´on de una zona. [1]
Los par´ametros que son necesarios monitorear son conocidos como SOH y SOC, estado de salud y estado de carga respectivamente. Para tener c´alculos exactos de estos estados es necesario conocer el voltaje, la carga y la temperatura de las bater´ıas y de esta manera se puede conocer cuando se esta da˜nando y poder realizar un reemplazo oportuno permitiendo que el banco de bater´ıas tenga una mayor vida ´util. Un banco de bater´ıas esta compuesto por un grupo de bater´ıas conectados en serie y paralelo permitiendo tener la potencia adecuada para la aplicaci´on deseada. [2]
En este trabajo se presentar´a el dise˜no y la implementaci´on de un sistema de monitoreo para un banco de bater´ıas en serie, basado en el circuito integrado de Texas Instruments bq34z110. El bq34z110, es una soluci´on para monitorear las bater´ıas de ´acido-plomo mediante el algoritmo ImpedanceT rackT M.
Este algoritmo es la complementaci´on de dos t´ecnicas de monitoreo, medici´on de voltaje en la celdas y conteo de coulomb.Con este integrado se puede tener una soluci´on para un banco hasta 64V y capa-cidad de 65Ah. [3]
Con este dise˜no se espera tener una soluci´on econ´omica y competitiva en el mercado con un 95 % de precisi´on. Con este monitoreo constante de voltaje, temperatura, impedancia y el envejecimiento de las celdas se puede aumentar la vida ´util del banco de bater´ıas.
1.2.
Alcance y productos finales
Como alcance de este proyecto se entregar´a el dise˜no y la implementaci´on de un sistema de moni-toreo para 2 bater´ıas compuesto por una tarjeta y una interfaz con el usuario. Esto ir´a acompa˜nado del presente documento que incluir´a un protocolo de validaci´on, un proceso de dise˜no y trabajos futuros.
CAP´ITULO 1. INTRODUCCI ´ON 2
1.3.
Objetivos
1.3.1.
Objetivo General
Entender, dise˜nar e implementar un sistema de monitoreo de bancos de bater´ıas (BMS de sus siglas en ingl´es)para aplicaciones industriales en sistemas cr´ıticos considerando aspectos normativos, operativos y de costos.
El objetivo del proyecto inicial se revalu´o en que no se realizara un sistema de gesti´on sino de monitoreo de bater´ıas ya que los sistemas industriales cumplen con partes de gesti´on como protecciones de carga y descarga, controles de carga etc.
1.3.2.
Objetivos Espec´ıficos
Estudiar y comprender el funcionamiento de BMS
Dise˜nar un sistema de monitoreo de bater´ıas capaz de medir el SOH y SOC.
implementaci´on del prototipo para un banco de 2 bater´ıas.
Cap´ıtulo 2
Marco te´
orico, conceptual e
hist´
orico
2.1.
Marco Te´
orico
Las bater´ıas han sido un invento que ha revolucionado la forma de pensar en la energ´ıa, ha permitido la portabilidad de equipos, el almacenamiento y la energizaci´on el´ectrica en zonas remotas con una energ´ıa limpia. Estas producen energ´ıa el´ectrica por el proceso de reducci´on y oxidaci´on de elementos qu´ımicos. Existen principalmente dos tipos de bater´ıas primarias y secundarias: Las primarias que no son recargables y las secundarias que son las bater´ıas recargables inyect´andoles corriente en el sentido contrario en la que se descargan; tienen como caracter´ıstica alta densidad de potencia, alta raz´on de descarga, una curva de descarga casi plana y funcionan a bajas temperaturas. Las bater´ıas de ´acido plomo (A-Pb) son las m´as comunes por sus costos, resistencia y sostenibilidad y son las se encuentran en el mercado desde 1859, cada celda tiene un voltaje nominal de 2.0 V. En aplicaciones como UPS y estaciones remotas de comunicaciones, es critico medir el estado de carga y el estado de salud SOC y SOH respectivamente por sus siglas en ingles. Estos par´ametros hacen parte de las tareas con las que cumple un sistema de gesti´on de bater´ıas como el control de carga y descarga. Estos par´ametros son medidos en el banco de bater´ıas y son enviados a un ”host”que es el encargado de informar a los usuarios del estado de las bater´ıas. El ”host.esta encargado de recibir la informaci´on de las bater´ıas y
generar comandos de control para optimizar el ciclo de vida de las bater´ıas. [2]
La soluci´on con la que se har´a el monitoreo de las bater´ıas est´a desarrollada en el Bq34z110, Un circui-to integrado que utiliza un algoritmo llamado Impedance Track para bater´ıas de Acido-plomo. Sirve para soluciones de bater´ıas entre 4V y 64 V de capacidad hasta de 65 Ah, soporta cargas y descar-gas hasta 32A, su consumo promedio es de 140µA. Soporta los protocolos de comunicaci´onI2Cy HDQ.
