Implementación de un protocolo de comunicación para un sistema de monitoreo de bancos de baterías (BMS)

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 ELECTR ´

ONICO

por

Alvaro Jos´

e Gonz´

alez ´

Angel

IMPLEMENTACI ´

ON DE UN PROTOCOLO DE COMUNICACI ´

ON

PARA UN SISTEMA DE MONITOREO DE BANCOs DE BATER´

IAS

(BMS)

Sustentado el 11 de Diciembre de 2014 frente al jurado:

Composici´

on del jurado

- Asesor: Fredy Segura-Quijano PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes Sergio Bacca BSc, Estudiante de Maestria, Universidad de Los Andes

AJGA

”Si quieres hacer tu sue˜

nos verdad, lo primero que debes hacer es despertar”

J.M.POWER

Agradecimientos

El desarrollo de este proyecto se llev´o a cabo gracias al acompa˜namiento que recib´ı de mi asesor Fredy Segura-Quijano PH.D., de mis co-asesor Sergio Bacca quien me ayudo a desarrollar el proyecto del cual aprend´ı mucho, a Alejandro Monroy, asistente de laboratorio por la fabricaci´on y montaje del circuito impreso. Gracias a Jorge Mario Garz´on Rey por su amistad y desarrollo de esta plantilla; 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 a todos aquellos que conoc´ı en mi vida universitaria.

´

_{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 . . . 2

1.3. Objetivos . . . 2

1.3.1. Objetivo General . . . 2

1.3.2. Objetivos Espec´ıficos . . . 2

2. Glosario[?] 3 3. Marco te´orico, conceptual e hist´orico 4 3.1. Marco Te´orico . . . 4

3.2. Marco Conceptual . . . 5

3.2.1. SOH . . . 5

3.2.2. SOC . . . 5

3.2.3. I2C . . . 5

3.2.4. SMBus . . . 5

3.3. Marco Hist´orico . . . 5

3.3.1. Monitoreo del estado de las bater´ıas . . . 5

3.3.2. SMBus vs I2C . . . 6

3.3.3. bq34z110 . . . 7

4. Definici´on y especificaci´on del trabajo 8 4.1. Definici´on . . . 8

4.2. Dise˜no caja negra . . . 8

5. Metodolog´ıa del trabajo 9 5.1. Plan de trabajo . . . 10

5.2. B´usqueda de informaci´on . . . 11

6. Trabajo realizado 12 6.1. Descripci´on del resultado final . . . 16

7. Validaci´on del trabajo 18 7.1. Metodolog´ıa de prueba . . . 18

7.2. Validaci´on de los resultados del trabajo . . . 18

7.3. Evaluaci´on del plan de trabajo . . . 20

8. Discusi´on 21 9. Conclusiones y trabajos futuros 22 9.1. Conclusiones . . . 22

´_{INDICE GENERAL iii}

Bibliograf´ıa 22

´

_{Indice de figuras}

3.1. sistema de gesti´on de bater´ıas[?] . . . 6

4.1. Caja negra del sistema completo . . . 8

6.1. Caja blanca del sistema completo . . . 12

6.2. BMS V1.0 . . . 13

6.3. Mensajes que se env´ıan en SMBus[?] . . . 14

6.4. Mensajes SMBus en detalle[?] . . . 15

6.5. Interfaz usuario . . . 16

6.6. Prototipo . . . 17

7.1. Protocolo de lectura . . . 18

7.2. Lectura SOC (a) . . . 19

7.3. Lectura SOC (b) . . . 19

7.4. Lectura SOC (c) . . . 20

A.1. Prototipo . . . 24

´

_{Indice de cuadros}

3.1. SMBus vsI2C[?] . . . 6

4.1. Especificaciones y restricciones . . . 8

5.1. Plan de trabajo . . . 11

6.1. Comandos de lectura . . . 15

Cap´ıtulo 1

Introducci´

on

1.1.

Descripci´

on de la problem´

atica y justificaci´

on del trabajo

Desde hace m´as de 100 a˜nos se encuentra en el mercado el uso de bater´ıas acido-plomo (PbA). Esta qu´ımica sigue siendo la m´as utilizada en aplicaciones de bater´ıas recargables como en sistemas con-tinuos de potencia (UPS por sus siglas en ingles), veh´ıculos y estaciones remotas de comunicaci´on celular y por su confiabilidad y operabilidad en diferentes condiciones. Con el crecimiento de la nube y datacenters, las UPS son muy importantes ya que son criticas para mantener los sistemas energizados. En el caso de los veh´ıculos, las bater´ıas se utilizan para energizar o encender donde un fallo en la bater´ıa puede significar una detenci´on inesperada. En las estaciones base de conexi´on celular en zonas remotas donde la red el´ectrica no llega, se utilizan recursos de energ´ıas solar ´o e´olicas que mantienen la carga de las bater´ıas. Conocer el estado de salud (SOH) y el estado de carga (SOC), ayudan a evitar p´erdidas de informaci´on o veh´ıculos varados. El monitoreo constante de estas variables ayudan a aumentar la vida ´util de las bater´ıas.[?]

Estas aplicaciones utilizan grandes bancos de bater´ıas formados por m´ultiples celdas en serie y en para-lelo aumentando la potencia, la corriente y la capacidad del sistema. Al ser un sistema conformado de m´ultiples bater´ıas, es necesario monitorear el SOH y SOC de cada bater´ıa, ya que la falla en una sola bater´ıa significa la falla del banco. Para esto es necesario medir la temperatura en diferentes puntos aumentando as´ı la complejidad de conexi´on interna del paquete.

En este trabajo se presentar´a la implementaci´on de un protocolo de comunicaci´on para el monitoreo individual de bater´ıas en un banco. El sistema de monitoreo se dise˜n´o en el proyecto de grado de ”Dise˜no e implementaci´on de un sistema de monitoreo para un banco de bater´ıas”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 Impedance TrackT M _{,este maneja como protocolos de}

comuni-caci´onI2C con un Bus de dos cables y el HDQ que es de solo uno.

Con este dise˜no se espera tener una soluci´on econ´omica y competitiva en el mercado con un 95 % de confiabilidad manteniendo un monitoreo constante de voltaje, temperatura, impedancia y el envejeci-miento de las celdas. Con este monitoreo individual de cada bater´ıa, el banco puede aumentar su vida ´

util.

CAP´ITULO 1. INTRODUCCI ´ON 2

1.2.

