Battery Rack: o que é e como funciona num sistema BESS

Um Battery Rack, ou rack de baterias, é uma estrutura mecânica e elétrica que agrupa vários módulos ou packs de baterias para formar uma unidade de armazenamento com maior tensão e capacidade num BESS (Battery Energy Storage System).

Num sistema de armazenamento de grande escala, as células individuais não são ligadas diretamente ao inversor ou ao sistema elétrico. São organizadas hierarquicamente em diferentes níveis (célula, módulo, rack e sistema) até se atingir a tensão, a energia e a potência necessárias para operar o ativo.

O battery rack constitui, por isso, um dos níveis fundamentais desta arquitetura. Além de suportar fisicamente os módulos, integra ligações elétricas, monitorização, proteções e comunicações que permitem operar o conjunto de baterias de forma coordenada e segura.

Em grandes sistemas Utility Scale, vários battery racks podem ligar-se a um barramento DC comum e funcionar em conjunto com o PCS (Power Conversion System), que converte a corrente contínua das baterias em corrente alternada para a troca de energia com a rede elétrica.

Como é constituído um Battery Rack?

A arquitetura exata de um battery rack depende do fabricante, da química utilizada, da tensão do sistema e do projeto geral do BESS. Não existe uma configuração universal.

No entanto, um rack de baterias inclui normalmente vários elementos fundamentais:

  • Módulos de bateria: contêm grupos de células eletroquímicas ligadas eletricamente e constituem os blocos básicos que formam o rack.
  • Estrutura mecânica: suporta e fixa os módulos, mantendo as distâncias, a acessibilidade e a resistência necessárias durante a operação.
  • Barramentos e ligações DC: ligam eletricamente os diferentes módulos e permitem obter a tensão total necessária.
  • BMS do rack: supervisiona parâmetros como tensão, corrente, temperatura, estado de carga (SoC) e diferentes estados de alarme.
  • Contactores: permitem ligar ou isolar eletricamente o rack em relação ao barramento DC do sistema.
  • Fusíveis e proteções: fornecem proteção contra determinadas condições de sobrecorrente ou falha elétrica.
  • Circuito de pré-carga: permite limitar determinadas correntes transitórias antes de ligar completamente o rack ao barramento DC.
  • Sensores: podem monitorizar temperatura, tensão, corrente, isolamento ou outros parâmetros relevantes.
  • Desconexão de serviço: determinados projetos incluem elementos que permitem isolar o rack durante intervenções de manutenção.

Nos sistemas modernos, toda esta informação é integrada numa arquitetura de controlo hierarquizada. O BMS de cada módulo comunica com o controlador do rack, que, por sua vez, pode comunicar com um BMS de nível superior e com o EMS (Energy Management System).

Infografia sobre os principais componentes de um Battery Rack num sistema BESS, com módulos, busbars, BMS, contactores, sensores e estrutura
Um Battery Rack integra módulos de bateria, ligações elétricas, sistemas de controlo, proteções e comunicações na arquitetura de um BESS.

Da célula ao BESS: Cell, Module, Rack e Container

Para compreender o que é um battery rack, é útil analisar como se constrói um sistema de armazenamento a partir do seu elemento mais pequeno.

A arquitetura habitual pode ser representada assim:

Célula → Módulo / Pack → Battery Rack → Sistema de baterias → BESS

Célula de bateria

A célula é a unidade eletroquímica básica. Numa bateria de iões de lítio, é nela que a energia é fisicamente armazenada e libertada através de reações eletroquímicas reversíveis.

Módulo de bateria

Várias células são ligadas entre si para formar um módulo de bateria. Consoante o projeto, podem ser ligadas em série, em paralelo ou através de uma combinação das duas configurações.

O módulo facilita a montagem, a monitorização, a manutenção e o fabrico do sistema completo.

Battery Rack

Vários módulos são integrados num battery rack. Em muitos sistemas estacionários de alta tensão, os módulos são ligados principalmente em série dentro do rack para atingir a tensão DC de operação necessária.

Armário de baterias ou contentor

Um ou vários racks podem ser instalados num armário de baterias, sala técnica ou contentor.

É importante não utilizar estes conceitos como sinónimos. Um battery rack é a estrutura que agrupa eletricamente os módulos, enquanto um armário ou contentor é o recinto físico que pode alojar racks juntamente com climatização, proteção contra incêndios, comunicações e outros sistemas auxiliares.

