Alto voltaje de baterías de plomo-ácido
A continuación, tomemos el ejemplo de una batería de iones de litio utilizada en una herramienta eléctrica inalámbrica o una bicicleta eléctrica. Este diseño admite dos MOSFET para controlar una única ruta de carga y descarga de corriente, y también puede admitir rutas de carga y descarga independientes si es necesario.
El diseño tiene monitoreo de corriente de la batería, monitoreo de voltaje de celda única, monitoreo de temperatura de la batería y funciones de equilibrio de energía rápido. La corriente de equilibrio puede alcanzar 200 mA en condiciones de sobrecorriente y cortocircuito. En este ejemplo, el ISL9208 se utiliza como interfaz analógica (AFE) y funciona con un microcontrolador externo.
AFE implementa la conversión de nivel del voltaje de la celda de la batería y envía el voltaje real de la celda de la batería al microcontrolador a través del puerto de salida analógica (AO). El microcontrolador utiliza esta información para monitorear el estado de cada celda de la batería durante la carga y descarga. También se puede usar para equilibrar la energía. Mientras proporciona un voltaje analógico para cada celda de la batería, el AFE también puede informar cualquier error al microcontrolador. Los FET de carga y descarga pueden controlarse directamente mediante el ISL9208, que proporciona un mecanismo de protección automática que minimiza la posibilidad de retrasos de protección causados por condiciones de error críticas, como sobrecorriente o cortocircuito del microcontrolador. En modo carga/descarga, esta función se puede desactivar. Si esta función de protección automática está desactivada, el ISL9208 continuará monitoreando la corriente e informará los errores al microcontrolador, que controlará el ISL9208 para apagar el MOSFET. Esto brinda a los diseñadores de sistemas la flexibilidad para implementar algoritmos especiales de gestión de carga. Como se muestra en la Figura 1, para baterías que requieren más de 7 celdas de batería conectadas en serie, se puede adoptar fácilmente una solución de chipset que consta de un microcontrolador y varios AFE.
¿Estatura? 1
Para ilustrar el funcionamiento típico de esta batería y sistema, usemos una simple sierra circular inalámbrica como ejemplo. En este ejemplo, el dispositivo de monitoreo y protección de la batería establece el punto de disparo por sobrecorriente en 50 A y el punto de disparo por cortocircuito en 100 A. Si el evento de sobrecorriente se elimina dentro de 125 ms, o la corriente de carga excede el límite de corriente de cortocircuito, se considera que ha ocurrido una falla grave y la herramienta eléctrica se apagará. La siguiente imagen muestra una descripción general.
¿Estatura? 2
En la fase a, la herramienta parte del estado de reset inicial. Una motosierra requiere más de 80 A para arrancar el motor. Cuando la sierra eléctrica está girando, si el motor no funciona, solo se necesita una corriente de 4 A ~ 6 A para mantener el motor en funcionamiento.
En la etapa B, el usuario comienza a cortar un trozo de madera seca. La sierra eléctrica requiere una corriente de 10 A ~ 20 A ~ 20 A para mantener la operación de corte normal.
En la etapa c, si los dientes de la sierra eléctrica están nudos, o la hoja de la sierra se atasca durante el corte, la carga puede aumentar a 60A en un corto período de tiempo, lo que se considerará una sobrecorriente. . Suponiendo que el usuario reduce inmediatamente la fuerza ejercida sobre la hoja de la sierra, la carga caerá por debajo del nivel de protección contra sobrecorriente dentro del tiempo permitido de 128 ms y la sierra continuará funcionando normalmente.
En la etapa d, el usuario quiere cortar madera, lo que aumenta en consecuencia la potencia y la corriente de carga en la hoja de sierra. El circuito de protección de monitoreo primero pensará que hay sobrecorriente y luego pensará que hay un cortocircuito. Debido a que un cortocircuito se considera una falla grave, la descarga de la batería se detendrá inmediatamente y la hoja de sierra se detendrá inmediatamente. Tenga en cuenta que las señales de indicación de sobrecorriente y cortocircuito se generan internamente en el ISL9208 y los errores se transmiten al microcontrolador a través de la interfaz I2C.