Hay otras t´ecnicas que no son tan exactas o tienen limitaciones de operabilidad como es el caso de medir el estado de carga midiendo el voltaje en los bornes, ya que requiere que la bater´ıa se encuentre en reposo, sin carga ni descarga durante 4 horas. Con la medici´obn del voltaje de circuito abierto nos puede dar una aproximaci´on del estado de carga como se ve en la tabla 2.1
2.2.
Marco Conceptual
2.2.1.
SOH
El estado de salud SOH de una bater´ıa monitorea la degradaci´on qu´ımica en porcentaje, indicando la raz´on de la capacidad dise˜nada contra la capacidad actual. Un ejemplo es una bater´ıa dise˜nada con
CAP´ITULO 2. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 4
Cuadro 2.1: Determinaci´on SOC a partir del OCV a 25◦ [1]
SOC SG OCV
100 % 1.265 12.65V 75 % 1.225 12.45V 50 % 1.195 12.24V 25 % 1.155 12.06V 0 % 1.12 11.89V
una capacidad de 100 Ah, y luego de un a˜no de uso su capacidad es de 85 Ah entonces su SOH es del 85 % [3].
2.2.2.
SOC
Otro par´ametro importante para conocer del estado de las bater´ıas es el estado de carga SOC cuyo indicador nos muestra la capacidad restante para una carga completa de la bater´ıa. Este est´a dado por la capacidad utilizable en las condiciones adecuadas de temperatura y descarga. para encontrar el SOC se necesita conocer la capacidad qu´ımica y la impedancia de la bater´ıa. Por ejemplo si se tiene una bater´ıa de 100 Ah y tiene su carga completa su capacidad restante es del 100 % pero cuando se descargue al 70 % tendr´ıa una capacidad de 70 Ah. Cuando una bater´ıa envejece su capacidad qu´ımica (Qmax) tiende a bajar y su impedancia sube por la degradaci´on qu´ımica.
2.2.3.
Integraci´
on de Corriente
Tambi´en conocido como conteo de Coulomb, es el m´etodo de monitorear el estado de salud y carga de una bater´ıa a trav´es de la medici´on de corriente que entrega o sale de la bater´ıa. El resultado de esta suma de corriente en el tiempo es en amperios hora. Este m´etodo puede ser preciso si su uso se da desde el primer ciclo de carga y descarga de una bater´ıa, por lo cual no se puede utilizar en una bater´ıa ya usada, porque se necesita un hist´orico del estado de carga y salud. Con el tiempo se presenta su degradaci´on qu´ımica la cual genera descarga propia de la bater´ıa y la impedancia aumenta.
2.2.4.
Medici´
on de Voltaje por celda
El voltaje de circuito abierto es el m´etodo mas com´un y simple para poder conocer el estado de carga de una bater´ıa. Este voltaje solo puede ser medido de una informaci´on cierta cuando la bater´ıa ha estado en reposo por mas de 4 horas y al estar con carga el voltaje es mas bajo y al desconectarse este tiene un voltaje de rebote de la carga.
2.2.5.
Impedance Track
T MEste m´etodo de monitoreo de bater´ıas fue desarrollado por Texas instruments para el seguimiento de la impedancia de la bater´ıa y poder determinar el SOH y el SOC. Este algoritmo necesita monitoreo constante de voltaje, corriente y temperatura de la bater´ıa. Con estas variables puede generar un valor aproximado de la impedancia de la bater´ıa y calcular el estado de salud. Con diferencia de otros m´etodos no necesita aprender de estados anteriores de las bater´ıas no requiere muchos ciclos de entrenamiento.
CAP´ITULO 2. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 5
2.3.
Marco Hist´
orico
2.3.1.
Bater´ıas ´
Acido Plomo
Una bater´ıa es un elemento qu´ımico que permite almacenar energ´ıa. La existencia de dos elementos qu´ımicos convierten a trav´es de diferentes reacciones de oxidaci´on y reducci´on (redox)la energ´ıa qu´ımica a energ´ıa el´ectrica. Una bater´ıa esta compuesto de varias celdas las cuales son la unidad b´asica, estas est´an compuestas de ´anodo y c´atodo. el ´anodo por reducci´on entrega electrones a la carga mientras el c´atodo por medio de la oxidaci´on acepta los electrones. Esto es cuando la bater´ıa esta en descarga en carga el proceso es el inverso.
Las bater´ıas de ´acido plomo (A-Pb) existen en el mercado desde 1859 manteniendo su reputaci´on por ser econ´omicas, resistentes y reusables. Se utilizan generalmente para generar ignici´on en motores y soportan descargas profundas. Al ser tan resistentes y confiables se utilizan en aplicaciones de alta confiabilidad como en datacenters y estaciones remotas de comunicaci´on. Existen dos tipos de bater´ıas de A-Pb, VRLA reguladas por v´alvula y bater´ıa h´umeda. Esta ultima recibe mantenimiento revisando la qu´ımica interna por celda en cambio la VRLA es conocida como libre de mantenimiento.
El problema de las bater´ıas de ´acido plomo es su tama˜no y peso con respecto a la capacidad que manejan. [2]
2.3.2.