A terminologia concreta pode variar entre fabricantes, sobretudo no uso de palavras como module, pack, cluster, rack ou string, pelo que se deve sempre verificar a arquitetura definida por cada OEM.

Como são ligados os módulos dentro de um Battery Rack?

Uma das principais funções do battery rack é atingir a tensão DC necessária para que o sistema opere de forma eficiente com o PCS. Quando módulos idênticos são ligados em série, as suas tensões somam-se, enquanto a capacidade expressa em Ah permanece aproximadamente igual.

Vrack = Nseries × Vmodule

A energia nominal pode ser calculada de forma simplificada como:

Erack = Vrack × Ah / 1.000

onde:

  • Erack = energia nominal do rack em kWh.
  • Vrack = tensão nominal do rack.
  • Ah = capacidade nominal em amperes-hora.

Exemplo de capacidade de um Battery Rack

Suponhamos, apenas como exemplo didático, que um rack inclui 16 módulos ligados em série e que cada módulo tem:

  • Tensão nominal: 51,2 V.
  • Capacidade: 280 Ah.

A tensão nominal do rack seria:

16 × 51,2 V = 819,2 V

E a sua energia nominal aproximada:

819,2 V × 280 Ah / 1.000 = 229,4 kWh

Esse battery rack teria, portanto, aproximadamente 229 kWh de energia nominal. Isto não significa que toda essa energia possa ser utilizada em quaisquer condições. A energia útil dependerá de parâmetros como o intervalo operativo de SoC, a profundidade de descarga, a temperatura, a degradação, os limites de corrente e a estratégia definida pelo BMS.

Battery Racks em série e em paralelo

A diferença entre ligações em série e em paralelo é fundamental para compreender a arquitetura elétrica de um BESS. Dentro de um rack, é frequente utilizar ligações em série para aumentar a tensão. Posteriormente, vários racks podem ser ligados em paralelo a um barramento DC para aumentar a capacidade energética e a corrente disponível para o sistema. De forma simplificada:

  • Ligação em série → aumenta a tensão.
  • Ligação em paralelo → aumenta a capacidade e a corrente disponível.

Por exemplo, se cada rack tiver 229 kWh e um sistema integrar 20 racks equivalentes, a energia nominal agregada seria aproximadamente:

20 × 229,4 kWh = 4.588 kWh ≈ 4,59 MWh

Na prática, a arquitetura elétrica deve também analisar os limites de corrente, as proteções, a cablagem, a queda de tensão, a coordenação do BMS e as características do PCS.

O que faz o BMS dentro de um Battery Rack?

O Battery Management System é um dos elementos fundamentais do battery rack. A sua função não se limita a mostrar a percentagem de bateria disponível. O BMS supervisiona continuamente as condições elétricas e térmicas das células e dos módulos para manter o sistema dentro dos seus limites de funcionamento. Entre os parâmetros e as funções habituais encontram-se:

  • Tensão individual das células.
  • Tensão total do módulo e do rack.
  • Corrente de carga e descarga.
  • Temperaturas.
  • Estado de carga (SoC).
  • Estado de saúde (SoH).
  • Equilíbrio das células.
  • Deteção de condições anómalas.
  • Gestão dos contactores.
  • Comunicação com sistemas de nível superior.

Uma diferença excessiva entre células pode limitar o desempenho de todo o rack. Se uma célula atingir o seu limite superior ou inferior de tensão antes das restantes, o BMS poderá ter de limitar a carga ou descarga do conjunto. Por isso, o desempenho de um battery rack não depende apenas da sua capacidade nominal. Depende também da uniformidade e do estado das suas células.

Battery Rack, PCS e barramento DC: como flui a energia

Num BESS de grande escala, os battery racks constituem a parte eletroquímica do sistema, mas precisam de ser integrados com diferentes equipamentos para poderem trocar energia com a rede. De forma simplificada, o fluxo elétrico pode ser representado assim:

Células de bateria → Módulos → Racks → Barramento DC → PCS → Transformador → Rede

Durante a descarga, a energia armazenada nos racks circula através do barramento DC até ao PCS, que transforma a corrente contínua em corrente alternada. Durante a carga ocorre o processo inverso: o PCS recebe corrente alternada da rede e converte-a em corrente contínua para carregar os battery racks. O EMS coordena quando e quanto o sistema deve carregar ou descarregar, de acordo com a estratégia operacional do ativo.

