Por qué y cómo utilizar los circuitos integrados de gestión de baterías para las celdas apiladas

Las baterías recargables se utilizan cada vez más para suministrar voltajes más altos y más potencia en aplicaciones como los vehículos eléctricos (EV) y los vehículos híbridos-eléctricos (HEV), las herramientas eléctricas, los equipos de césped y los sistemas de alimentación ininterrumpida. Aunque es bien sabido que los productos químicos de todo tipo necesitan un control y una gestión cuidadosos para garantizar un funcionamiento eficaz, fiable y seguro, las pilas conectadas en serie de muchas decenas de celdas o más que se necesitan para satisfacer las demandas de energía de estos dispositivos requieren más atención por parte de los diseñadores, sobre todo a medida que aumenta el número de celdas por batería.

Controlar y medir una sola celda o un pequeño paquete de baterías con unas pocas celdas es un reto modesto y es mucho más sencillo que hacer lo mismo con las celdas de una cadena en serie de varias celdas. Los diseñadores de implementaciones apiladas y multiceldas deben tener en cuenta cuestiones como la realización de mediciones a pesar de la alta tensión en modo común, la presencia de tensiones peligrosas, las implicaciones de los fallos de una sola celda, la multiplexación entre un gran número de celdas, el desajuste y el equilibrio de las celdas, y los diferenciales de temperatura entre las baterías, por citar sólo algunos. Para ello se necesitan CI de gestión de baterías (BMIC) y sistemas de gestión de baterías (BMS) avanzados para realizar mediciones y controles paramétricos, así como algunos conocimientos de ingeniería para utilizarlos correctamente.

En este artículo se analizan los fundamentos y los retos de la gestión de baterías en general, y de las baterías multicelulares en particular. A continuación, presenta y muestra cómo aplicar los BMIC de Analog Devices, Renesas Electronics Corp y Texas Instruments, diseñados específicamente para los problemas exclusivos de la gestión de cadenas de celdas conectadas en serie.

Las cadenas de baterías en serie plantean retos únicos

El control típico de las baterías implica la medición del flujo de corriente que entra y sale de la batería (medición de combustible), el control del voltaje de los terminales, la evaluación de la capacidad de la batería, el control de las temperaturas de las celdas y la gestión de los ciclos de carga/descarga para optimizar el almacenamiento de energía y maximizar el número de dichos ciclos durante la vida útil de la batería. Los BMIC o BMS', ampliamente utilizados, proporcionan estas funciones para pequeños paquetes de baterías formados por sólo una o dos celdas con voltajes de un solo dígito. El BMIC o BMS actúa como un front-end de adquisición de datos, cuyos datos se comunican a un controlador de gestión de celdas (CMC); en sistemas más complejos, el CMC se conecta a una función de orden superior denominada controlador de gestión de baterías (BMC).

A los efectos de este artículo, una "celda" es una unidad individual de almacenamiento de energía, mientras que una "batería" es el paquete de energía completo, que comprende múltiples celdas en una combinación en serie/paralelo. Mientras que una celda individual produce sólo unos pocos voltios, un paquete de baterías puede estar formado por docenas o más celdas y ofrecer muchas decenas de voltios, y las combinaciones de paquetes de baterías llegan incluso a más.

Para una gestión eficaz, los parámetros críticos de la celda que deben medirse son la tensión en los terminales, la corriente de carga/descarga y la temperatura. El rendimiento de medición necesario para los paquetes de baterías modernos es bastante elevado: cada celda debe medirse con una precisión de unos pocos milivoltios (mV) y miliamperios (mA), y con una precisión de un grado centígrado (°C). Las razones para una vigilancia celular tan estrecha son, entre otras, las siguientes