Alcance y productos finales

El alcance de este proyecto entrega un dise˜no y una red de monitoreo de bater´ıas compuesto por 2 nodos implementando el protocolo seleccionado. Esto est´a acompa˜nado del presente documento que incluir´a un protocolo de validaci´on, el calculo energ´etico del sistema que debe ser menor al 5 % y un an´alisis de costos de un sistema convencional y del sistema dise˜nado.

1.3.

Objetivos

1.3.1.

Objetivo General

Entender, dise˜nar e implementar un protocolo de comunicaci´on entre circuitos integrados escalable y confiable para controlar un sistema de gesti´on de bater´ıas. El objetivo del proyecto se modific´o en que el estudio no se har´a en los protocolos industriales sino en los protocolos entre circuitos integrados en raz´on a que no necesita altas velocidades ni cubrir grandes distancias.

1.3.2.

Objetivos Espec´ıficos

Estudiar y comprender el funcionamiento de los protocolos de comunicaci´on entre circuitos inte-grados.

Dise˜nar una red de monitoreo de bater´ıas con el protocolo seleccionado.

Implementaci´on del prototipo BMS.

Cap´ıtulo 2

Glosario[?]

ACK Un bit en el paquete de comunicaci´on que significa ”Acknowledgement” del byte previo del dato.

NACK Un bit en el paquete de comunicaci´on que significa ”N oAcknowledgement” del byte previo. significa un error en el bus y llega al final del ultimo byte de la lectura del paquete.

Packet Transaccion completa de lectura o escritura desde el primer bit hasta el final.

Palabra Significa 2 bytes de datos (0xFFFF)que traduce de 0 a 65535 sin signo o con signo de -32768 a 32767.

MSB El byte mas significativo de una palabra.

LSB El byte menos significativo de una palabra.

RS Repeated Start”(Inicio repetido), un bit que comienza una segunda vez en el paquete; se utiliza en SMBus para la transici´on de leer a escribir.

Master Es el elemento del bus que controla la comunicaci´on del paquete. Controla el reloj para cualquier paquete.

Slave Es el nodo o elemento que recibe la informaci´on del maestro; no controla el reloj excepto cuando mantiene en alto la linea para disminuir la transacci´on y dar tiempo para acceder a la informaci´on que pide el master.

Cap´ıtulo 3

Marco te´

orico, conceptual e

hist´

orico

3.1.

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 de energ´ıa y la energizacion el´ectrica en zonas remotas con una energ´ıa limpia. Estas producen energ´ıa el´ectrica por el proceso de reducci´on de oxidaci´on de elementos qu´ımicos. Comunmente existen dos tipos de bater´ıas primarias y secundarias. Las secunda-rias son las bater´ıas que pueden ser recargadas inyect´andoles corriente en el sentido contrario de la descarga; tienen como caracter´ıstica la alta densidad de potencia, alta raz´on de descarga, una curva de descarga casi plana y buen funcionamiento a bajas temperaturas. Las bater´ıas mas comunes son las de ´acido plomo (A-Pb) por ser menos costosas, alta resistencia y sostenibilidad, se encuentran en el mercado desde 1859 y cada celda tiene un voltaje nominal de 2.0 V. [?]

En aplicaciones como UPS y estaciones remotas de comunicaciones es cr´ıtico medir el estado de carga y el estado de salud SOC y SOH respectivamente. Estos par´ametros hacen parte de las tareas con las que cumple un sistema de gesti´on de bater´ıas, como es el control de carga y descarga. Estos par´ametros son medidos en el cada bater´ıa y son enviados a un ”host.o_{m´aster el cual es el encargado de informar a}

los usuarios del estado de las bater´ıas. El ”hostrecibe la informaci´on de las bater´ıas y genera comandos de control para optimizar el ciclo de vida de las mismas.

Esta informaci´on es transmitida por medio de protocolos de comunicaci´on implementados en un Bus. Para estas aplicaciones el protocolo utilizado es ”SMBus”(System Management Bus). Otros protocolos que se utilizan para la comunicaci´on de circuitos integrados tambi´en pueden cumplir con la misma funci´on como el I2C (Inter-Integrated Circuit),”SPI”(Serial Periferal Interface) o ¨UART”(Universal

Asynchronous Receiver and Transmitter)-Comunicaci´on Serial. En el caso de monitoreo individual de cada bater´ıa, se necesita un protocolo que permita un cableado c´omodo y ordenado; En este caso es necesario un protocolo de dos cables o incluso de uno.

La soluci´on con la que se har´a el monitoreo de las bater´ıas se ha desarrollado en mi proyecto de In-genier´ıa el´ectrica[?] la cual se soporta en el uso del Bq34z110: Un circuito integrado que utiliza un algoritmo denominado Impedance TrackT M _{para bater´ıas de Acido-Plomo; Sirve para soluciones de}

bater´ıas entre 4V y 64 V de capacidad y hasta 65 Ah; soporta cargas y descargas hasta 32A; su con-sumo promedio es de 140µA; soporta los protocolos de comunicaci´onI2C y HDQ.

CAP´ITULO 3. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 5

3.2.

Marco Conceptual

3.2.1.

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 el de una bater´ıa dise˜nada con 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.

SOC

Otro par´ametro importante para conocer del estado de las bater´ıas es el estado de carga,SOC. Este indicador nos muestra la capacidad restante para una carga completa de la bater´ıa. Este est´a dado por la capacidad utilizable en condiciones adecuadas de temperatura y descarga. para encontrar su SOC se necesita conocer la capacidad qu´ımica y la impedancia de la bater´ıa. Por ejemplo, si se tiene una de 100 Ah y tiene su carga completa, su capacidad restante es del 100 % pero cuando se descargue al 70 %, tendr´a una capacidad de 70 Ah. Cuando una bater´ıa envejece su capacidad qu´ımica (Qmax) tiende a bajar y su impedancia se incrementa por degradaci´on qu´ımica.[?]

3.2.3.

I

C

Este protocolo de comunicaci´on para circuitos integrados fue dise˜nado por ”Philips Semiconduc-tor¸conocida hoy en d´ıa como ”NXP Semiconductors”; es un protocolo libre para ser implementado pero se necesitan licencias para crear las direcciones del esclavo. Este protocolo tiene una interfaz de 2 cables SDA para los datos y SCL para el reloj. Estas lineas se conectan con un ”pull up”; cada dispositivo que se conecta al bus tiene una direcci´on definida con lo cual se sabe a quien se le envia el mensaje.

3.2.4.

