IoT real time system for monitoring lithium-ion battery long-term operation in microgrids

Abstract

Energy storage through Lithium-ion Batteries (LiBs) is acquiring growing presence both in commercially available equipment and research activities. Smart power grids, e.g. smart grids and microgrids, also take advantage of LiBs to deal with the intermittency of renewable energy sources and to provide stable voltage. In this context, monitoring and data acquisition tasks are required for the proper operation and continuous surveillance and tracking of the LiB. In this paper, a monitoring system devoted to visualizing the operation of a LiB is presented. Internet of Things (IoT) technology is used to deploy the system, namely, Grafana software is applied for data analytics and visualization, being hosted in a microcomputer Raspberry Pi. The user is able to access online to graphical and numerical real time information about the LiB magnitudes (current, voltage, temperature, state of charge, etc.). Such a LiB acts as the backbone of a microgrid which hybridizes photovoltaic power with hydrogen generation and consumption. The proposal is a novelty in scientific literature since it overcomes limitations identified in previous works such as absence of long-term operation, of medium-scale power/capacity, of alerts for safe range of critical magnitudes, of real operating conditions, and of compatibility/interoperability management. The design and implementation of the monitoring system is reported together with experimental data of the LiB to prove its feasibility and successful performance.

El almacenamiento de energía a través de Baterías de Ion-Litio (LiBs) está adquiriendo una presencia creciente tanto en equipos disponibles comercialmente como en actividades de investigación. Redes eléctricas inteligentes, e.g. Las redes inteligentes y las microrredes también aprovechan los LiB para hacer frente a la intermitencia de las fuentes de energía renovable y proporcionar un voltaje estable. En este contexto, se requieren tareas de monitoreo y adquisición de datos para el correcto funcionamiento y vigilancia y seguimiento continuo del LiB. En este artículo se presenta un sistema de monitoreo dedicado a visualizar el funcionamiento de un LiB. Para implementar el sistema se utiliza la tecnología Internet of Things (IoT), es decir, se aplica el software Grafana para el análisis y la visualización de datos, alojado en una microcomputadora Raspberry Pi. El usuario puede acceder en línea a información gráfica y numérica en tiempo real sobre las magnitudes de LiB (corriente, voltaje, temperatura, estado de carga, etc.). Tal LiB actúa como la columna vertebral de una microrred que hibrida la energía fotovoltaica con la generación y el consumo de hidrógeno. La propuesta es una novedad en la literatura científica ya que supera las limitaciones identificadas en trabajos anteriores como la ausencia de operación a largo plazo, de potencia/capacidad de mediana escala, de alertas para rango seguro de magnitudes críticas, de condiciones reales de operación y de compatibilidad/gestión de la interoperabilidad. El diseño e implementación del sistema de monitoreo se reporta junto con datos experimentales del LiB para probar su factibilidad y desempeño exitoso.