La capacidad de que los dispositivos electrónicos funcionen sin depender de la red eléctrica ha impulsado en gran medida el éxito de la electrónica portátil, desde los teléfonos móviles hasta las herramientas eléctricas. Además, a medida que la electrificación se afianza en los sistemas de automoción, el funcionamiento con baterías se está convirtiendo en un requisito para los coches del futuro.

Aunque las tecnologías de litio-ion y otras muy utilizadas en la actualidad han aumentado enormemente la densidad energética de las baterías y han hecho posible este tipo de productos, requieren muchos más cuidados que las químicas más antiguas para aumentar lo máximo posible el tiempo entre cargas y la vida útil del producto. No basta con conectar una fuente de alimentación a los terminales y retirarla una vez la tensión interna haya alcanzado el nivel suficiente.

Desafíos de la tecnología de las baterías
Las baterías de litio-ion en particular son vulnerables a factores como las sobrecargas. Esto no solo deteriora las células sino que también puede ser peligroso. Las sobrecargas aumentan la presión en el interior de las células y pueden provocar un desbordamiento térmico que puede causar que la batería se incendie. Por eso todos los controladores de carga del mercado incorporan protección frente a sobrecargas.

Mantener elevados niveles de vida útil y carga máxima requiere un alto grado de control sobre el proceso de principio a fin. Los MAX77960B y el MAX77961B diseñados por Maxim Integrated son dos ejemplos de cómo se puede lograr en los sistemas portátiles. Un dispositivo de este tipo carga la batería en tres fases sucesivas: precarga, corriente constante y tensión constante. El estado de precarga se utiliza para preparar la batería de modo adecuado para la carga completa, lo cual es importante con el fin de evitar daños si las células se han descargado casi por completo. El proceso consiste en suministrar una pequeña corriente al principio. El cargador usa tanto las medidas como un temporizador de seguridad para comprobar que esta fase se completa con éxito y, en caso contrario, indica un error al microcontrolador principal.

Los otros dos modos exigen un compromiso. La carga de corriente constante es el método más rápido, pero corre el riesgo de dañar la batería ya que implica niveles de corriente más altos que pueden provocar sobrecalentamiento. Por eso los controladores de carga de las baterías incluirán entradas con sensores de temperatura para restringir la potencia si el calor es excesivo. Normalmente, cuando la batería se acerca a la carga completa, el controlador de carga pasará al modo de tensión constante. Esto evita el sobrecalentamiento y ayuda a mejorar la vida útil pero ralentiza considerablemente el proceso de carga.

Un mejor control de la carga proporciona otras ventajas. Ofrece la posibilidad de optimizar el tamaño y el peso del sistema en general, no solo en lo que respecta a la propia batería sino a los circuitos de alimentación. Algunos controladores de carga están muy integrados. Por ejemplo, el MC34674 de NXP Semiconductors es un cargador totalmente integrado para baterías de una sola célula litio-ion y litio-polímero, optimizado para aplicaciones de viaje, que solo requiere un LED externo para indicar el estado de la carga, dos condensadores de desacoplamiento y un circuito termistor con una conexión con el fin de detectar la temperatura de la batería.

Cargadores y conversión de tensión para alimentación
La misma necesidad de alta integración con pocos componentes pasivos es válida para los convertidores CC/CC que se usarán para acondicionar la alimentación y transmitirla a los distintos dispositivos del sistema, con sus requisitos concretos de tensión y corriente. El gran número de carriles de alimentación necesarios, incluso en dispositivos portátiles comparativamente pequeños, desde los 1 V de un sistema en un chip (SoC) digital hasta los 12 V o más para las E/S analógicas, da más valor a las soluciones compactas. Al usar menos componentes pasivos externos y reducir las pérdidas de conversión, el circuito del cargador y el regulador pueden ser más pequeños y funcionar sin disipadores de calor voluminosos en los transistores de potencia, ofreciendo así diseños de sistemas compactos y eficientes. Una de las formas en las que los MAX77960B y MAX77961B ayudan a mejorar la densidad es actuando como convertidores reductores y como cargadores: suministrando energía al sistema portátil siempre que la tensión alimentada por la batería sea superior a la tensión de salida deseada.

Tanto si se basan en químicas recargables como no recargables, la tensión de la batería disminuirá a medida que las células se descarguen. Si esa tensión cae por debajo del rango de funcionamiento del convertidor, la carga restante en la batería quedará inutilizada, lo que dará lugar a periodos de autonomía de la batería inferiores a los esperados. El uso de la conversión CC/CC empleando tanto el funcionamiento reductor como elevador ofrece la capacidad de extraer la máxima carga posible.