SMBus

Es la forma de comunicaci´on entre integrados en aplicaciones de gesti´on de bater´ıas; se encuentra en los computadores para informar al procesador el estado de energ´ıa del computador y poder tomar decisiones para mantener el rendimiento del equipo. Este protocolo tiene como principios elI2Cmaneja

una interfaz f´ısica de dos cables: SMBCLK para el reloj y SMBDAT para los datos.[?]

3.3.

Marco Hist´

orico

3.3.1.

Monitoreo del estado de las bater´ıas

Para tener un sistema confiable que se mantenga energizado, necesita la existencia de los bancos de bater´ıas los cuales aseguran que la energ´ıa nunca va a faltar. El sistema de monitoreo tiene cuatro tareas de protecci´on: monitorear, rendimiento, diagnosticar y la toma de decisiones. Como protecci´on debe tener un control de carga y descarga; como rendimiento debe indicar el voltaje la corriente que fluye por la bater´ıa y la temperatura en la que se encuentra la bater´ıa. Con esta informaci´on se crean diagn´osticos del estado de vida y estado de carga para poder tomar decisiones de control. Por ´ultimo se necesita una interfaz con el usuario ya sea en un ”datalogger”para tener una informaci´on recolectada sobre la historia de la bater´ıa o una interfaz con la que el usuario conozca el estado del banco de bater´ıas. Esta informaci´on se recoge de cada bater´ıa o de un grupo de ella; es enviada por medio de un bus de datos el cual puede ser consultado por un dispositivo maestro y que sea capaz de informar o tomar decisiones de control para proteger y aumentar la vida ´util de la bater´ıa. Figura 3.1.

CAP´ITULO 3. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 6

Figura 3.1: sistema de gesti´on de bater´ıas[?]

3.3.2.

SMBus vs

I

C

Como se mencion´o anteriormente, los protocolos mas comunes de dos cables para circuitos integrados son elI2Cy SMBus; ambos trabajan con un direccionamiento pre establecidos con dispositivos maestro

y esclavos. Ambos Buses son compatibles entre si para frecuencias de operaci´on menores a 100KHz; controlan una secuencia para el uso del protocolo iniciando con eventos de ”Start 2 finalizando con eventos de ”Stop”; el Bus se mantiene en alto cuando no se encuentra en uso. [?] La gran diferencia entre los dos protocolos es la existencia de un ”Timeout 2 de la velocidad del reloj. El ”timeout”se da cuando un esclavo hace un reset.en _{la interfaz cuando el reloj va a ”pull down”por m´as de 35mSec;}

esto hace que el reloj trabaje a una velocidad m´ınima ya que no puede ser est´atico. Por lo contrario, en elI2C, el Bus puede estar est´atico indefinidamente y cualquier dispositivo puede tomar control del

reloj para procesar la informaci´on. Esta diferencia se da de acuerdo a la forma en que cada protocolo maneje sus errores y recuperaciones. Otra diferencia es el nivel l´ogico con que opera el Bus, mientras el SMBus usa 2.1V elI2Cusa 3 voltios; tambi´en la resistencias de ”pull up”son de valores distintos al

igual que los niveles de corriente como se observa en la tabla 3.1

Cuadro 3.1: SMBus vsI2C[?]

I2C SMBus

Timeout No Yes

Minimum Clock Speed DC 10kHz

Maximum Clock Speed 100kHz (400kHz and 2MHz also available) 100kHz

VHIGH 0.7 VDD, 3.0V Fixed 2.1V

VLOW 0.3 VDD, 1.5V Fixed 0.8V

Max I 3mA 350A

Clock Nomenclature SCL SMBCLK

Data Nomenclature SDA SMBDAT

General Call Yes Yes

CAP´ITULO 3. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 7

3.3.3.

bq34z110

Texas Instruments ha desarrollado un algoritmo para monitorear el estado de las bater´ıas, Impedance TrackT M el cual efect´ua un seguimiento de la impedancia a la bater´ıa monitoreando la corriente, el voltaje y la temperatura. Independientemente de la configuracion de las celdas, puede monitorear hasta una capacidad de 64V soportando corrientes superiores de 32 A y en bancos con capacidades de 65Ah. El bq34z110 est´a dise˜nado para bater´ıas de Acido-Plomo libres de mantenimiento; tienen como protocolo de comunicaci´onI2Cel cual predice de manera precisa con un 95 %, la capacidad de la

bater´ıa y esta informaci´on la almacena en una memoria flash interna de 32 bytes programables la cual se accesa por medio de comandos de escritura y lectura. La medici´on de voltaje se realiza por medio de un divisor de voltaje el cual se configura para tener 0.9V de salida, una resistencia de precisi´on para medir la corriente que pasa y un termistor para medir la temperatura. Posee diferentes modos de operaci´on con el prop´osito de reducir el consumo de la bater´ıa. Para acceder a la informaci´on por medio del Bus deI2C se requiere enviar dos trasmisiones consecutivas de 2 bytes cada una para ejecutar la

Cap´ıtulo 4

Definici´

on y especificaci´

on del

trabajo

4.1.

Definici´

on

Con el crecimiento de los sistemas el´ectricos y la necesidad de mantenerlos operando continuamente para evitar perdidas de informaci´on, es necesario mantenerlos energizados por medio de sistemas continuos de potencia (UPS). Estas unidades se encuentran compuestas por un banco de bater´ıas las cuales son monitoreadas individualmente para obtener un pronostico m´as preciso del estado de salud, SOC y de carga, SOH de las bater´ıas. Lo que se busca es una soluci´on escalable, econ´omica y confiable para conocer el estado individual de cada bater´ıa.

4.2.

Dise˜

no caja negra

Figura 4.1: Caja negra del sistema completo

Cuadro 4.1: Especificaciones y restricciones

Especificaciones Restricciones

Baterias VRLA Costos 10 USD en UPS Desarrollo en 8 semanas interfaz con usuario en lugar Tama˜no maximo:7 cm x 7 cm

medicion individual Protocolos en el bq34z110

Cap´ıtulo 5

Metodolog´ıa del trabajo

Luego de haber dise˜nado el sistema de monitoreo con el bq34z110 para un banco completo de 24V con capacidad de 12Ah, se procedi´o a dise˜nar el BMS individual de cada bater´ıa de 12V, 12Ah. Este dise˜no se hizo con el protocolo seleccionadoI2C. Para esto se deben seguir los 8 pasos de dise˜no.(Texas

Instruments)[?]