Las baterias en las UPS
Un sistema inininterrumpible de potencia UPS, consta tipicamente de bater´ıas libres de mantenimiento VRLA t´ıpica mente en paquetes de 12V. Estas bater´ıas se mantienen en estado de reposo por largos tiempos y cuando entran en funcionamiento se usan bajo condiciones criticas y de manera espontanea, exigiendo altas corrientes. Este tiempo de uso es de 5 a 15 minutos ya que se espera que la falla el´ectrica sea resuelta de forma r´apida o entre a funcionar un generador. Estas bater´ıas deben ser inspeccionadas por m´ınimo dos veces al ano para verificar conexiones y libres de corrosi´on. Estas bater´ıas por general tienen un ciclo de vida de 4 a 5 anos por lo tanto deben ser cambiadas de dos a 3 veces en el ciclo de vida de una UPS. Estas baterias deben ser devueltas a su fabricante para que haga su respectivo ciclo de reciclaje. La unica forma de saber que la bateria si esta lista para funcionar se le hacen pruebas de descarga, esto reduce la capacidad y su SOH.
Existen varios sistemas de monitoreo para evaluar el funcionamiento con informaci´on en tiempo real y alarmas para cuando la bater´ıa necesite ser reemplazada o atenci´on. Estas herramientas son muy complejas, costosas y necesitan a alguien experto para manejarlas para que sepa cuando hacer los cambios de las bater´ıas. Pero si estos sistemas se manejan bien puede ser ´util para evitar perdidas de energ´ıa y aumentar el ciclo de vida de la bater´ıa. [?]
2.3.3.
bq34z110
Texas Instruments a creado una gama de integrados para generar soluciones en gestion de baterias, uno estas soluciones es el bq34z110. Este circuito integrado es una soluci´on de monitoreo para bater´ıas de A-Pb, con monitoreo constante de voltaje corriente , temperatura y el modelo de la bater´ıa puede predecir el estado de salud por medio del Impedance TrackT M y el estado de carga.
Texas ofrece los circuitos integrados como muestras gratis y un modulo de evaluaci´on por 100 USD. Con este modulo de evaluacion se puede medir un amplio rango de baterias con diferentes caracter´ısticas desde una celda de 2V hasta un paquete de bater´ıas de 64V. Soporta corrientes de 32A y capacidades de 65Ahr. Es ideal para aplicaciones de veh´ıculos el´ectricos peque˜nos herramientas el´ectricas y UPS entre otros. Para el uso especifico del bq34z110 se dise˜na el circuito de protecci´on y de adecuaci´on de voltaje. [4]
Cap´ıtulo 3
Definici´
on y especificaci´
on del
trabajo
3.1.
Definici´
on
Con el crecimiento de los sistemas el´ectricos y la necesidad de tenerlos operando continuamente, para evitar perdidas de informaci´on, es necesario mantenerlos energizados por medio de sistemas interrum-pibles de potencia, UPS. Estas est´an compuestas por un banco de bater´ıas el cual debe ser monitoriada para obtener un pronostico del estado de salud y de carga. Lo que se busca es una soluci´on escalable, econ´omica y confiable para conocer el estado del banco y poder aumentar la vida util. Los sistemas existentes son de precios muy elevados los cuales hacen que se opte por tener un banco de respaldo en ves de un sistema de monitoreo.
3.2.
Dise˜
no caja negra
Figura 3.1: Caja negra del sistema completo
Cuadro 3.1: Especificaciones y restricciones
Especificaciones Restricciones
Baterias VRLA Costos 10 USD En UPS Desarrollo en 8 semanas interfaz con usuario en LabView Tamano maximo 7 cm x 7 cm
Medicion del Banco Alarma visual en sito
Cap´ıtulo 4
Metodolog´ıa del trabajo
Luego de haber realizado la investigaci´on de la soluci´on del problema se prosigui´o a la selecci´on de tecnolog´ıa. Se selecciono el bq34z110 una soluci´on del 95 % de precisi´on ofrecida por Texas Instruments. Esta tecnologia se probo con los elementos de evaluaci´on ofrecidos por TI, el modulo bq34z110EVM y el EV2300. El EV2300 es la interfaz de comunicaci´on entre el pc y la tarjeta de evaluaci´on. para conocer el comportamiento del sistema se uso el software de evaluacion tambien de TI, bqESW. [4] Con el bqESW se desarrollo un protocolo de pruebas con el con el montaje que se ve en la figura 4.1. La tarjeta de evaluaci´on se configuro como se ve en la figura, en J6 el tipo de encendido de LEDS en la tarjeta J5 el uso de una bater´ıa de multiceldas mayor a 5V, J2 para un banco de bater´ıas de 48V. Estos jumpers hay que utilizarlos ya que es una tarjeta que fue dise˜nada para varios niveles de voltajes y diferentes configuraciones. El la tesis de electr´onica se muestra como se dise˜no una tarjeta con una configuraci´on especifica para un banco de 48V y para 24 V.