La indicación de falla digital en la Figura 2 es impulsada por el circuito de protección y monitoreo analógico del AFE.
En circuitos bien diseñados, estos circuitos filtran la señal para evitar un apagado falso. Por ejemplo, la familia de productos ISL9208 de Intersil ofrece una serie de umbrales de voltaje, corriente y tiempo que los usuarios pueden programar para aplicaciones específicas, incluyendo:
Umbral de sobrecorriente de descarga L4
Umbral de cortocircuito L4
Umbral de sobrecorriente de carga L4
Tiempo de retardo de sobrecorriente L8 (carga)
Tiempo de retardo de sobrecorriente L8 (descarga)
Retardo de cortocircuito L2 Tiempo (descarga)
Estos umbrales brindan a los diseñadores una gran flexibilidad para manejar las curvas de descarga de varios dispositivos. Por ejemplo, en herramientas eléctricas, cuando la batería se instala por primera vez en la herramienta, la capacidad de la herramienta para comunicar valores extremos a la batería puede ser útil porque diferentes herramientas tienen diferentes curvas de descarga. Esta tecnología adapta las características de la batería a la herramienta/aplicación, permitiendo a los usuarios aprovechar al máximo su dispositivo.
La sobretensión y la subtensión de las células individuales también son indicadores de seguimiento importantes. Si el voltaje de cualquier celda de la batería excede el límite superior especificado por el fabricante, se debe apagar la carga para evitar una situación potencialmente peligrosa. Del mismo modo, si el voltaje de cualquier celda de la batería cae por debajo del límite de corte de descarga especificado por el fabricante, se debe desactivar la función de descarga. En situaciones en las que el voltaje de la celda de la batería es muy bajo, es posible que se requieran diferentes técnicas de carga por razones de seguridad y es posible que también sea necesario apagar la batería por completo. Un microcontrolador lee el voltaje de cada celda de la batería para poder filtrarlo digitalmente, eliminando el ruido y mejorando la precisión del sistema.
Como se mencionó anteriormente, algunas baterías pueden tener funciones que monitorean y controlan el flujo de corriente durante los ciclos de carga y descarga. En baterías que pueden monitorear la corriente en dos ciclos simultáneamente, el ciclo de carga se retrasará cuando ocurra un evento de sobrecorriente o cortocircuito. Usando un conjunto independiente de límites de carga, el AFE proporciona una indicación similar al microcontrolador, y el ISL9208 luego apaga el MOSFET de carga usando la función de protección automática, o reportando la condición de error al microcontrolador y dejando que el microcontrolador después de ejecutar la firmware de manejo de errores apropiado. El controlador ordena al ISL9208 que apague el MOSFET.
No solo es necesario controlar el voltaje de la celda de la batería y la corriente del paquete de batería, sino también la temperatura de la batería. La mayoría de los fabricantes de baterías proporcionarán límites de temperatura superior e inferior para la carga y descarga. En baterías densamente empaquetadas, la diferencia de temperatura entre las celdas de la zona central y las del exterior puede superar los 15°C durante las fases de carga y descarga. Debido a la gran cantidad de celdas y al ensamblaje denso, se necesitan varias horas para que cada parte de la batería alcance la misma temperatura requerida para una carga segura después de un período de descarga profunda. La siguiente imagen muestra la temperatura de cada celda de la batería 10S2P después de una descarga profunda a 25°C. La temperatura de la celda central es aproximadamente 11°C más alta que la de las celdas exteriores.
Debido a que muchos fabricantes de celdas de batería solo permiten que las baterías se carguen dentro del rango de temperatura de 5 ℃ ~ 45 ℃, la ubicación y precisión del circuito de monitoreo de temperatura son muy importantes. La mayoría de los fabricantes de baterías permiten un rango de temperatura de descarga más amplio. El rango de temperatura de descarga típico es de -10 °C a 60 °C, y algunas composiciones químicas de las celdas pueden descargarse en un rango de temperatura ligeramente más amplio. Debido al estrecho rango de temperatura permitido para la carga, puede ser necesario calentar o enfriar la batería antes de cargarla. Debido a limitaciones de costo y espacio, los equipos de calefacción y refrigeración a menudo se montan en la base de carga en lugar de dentro de la batería. El microcontrolador de la batería y el controlador de la base de carga se transmitirán información de temperatura entre sí.