Paso 1: Revisar y modificar los datos en la configuraci´on de la memoria flash En este paso se calcula la capacidad dise˜nada en mAh de cada celda, la energ´ıa y el voltaje de carga para cada celda.

Capacidad= capacidad bateria

celdas en serie (5.1)

Capacidad Energia=capacidad celda×V oltaje celda (5.2)

Paso 2: Revisar y modificar los registros El bq34z110 posee diferentes modos de operaci´on para mostrar el estado de la bater´ıa; cuenta con Leds los cuales se configuran seg´un las tablas 13 y 14 de los anexos y el tipo de falla que genera la alerta. Tambi´en es necesario configurar el n´umero de celdas en serie que contiene el paquete para que este efect´ue los c´alculos de la capacidad total del paquete y la configuraci´on que enciende un bit volsel, si es multicelda o se apaga si es de solo una celda.

Paso 3: Dise˜nar y configurar el divisor de voltaje Esta configuracion se debe hacer cuando el paquete es de mas de dos celdas, ya que se necesita tener como maximo voltaje en el pin de medicion 900 mV. Un ejemplo es si tenemos un maximo voltaje de 32000 mV y una rama de 16,5KΩ entonces para hallar el valor de la resistencia de serie seguimos la ecuaci´on 5.3.

Reserie= 16,5K×(32000−900

900 ) = 570KΩ (5.3)

De esta forma el diseno fisico debe tener una resistencia en serie de 570KΩ y en el parametro voltage-Divider se pone 32000mV.

Paso 4: Determinar el valor del sense resistor La medici´on de corriente en la resistencia de sensado nos indica la carga que pasa por la bater´ıa ya sea de carga o descarga. Este valor es medido por el bq34z110 por medio de una resistencia y el valor no debe superar los 125mV por lo tanto se usa una resistencia de precision de 0,01Ω. Este valor del voltaje se coloca en los par´ametros CCGain y CCdelata

CAP´ITULO 5. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 10

Paso 5: Revisar y modificar la configuraci´on del la medici´on de capacidad Hay que revisar que se encuentre seleccionado el tipo de carga que se le aplica al banco y los par´ametros que generan las alertas. ”Load Select” y ”load mode” seg´un las tablas 8 y 9 de los anexos. ”Cell terminate voltage” en el que falla el sistema. ”Quit current”, el valor que hace el sistema ”Idle”.

Paso 6:Determinar el Chem ID Este paso est´a relacionado con las especificaciones t´ecnicas de la bater´ıa. Texas Instruments posee una herramienta que genera el Chem Id, si la bater´ıa no se encuentra en esta lista, ellos proporcionan las herramientas necesarias para calcularlo con el datasheet. O se env´ıa la bateria a Texas Instruments para que ellos la analicen y generen el Chem ID.

Paso 7:Calibraci´on Utilizando la herramienta software de Texas Instruments, se hace una calibra-ci´on de la medici´on del voltaje, corriente y temperatura. Este no se requiere cuando el banco es de solo una celda o cuando se hace la producci´on masiva de dispositivos.

Paso 8: Correr ciclo de optimizacion Luego de haber modificado los par´ametros en la memoria flash del bq34z110 para que haga sus mediciones de forma correcta, se corre un ciclo de optimizaci´on de carga y descarga.

1. Tener una bater´ıa completamente cargada y en estado de reposo.

2. Descargar la bater´ıa a c/10 hasta que llegue a un SOC de 0 %.

3. Verificar el voltaje de rebote que no sea muy alto y dejar la bater´ıa libre de carga por 4 horas.

4. cargar la bater´ıa a carga completa y volver a esperar que llegue a un estado de reposo.

5. Volver a descargar completamente la bater´ıa a una corriente de c/10.

Luego de haber ejecutado estos pasos y calculado los par´ametros para cada bater´ıa, se procede al di-se˜no del Bus de control por medio deI2C. Este protocolo es elegido por la facilidad de implementarlo

a diferencia del HDQ. Ya que todos los bq34z110 tienen la misma direcci´on de fabrica de escritura y lectura es necesario crear una direcci´on intermedia por medio de un micro controlador.

El micro controlador debe tener como m´ınimo 2 puertos que manejen el protocoloI2Clo cual permite

hacer la interconexi´on entre el bq34z110 y el Bus principal. Este Bus est´a controlado por un host el cual tiene una interfaz gr´afica con el usuario.

Esta metodolog´ıa se sigue cada vez que se utilice el BMS dise˜nado para asegurar que las mediciones se efect´uen correctamente y as´ı asegurar que se hagan los algoritmos de seguimiento de estado de la bater´ıa. [?]

5.1.

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 el cual comparte como producto final un sistema de monitoreo para un banco de bater´ıas de Acido-Plomo.

El protocolo se implement´o en un Arduino para analizar y estudiar los datos que se env´ıan a trav´es de ´el. Tambi´en se realizaron pruebas de velocidad y se generaron diferentes errores en el Bus para determinar c´omo reaccionaba el sistema. Luego se comenz´o el trabajo de dise˜no del protocolo que se implentar´ıa para comunicarse con otro tipo de mirco controlador y el bq34z110 que en este caso utiliz´o la tarjeta de desarrollo de Freescale FDM k25z. Para un trabajo futuro ha quedado la implementaci´on de la version dos del BMS con un micro controlador que maneje los dos Buses y efectuar la comunicaci´on entre varios micro controladores y un maestro.

CAP´ITULO 5. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 11

Cuadro 5.1: Plan de trabajo

Tareas Semana Avance Hitos

Entender Problema 1 100 % Presentaci´on Electr´onica Problema B´usqueda Material Bibliogr´afico 2 95 % Presentaci´on Caja Negra Electr´onica

Selecci´on de Tecnolog´ıa 3 100 % Presentaci´on Caja Blanca Electr´onica Comprender protocolos 4 100 % Presentaci´on El´ectrica Problema Selecci´onµControlador 5 100 % Presentaci´on Avance Electr´onica 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 % Presentaci´on 30 % El´ectrica Redacci´on documento Avance 9 100 %

Programaci´on Xmega32 10 85 % Presentaci´on 30 % Electr´onica 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 15 100 %

Prueba prototipo final 16 89 %

Finalizar Pruebas/Terminar Documento 17 98 % Entrega documentos a asesores Revisi´on Documento 18 100 % Entrega documentos a jurado Realizaci´on presentaci´on 19 0 % Presentaci´on de Proyecto de Grado

5.2.