Se utilizo la carga activa para hacer una descarga controlada del banco de bater´ıas controlando la corriente que consum´ıa. Luego de descargar la bater´ıa se dejo en reposo por un tiempo y con un cargador de bater´ıas se cargo. Todo este proceso de carga y descarga se monitoreo con el modulo de evaluaci´on y se realizo con la primera version del BMS dise˜nado. Con estos resultados se hace una comparacion para verficar su correcto funcionamiento al igual q se comparan con la informacion obtenida de la carga; esta tiene voltaje corriente e impedancia de la carga.
Figura 4.1: Montaje del uso del modulo de evaluaci´on con un paquete de 48V
CAP´ITULO 4. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 8
4.1.
Plan de trabajo
El plan de trabajo que se presenta a continuaci´on es en conjunto para el trabajo de los dos proyectos de grado.
Cuadro 4.1: Plan de trabajo
Tareas Semana Avance Hitos
Entender Problema 1 100 % Presentacion Electronica Problema B´usqueda Material Bibliogr´afico 2 95 % Presentacion Caja Negra Electronica
Selecci´on de tecnolog´ıa 3 100 % Presentacion Caja Blanca Electronica Comprender protocolos 4 75 % Presentacion Electrica Problema Selecci´onµControlador 5 100 % Presentacion Avance Electronica Probar modulo de evaluaci´on 6 85 % Tutorial equipos laboratorio de Potencia
Dise˜nar PCB v1 hacer BOM 7 100 %
Fabricaci´on PCB v1 8 100 % Presentacion 30 % Electrica Redacci´on documento Avance 9 100 %
Programaci´on Xmega32 10 85 % Presentacion 30 % Electronica Pruebas de funci´on con Xmega32 y bq34z110 11 100 %
dise˜no PCB v2 con xmega32 12 0 % Programaci´on interfaz usuario 13 100 % Ensamble y pruebas PCB Nuevas 14 0 % Programaci´on interfaz sistema Embebido 15 89 %
Prueba prototipo final 16 98 %
Finalizar Pruebas/Terminar Documento 17 90 % Entrega documentos a asesores Revison Documento 18 60 % Entrega documentos a jurado Realizaci´on presentaci´on 19 100 % Presentacion de Proyecto de Grado
4.2.
B´
usqueda de informaci´
on
La b´usqueda de informaci´on comenz´o con el libro Handbook of batteries de Linden para conocer mas a fondo el comportamiento de las bater´ıas, sus diferentes qu´ımicas y sus aplicaciones. En este se encontr´o que las baterias VRLA son las mas utilizadas en aplicaciones de UPS, esto se corobro con los broshure de venta de equipos como el de Eaton de bater´ıas para UPS. Con el libro se planteo que se necesita saber de una bater´ıa cuando se esta monitoreando lo cual genero la necesidad de buscar soluciones comerciales y dispositivos que hicieran esta labor. Se encontraron productos de altos costos de diferentes compa˜nias como Btech y Emerson entre otras. Tambi´en se encontro en Texas Instruments una herramienta para desarrollo de este tipo de soluciones a menor costo incluso con muestras gratis. As´ı que la informaci´on que se empez´o a recolectar era del datasheet de este dispositivo , bq34z110 y sus aplicaciones. otros documentos que s eusaron fueron infromarcion del modulo de evaluaci´on, publicaciones acerca del algoritmo que implementa y documentos de como salir a la producci´on en masa.
El proyecto tuvo un seguimiento semanal con el asesor Gustavo Ramos P.hD, Miguel Hernandez M. Sc. y David Celeita M. Sc. En este seguimiento se revisaron los avances del proyecto se arreglaron peque˜nos problemas y se aprend´ıa el uso de los diferentes elementos del laboratorio. La formaci´on de ingeniero el´ectrico en la universidad de los Andes, ayudo en la organizaci´on de un plan de trabajo teniendo en cuenta los tiempos y las diferentes etapas en un proyecto. El uso de los equipos y de los t´erminos facilito en la realizaci´on de las pruebas y tener un criterio para validarlas.
Cap´ıtulo 5
Trabajo realizado
A continuaci´on se mostrara todo el proceso que se llevo el proyecto durante sus diferentes etapas, despu´es de haber definido el problema las restricciones y especificaciones.
Caja Blanca En esta etapa se plantea la primera soluci´on del BMS la cual muestra que se˜nales son de entrada y cuales son de salida, conociendo las tecnolog´ıas que se van a utilizar. En la figura 5.1 podemos ver que se plantea el monitoreo de un paquete en serie de 3 bater´ıas por medio de una sola tarjeta BMS esta por medio deI2C se comunica con una tarjeta Arduino, la cual convierte esta
informaci´on a serial para ser enviada a una interfaz t´actil. Esta interfaz es utilizando una de 3,2”. En la pantalla se muestran las variables que son necesarias para el monitoreo de las bater´ıas; el voltaje, la corriente, la temperatura, el SOC y el SOH.
Figura 5.1: Caja Blanca
Fuel Gauge Impedance TrackT M En el marco te´orico se planteo las dos variables que nos dan la informaci´on de las condiciones de operaci´on de las bater´ıas SOC y SOH. SOC es la raz´on de la
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 10
capacidad restante sobre la capacidad carga completa de la bateria(FCC). Esta capacidad completa depende de las condiciones ambientales y de la raz´on de carga y descarga de la bater´ıa, esta se calcula de la capacidad qu´ımica (Qmax) y de la impedancia de la bater´ıa(RBAT). Mientras la bater´ıa envejece
su capacidad qu´ımica tiende a ser menor dado a la degradaci´on qu´ımica.
