Las baterías recargables son los componentes fundamentales de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS). Hoy en día, cada vez se combinan más sistemas químicos diferentes en paquetes de baterías que constan de docenas, cientos o incluso miles de celdas, logrando un funcionamiento más eficiente a voltajes más altos. Para los diseñadores de sistemas de gestión de baterías (BMS), esta estructura de diseño enfrenta muchos desafíos para lograr un rendimiento, eficiencia, confiabilidad y seguridad óptimos.
Por ejemplo, diseñar o seleccionar circuitos integrados (CI) que cumplan con los requisitos de la aplicación requiere un conocimiento profundo de la química de la batería, la carga, el monitoreo, el equilibrio de carga, el aislamiento, la seguridad y las tecnologías de comunicación para garantizar una implementación eficiente.
Con este fin, los proveedores han integrado muchas funciones necesarias en circuitos integrados dedicados que son esencialmente independientes de los procesadores. Muchos modelos de este tipo de circuitos integrados no solo admiten múltiples sistemas químicos de baterías de litio, sino que también son compatibles con celdas de baterías que no son de litio. Este tipo de CI recopila datos de las celdas de la batería y toma decisiones y acciones óptimas de gestión de la batería en tiempo real. Además, estos tipos de circuitos integrados también proporcionan datos al procesador del sistema sobre el estado de la celda de la batería y el estado operativo.
Este artículo presentará brevemente los requisitos técnicos únicos de los grupos de células múltiples. Luego, presente los circuitos integrados optimizados especializados avanzados de Analog Devices y explique cómo utilizar estos circuitos integrados para cumplir con los requisitos anteriores.
Múltiples celdas de batería traerán más desafíos
El diagrama de circuito básico de un paquete de baterías puede parecer simple, pero en realidad incluye múltiples celdas de batería que obtienen un voltaje más alto a través de una conexión en serie y una corriente más grande a través de una conexión en paralelo. Esto significa que dichas configuraciones son simplemente una simple extensión de paquetes de baterías de una o pocas celdas, y casi no requieren administración adicional. Este paquete de baterías de celdas múltiples es adecuado para herramientas eléctricas que requieren 18 V o 48 V, vehículos eléctricos (EV) que requieren 400 V u 800 V y sistemas BESS que normalmente requieren 1500 V.
La situación real de estos paquetes de baterías más grandes es que sus detalles y complejidad exceden con creces lo que se muestra en sus diagramas de circuito. A medida que aumenta el número de celdas y paquetes de baterías, la dificultad de abordar estos desafíos crece exponencialmente.
En primer lugar, es necesario monitorear la celda de la batería para rastrear su voltaje terminal, curva de descarga de carga, estado de carga (SoC), temperatura y características precursoras de fallas. Además, es necesario gestionar las diferentes celdas de la batería de manera uniforme y registrar y considerar sus diferencias.
La falta de un conjunto de reglas universales aumentará aún más la complejidad de la gestión de las celdas de la batería. Además, la idoneidad de la estrategia de gestión adoptada depende de las características químicas de las celdas de la batería. Las estrategias de gestión adoptadas para diferentes sistemas químicos importantes son diferentes (como las baterías de iones de litio (Li ion) y de plomo-ácido), y dentro del mismo sistema químico generalizado (como varias formulaciones de baterías de iones de Li), las estrategias de gestión utilizadas también son diferentes. Por lo tanto, las estrategias avanzadas de gestión de BMS deben personalizarse según las características químicas de las celdas de batería gestionadas.
Debido a la gran cantidad de celdas de batería contenidas en paquetes de baterías de alto voltaje y alta capacidad, que deben cumplir numerosos estándares de seguridad, monitorear y administrar celdas de batería locales es actualmente la solución de ingeniería más factible. Aunque el sistema suele estar equipado con un procesador principal, normalmente sólo puede emitir instrucciones reglamentarias avanzadas para el seguimiento local de las células y evaluar el rendimiento general del paquete de baterías. El monitoreo y la gestión de una sola celda de batería se logra mediante un sistema electrónico autónomo que proporciona funcionalidad en tiempo real y opera principalmente sin la necesidad de intervención del procesador a nivel del sistema.