Em aplicações como arbitragem de energia, serviços de regulação, Peak Shaving ou integração de energias renováveis, esta coordenação pode alterar-se constantemente em função dos preços, das instruções da rede e do estado da bateria.

Segurança e proteção de um Battery Rack

Um battery rack pode funcionar com tensões DC elevadas e grandes quantidades de energia armazenada, pelo que o seu projeto deve considerar os riscos elétricos, eletroquímicos e térmicos. A IEC 62619 estabelece requisitos de segurança para células e baterias secundárias de lítio utilizadas em aplicações industriais, incluindo sistemas estacionários de armazenamento.

A IEC 63056 estabelece requisitos adicionais de segurança para células e baterias de lítio utilizadas especificamente em sistemas de armazenamento de energia elétrica e abrange sistemas com tensão nominal DC até 1.500 V. Entre os elementos que podem contribuir para a segurança de um rack encontram-se:

  • BMS e monitorização contínua.
  • Fusíveis e proteções elétricas.
  • Contactores de isolamento.
  • Monitorização do isolamento.
  • Monitorização da temperatura.
  • Sistemas de climatização.
  • Deteção de gases ou fumo, consoante o projeto.
  • Sistemas de deteção e proteção contra incêndios ao nível da instalação.

Um dos riscos específicos das baterias de iões de lítio é o thermal runaway, ou fuga térmica, uma condição em que determinadas reações internas podem provocar um aumento rápido e autossustentado da temperatura. O projeto do sistema deve considerar não só como reduzir a probabilidade de ocorrência de uma falha, mas também como evitar ou limitar a sua propagação entre células, módulos, racks e outros elementos do BESS.

A norma IEC 62933-5-2 aborda a segurança dos sistemas de armazenamento eletroquímico integrados na rede numa perspetiva de sistema e considera as interações entre os seus diferentes subsistemas.

Que parâmetros definem o desempenho de um Battery Rack?

Comparar battery racks apenas pelos seus kWh pode levar a conclusões incompletas. Para avaliar corretamente um rack, devem analisar-se em conjunto diferentes parâmetros técnicos.

  • Energia nominal (kWh): quantidade teórica de energia armazenada.
  • Energia útil (kWh): energia efetivamente disponível dentro da janela operacional estabelecida.
  • Tensão nominal (V): tensão de referência do conjunto.
  • Intervalo de tensão: valores mínimo e máximo durante a carga e descarga.
  • Capacidade (Ah): quantidade de carga elétrica armazenada.
  • Corrente máxima: condiciona a potência máxima que o rack pode fornecer ou absorver.
  • C-rate: relação entre potência/corrente e capacidade energética da bateria.
  • DoD: profundidade de descarga permitida.
  • Eficiência: perdas durante os ciclos de carga e descarga.
  • SoH: estado de saúde da bateria relativamente à sua condição inicial.
  • Ciclos e degradação: evolução da capacidade e da resistência interna com a utilização e o tempo.
  • Temperatura de funcionamento: influencia o desempenho, o envelhecimento e a segurança.

Além disso, a potência máxima do BESS não pode ser determinada observando apenas o battery rack. Também é condicionada pelo número de racks ligados, pelos limites do BMS, pelo barramento DC, pelo PCS, pelo transformador e pelas restrições de ligação do projeto.

Battery Rack e degradação de um BESS

A degradação de um BESS ocorre ao nível da célula, mas os seus efeitos acabam por se manifestar ao nível do módulo, do rack e do sistema completo. Habitualmente, distinguem-se dois mecanismos:

  • Calendar ageing: degradação causada pela passagem do tempo, mesmo quando a bateria não está a realizar ciclos.
  • Cycle ageing: degradação relacionada com os ciclos de carga e descarga.

Fatores como a temperatura, o SoC médio, a profundidade de descarga, a corrente e a frequência dos ciclos afetam a velocidade de degradação. Em sistemas com muitos battery racks também pode ocorrer rack-to-rack imbalance, ou seja, diferenças de capacidade, resistência ou SoC entre os vários racks.

Uma estratégia adequada de O&M e monitorização permite identificar desvios de temperatura, tensão ou desempenho antes de provocarem perdas significativas de disponibilidade ou capacidade. Por este motivo, a análise de dados ao nível do rack constitui uma ferramenta fundamental para avaliar o estado técnico e económico de um BESS durante toda a sua vida útil.