SOH monitorea esta degradaci´on qu´ımica que se da con el tiempo se reporta como raz´on de la capacidad dise˜nada a 25oC y cargas y descargas controladas. En resumen el SOH indica cuando la bater´ıa debe ser remplazada y el SOC es la carga que le queda y cuando debe ser recargada. A continuaci´on veremos matem´aticamente que significa cada par´ametro, y en la figura 5.2 veremos que significan gr´aficamente. [5]
SOC= Capacidadrestante
F CC(T emp, razondecargaydescarga) (5.1)
SOH =F CC(T emp, razondecargaydescarga)
capacidaddisenada (5.2)
Qmax=
Cargapasada SOC1−SOC2
(5.3)
RBAT =
V −OCV
I (5.4)
Ambos SOC y SOH de una bater´ıa pueden ser monitoreados midiendo el voltaje , la temperatura y la
Figura 5.2: FCC se deriva de QM AX y RBAT [1]
carga que entra y sale de la bater´ıa. Cuando la bater´ıa esta en reposo el SOC se calcula con el voltaje de circuito abierto (OCV) relacion´andolo con la temperatura.Durante la carga y descarga el SOC es calculado continuamente utilizando la ecuaci´on 5.1. Mientras tanto el SOH se calcula con la ecuaci´on 5.2.
Ambos par´ametros dependen del calculo de Qmax y de la impedancia de la bater´ıa RBAT. En la
figura5.3 se ve como QM AX se estima al igual q en la ecuaci´on 5.3. SOC1 es en total reposo y SOC2
en reposo despu´es de una carga o descarga. El QM AX se actualiza cada ciclo y se utiliza para calcular
SOC y SOH. Lo mismo sucede con RBAT el OCV se mide cada vez que entra en reposo. Este m´etodo
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 11
Figura 5.3: Obtencion del QM AX [1]
BMS V 1.0 En el proyecto de grado de ingenier´ıa electr´onica se desarrollo una primera version de una tarjeta que trabaja con el bq34z110 la cual fue dise˜nada, ensamblada y programada para utilizarse con un banco de bater´ıas de 24V y de 12V. Esta tarjeta se conecto al software de evaluaci´on de TI y se analizo las curvas de corriente, voltaje, estado de carga ,la temperatura la cual se monitoreo para validar que se encontraba en el rango de 25oC y el estado de salud que no variaba.
Configuraci´on del BMS V1.0 El bq34z110 tiene una Flash interna en la cual se guardan los par´ametros importantes del paquete de bater´ıas. Estos par´ametros se modificaron para tener un mo-nitoreo preciso y continuo. En la tabla 5.1 se muestran los par´ametros q se modificaron para un banco de 12V y para un banco de 24V. Estos par´ametros se calcularon para 12v y 24v se utilizo el datasheet del bq34z110 para conocer el significado de estos par´ametros.En el proyecto de electr´onica se muestra mas a fondo como se calculan y se establecen estos registros. Hay mucho par´ametros que se dejan de fabrica ya que son de uso especifico cuando varia el tipo de bater´ıa. El tipo de configuraci´on de las alertas y de la carga se hace segun las tablas 8,9 13 y14 del datasheet que se encuentra en los anexos.
5.1.
Descripci´
on del Resultado Final
5.1.1.
Ciclos de carga y descarga
Utilizando el BMS V 1.0 se corri´o un ciclo de carga descarga y de reposo para una bater´ıa de 12V. De esto se obtuvo un hist´orico de los datos bajo diferentes corrientes y temperaturas. A continuaci´on se ver´an los resultados de estas pruebas que fueron adquiridas utilizando el software de evaluaci´on de TI, bqESW.
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 12
Parametro 12V 24V Comentario
Design Capacity 2000mAh 2000mAh cap /#celdasserie Design Energy 4000mWh 4000mWh Design * #cell
Led Com 02 02 leds externos Alert Conf 0000 0000 no hay alerta
# of Cells 6 12 Configuration Pack 0961 0961
Voltage Divider 12000mv 24000mv voltaje de entrada CC. Gain 10mohm 10mohm sense resistor CC Delta 10mohm 10mohm sense resistor Load Select 1 1 corriente const Load mode 0 0 descarga const Cell Terminate Voltage 1800 mV 1800mV fin descarga
Quit Current 40 mA
Cuadro 5.1: Configuraci´on de flash interna
veremos el SOH, en rojo el voltaje en verde la corriente que pasa por el bq34z110 y en morado la temperatura.