Equilibrio de batería pasivo y activo
El equilibrio de las celdas es particularmente importante para mantener la integridad de múltiples grupos de celdas, garantizar que algunas celdas no se dañen debido a una sobrecarga y evitar que otras baterías queden inactivas debido a una baja utilización. El equilibrio de las celdas puede evitar daños a las celdas y a los paquetes de baterías, maximizando así el rendimiento. El equilibrio de celdas garantiza que todas las celdas del paquete de batería alcancen su capacidad máxima simultáneamente, evitando la sobrecarga, el desequilibrio del SoC, la sobredescarga y el envejecimiento prematuro, lo que en última instancia extiende la vida útil de la batería.
Hay dos métodos para el equilibrio celular: equilibrio activo y pasivo. La ecualización activa es más precisa y rápida que la pasiva, pero es más compleja de implementar. El equilibrio activo utiliza tecnología de circuito activo para redistribuir la carga entre cada celda del paquete de baterías, asegurando que el SoC de todas las celdas se mantenga constante. Este circuito monitorea el voltaje de cada celda de la batería y ajusta las corrientes de carga y descarga en consecuencia según los resultados del monitoreo.
Por el contrario, el equilibrio pasivo se basa en la ley de Ohm y en resistencias de equilibrio para ajustar la celda al mismo estado de SoC. Además de la baja precisión y la baja velocidad, el equilibrio pasivo también puede disipar (desperdiciar) el exceso de energía en celdas de batería con alto contenido de energía.
A partir del monitoreo de múltiples células
Aunque ya existe una gran cantidad de soluciones ESS en el mercado, las dos funciones principales de BMS aún residen en el monitoreo y el equilibrio de las celdas de la batería. El circuito integrado ADES1830CCSZ que se muestra en la Figura 1, como monitor de batería de sistema multiquímico, de múltiples celdas y 16 canales, no solo logra las funciones anteriores, sino que también integra numerosas características clave que ayudan a simplificar el diseño y la operación general del sistema.
Monitor celular ADES1830CCSZ de Analog Devices con múltiples celdas y sistemas químicos (haga clic para ampliar)
Figura 1: El monitor celular ADES1830CCSZ con múltiples celdas y múltiples sistemas químicos se utiliza como componente básico de un BMS integral. (Fuente de la imagen: dispositivos analógicos)
Este monitor de grupo de celdas múltiples puede medir hasta 16 celdas conectadas en serie, con un error de medición total (TME) de menos de 2 mV en todo el rango de temperatura; mientras que el TME de otros ADES1831CCSZ con las mismas especificaciones es ligeramente superior, de 5 mV. El rango de entrada de medición de -2 V a 5,5 V hace que ADES1830 y ADES1831 sean adecuados para la mayoría de los materiales químicos de las baterías.
Para mantener la coherencia al monitorear paquetes de baterías que contienen una gran cantidad de celdas, todas las celdas se pueden medir de manera redundante y sincrónica a través de convertidores analógicos a digitales (ADC) integrados duales. Estos convertidores de analógico a digital (ADC) funcionan continuamente a una alta velocidad de muestreo de 4,096 megamuestras por segundo (MSPS), lo que reduce el uso de filtros analógicos externos y logra resultados de medición sin aliasing. Si es necesario, se puede lograr una reducción de ruido adicional a través de filtros de respuesta de impulso infinito (IIR) programables aguas abajo. ADES1830 y ADES1831 también tienen función de equilibrio pasivo, que se logra mediante el control del ciclo de trabajo de modulación de ancho de pulso (PWM) independiente y admiten una corriente de descarga de hasta 300 mA por celda.
Aunque un solo dispositivo ADES1830 o ADES1831 solo admite 16 celdas en serie, se pueden conectar en cascada varios dispositivos para monitorear simultáneamente las celdas de un paquete de baterías de alto voltaje de cadena larga. Para lograr la interconexión entre los chips IC, cada dispositivo está equipado con una interfaz de puerto serie aislado (isoSPI), que está eléctricamente aislada a través de condensadores o transformadores seleccionados por el usuario para lograr una comunicación de alta velocidad a larga distancia que pueda resistir la interferencia de radiofrecuencia.
Mediante este método, una única conexión de procesador principal puede leer datos y monitorear toda la cadena de baterías. Este enlace de puerto serie permite la comunicación bidireccional, lo que garantiza la integridad de los datos incluso en caso de fallas en la ruta de comunicación.
Para optimizar la aplicabilidad de estos detectores de múltiples celdas, Analog Devices lanzó la placa de evaluación EV-ADES1830CCSZ (Figura 2, izquierda). Para estar más cerca de la realidad, se pueden conectar múltiples placas de evaluación a través de la interfaz isoSPI para monitorear una larga cadena de celdas en el paquete de baterías (en el lado derecho de la Figura 2).