Equilibrio activo de celdas de batería | Dispositivos analógicos

Con el balanceo de celdas pasivo y activo, cada celda en la pila de baterías es monitoreada para mantener un estado de carga (SoC) de batería saludable. Esto extiende la vida útil del ciclo de la batería y proporciona una capa adicional de protección al evitar daños a una celda de la batería debido a una descarga profunda sobre una sobrecarga. El equilibrio pasivo da como resultado que todas las celdas de la batería tengan un SoC similar simplemente disipando el exceso de carga en una resistencia de purga; sin embargo, no amplía el tiempo de ejecución del sistema (consulte el blog «Equilibrio pasivo de celdas de batería»). El balanceo activo de celdas es una técnica de balanceo más compleja que redistribuye la carga entre las celdas de la batería durante los ciclos de carga y descarga, lo que aumenta el tiempo de funcionamiento del sistema al aumentar la carga utilizable total en la pila de baterías, disminuir el tiempo de carga en comparación con el balanceo pasivo y disminuir el calor generado. mientras se equilibra.

Equilibrio celular activo durante la descarga

El siguiente diagrama representa una pila típica de baterías con todas las celdas comenzando a plena capacidad. En este ejemplo, la capacidad total se muestra como el 90 % de la carga porque mantener una batería en su punto de capacidad del 100 % o cerca de él durante largos períodos de tiempo degrada la vida útil más rápidamente. El 30 % representa la descarga total para evitar una descarga profunda de las células.

Figura 1. Capacidad total.

Con el tiempo, algunas celdas se debilitarán más que otras, lo que dará como resultado un perfil de descarga representado por la siguiente figura.

Figura 2. Descarga no coincidente.

Se puede ver que aunque puede quedar bastante capacidad en varias baterías, las baterías débiles limitan el tiempo de funcionamiento del sistema. Una discrepancia de batería del 5% da como resultado un 5% de la capacidad sin usar. Con baterías grandes, esto puede ser una cantidad excesiva de energía sin usar. Esto se vuelve crítico en sistemas remotos y sistemas de difícil acceso, ya que da como resultado un aumento en la cantidad de ciclos de carga y descarga de la batería, lo que reduce la vida útil de la batería, lo que genera costos más altos asociados con el reemplazo más frecuente de la batería.

Con el equilibrio activo, la carga se redistribuye de las celdas más fuertes a las celdas más débiles, lo que da como resultado un perfil de batería completamente agotado.

Figura 3. Agotamiento total con equilibrio activo.

Equilibrio celular activo durante la carga

Al cargar la pila de baterías sin balancear, las celdas débiles alcanzan su capacidad total antes que las baterías más fuertes. Una vez más, son las células débiles las que constituyen el factor limitante; en este caso, limitan la cantidad de carga total que puede contener nuestro sistema. El siguiente diagrama ilustra la carga con esta limitación.

Figura 4. Carga sin equilibrar.

Con la redistribución activa de la carga de equilibrio durante el ciclo de carga, la pila puede alcanzar su capacidad máxima. Tenga en cuenta que aquí no se analizan factores como el porcentaje de tiempo asignado para el equilibrio y el efecto de la corriente de equilibrio seleccionada en el tiempo de equilibrio, pero son consideraciones importantes.

Equilibradores de células activas

Analog Devices Inc. tiene una familia de balanceadores de celdas activas, y cada dispositivo tiene como objetivo diferentes requisitos del sistema. El LT8584 es un convertidor flyback monolítico de corriente de descarga de 2,5 A que se utiliza junto con la familia LTC680x de monitores de celdas de batería multiquímica; la carga se puede redistribuir de una celda a la parte superior de la pila de baterías oa otra celda de batería o combinación de celdas dentro de la pila. Se utiliza un LT8584 por celda de batería.

Módulo de batería de 12 celdas con balanceo activo
Figura 5. Módulo de pila de batería de 12 celdas con equilibrio activo.

El LTC3300 es un controlador flyback bidireccional independiente para baterías de litio y LiFePO4 que proporciona hasta 10 A de corriente de equilibrio; dado que es bidireccional, la carga de cualquier celda seleccionada se puede transferir con alta eficiencia hacia o desde 12 o más celdas adyacentes. Un solo LTC3300 puede equilibrar hasta seis celdas.

Balanceo bidireccional de alta eficiencia
Figura 6. Balanceo bidireccional de alta eficiencia.

El LTC3305 es un equilibrador de batería de plomo ácido independiente para hasta cuatro celdas; utiliza una celda de batería de quinto depósito (AUX) y la coloca continuamente en paralelo con cada una de las otras baterías (una a la vez) para equilibrar todas las celdas de la batería (las baterías de plomo ácido son resistentes y pueden manejar esto).

Balanceador de 4 baterías con fallas programadas de voltaje de batería alto y bajo
Figura 7. Equilibrador de cuatro baterías con frentes programados de alta y baja tensión de batería.

En resumen

Tanto el equilibrio de celdas activo como el pasivo son formas efectivas de mejorar la salud del sistema al monitorear y hacer coincidir el SoC de cada celda. El equilibrio activo de celdas redistribuye la carga durante el ciclo de carga y descarga, a diferencia del equilibrio pasivo de celdas, que simplemente disipa la carga durante el ciclo de carga. Por lo tanto, el equilibrio activo de celdas aumenta el tiempo de ejecución del sistema y puede aumentar la eficiencia de carga. El equilibrio activo requiere una solución más compleja y de mayor tamaño; el equilibrio pasivo es más rentable. Cualquiera que sea el método que funcione mejor en su aplicación, Analog Devices Inc. ofrece soluciones integradas en nuestros circuitos integrados de gestión de baterías (como LTC6803 y LTC6804) y dispositivos complementarios que funcionan junto con estos circuitos integrados para proporcionar un sistema de gestión de baterías sólido y preciso. .

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