Figura 5.4: Ciclo de aprendizaje
En la figura 5.4 vemos el primer resultado de una descarga cuando la bater´ıa estaba al 100 %. La carga electr´onica fue configurada para pedir una corriente constante de 1.2A. Esta configuraci´on se dejo durante 6 horas de descarga en la cual vimos que el estado de carga no se comporto como se esperaba, ya que esto estaba ligado a un ciclo de descarga. Los ciclos de descarga se configuran seg´un la carga que pasa por la bater´ıa y estaba configurado para 800Ah por lo tanto para la siguiente prueba este par´ametro se cambio a 1.2Ah para completar un ciclo de carga completo. En morado se puede ver que la temperatura se mantuvo en el rango deseado ideal. en verde se ve la corriente cuando la bater´ıa esta entregando energ´ıa es negativa y cuando se carga la corriente es positiva. Como se utilizo carga
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 13
de impedancia constante, se ve como la corriente consumida disminuye cuando se descarga la bater´ıa y como aumenta cuando la bateria se recarga , este proceso de carga se da por dos horas.
Figura 5.5: Bater´ıa en reposo
La bater´ıa se dejo en reposo despu´es de este ciclo de carga y descarga, y se continuo con el monitoreo de las variables. En la figura 5.5 se observa en azul que el SOC se mantiene constante en el periodo de reposo, y la corriente esta en cero. Pero se observa una descarga de la bater´ıa en voltaje de 13100 mV a 13010 mV en un periodo de 12 horas. Esto se da a que el voltaje de circuito abierto esta en rebote y se va normalizando, pero luego comienza la descarga propia de la bater´ıa, que en otros modelos de seguimiento del estado har´ıa que el SOC cambiara.
Luego de este periodo de reposo se comenz´o a descargar la bater´ıa de nuevo como se ve en la gr´afica 5.6. En esta descarga se puede ver como el SOC varia significativamente, esto se da a que ya se calculo por primera vez el Qmax de la bater´ıa y ya podemos tener datos mas reales del estado se carga de la bater´ıa. En este caso la carga estuvo activa en dos lapsos de tiempo con 1 hora de reposo donde se observa que el estado de carga sigue bajando hasta cero. cuando el SOH llego a cero se observa que la bater´ıa bajo a niveles cr´ıticos su voltaje y no entrego la corriente que se le ped´ıa en un periodo de 30 min. En ese momento se comenz´o el proceso de carga en el cual el cargador entrega un pico de corriente de 1A y comienza a descender para tener una carga regulada. En la gr´afica 5.7 se ve en detalle como se comporta la corriente y como se va cargando la bater´ıa. El cargador que se utiliza es especial para tener una carga controlada para no afectar el SOH de la bater´ıa. Se observa la corriente como sube y baja en rangos de 15mA y como sube un 20 % el estado de Carga de la bater´ıa de forma controlada. El voltaje en este periodo solo sube 200 mV.
5.1.2.
Interfaz Grafica
En esta etapa se creo una interfaz figura 5.8 de usuario seg´un los requerimientos establecidos, en el cual por medio de una interacci´on el usuario pudiera monitorear las diferentes variables de la bater´ıa. El operario puede escoger que par´ametro visualizar y de que forma es decir si quiere ver el valor instant´aneo o ver el historial de los datos tomados. Esto lo hace escogiendo que pantalla quiere ver seg´un los diferentes iconos. La interfaz es intuitiva y f´acil de usar.
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 14
Figura 5.6: Ciclo de descarga
5.2.
Trabajo computacional
La herramienta computacional que se utiliz´o en este proyecto de grado fue el bqESW. Un software de uso libre y de evaluaci´on para monitorear leer y programar las soluciones de monitoreo de bater´ıas. En este caso se descargo el software dedicado a monitorear bater´ıas de tipo ´acido plomo a trav´es del bq34z110. Este software necesita como comunicaci´on la interfaz ev2300, y una maquina de 32bits. Se esta trabajando en el desarrollo para que se pueda utilizar en maquinas e 64 bits. El ev2300 permite comunicarnos con cualquier sistema que tenga un integrado de monitoreo de bater´ıas que se comunique por medio de I2C, HDQ o SMBus. Protocolos de comunicaci´on para cumplir las funciones de lectura
y escritura de registros. En la figura 5.9 se puede ver como es la interfaz de usuario. Con este mismo software se obtuvieron los datos de las variables que se monitorearon en los ciclos de descarga y carga de las bater´ıas.
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 15
Figura 5.7: Ciclo de carga
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 16
Cap´ıtulo 6
Validaci´
on del trabajo
6.1.
Metodolog´ıa de prueba
La validaci´on del proyecto es importante para ver si se cumplen con los objetivos planteados. El protocolo dise˜nado para esta prueba fue lograr un ciclo de optimizacion propuesto en la pagina 29 del datasheet en el cual se siguen los siguientes pasos:
1. Bater´ıa en reposo y 100 % SOC
1. Descargar a c/10 donde c es la capacidad en Ah del paquete hasta 0 % SOC
1. Dejar en reposo hasta que la bandera VOK se active indicando que el OCV es adecuado
1. Cargar completamente la bater´ıa
1. Esperar reposo
1. Descargar a c/10 hasta 0 % SOC
durante este ciclo se verifican con multimetro y con datos de la carga electr´onica que correspondan a los valores guardados en el bqESW. El bq34z110 tiene que ser calibrado antes de usarse para verificar que los valores que mide sean los correctos esto se realiza utilizando el bqESW como se ve en la figura 6.1 En la calibraci´on se corre primero el conteo de carga, luego se mide el voltaje en circuito abierto con multimetro y se anota en la casilla. Se mide la temperatura ambiente y se anota en la casilla. El bqESW calcula un offset de la medici´on si los datos metidos difieren. Finalmente con carga se mide la corriente que entrega y se introduce el valor que entrega la carga el´ectrica que es un equipo que esta calibrado y que cumple con normas de laboratorio.