B´

usqueda de informaci´

on

La b´usqueda de informaci´on se inici´o con el libro Handbook of batteries de Linden [?] con el prop´osito de conocer m´as a fondo el comportamiento de las bater´ıas, sus diferentes qu´ımicas y sus aplicaciones. En este se encontr´o que las bater´ıas VRLA son las mas utilizadas en aplicaciones de UPS, lo cual se corrobor´o con los folletos de venta de equipos como el de Eaton sobre bater´ıas para UPS.

Con el libro de Linden se plante´o lo que se debe saber de una bater´ıa cuando se est´a monitoreando lo que gener´o la necesidad de buscar soluciones comerciales y dispositivos que hicieran esta labor. Se encontraron productos de altos costos de diferentes compa˜n´ıas como Btech y Emerson entre otras. Tambi´en se encontr´o en Texas Instruments una herramienta para el desarrollo de este tipo de solu-ciones a menor costo incluso con muestras gratis. Por lo tanto, la informaci´on que se compil´o era del datasheet de este dispositivo,el bq34z110 y sus aplicaciones como un modulo de evaluaci´on; otras publicaciones acerca del algoritmo que implementa el bq34z110 y los documentos de la producci´on en masa.[?]

Se realiz´o un seguimiento continuo del proyecto en forma semanal con Fredy Segura Ph.D y se analiza-ron las diferentes alternativas para solucionar el protocolo de comunicaci´on. Este protocolo se dise˜n´o y analiz´o en una tarjeta de desarrollo con el co-asesor, Ingeniero Sergio Bacca, Estudiante de Maestr´ıa. Con la formaci´on que recib´ı como ingeniero en la Universidad de los Andes se pudo plantear un pro-yecto en sus diferentes etapas de desarrollo obteniendo el criterio y las herramientas para seleccionar las tecnolog´ıas a implementar.

Cap´ıtulo 6

Trabajo realizado

Luego de haber planteado el problema y definido las especificaciones y restricciones del sistema, con-tinuamos con el dise˜no b´asico y detallado de la soluci´on En el cual se plante´o una arquitectura para el montaje del sistema de monitoreo, el dise˜no y la fabricaci´on de un circuito impreso y finalmente, pero no lo ´ultimo, el estudio del protocolo de comunicaci´on. Al final del proyecto se dise˜n´o e implement´o una interfaz gr´afica y t´actil con una pantalla la cual permite ver la informaci´on de la bater´ıa en sitio. A continuaci´on, indicamos estas etapas del trabajo y sus diferentes resultados.

Caja Blanca Partiendo de la figura 4.1 se dise˜n´o el sistema de monitoreo de bater´ıas el cual debe tener un Bus de comunicaci´on por el cual se conectan los BMS de monitoreo individual por bater´ıa. Como se observa en la figura 6.1 cada BMS toma la informaci´on de la bater´ıa y por medio de I2C la

lee un micro controlador. Este micro controlador es consultado por un maestro cuando el usuario que maneja la interfaz, solicita la informaci´on. La informaci´on que se debe leer es el voltaje, la corriente la temperatura el SOH y el SOC. En la misma interfaz gr´afica se puede consultar el hist´orico de corto plazo de estos valores. El bq34z110 se ha montado en un circuito impreso con las protecciones

Figura 6.1: Caja blanca del sistema completo

CAP´ITULO 6. TRABAJO REALIZADO 13

adecuadas y adaptado al nivel de voltaje que va a monitorear a trav´es del divisor de voltaje; esta tarjeta la llamaremos: BMS V1.0. El bq34z110 posee un regulador interno que se encarga de energizarlo as´ı que no se necesita montar un regulador para bajar la tension de las bater´ıas. Se requiere un regulador para energizar los micro controladores encargados de leer cada BMS V1.0. Se utiliza un Arduino para leer esta informaci´on por elI2C y trasmitirla por serial a una pantalla de 3.2 2 de pantalla capacitiva.

Dise˜no y montaje del circuito impreso El bq34z110 se prob´o usando el modulo de evaluaci´on de Texas Instruments[?]; este modulo de evaluaci´on esta dise˜nado para aprender su funcionamiento a diferentes configuraciones del banco de bater´ıas desde celdas de 2V a multiceldas de 64V. Utilizando la informaci´on que se encuentra en el datasheet[?], se dise˜naron dos PCB, uno para medir un banco de 24V y otro para medir 12V. Tiene una alerta visual de 5 LEDs para indicar el estado de carga de la bater´ıa o grupo de bater´ıas que se est´en midiendo. El esquem´atico, el layout y el bill of materials (BOM) se pueden ver en detalle en los anexos.

La fabricaci´on de la PCB, figura 6.2, se realiz´o en el laboratorio de circuitos impresos de la Universidad

Figura 6.2: BMS V1.0

de los Andes. Los componentes se compraron en Estados Unidos. Todos son de empaquetado de montaje superficial los cuales se soldaron con la ayuda del t´ecnico del laboratorio. En esta version, el BMS v1.0 requiere mejoras del dise˜no tales como realizar mas thru holes, conexiones entre capas, para asegurar la conductividad. Tambi´en se debe efectuar una mejor ubicaci´on de la entrada del voltaje de la bater´ıa para evitar una baja impedancia entre los conectores y as´ı haya un flujo de energ´ıa que genere descarga de la bater´ıa. Se deben relocalizar La ubicaci´on de los condensadores para que queden mas cerca de los integrados y por ultimo, incluir un micro controlador.

Estudio del protocolo de comunicaci´on Cuando se tiene listo el PCB con el montaje superficial y se haya probado su correcto funcionamiento, se prosigue con el protocolo de comunicaci´on para poder observar los registros y obtener la informaci´on en ellos. Para esto se estudi´o el protocolo de lectura y escrituraI2C del bq34z110 en el datasheet. Se estudi´o el SMBus ya que es el protocolo dise˜nado para

sistemas de gesti´on de bater´ıas. A continuaci´on se explica este protocolo con la informaci´on que se encontr´o en un articulo de Texas Instruments sobre el SMBus.[?]

