Equilibrio pasivo de celdas de batería | Dispositivos analógicos

En el mercado de la automoción y el transporte, las grandes pilas de baterías proporcionan una gran potencia de salida sin producir emisiones nocivas (es decir, monóxido de carbono e hidrocarburos) asociadas a los motores de combustión de gasolina. Idealmente, cada batería individual en la pila contribuye igualmente al sistema. Sin embargo, cuando se trata de baterías, no todas las baterías son iguales. Incluso las baterías de la misma química con el mismo tamaño y forma física pueden tener diferentes capacidades totales, diferentes resistencias internas, diferentes tasas de autodescarga, etc. Además, pueden envejecer de manera diferente, agregando otra variable en la ecuación de vida de la batería.

El rendimiento de una pila de baterías está limitado por la celda de menor capacidad de la pila; una vez que se agota la celda más débil, toda la pila se agota efectivamente. La salud de cada celda de batería individual en la pila se determina en función de su medición de estado de carga (SoC), que mide la relación entre la carga restante y la capacidad de la celda. SoC utiliza mediciones de la batería, como el voltaje, las corrientes de carga y descarga integradas y la temperatura, para determinar la carga restante en la batería. Los sistemas de administración de baterías (BMS) de chip único y multichip de precisión combinan el monitoreo de la batería (incluidas las mediciones de SoC) con el equilibrio de celdas pasivo o activo para mejorar el rendimiento de la pila de baterías. Estas medidas dan como resultado:

• Estado de carga saludable de la batería independientemente de la capacidad de la celda
• Discordancia de estado de carga de celda a celda minimizada
• Efectos minimizados del envejecimiento celular (el envejecimiento da como resultado la pérdida de capacidad

El balanceo de celdas activo y pasivo ofrece diferentes ventajas a la pila de baterías y Analog Devices ofrece soluciones en nuestra cartera de productos de administración de baterías para ambos métodos. Primero examinemos el equilibrio pasivo.

El equilibrio pasivo permite que todas las celdas parezcan tener la misma capacidad

Inicialmente, una pila de baterías puede tener celdas bastante bien emparejadas. Pero con el tiempo, la combinación de celdas se degrada debido a los ciclos de carga/descarga, la temperatura elevada y el envejecimiento general. Una celda de batería débil se cargará y descargará más rápido que las celdas más fuertes o de mayor capacidad y, por lo tanto, se convierte en el factor limitante en el tiempo de funcionamiento de un sistema. El equilibrio pasivo permite que la pila parezca que cada celda tiene la misma capacidad que la celda más débil. Usando una corriente relativamente baja, drena una pequeña cantidad de energía de las celdas con SoC alto durante el ciclo de carga para que todas las celdas se carguen a su SoC máximo. Esto se logra mediante el uso de un interruptor y una resistencia de purga en paralelo con cada celda de la batería.

La celda con alto SoC se purga (la potencia se disipa en la resistencia) para que la carga pueda continuar hasta que todas las celdas estén completamente cargadas.

El equilibrio pasivo permite que todas las baterías tengan el mismo SoC, pero no mejora el tiempo de ejecución de un sistema alimentado por batería. Proporciona un método bastante económico para equilibrar las celdas, pero desperdicia energía en el proceso debido a la resistencia de descarga. El equilibrio pasivo también puede corregir el desajuste a largo plazo en la corriente de autodescarga de una celda a otra.

Monitores de batería multicelda con balanceo pasivo

Analog Devices tiene una familia de monitores de batería de celdas múltiples que incluyen balanceo pasivo de celdas. Estos dispositivos cuentan con una arquitectura apilable, lo que permite monitorear cientos de celdas. Cada dispositivo mide hasta 12 series de celdas de batería conectadas con un error de medición total de menos de 1,2 mV. El rango de medición de 0 V a 5 V por celda los hace adecuados para la mayoría de las baterías. El LTC6804 se muestra en la Figura 2.

El LTC6804 cuenta con equilibrio pasivo interno (Figura 3) y también se puede configurar con MOSFET externos si lo desea (Figura 4). También tiene un temporizador de descarga de equilibrio pasivo programable opcional que permite al usuario una mayor flexibilidad de configuración del sistema.

Para los clientes que desean maximizar el tiempo de ejecución del sistema y cargar de manera más eficiente, el balanceo activo es la mejor opción. Con el equilibrio activo de celdas, la energía no se desperdicia, sino que se redistribuye a otras celdas en la pila mientras se cargan y descargan. Al descargarse, las células más débiles se reponen con las células más fuertes, extendiendo el tiempo para que una célula alcance su estado de agotamiento total. Para obtener más información sobre el equilibrio activo, consulte el artículo técnico "Equilibrio activo de celdas de batería".