6.2.
Evaluaci´
on del plan de trabajo
El trabajo que se planteo por semanas fue seguido como indicado. Toco hacer modificaciones en el plan por tareas que tomaron mas tiempo que otras haciendo que estas no se ejecutaran. Se tuvo problemas con la conexion del modulo de evaluacion ya que al parecer se quemo por mala configuracion fisica y no era leido por el software de evaluacion. esta complicacion atraso el proceso de pruebas. No se realizo una nueva version de la tarjeta ya que no se alcanzo a probar con micro controladores diferentes al arduino. Estas purebas quedan para trabajo futuro.
CAP´ITULO 6. VALIDACI ´ON DEL TRABAJO 18
Cap´ıtulo 7
Discusi´
on
Las bater´ıas de ´acido plomo en especial las VRLA se utilizan en aplicaciones de datacenters como sistema de respaldo de energ´ıa. Estos sistemas de respaldo, UPS, no pueden fallar en el momento de que halla una falla en el sistema el´ectrico. Estas bater´ıas se encargan de suplir la energ´ıa cuando es ausente, su forma de operar es entregar grandes cantidades de corriente por tiempos muy cortos y estando en tiempo de reposo por periodos largos. Por este proceso y por ser de libre mantenimiento la vida ´util estimada para estos paquetes de bater´ıas es de 4 a 5 anos haciendo que los costos de operaci´on sean caros. Para disminuir estos costos es critico conocer el estado de carga SOC y estado de salud SOH. El problema es que estos sistemas q monitorean las bater´ıas son muy costos y complicados de utilizar tanto que se prefiere tener un respaldo de bater´ıas.
Como objetivo de este proyecto se busca desarrollar un sistema de monitoreo de bater´ıas capaz de informar al usuario cuando deben ser remplazadas sus bater´ıas en el momento que es aumentando la rentabilidad del sistema. Esta soluci´on debe ser de bajo costo para poder competir en el mercado y dar la opci´on de utilizarlo en bancos ya existentes. Como resultado se obtuvo un prototipo de bajos costos el cual nos permiti´o monitorear un banco de bater´ıas d´andonos el estado de carga y salud con errores m´ınimos de medici´on.
En la tabla 7 se pueden ver los precios de diferente soluciones de Btech en su equipo de monitoreo de
Cant. -Voltaje BTECH s5 BMS V1.0
40 -12V
$
9000 USD ? 240 -2V $
18000 USD ?
Btech5. Sus precios dependen de la cantidad de celdas a monitorear y del tipo de bater´ıas. Estos precios son del 2005 y de Estados Unidos incluyen instalaci´on. Como trabajo futuro hay que realizar la nueva version de la tarjeta la cual nos permite comunicar tarjetas entre si. investigar la normativa que siguen estos sistemas y como se certifican, de esta forma hacer que esta soluci´on pueda ser comercializada. Hay que realizar un estudio profundo de mercado y de operaci´on y fabricaci´on para poder establecer los precios competitivos en Colombia y poder ser comercializado.
Cap´ıtulo 8
Conclusiones y trabajos futuros
8.1.
Conclusiones
Las bater´ıas el´ectricas cada ves entran mas al mercado y a la industria como fuente de energ´ıa, por la b´usqueda de la energ´ıa limpia. Para suplir esta energ´ıa demandad se crean arreglos de bater´ıas creando un banco de bater´ıas. Estos bancos de bater´ıas deben ser monitoreados constantemente para poder tomar acciones en caso de que indique bajos estados de salud y de carga. La soluci´on presentada en este proyecto es econ´omica y escalable a diferentes capacidades de las bater´ıas A-Pb. Esto permite tener soluciones variadas para diferentes aplicaciones.
En este proyecto se implemento el bq34z110 para monitorear un banco de bater´ıas, utilizando un algo-ritmo unico de Texas Instruments, Impedance TrackT M. El cual mezcla el m´etodo com´un y corriente
de medir el voltaje de circuito abierto e integraci´on de la corriente en la bater´ıa. Este algoritmo no necesita conocer la bater´ıa desde su primer ciclo ya que va aprendiendo de ella durante los ciclos de carga y descarga calculando su impedancia. El prototipo dise˜nado nos permite medir estas variables para bater´ıas de 12V y paquetes de 24V permitiendo al operario conocer el voltaje, la corriente, la temperatura, el SOC y el SOH. Se tiene dos formas de visualizar la informaci´on de forma hist´orica y de forma instant´anea.