CAP´ITULO 6. TRABAJO REALIZADO 14

Estos protocolos deben tener sus lineas conectadas a un pull up permanente en raz´on a que el envi´o de datos se hace llevando a low para enviar el mensaje. Para revisar y explicar c´omo se comportan estos protocolos, veremos ejemplos de palabras en diferentes trasmisiones. En la figura 6.3 podemos ver

Figura 6.3: Mensajes que se env´ıan en SMBus[?]

c´omo se compone un paquete de transmisi´on. Cada paquete tiene un bit de inicio demarcado con una S, el reloj debe esperar un tiempo antes de ir a low que la linea de datos vaya a low. Luego se env´ıa la direcci´on del dispositivo a leer; todos los dispositivos ”slavereciben esta informaci´on pero solo uno env´ıa el .A_{CK”. En este caso el dispositivo que responde tiene la direcci´on 0x16. en el Bus no puede}

haber m´as equipos conectados con la misma direcci´on. El ultimo bit de la direcci´on es el bit que indica si es escritura o lectura, un 0 indica que es escribir y para leer, si es un 1.

Luego sigue el comando o la direcci´on que le queremos escribir al dispositivo. S, significa un segundo comienzo para leer. cuando se lee el dato que est´a compuesto por dos paquetes con un RS, en SMBus esto es requerido para asegurar la comunicaci´on con el mismo dispositivo. El dato est´a compuesto por dos bytes LSB y MSB. LSB es el primero ya que la forma de env´ıo del SMBus es de little-endian. Esto indica que la significancia de los bits van aumentando y esto ocurre porque los computadores modernos guardan la informaci´on de esta forma. MSB es el segundo byte que se env´ıa este byte es el m´as significativo y va en el formato de little-endian. PEC es un checksum el cual revisa si el dato est´a correcto. Al final del paquete se env´ıa un bit de parada, el cual le dice al ”slave”que la trasmisi´on est´a completa y se prepara para recibir otro mensaje. Si esto no se hace, el dispositivo no queda en modo de espera de otro comando.

En la figura 6.4 se ve en detalle un byte del paquete con los bits de stop y Nack, cada byte est´a confor-mado por 8 bits. La marcaci´on 1 se observa c´omo cada bit es procesado en cada subida del reloj, la linea del dato no cambia cuando el reloj se mantiene en alto excepto cuando es un bit de inicio o de parada. El reloj no puede estar m´as de 50µS en alto durante la transacci´on ya que el sistema tomar´a que el Bus se encuentra en condici´on de espera; esto se observa en 2. En 3 vemos un bit RS el cual cambia la acci´on de escritura a lectura; antes del RS hay un comando de escritura en la direcci´on del dispositivo; luego del RS este bit cambia. El bit de escritura y lectura se observa en 4 ya que es el que va al final

CAP´ITULO 6. TRABAJO REALIZADO 15

Figura 6.4: Mensajes SMBus en detalle[?]

de la direcci´on. En el caso de la figura 6.4 0x16 es escritura y 0x17 es lectura. El .A_{CK”que se observa}

en 5, todos los bytes son seguidos de este excepto por el ´ultimo byte de un paquete de lectura ya que el dispositivo debe enviar un ”NACK”. El ACK lo debe generar el dispositivo que recibi´o el ´ultimo byte. El ”NACK”lo vemos al final de la transmisi´on en el numero 6 el cual es enviado por un equipo que no entendi´o el ultimo byte o por el host que lo env´ıa al final de un paquete de lectura indicando que la comunicaci´on fue exitosa enviando la informaci´on completa. Lo ultimo que se env´ıa es el bit de parada como se observa en 7; esto hace que el ”slave¨ıgnore lo que se envi´o por el bus hasta que un bit de comienzo sea detectado y genere el .A_{CK”de la direcci´on. A veces, cuando el integrado se encuentra}

procesando el mensaje, genera un ”streching.en _{el la linea del reloj. Esto se observa cuando el reloj}

permanece en ”low”sin que la longitud del paquete sea m´as de 25ms. El bq34z110 puede generar este ”streching”pero solo antes o despu´es de un .A_CK.o_{un ”NACK”.}

En el bq34z110 se utiliza el protocolo SMBus para poder leer y escribir en los registros. Los registros en la memoria flash se modificaron con el uso del software de Texas Instruments, bqESW, el cual por medio del EV2300, la interfaz de comunicaci´on f´ısica de Texas Instruments para los sistemas de monitoreo bq, se enviaba la palabra de escritura. En el caso de la lectura se hace construyendo el mensaje a trav´es de un maestro. En la tabla 6 se pueden ver los par´ametros que se van a mostrar en la interfaz con su respectivo comando de dos bytes de lectura.

Cuadro 6.1: Comandos de lectura

Variable Comando Unidades

Estado de Carga SOC 0x02/0x03 % Voltaje VOLT 0x08/0x09 mV Corriente Promedio AI 0x0a/0x0b mA Temperatura TEMP 0x0c/0x0d 0.1K Estado de Salud SOH 0x2e/02f %

Interfaz Gr´afica Despu´es de haber logrado la comunicaci´on entre el micro controlador y la tarjeta dise˜nada BMS V1.0, se comenz´o a resolver la forma en mostrar los datos e interactuar con el operario. Se analiz´o el uso de una interfaz gr´afica con el computador a trav´es de un puerto serial. Adem´as, en

CAP´ITULO 6. TRABAJO REALIZADO 16

este proceso se evalu´o el uso de una pantallaµLCD t´actil para tener una interacci´on m´as natural y amigable en el sitio de las bater´ıas; esto reducir´ıa los costos ya que no se necesitar´ıa un computador con el sistema sino una pantalla.

La pantalla t´actil es resistiva con la que se trabaj´o es una µLCD 32PTU de 4D Systems, para su programaci´on se utiliz´o el workshop 4D utilizando Visie-Genie; esta forma de programaci´on permite insertar indicadores y controles de forma gr´afica. Por facilidad y por ser un elemento nuevo, se escogi´o el uso de una tarjeta Arduino la cual se program´o para recibir la informaci´on del bq34z110 y enviarla por el puerto serial a la pantalla utilizando la librer´ıa existente de la pantalla. El protocolo SMBus fue implementado y se reconstruy´o el mensaje en la Arduino.

En la figura 6.5 se observan los estados en los que se puede manejar la pantalla. Se tienen 7 estados diferentes: el primer estado es la pantalla de inicio en la cual el usuario puede escoger la variable a observar. Cada variable que se mide se muestra en un estado diferente. Estas son SOH, SOC, Voltaje, Corriente y temperatura. Cuando se encuentra en estos estados, puede escoger si pasar a observar otra variable o una gr´afica de las ultimas mediciones en el tiempo. SOH y SOC muestran en porcentaje cuanto les queda de vida o de carga con un indicador de llenado. El voltaje se muestra en voltios con 3 decimales al igual que la corriente. Si la corriente es negativa significa que la bateria esta entregando carga de lo contrario la bater´ıa se esta cargando. Para la temperatura se utiliza un term´ometro de 0 a 30 grados ya que se espera tener un ambiente alredor de 25o_C.

