Investigadors de la Universitat Rovira i Virgili participen en el desenvolupament d’un mètode innovador que identifica en temps real l’estat de càrrega i de salut de bateries d’emmagatzematge energètic

Els sistemes d’emmagatzematge d’energia en bateries són una part imprescindible en la transició energètica. Si bé és cert que plantegen reptes en la fabricació i gestió de residus un cop obsolets, no disposem encara d’alternatives viables per integrar fàcilment energies renovables. A més poden ajudar a estabilitzar la freqüència de funcionament de la xarxa elèctrica i tenen la capacitat d’aportar energia de manera immediata davant de pics de consum imprevistos. Perquè aquests sistemes siguin segurs, però, cal conèixer en tot moment l’estat de les bateries, és a dir, quanta energia acumulada tenen i en quin grau s’han degradat amb l’ús.

Aquests paràmetres s’estimen habitualment a partir de models elèctrics equivalents. Dit d’una altra manera, com que no es pot obrir la bateria per mesurar els components químics de l’interior, es construeix un model matemàtic simplificat que es comporta com la bateria real. Aquesta representació utilitza elements electrònics com ara resistències, que representen les pèrdues internes d’energia, i condensadors, que simulen com la bateria es comporta mentre acumula corrent. Així doncs, per comprovar l’estat de la bateria, s’aplica al sistema un determinat corrent que pertorba la bateria del seu funcionament preestablert. Observant el comportament de la bateria davant d’aquestes pertorbacions s’obté el model elèctric equivalent que determina la càrrega acumulada i el nivell de degradació de la bateria.

El problema és que aquestes pertorbacions poden afectar negativament la qualitat del corrent de la xarxa elèctrica. “A la pràctica això pot provocar el mal funcionament dels aparells elèctrics que hi hagi connectats al mateix punt de la xarxa”, explica Ramon Leyva, investigador del Departament d’Enginyeria Electrònica, Elèctrica i Automàtica de la URV. Leyva ha participat en un projecte de recerca internacional que proposa una solució a aquest problema: un sistema de control que permet monitorar l’estat de les bateries sense introduir distorsions a la xarxa.

La investigació es va centrar en sistemes d’emmagatzematge basats en convertidors modulars multinivell en cascada. Aquest tipus d’arquitectura, cada vegada més utilitzada en aplicacions de mitjana i alta tensió per la seva escalabilitat, està formada per mòduls independents. Cada mòdul integra una bateria, un convertidor de corrent continu —el tipus de corrent propi de les piles i bateries— a corrent altern —el que s’utilitza en el transport d’energia elèctrica i en el consum a les llars, és a dir, als endolls— i l’electrònica de control corresponent.

La solució que proposen aprofita els beneficis d’aquestes estructures modulars: en comptes d’aplicar una pertorbació a una sola bateria per monitorar-la, ho fan a totes les del sistema modular. Però les pertorbacions no s’apliquen alhora a tots els mòduls, sinó que s’executen de manera escalonada. Aquesta cadència fa que, quan les pertorbacions es troben a la sortida comuna cap a la xarxa, es cancel·lin entre elles. D’aquesta manera, cada bateria rep l’excitació necessària per ser analitzada però el corrent que arriba a la xarxa manté la seva forma habitual i no incorpora interferències.

Encara que, sobre el paper, amb el desfasament adequat entre pertorbacions podem fer que s’anul·lin entre elles, a la pràctica el mètode planteja alguns reptes. El més rellevant és el fet que petites variacions en el comportament de cada mòdul, que apareixen inicialment o amb el temps, fan impossible una cancel·lació completa de la pertorbació: “És gairebé impossible arribar als nivells de precisió necessaris per anular completament aquestes pertorbacions de manera sistemàtica”, reconeix Leyva. Per això, han implementat un algoritme de control basat en retroalimentació que monitora constantment les variacions del corrent elèctric de cada mòdul. Aquest mecanisme actua com un sistema autoregulable: detecta qualsevol desajust i el corregeix en temps real per garantir que la cancel·lació de les interferències sigui pràcticament perfecta a la sortida de la xarxa.

Per demostrar la validesa pràctica del mètode, l’equip investigador ha utilitzat un prototip de laboratori de 3,84kW, configurat amb quatre mòduls. Durant els assajos, el sistema va demostrar la seva robustesa: la distorsió es va mantenir al voltant del 2,9%, una xifra pràcticament idèntica a la del funcionament normal sense monitoratge  de les bateries i que compleix els estàndards de qualitat internacionals, lluny del 8% de distorsió que poden provocar altres mètodes d’observació d’estat de les bateries en què no es desfasen convenientment les pertorbacions.

Més enllà de la seva precisió, el mètode té altres avantatges respecte als convencionals. Com que l’arquitectura de control evita grans fluctuacions, és factible minimitzar el volum i el cost d’algunes parts dels mòduls que formen el sistema. La metodologia —desenvolupada per un equip investigador integrat per professionals de la Nanyang Technological University de Singapur, la Universitat de Melbourne,  la City University de Hong Kong i la URV— és escalable i compatible amb diversos tipus de configuracions i es pot aplicar a altres sistemes d’emmagatzematge energètic. Fins i tot podria utilitzar-se en infraestructures de recàrrega de vehicles elèctrics amb arquitectures modulars.

Referència: E. Nunes et al., “Online Monitoring of Batteries in Modular Multilevel Energy Storage Systems without Disturbing the Electrical Network,” in IEEE Transactions on Sustainable Energy, doi: 10.1109/TSTE.2026.3658335.