• Determinar el estado de carga (SOC) y el estado de salud (SOH) del paquete de baterías con el fin de proporcionar predicciones precisas de la capacidad restante del paquete de baterías (tiempo de funcionamiento) y la esperanza de vida en general.
• Proporcionar los datos necesarios para aplicar el equilibrado de celdas, que iguala la tensión de las celdas cargadas entre sí, a pesar de sus diferencias internas, así como de las diferentes ubicaciones, temperaturas y envejecimiento. Si no se realiza el equilibrado de las celdas, se reduce el rendimiento de la batería, en el mejor de los casos, y se producen fallos en las celdas, en el peor. El equilibrio puede realizarse mediante técnicas pasivas o activas; estas últimas proporcionan resultados algo mejores, pero son más costosas y complejas.
• Prevenir muchas condiciones que pueden dañar la batería y conducir a problemas de seguridad para el usuario (como un vehículo y sus ocupantes). Estos incluyen escenarios no deseados como:
• La sobretensión o la carga a corrientes excesivas, que pueden provocar un desbordamiento térmico.
• Baja tensión: una sola sobredescarga no causará un fallo catastrófico, pero puede empezar a disolver el conductor del ánodo. Los repetidos ciclos de sobredescarga posteriores pueden conducir a la formación de placas de litio en la celda de recarga y, de nuevo, a un posible desbordamiento térmico.
• La sobretemperatura afecta al material del electrolito de la célula, reduciendo el SOC; esto también puede aumentar la formación de la interfase sólido-electrolito (SEI), lo que resulta en una resistividad mayor y no uniforme y en una pérdida de potencia.
• La baja temperatura también es un problema, ya que puede provocar la deposición de litio, lo que también provoca una pérdida de capacidad.
• Sobrecorriente, y el calentamiento interno resultante debido a la impedancia interna desigual y el eventual desbordamiento térmico; esto puede aumentar las capas SEI en la batería y aumentar la resistividad.

Aquí hay un enigma, ya que, por ejemplo, es bastante sencillo medir con precisión la tensión de una celda individual en el banco de pruebas o en otro entorno benigno. Un diseñador sólo tiene que conectar un voltímetro digital (DVM) flotante (sin conexión a tierra) o alimentado por batería a través de la celda de interés (Figura 1).

Figura 1: La medición de la tensión a través de cualquier celda individual de una cadena en serie es sencilla en su concepto, ya que sólo requiere un voltímetro digital flotante. (Fuente de la imagen: Bill Schweber)

Sin embargo, es mucho más difícil, por muchas razones, hacerlo con confianza y seguridad en una situación eléctrica y medioambiental dura como la de un EV o HEV. Esto se pone de manifiesto en un ejemplo representativo de grupo electrógeno para vehículos eléctricos compuesto por 6.720 celdas de Li+, gestionadas por ocho módulos de control (Figura 2).

Figura 2: Un paquete de baterías del mundo real es un conjunto de celdas conectadas en serie y en paralelo en módulos, con una importante cantidad de energía almacenada; estos son factores que complican enormemente la tarea de medir los voltajes de las celdas. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Cada celda tiene una capacidad de 3.54 amperios-hora (Ah), lo que da lugar a un almacenamiento total de energía nominal de 100 kilovatios-hora (kWh) (3.54 Ah x 4.2 voltios x 6720 celdas). Cada una de las 96 filas conectadas en serie está formada por 70 celdas en paralelo, para una tensión de batería de 403,2 voltios (96 filas × 4.2 voltios), con una capacidad de 248 Ah (100 kWh/403.2 voltios o 3.54 Ah × 70 columnas).

Entre los temas están:

• Es un reto proporcionar la resolución y precisión necesarias cuando se mide una tensión baja de un solo dígito para obtener una precisión significativa a varios milivoltios debido a la presencia de una alta tensión en modo común (CMV), que puede sobrecargar el sistema de medición o afectar a la validez de la lectura. Este CMV es la suma de las tensiones de todas las celdas conectadas en serie, hasta la que se está midiendo, con respecto al común del sistema (también denominado "tierra", aunque es un término erróneo). Hay que tener en cuenta que en un vehículo eléctrico puede haber hasta 96 o incluso 128 celdas de batería en serie, lo que produce un CMV de cientos de voltios.
• Debido al elevado CMV, es necesario aislar galvánicamente las celdas del resto del sistema tanto para la integridad eléctrica como para la seguridad del usuario/sistema, ya que ninguna de ellas debería estar potencialmente expuesta al CMV completo.
• El ruido eléctrico y las sobretensiones pueden corromper fácilmente la lectura del rango de milivoltios.
• Las múltiples celdas deben medirse casi simultáneamente en unos pocos milisegundos para crear una imagen global precisa del estado de las celdas y del paquete de baterías. De lo contrario, el desajuste temporal entre las mediciones de las celdas puede dar lugar a conclusiones y acciones erróneas.
• El gran número de celdas significa que es necesario algún tipo de arreglo de multiplexación entre las celdas y el resto del subsistema de adquisición de datos o, de lo contrario, el tamaño, el peso y el coste del cableado de interconexión se vuelven prohibitivos.