Como trabajo futuro se busca la forma de que el prototipo cumpla con especificaciones industriales para poder ser comercializado ya que tiene potencial de ser un producto de bajo costo para dar solu-ci´on al problema. Los productos existentes son muy complejos de usar y de costos elevados. El trabajo realizado es satisfactorio ya que se genera una nueva alternativa, para optimizar el uso d de las bater´ıas de ´acido plomo, haciendo que su impacto econ´omico y ambiental sea favorable y viable.
8.1.1.
Trabajo Futuro
Disenar nueva version de BMS conµcontrolador
Realizar un estudio de mercadeo
Certificar el produto
Implementar en una UPS real
Bibliograf´ıa
[1] www.ti.com RAJAKRISHNAN RADJASSAMY, Business Development Manager, Te-xas Instruments, “Lead-acid batteries: The growing need for monitoring state-of-charge and health - Electronic Products,” 2013. [Online]. Avai-lable: http://www.electronicproducts.com/Power Products/Batteries and Fuel Cells/Lead-acid batteries The growing need for monitoring state-of-charge and health.aspx
[2] D. Linden and T. B. Reddy, Eds., Handbook of batteries, 3rd ed. McGraw-Hill, 2002. [Online]. Available: http://www.etf.unssa.rs.ba/∼slubura/diplomski radovi/Zavrsni rad
MarkoSilj/Literatura/HandbookOfBatteries3rdEdition.pdf
[3] A. Report, “Theory and Implementation of Impedance TrackTMBattery Fuel-Gauging Algorithm in bq2750x Family,” no. January, 2008.
[4] U. Guide, “bq34z110EVM Wide-Range Impedance Track TM Enabled Fuel Gauge Solution for Lead-Acid Batteries,” no. October, 2012.
[5] S. Wen and P. M. P. Portable, “Impedance Track TM Gas Gauge for Novices,” no. January, pp.
1–13, 2006.
[6] S. Duryea and W. Lawrance, “A Battery Management System for Stand Alone Photovoltaic Energy Systems,” 1999.
Ap´
endice A
Resumen Ejecutivo
DISE ˜
NO E IMPLEMENTACI ´
ON DE UN SISTEMA DE
MONITOREO PARA UN BANCO DE BATER´
IAS
Estudiante: Alvaro Jos´´ e Gonz´alez ´Angel
Asesor: Gustavo A. Ramos PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
Hoy en d´ıa existen muchas aplicaciones que tienen como fuente de energ´ıa un arreglo de bater´ıas; como UPS, energ´ıas renovables, carros el´ectricos, y bancos de bater´ıas. Estas aplicaciones van creciendo con el aumento de las necesidades de la industria y mantienen su dependencia en las bater´ıas. En Colombia las industrias que m´as usan los bancos de bater´ıas son las UPS y las telecomunicaciones. Estos sistemas tienen el riesgo de fallar por la falla de una bater´ıa la cual no se conoce su estado hasta que falla. Para predecir cu´ando va a fallar un bater´ıa se utiliza un BMS (battery Managment System) el cual tiene con funci´on indicar el estado de la bater´ıa y predecir cu´ando esta va a fallar, para poder ser reemplazada sin comprometer el sistema. El problema de estos sistemas es que son muy costosos por lo tanto se prefiere tener dos bancos de bater´ıas por separado.
Objetivo General Entender, dise˜nar e implementar un sistema de monitoreo de bancos de bater´ıas (BMS de sus siglas en ingl´es)para aplicaciones industriales en sistemas cr´ıticos considerando aspectos normativos, operativos y de costos.
El objetivo del proyecto vario en que no se realizara un sistema de gesti´on si no de monitoreo de bater´ıas ya que los sistemas industriales ya cumplen con partes de gesti´on como protecciones de carga y descarga, controles de carga etc.
Objetivos Espec´ıficos
Estudiar y comprender el funcionamiento de BMS
Dise˜nar un sistema de monitoreo de bater´ıas capaz de medir el SOH y SOC.
implementaci´on del prototipo para un banco de 2 bater´ıas.
Validaci´on del prototipo
Resultados El uso del Bq34z110 de Texas Instruments, con Impedance T rackT M permite un mo-nitoreo constante y preciso del estado de carga y salud del banco de bater´ıas. Cuando el banco de bater´ıas es peque˜no se puede monitorear con solo una tarjeta y presentar los resultados mediante la
AP ´ENDICE A. RESUMEN EJECUTIVO 23
interfaz de comunicaci´on Ev2300 en una interfaz gr´afica bqESW. donde se puede observar el hist´orico de cada variable. La soluci´on que se presenta en este proyecto tiene una interfaz con una pantalla t´actil en la cual se puede observar e interactuar con las diferentes variables medidas y calculadas; voltaje, corriente, temperatura, SOC y SOH. Estas variables se pueden ver en tiempo real o un hist´orico en una curva.
Con esta soluci´on se busca tener un dise˜no econ´omico y escalable para ser utilizado en las bater´ıas de las UPS. Para trabajo futuro de este proyecto es estudiar como hacer que cumpla con normatividad el dise˜no, hacer un estudio de mercadeo y costos de operaci´on para poder salir al mercado local.