Figura 1. Características de la corriente de descarga: el gráfico muestra la tensión de salida en función del tiempo cuando se descarga una batería. Fuente: https://www.farnell.com/datasheets/2305652.pdf

La capacidad de admitir modos de apagado de bajo consumo es vital en los dispositivos de Internet de las Cosas (IoT), como los sensores ambientales y los dispositivos wearables desarrollados para monitorizar la salud y el bienestar. Estos dispositivos dormirán durante largos periodos y se reactivan durante una fracción de segundo antes de pasar de nuevo al modo de reposo. Con unos ciclos de trabajo tan reducidos es vital una baja corriente de reposo en todo el sistema, incluida la de los circuitos de gestión de la alimentación. El convertidor reductor-elevador MAX710ESE+ desarrollado por Maxim, por ejemplo, ofrece la posibilidad de usar únicamente el subsistema del regulador lineal durante estos modos de reposo para limitar el consumo de corriente y evitar que se drene la batería durante largos periodos de inactividad.

Monitorización y gestión de baterías
En muchas aplicaciones es igualmente importante saber cuánta carga queda y controlar el flujo de corriente de cada una de las células de un paquete. La combinación de estos dos elementos puede ser crucial para los sistemas de automoción, ya que los controladores no querrán estar lejos de un punto de recarga si la estimación fuese errónea o si un mal equilibrio hiciese que se suministre una tensión insuficiente porque varias células se hayan agotado en exceso. En todos los sistemas, la estimación precisa de la carga ayuda a optimizar el tiempo de carga, así como la gestión de la capacidad. En la actualidad, algunos sistemas aprovechan estas medidas para ralentizar la carga y mejorar la vida útil de las baterías, comparando la carga con el uso previsto. En muchos casos hay productos dedicados que realizan la gestión y la monitorización de la batería.

El ISL94202 de Renesas está diseñado para baterías que contienen hasta ocho células y proporciona un control autónomo del paquete sin necesidad de un microcontrolador supervisor. El dispositivo gestiona automáticamente el equilibrio de las células dentro del paquete y tiene una serie de funciones de protección para evitar que se produzcan sobrecorrientes y otros problemas. Otro ejemplo es el TLE9012AQU de Infineon Technologies, que cumple cuatro funciones principales: medir la tensión de las células, medir la temperatura, equilibrar las células y proporcionar comunicación aislada a un controlador central de baterías. Esta combinación de funciones hace que el dispositivo sea muy adecuado para sistemas de comunicaciones y de automoción de mayor tamaño, en los que es necesario utilizar varios paquetes de baterías en paralelo. Para garantizar la exactitud al medir el estado de una célula, un convertidor A/D de 16 bits de resolución monitoriza cada célula.

Los diseños de vehículos actuales pueden incorporar varios subsistemas de baterías diferentes para alimentar distintas partes del vehículo, desde la transmisión hasta el infoentretenimiento. Muchos equipos planean ahora eliminar la batería de baja tensión empleada para alimentar los circuitos auxiliares y utilizarán la batería de la transmisión de mayor tensión para alimentar también los equipos en el habitáculo. Esto no solo requiere convertidores CC/CC optimizados para la mayor reducción de la potencia, sino también sistemas de gestión de baterías que puedan manejar una topología de potencia compleja. La gama de circuitos integrados de gestión y soporte de baterías de NXP, como el MC33771C, está diseñada para responder a una amplia gama de requisitos. Los dispositivos admiten la comunicación aislada en cadena para transmitir la información a un microcontrolador central y pueden medir la corriente de manera sincronizada en los distintos paquetes.

En el otro extremo de la escala y para apoyar el creciente uso de los sensores de Internet de las Cosas (IoT), el aprovechamiento energético se está convirtiendo en un método importante para complementar la energía disponible para los dispositivos portátiles y alimentados por baterías. La captación de energía posibilita el funcionamiento de sensores de seguridad y otros dispositivos de bajo consumo durante muchos años sin cambiar la batería ni conectar el dispositivo a la red eléctrica.

Una configuración común es combinar una batería desechable, como una pila de botón de litio, con un dispositivo recargable, ya sea un supercondensador o una pequeña batería de litio-ion. Las tecnologías de captación de energía no suministran la carga de forma adecuada y a menudo las fuentes funcionan con una alta impedancia. Por lo tanto, es necesario un diseño cuidadoso del circuito para minimizar las pérdidas. El MAX20361 de Maxim ofrece a los diseñadores una solución integrada que es capaz de aprovechar la energía de células solares y suministrar una carga útil a los circuitos posteriores. El convertidor elevador integrado puede partir de tensiones de entrada tan bajas como 225 mV.

Integración
La gestión de las baterías es ahora una cuestión importante para una gran variedad de sistemas. La complejidad de los productos químicos de litio-ion y similares complica el diseño de los circuitos de suministro y consumo energético. Sin embargo, la disponibilidad de dispositivos especializados de alta integración de los principales fabricantes de semiconductores hace que la integración de las baterías en los sistemas sea lo más sencilla posible. El soporte al diseño por parte de ingenieros experimentados de distribuidores como Farnell garantiza que los equipos reciban el mejor asesoramiento sobre qué dispositivos utilizar para cada aplicación.

Autor: Cliff Ortmeyer, Global Head of Technical Marketing de Farnell