Por último, hay consideraciones importantes y obligatorias relacionadas con la seguridad, la redundancia y la notificación de errores que deben satisfacerse. Las normas difieren de un sector a otro; las herramientas industriales y eléctricas son muy diferentes a las de los automóviles, y las de estos últimos son las más estrictas. En los sistemas de automoción de misión crítica, como los relacionados con la gestión de la batería, una pérdida de funcionalidad no debe conducir a una situación de peligro. En caso de mal funcionamiento del sistema, el estado "seguro" requiere que se apague el sistema electrónico y que se avise al conductor del vehículo mediante una luz en el salpicadero u otro indicador.

Sin embargo, para algunos sistemas, un mal funcionamiento o la pérdida de funcionalidad pueden conducir potencialmente a un evento peligroso y no pueden ser simplemente apagados, por lo que los objetivos de seguridad pueden incluir un requisito definido de "disponibilidad relacionada con la seguridad". En estos casos, la tolerancia a algunos tipos de fallos en el sistema puede ser necesaria para evitar eventos peligrosos.

Esta disponibilidad relacionada con la seguridad requiere la provisión de una funcionalidad básica o una ruta de "salida" definida durante un período de tiempo determinado -a pesar de las condiciones de fallo definidas- y el sistema de seguridad debe tolerar un fallo durante ese período de tiempo. Esta tolerancia a los fallos permite que el sistema siga funcionando durante más tiempo con un nivel de seguridad aceptable. Las secciones clave de la norma ISO 26262 "Seguridad funcional para los vehículos de carretera" ofrecen orientación a los desarrolladores de sistemas sobre los requisitos de disponibilidad relacionados con la seguridad.

Los CI dan un paso adelante para ofrecer soluciones

Los proveedores han desarrollado circuitos integrados BMS que están diseñados para resolver el problema de la lectura de una sola celda en una cadena en serie con precisión, a pesar de la alta CMV y el duro entorno eléctrico. Estos circuitos integrados no sólo proporcionan las lecturas básicas, sino que también abordan los problemas técnicos de multiplexación, aislamiento y desviación del tiempo. Cumplen las normas de seguridad pertinentes y, en su caso, cuentan con la homologación ASIL-D para aplicaciones de automoción, que es el nivel más alto y estricto.

El nivel de integridad de la seguridad en la automoción (ASIL) es un esquema de clasificación de riesgos definido por la norma ISO 26262 - Seguridad funcional para vehículos de carretera. Se trata de una adaptación del nivel de integridad de la seguridad (SIL) utilizado en la norma IEC 61508 para la industria del automóvil.

Aunque las funciones "a grandes rasgos" de estos dispositivos BMS son similares, difieren en cierta medida en la arquitectura, el número de celdas que pueden manejar, la velocidad de exploración, la resolución, las características únicas y el enfoque de interconexión:

-La arquitectura CAN aislada se basa en una configuración en estrella y es resistente, ya que una rotura del cable de comunicaciones en la arquitectura CAN aislada sólo interrumpe un CI, mientras que el resto del paquete de baterías permanece seguro. Sin embargo, la arquitectura CAN requiere un microprocesador y CAN para cada CI, lo que hace que este enfoque sea más costoso, al tiempo que proporciona velocidades de comunicación relativamente lentas.

-La arquitectura en cadena suele ser más rentable, ya que su cadena basada en el receptor/transmisor asíncrono universal (UART) puede ofrecer una comunicación fiable y rápida sin la complejidad de CAN. La mayoría de las veces utiliza el aislamiento capacitivo, pero también puede admitir el aislamiento basado en transformadores. Sin embargo, un corte de cable en la arquitectura de la cadena tipo margarita puede interrumpir la comunicación, por lo que algunos de estos sistemas de cadena tipo margarita ofrecen "soluciones" y admiten cierto funcionamiento durante el corte de cable.

Entre los circuitos integrados BMS representativos se encuentran:

• MAX17843 BMS de Analog Devices: El MAX17843 es una interfaz de adquisición de datos de control de baterías programable de 12 canales con amplias características de seguridad (Figura 3). Está optimizado para su uso con baterías para sistemas de automoción, paquetes de baterías HEV, vehículos eléctricos y cualquier sistema que apile largas series de baterías metálicas secundarias de hasta 48 voltios.