Figura 6.5: Interfaz usuario

6.1.

Descripci´

on del resultado final

En la figura 6.6 se puede observar la implementaci´on del dise˜no. Se puede observar el PCB dise˜nado, encima de la bater´ıa para lograr medir la temperatura de forma exacta utilizando un termistor. Posee la alerta visual del estado de carga indicando que la bater´ıa tiene m´as del 80 % de carga, en raz´on a que por cada led que se encuentre encendido es un 20 % carga; si est´an encendidos los 5 LEDs, indica que su carga esta entre 100 % y 80 %. La comunicaci´on entre el dispositivo y la pantalla se hace con tres cables: uno es el ”SCL.o_{tro es el ”SDA} 2 _{el tercero el ”GND”. Se implementaron 3 circuitos: dos}

CAP´ITULO 6. TRABAJO REALIZADO 17

para medir bater´ıas de 12V y uno para medir una de 24V. Una de las tarjetas de 12V tuvo un da˜no por lo tanto no se pudo implementar la comunicaci´on entre los dispositivos.

Con este prototipo se hicieron pruebas durante una semana para tomar los registros de la descarga y carga de una bater´ıa; estos resultados se estudiaron en el proyecto de Ingenier´ıa el´ectrica. La descarga se realiz´o utilizando la carga electr´onica que se encuentra en el laboratorio de potencia y la carga se hizo utilizando un cargador con algoritmos de carga. (ver validaci´on).

Cap´ıtulo 7

Validaci´

on del trabajo

7.1.

Metodolog´ıa de prueba

Para validar este prototipo se siguieron dos procedimientos uno fue la de efectuar una revisi´on del mensaje que se env´ıa por medio del SMBus observando que el mensaje que se quiere leer sea el correcto utilizando un osciloscopio. Analizar que las caracter´ısticas que se estudiaron se encuentren presentes tales como los diferentes bits de Start, stop, ACK y NACK. El otro procedimiento que se analiza en m´as detalle para el proyecto de Ingenier´ıa El´ectrica es correr un ciclo de descarga y carga siguiendo los siguientes pasos:

1. Bater´ıa en reposo y 100 % SOC

2. Descargar a c/10 donde c es la capacidad en Ah del paquete hasta 0 % SOC

3. Dejar en reposo hasta que la bandera VOK se active indicando que el OCV es adecuado

4. Cargar completamente la bater´ıa

5. Esperar reposo

6. Descargar a c/10 hasta 0 % SOC

Durante este ciclo se comparan los valores obtenidos en el BMS con los valores medidos en la carga y en un term´ometro.

7.2.

Validaci´

on de los resultados del trabajo

Para validar los resultados de este proyecto que tiene como objetivo implementar un protocolo de comunicaci´on para un banco de bater´ıas el cual analizar´a cada parte de una trasmisi´on enviada y leer el estado de carga de la bater´ıa. El mensaje que se debe enviar se observa en la figura 7.1. Siguiendo ese orden de comandos, se leen los registros. Para encontrar el valor de la variable que queremos es necesario enviar dos veces este tipo de mensaje.

El an´alisis a continuaci´on lo efectuamos enviando la lectura de el estado de carga en la bater´ıa. El

Figura 7.1: Protocolo de lectura

osciloscopio se ajust´o para leer a la frecuencia de 1.2 kHz con el que se enviaban los mensajes. En

CAP´ITULO 7. VALIDACI ´ON DEL TRABAJO 19

la figura7.2 se observa el inicio del mensaje; cada bit que se env´ıa se ejecuta con el reloj. S indica el comienzo de la trasmisi´on haciendo que primero baje la se˜nal del dato, que es seguido por la direcci´on del dispositivo que recibe el dato. Entonces se genera el ACK indicando que el dispositivo se encuentra activo y se env´ıa el primer dato. El dispositivo genera el ”streching”del reloj y se genera un ”Start Reapeat”. Se vuelve a enviar la direcci´on que es la 0x55 y as´ı obtener el dato que se encuentra en 0x02.

Figura 7.2: Lectura SOC (a)

En la figura 7.3 se puede observar el nuevo ACK y un bit 1 que se env´ıa antes de enviar el valor que se encuentra en el 0x02. Luego de haber sido enviado el dato, se genera la secuencia de parada. Para obtener la informaci´on completa de del SOC es necesario leer dos registros; se debe generar una nueva trasmisi´on con el start y la direcci´on en este caso se env´ıa 0x03 y se repite el protocolo en figura 7.4 recibiendo un 0x00. Estos dos datos recibidos generan el valor del SOC en % haciendo un desplazamiento a la izquierda de 8 bits al primer dato y luego sum´andolos.

CAP´ITULO 7. VALIDACI ´ON DEL TRABAJO 20

Figura 7.4: Lectura SOC (c)

7.3.

Evaluaci´

on del plan de trabajo

Como todo proyecto este tuvo sus contratiempos. Sin embargo al dividir las metas por semana, se logr´o un buen resultado y se cumplieron los objetivos acordados: estudiar el protocolo de comunicaci´on, dise˜nar la red de monitoreo, hacer la implementaci´on de esta y validarla. Por el tiempo invertido en la evaluaci´on del protocolo que al principio no funcion´o como se esperaba, no se pudo hacer una segunda version del circuito impreso para poder generar un bus entre bater´ıas. En la validaci´on de una de las tarjetas se gener´o un corto circuito lo cual permiti´o solamente el funcionando una bater´ıa para realizar la medici´on.

Cap´ıtulo 8

Discusi´

on

Los bancos de bater´ıas son un elemento crucial en los sistemas de potencia continua (UPS). Estas bater´ıas son de Acido-Plomo lo cual las hacen mas resistentes al ambiente y a descargas profundas. Es necesario mantener un monitoreo continuo del estado de salud y estado de carga de estas para poder realizar un correcto mantenimiento.

Cuando estos bancos de bater´ıas son muy grandes, no se pueden monitorear con solo una tarjeta, por lo tanto es necesario ubicar varios sistemas de monitoreo en diferentes zonas o inclusive uno por bater´ıa para un monitoreo individual. Al tener un sistema por bater´ıa, se genera la necesidad de tener un cableado organizado y por esto se propone el uso de un Bus de comunicaci´on. El Bus de comunicaci´on mas apropiado para esta aplicaci´on es elI2C, el cual tiene una linea para enviar datos y otra para el

reloj que mantiene la sincron´ıa del Bus.

