Los sistemas de baterías recargables de gran tamaño y altas tensiones se han convertido en fuentes de alimentación de uso habitual para aplicaciones que van desde vehículos eléctricos hasta sistemas de nivelación de carga para la red eléctrica. Estas pilas de baterías de gran tamaño están compuestas generalmente por matrices serie / paralelo de células de polímero de litio o LiFePO4 debido a su elevada densidad de energía y potencia de pico.

Figura 1. Topologías habituales de equilibrado de célula.

Al igual que en las aplicaciones de una sola célula, es fundamental realizar un control cuidadoso de la carga y la monitorización de las células para asegurar un funcionamiento seguro y evitar un envejecimiento prematuro o que la batería resulte dañada.
No obstante, a diferencia de los sistemas de una sola célula, las pilas de baterías conectadas en serie añaden un nuevo requisito: el equilibrado de la célula.

Todas las células conectadas en serie se han de equilibrar
Las células que contiene una pila de batería están “equilibradas” cuando cada célula de la pila posee el mismo estado de carga (state of charge, SoC). El SoC corresponde a la capacidad restante de una célula determinada en relación a su capacidad máxima a medida que la célula se carga y descarga. Todas las células de la batería se deben mantener dentro de un rango de SoC para evitar que resulte dañada o que se degrade a lo largo de su vida operativa. Las aplicaciones que necesitan la vida operativa más prolongada de la batería pueden utilizar un rango del 30% a 70% del SoC para todas las células. Éstos son los límites habituales del SoC en vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento en la red, que utilizan baterías muy grandes y muy caras.

El SoC relativo para las células conectadas en serie se irá dispersando a lo largo del tiempo debido a los gradientes de temperatura o las diferencias de impedancia, las tasas de autodescarga o la carga de célula a célula. Una técnica de equilibrado pasivo, como el mostrado en la Figura 1A, es una manera sencilla y económica de forzar a todas las células a igualar la célula con el SoC más bajo. Ahora bien, el equilibrado pasivo es lento, genera calor no deseado y no soluciona las diferencias de SoC provocadas por la desigual capacidad de las células. Todas las células pierden capacidad a medida que envejecen y lo hacen a distintas velocidades. Debido a que la corriente de la pila circula igualmente hacia y desde las células, la capacidad útil de la pila se ve determinada por la célula de menor capacidad de la pila. Sólo los métodos de equilibrado active como el mostrado en las Figuras 1B y 1C pueden compensar la capacidad de pila “perdida” por los desajustes entre células.

El desajuste entre células reduce el tiempo de funcionamiento
El desajuste entre células puede reducir severamente la capacidad utilizable de la pila de batería a menos que se equilibren las células. En el ejemplo mostrado en la Figura 2, una pila de 10 células formada por células de 100A-h con un error de capacidad del +/- 10% se carga y descarga hasta que se alcanzan los límites del SoC del 30% y 70%. Si no se aplica el equilibrado, la capacidad de pila utilizable se reduce en un 25%.
El equilibrado pasivo puede igualar finalmente el SoC durante la fase de carga, pero no puede evitar que la célula 10 alcance un SoC del 30% antes que las otras durante la descarga. La Figura 3 ilustra cómo un equilibrado activo “ideal” permite recuperar capacidad “perdida”. Cuando la pila se está descargando, la carga se añade a la/s célula/s de menor capacidad de forma que todas las células alcancen un SoC del 30% al mismo tiempo. De forma parecida, se elimina carga de la/s célula/s de menor capacidad durante la carga para permitir que todas las células alcancen conjuntamente un SoC del 70%.
A lo largo de la vida operática de una pila de batería, las variaciones en el envejecimiento de la célula crearán desajustes en su capacidad. Sólo un equilibrado activo proporciona una “recuperación de capacidad” al redistribuir la carga según lo necesario para mantener el equilibrio del SoC en toda la pila.

El equilibrado bidireccional de alta eficiencia ofrece la mayor recuperación de capacidad
El LTC3300 (ver Figura 4) es un nuevo producto especialmente diseñado para cubrir la necesidad de equilibrado activo de altas prestaciones. El LTC3300 es un CI de control de equilibrio activo bidireccional de alta eficiencia que constituye una parte fundamental de un sistema de gestión de batería de altas prestaciones. Cada CI puede equilibrar simultáneamente hasta 6 células de Li-Ion o LiFePO4 conectadas en serie.