Figura 3: La interfaz de adquisición de datos de control de baterías de 12 canales MAX17843 incorpora múltiples características de seguridad, lo que la hace adecuada para aplicaciones y mandatos de automoción. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El MAX17843 incorpora un bus UART diferencial de alta velocidad para una sólida comunicación en serie encadenada, que admite hasta 32 circuitos integrados conectados en una sola cadena (Figura 4). La UART utiliza un aislamiento capacitivo que no solo reduce el costo de la lista de materiales (BOM), sino que también mejora los índices de fallos a tiempo (FIT).

Figura 4: El MAX17843 de 12 canales utiliza aislamiento galvánico capacitivo en su configuración UART en cadena, soportando hasta 32 dispositivos en una sola cadena. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El front-end analógico combina un sistema de adquisición de datos de medición de tensión de 12 canales con una entrada de banco de conmutación de alta tensión. Todas las mediciones se realizan de forma diferencial en cada celda. El rango de medición a escala completa es de 0 a 5.0 voltios, con un rango utilizable de 0.2 a 4.8 voltios. Se utiliza un convertidor analógico-digital (ADC) de aproximación sucesiva de alta velocidad para digitalizar los voltajes de las celdas con una resolución de 14 bits con sobremuestreo. Las doce celdas pueden medirse en menos de 142 microsegundos (μs).

El MAX17843 utiliza un enfoque de dos escaneos para recoger las mediciones de la celda y corregirlas de errores, lo que produce una excelente precisión en el rango de temperatura de funcionamiento. La precisión de la medición diferencial de la celda está especificada en ±2 milivoltios (mV) a +25°C y 3.6 voltios. Para facilitar el diseño con este CI, Analog Devices ofrece el kit de evaluación MAX17843EVKIT# con una interfaz gráfica de usuario (GUI) basada en PC para su instalación, configuración y evaluación.

• ISL78714ANZ-T de Renesas: El ISL78714 Li-ion BMS IC supervisa hasta 14 celdas conectadas en serie y proporciona un control preciso del voltaje y la temperatura de las celdas, el equilibrio de las mismas y un amplio diagnóstico del sistema. En una configuración típica, un ISL78714 maestro se comunica con un microcontrolador anfitrión a través de un puerto de interfaz periférica en serie (SPI), y con hasta 29 dispositivos ISL78714 adicionales conectados entre sí mediante una resistente cadena de dos hilos patentada (Figura 5). Este sistema de comunicación es muy flexible y puede utilizar el aislamiento por condensador, el aislamiento por transformador o una combinación de ambos a una velocidad de hasta 1 megabits por segundo (Mbits/s).

Figura 5: El ISL78714 utiliza un puerto SPI para enlazar varios dispositivos en una cadena de dos hilos que puede utilizar un aislamiento capacitivo o basado en un transformador. (Fuente de la imagen: Renesas Electronics Corp.)

La precisión inicial de la medición de la tensión es de ±2 mV con una resolución de 14 bits en un rango de 1.65 a 4.28 voltios desde 20 °C a +85 °C; la precisión del dispositivo tras el montaje en placa es de unos ajustados ±2.5 mV en un rango de entrada de la celda de ±5.0 voltios (el rango de tensión negativa suele ser necesario para las barras de bus).

Este BMS incluye tres modos de equilibrio de celdas: modo de equilibrio manual, modo de equilibrio temporizado y modo de equilibrio automático. El modo de equilibrado automático termina el equilibrado después de que se haya eliminado una cantidad de carga especificada por el anfitrión de cada celda. Entre los diagnósticos del sistema integrados para todas las funciones clave se encuentra un dispositivo de apagado de seguridad si se pierde la comunicación.

-BQ76PL455APFCR (y BQ79616PAPRQ1) de Texas Instruments: El bq76PL455A es un dispositivo integrado de monitorización y protección de baterías de 16 celdas diseñado para aplicaciones industriales de alta fiabilidad y alto voltaje. La interfaz integrada de alta velocidad, diferencial y aislada por condensador, admite hasta dieciséis dispositivos bq76PL455A, que se comunican con un host a través de una única interfaz UART de alta velocidad mediante una cadena tipo margarita con cableado de par trenzado a una velocidad de hasta 1 Mbits/s (Figura 6).