En este proyecto se dise˜n´o un sistema de monitoreo utilizando el bq34z110. El bq34z110 es un integrado que monitorea la impedancia de las bater´ıas de Acido-Plomo. Se dise˜n´o y se mont´o un circuito impreso replicable con elementos superficiales el cual tiene como entrada los bornes de la bater´ıa y el negativo de la carga. Se estudi´o el protocoloI2Cy se encontr´o que para las aplicaciones de monitoreo de bater´ıas

se utiliza un protocolo, que se deriva delI2, SMBus. Al analizar el SMBus se pudo construir el mensaje

que se debe enviar para poder leer la memoria flash del bq34z110 y obtener los valores de las variables a monitorear. Esta informaci´on se le presenta al operario a trav´es de una pantalla t´actil en la cual se muestra el estado de salud (SOH), estado de carga (SOC), voltaje, corriente y temperatura.

Para trabajo futuro de este proyecto de grado se necesita crear una nueva version de la PCB que tenga un micro controlador encargado de recoger la informaci´on del bq34z110 utilizando el protocolo implementado y pueda ser consultado por otro elemento externo. Se requiere mejorar la ubicaci´on de la entrada del voltaje.

Con este prototipo se cumplen los objetivos del proyecto ya que se investig´o sobre el protocolo de comunicaci´on que se utilizan en los sistemas de gesti´on de bater´ıas. Se dise˜n´o un sistema de monitoreo de bater´ıas utilizando SMBus. Se implement´o la primera version de un BMS el cual es capaz de informar de forma interactiva al usuario lo que sucede en la bater´ıa. Y por ultimo se pudo validar la informaci´on recibida con instrumentos de laboratorio; con los cuales se encuentran con una precision del 98 % .

Cap´ıtulo 9

Conclusiones y trabajos futuros

9.1.

Conclusiones

Las bater´ıas son elementos cruciales en los sistemas el´ectricos, desde veh´ıculos hasta sistemas continuos de potencia UPS. Estas deben ser monitoreadas continuamente para poder tomar decisiones en estados cr´ıticos y evitar perdida de energ´ıa. Para tener un sistema preciso en sus mediciones es necesario monitorear cada bater´ıa por individual, requiriendo un cableado eficiente y organizado. Esto se hace procesando la informacion de cada bateria or medio de un Bus de datos.

En este proyecto se estudie e implemento un protocolo de comunicaci´on de bater´ıas conocido como smart managemet sistem bus,SMBus. El cual parte de los principios del I2C; con el analisis que se

realizo se puede rconstruir el protocolo y ser utilizado en cualquier sistema. Con este estudio se obtuvo un sistema capaz de monitorear una bater´ıa de 12V y poder visualizar la informaci´on a trav´es de una interfaz t´actil. La parte principal del proyecto fue en el dise˜no de una tarjeta que tiene un bq34z110, circuito integrado de Texas Instruments capaz de seguir la impedancia de las bater´ıas.

Esta tarjeta como se esperaba tiene un costo de producci´on cercano a los $15 USD, con el cual se puede crear un sistema competitivo econ´omicamente con los sistemas existentes en el mercado que son de alrededor de $15000 USD. Para poder seguir con el proyecto hay que realizar varias tareas:

Dise˜nar el BMS V 2.0, el cual tenga unµcontrolador integrado realizando la comunicaci´on entre BMS V2.0.

Realizar pruebas de capacidades el´ectricas con instrumentos de laboratorio para poder complir con reglamentaciones.

Realizar un plan de negocio y estudio de mercado local.

Ap´

endice A

Resumen Ejecutivo

IMPLEMENTACI ´

ON DE UN PROTOCOLO DE

COMUNICACI ´

ON PARA UN SISTEMA DE MONITOREO

DE BANCOS DE BATER´

IAS

Estudiante: Alvaro Jos´´ e Gonz´alez ´Angel

Asesor: Fredy Segura PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes Sergio Bacca, Estudiante de Maestria, Universidad de Los Andes

Este proyecto de grado tiene como base el proyecto de grado de ingenier´ıa el´ectrica ”Dise˜no e imple-mentaci´on de un sistema de monitoreo para un banco de bater´ıas (BMS)”en el cual se investiga que es un BMS y como se monitorea un paquete completo de bater´ıas. Para tener un mejor control de estas variables y tener un valor mas preciso del sistema, es necesario tener datos individuales de cada bater´ıa, permitiendo tener valores con mayor exactitud en bancos mas grandes. Este trabajo se realizo utilizando el circuito integrado de Texas instruments bq34z110, el cual se comunica y controla por medio del protocolo de comunicaci´onI2C teniendo una direcci´on definida de escritura y lectura.

Se discute y se plantea la forma de programaci´on de los registros para insertar las caracter´ısticas de la bater´ıa. Se realiza un estudio detallado del SMBus, protocolo implementado y de los mensajes de lecturas de registros para obtener la informacion de la bateria. Utilizando una interfaz gr´afica en sitio a trav´es con una pantalla LCD Touch, se muestran el estado de las variables de temperatura, voltaje, corriente, estado de carga y estado de salud. Con esta informaci´on el usuario puede tomar decisiones de cambio de las bater´ıas en el momento oportuno.

En la figura A.1 se puede ver el prototipo que se diseno. Este tiene un costo aproximado de $80 USD, $15 USD por PCB y $65 USD por la pantalla. Queda planteado el diseno de un sitema que utilice un BMS por bateria haciendo que un sistema para monitorear un banco de 480 V con celdas de 2V cueste meno de $1000 USD, cuando en el mercado se consiguen estos sistemas por no menos de $18000 USD.

Objetivo general Entender, dise˜nar e implementar un protocolo de comunicaci´on entre circuitos integrados escalable y confiable para controlar un sistema de gesti´on de bater´ıas. El objetivo del pro-yecto se modific´o en que el estudio no se har´a en los protocolos industriales sino en los protocolos entre circuitos integrados en raz´on a que no necesita altas velocidades ni cubrir grandes distancias.

Objetivos Espec´ıficos

AP ´ENDICE A. RESUMEN EJECUTIVO 24

Figura A.1: Prototipo

Estudiar y comprender el funcionamiento de los protocolos de comunicaci´on entre circuitos inte-grados.

Dise˜nar una red de monitoreo de bater´ıas con el protocolo seleccionado.

implementaci´on del prototipo la red de BMS