El equilibrio del SoC se logra redistribuyendo la carga entre una célula seleccionada y una subpila de 12 o más células adyacentes. Las decisiones y los algoritmos relativos al equilibrado se manejan por parte del sistema de gestión de la batería que controla el LTC3300. La carga se redistribuye desde una célula seleccionada hasta un grupo de 12 o más células vecinas para descargar la célula. De forma parecida, la carga se transfiere hacia una célula seleccionada a partir de un grupo de 12 o más células para cargar la célula. Todos los equilibradores se controlan mediante un interface SPI apilable y todos pueden funcionar simultáneamente para minimizar el tiempo de equilibrado.

Cada equilibrador del LTC3300 utiliza una etapa de alimentación con topología de retroceso (flyback) síncrona y no aislada para realizar una carga y descarga de alta eficiencia (ver Figura 5). Cada equilibrador necesita su propio transformador.

El lado “primario” de cada transformador se conecta a la célula que se ha de equilibrar, y el lado “secundario” se conecta a 12 o más células adyacentes. El número de células secundarias sólo se ve limitado por la tensión de ruptura de los componentes externos. Las corrientes de carga y descarga (hasta 10A+) se programan por medio de resistencias externas de sensado. La generación de secuencia y la detección de corriente de IPICO/ICERO dependen de que el equilibrador esté cargando o descargando.

 La alta eficiencia se obtiene mediante el funcionamiento síncrono y los componentes externos adecuados. Si se detecta un fallo de cualquier tipo, el equilibrado se detendrá automáticamente.

¡La eficiencia del equilibrador es importante!
Uno de los mayores enemigos a los que se enfrente un paquete de baterías es el calor. Las elevadas temperaturas ambientales degradan con rapidez la vida operativa de la batería y sus prestaciones. Por desgracia, en los sistemas de baterías de alta corriente, las corrientes de equilibrado también son elevadas.

Una mala eficiencia del equilibrador genera calor no deseado en el interior del sistema de batería. Tal como muestra la Figura 6, el LTC3300 alcanza una eficiencia >90% en las direcciones de carga y descarga, lo cual permite que la corriente de equilibrio sea superior al doble que en una solución con una eficiencia del 80%.

Además, una mayor eficiencia del equilibrador produce una redistribución más efectiva de la carga, lo cual da como resultado unos tiempos de funcionamiento más prolongados.

Las células locales se encargan de la mayor parte del equilibrado
La transferencia de la carga a través de la pila se realiza mediante la intercalación de las conexiones secundarias, tal como ilustra la Figura 7. Esta intercalación permite transferir la carga de cualquier grupo de seis células hacia o desde un grupo de células adyacentes, que pueden estar tanto por encima como por debajo en la pila. Esta flexibilidad ayuda a optimizar el algoritmo de equilibrado.

Tal como se indica en el ejemplo de la Figura 7, no es necesario mover carga a través de múltiples conversiones desde la parte superior hasta la inferior de la pila; el equilibrado se lleva a cabo en su mayor parte por las células vecinas.

La seguridad es lo primero
Además de proporcionar unas excelentes prestaciones eléctricas, el LTC3300 ofrece numerosas funciones de seguridad para mantener la más alta fiabilidad posible. Las comprobaciones de integridad de datos, el ajuste programable de voltios-segundo, comprobación de sobretensión y subtensión de la célula, así como detección de sobretensión en el lado secundario para evitar que los fallos en los datos o en el conexionado provoque daños. Estas características permiten que el LTC3300 ofrezca un equilibrado fiable, activo y de altas prestaciones, en sistemas de baterías conectadas en serie.

Con el LTC3300, los desajustes entre las capacidades de las células e compensan sin que ello afecte al tiempo de funcionamiento, el tiempo de carga o la vida operativa del paquete de baterías.

Autor

Samuel Nork. Director del Centro de Diseño de Boston Linear Technology Corporation

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