Hasta ahora, sólo hemos considerado la seguridad de las baterías de alta potencia. Cuando la seguridad es el factor más importante en el diseño de una batería, los productos bien diseñados también toman las medidas adecuadas para ayudar a garantizar una buena experiencia de usuario. Las generaciones más nuevas de baterías de litio suelen contener más celdas y se agregan circuitos de protección y monitoreo a la batería y al sistema. El costo de agregar o reemplazar baterías será mayor en comparación con las baterías de níquel-cadmio anteriores. Los usuarios de estas baterías de próxima generación no sólo esperan experimentar un rendimiento mejorado, sino también tiempos de funcionamiento más prolongados y tiempos de carga más cortos. Una forma de mejorar la experiencia del usuario es equilibrar la carga de la batería.
El balanceo de energía es una técnica que mantiene todas las baterías en el mismo estado de carga.
Cuantas más celdas se conecten en serie, mayores serán los beneficios de la tecnología de equilibrio de energía para mejorar el rendimiento de la batería y extender su vida útil. La mayoría de las baterías proporcionadas por el mismo fabricante (especialmente las baterías del mismo lote) coinciden en su capacidad para aceptar, retener y liberar carga. Sin embargo, pequeñas diferencias entre las celdas de la batería y las diferencias de temperatura entre las celdas de la batería durante la carga y descarga pueden causar desequilibrios. Estos desequilibrios pueden reducir significativamente la disponibilidad de la batería.
Para cualquier batería, una vez que el voltaje de la celda de la batería alcanza el voltaje de terminación de carga especificado por el fabricante, se debe detener el proceso de carga. Asimismo, se debe detener el proceso de descarga una vez que el voltaje de la batería alcance el voltaje de terminación de descarga especificado por el fabricante. En una batería desequilibrada, el proceso de carga finaliza cuando el voltaje de la primera celda alcanza el voltaje de corte de carga. Cuando el voltaje de la primera celda de la batería alcanza el voltaje de corte de descarga, el proceso de descarga finaliza. Algunas celdas de batería se cargarán y descargarán más rápido que otras debido a su ubicación física en la batería o a diferencias sutiles en el proceso de fabricación de las celdas. En una celda balanceada, la carga se transfiere de una celda en serie de alto potencial a una celda en serie de bajo potencial. Las baterías conectadas en paralelo pueden lograr el autoequilibrio. Este proceso puede ocurrir a medida que la batería se carga y descarga, aunque para simplificar, generalmente se autoequilibra durante el ciclo de carga.
El siguiente diagrama muestra los efectos de las celdas desequilibradas en una batería durante múltiples ciclos de carga y descarga. Cuando se integran inicialmente en una batería, todas las celdas de la batería están bien adaptadas y en el mismo estado de carga, pero después de varios ciclos de carga y descarga, gradualmente se desequilibran. Esto resultará en una enorme pérdida de capacidad de la batería y reducirá en gran medida su disponibilidad. Muchos usuarios de portátiles se encontrarán con esta situación, después de usarlo durante varios meses, la batería que originalmente duraba cuatro horas se agotará en menos de cuatro horas.
En el pasado, los argumentos sobre la tecnología de equilibrio de energía a menudo se basaban en el hecho de que la tecnología de equilibrio de energía requiere tiempos de carga más prolongados o es un diseño demasiado complejo para implementarlo a un costo razonable. Este argumento ya no es válido. La familia de dispositivos ISL9208 utiliza FET de equilibrio interno que pueden manejar hasta 200 mA de corriente de equilibrio, lo que permite el equilibrio de energía de forma rápida y sencilla a bajo costo.
Los usuarios de baterías de litio esperan con impaciencia el menor peso, el mayor rendimiento y otros beneficios de estos nuevos productos. Al emplear las tecnologías anteriores, se pueden diseñar baterías de alta potencia que cumplan con todos los requisitos de seguridad y tengan una rica experiencia de usuario a un costo razonable. Utilizando AFE integrados, como la familia de dispositivos ISL9208, los diseñadores pueden diseñar productos excelentes con componentes externos mínimos y un costo total relativamente bajo.