Figura 6: El CI de gestión de baterías de 16 celdas bq76PL455A está destinado a aplicaciones industriales y utiliza el aislamiento capacitivo para conectar hasta 16 dispositivos con cableado de par trenzado que se comunican a una velocidad de hasta 1 Mbits/s mediante una disposición en cadena. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El ADC de 14 bits utiliza una referencia interna con todas las salidas de las celdas convertidas en 2.4 milisegundos (ms). El bq76PL455A supervisa y detecta diferentes condiciones de fallo, como sobretensión, subtensión, sobretemperatura y fallos de comunicación. Admite el equilibrado pasivo de celdas con n-FET externos, así como el equilibrado activo mediante controladores de puerta de matriz de conmutación externos.

Este BMS maneja fácilmente cadenas con menos del máximo de 16 celdas. La única restricción al hacerlo es que las entradas deben utilizarse en orden ascendente, con todas las entradas no utilizadas conectadas junto con la entrada a la entrada VSENSE_ más utilizada. Por ejemplo, en un diseño de 13 celdas, las entradas VSENSE14, VSENSE15 y VSENSE16 no se utilizan (Figura 7).

Figura 7: El bq76PL455A puede utilizarse con menos de 16 celdas; en estos casos, las entradas de las celdas no utilizadas deben ser las más altas de la cadena. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Otros CI, como el bq79616PAPRQ1 de Texas Instruments, incluyen soporte para la configuración en anillo y la comunicación bidireccional, lo que permite que el sistema siga monitorizando el estado de salud y seguridad del paquete de baterías (Figura 8).

Figura 8: El bq79616PAPRQ1 admite una topología de anillo bidireccional para una ruta de conectividad de enlace adicional en caso de rotura de cable o fallo del nodo. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Si hay un fallo, un abierto o un cortocircuito entre dos de los ASIC de control de la batería en esta configuración, el procesador de control podrá seguir comunicándose con todos los ASIC de control de la batería cambiando la dirección de los mensajes hacia delante y hacia atrás. Así, si la comunicación normal encuentra un fallo, el sistema puede mantener la disponibilidad utilizando la tolerancia a fallos de la función de comunicación en anillo, y hacerlo sin perder la información de tensión y temperatura de los módulos de la batería. Para los diseñadores que deseen experimentar con el bq79616PAPRQ1, Texas Instruments proporciona la placa de evaluación BQ79616EVM.

-LTC6813-1 de Analog Devices, Inc: El LTC6813-1 es un monitor de pila de baterías multicelulares calificado para automóviles que mide hasta 18 celdas de batería conectadas en serie, con un error de medición total de menos de 2,2 mV a través de su ADC delta-sigma de 16 bits con filtro de ruido programable (Figura 9). Hay que tener en cuenta que este es un número mayor de celdas que el que pueden soportar directamente algunos de los otros CI. Las 18 celdas pueden medirse en menos de 290 microsegundos (μs), y pueden seleccionarse tasas de adquisición de datos más bajas para una mayor reducción del ruido.

Figura 9: El LTC6813-1 admite el mayor número de celdas (18) y utiliza un ADC de 16 bits para lograr una precisión de 2.2 mV y una exploración de celdas de alta velocidad. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Se pueden conectar varios dispositivos LTC6813-1 en serie, lo que permite el control simultáneo de cadenas de baterías largas de alto voltaje. El LTC6813-1 admite dos tipos de puertos serie: un SPI estándar de cuatro hilos y una interfaz aislada de dos hilos (isoSPI). El puerto de cuatro hilos no aislado es adecuado para enlaces de menor distancia y algunas aplicaciones no automovilísticas (Figura 10).

Figura 10: El LTC6813-1 admite una interconexión SPI estándar de cuatro hilos para enlaces de menor distancia y algunas aplicaciones no automovilísticas. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El puerto de comunicaciones serie aislado de 1 Mbit/s utiliza un único par trenzado para distancias de hasta 100 metros (m) con una baja susceptibilidad a las interferencias electromagnéticas (EMI) y a las emisiones, ya que la interfaz está diseñada para obtener una baja tasa de errores en los paquetes incluso cuando el cableado está sometido a altos campos de RF. La capacidad bidireccional de esta cadena garantiza la integridad de la comunicación incluso en caso de fallo, como la rotura de un cable en la ruta de comunicación.

En su modo de configuración de dos hilos, el aislamiento se consigue mediante un transformador externo, con señales SPI estándar codificadas en pulsos diferenciales. La intensidad del impulso de transmisión y el nivel de umbral del receptor se ajustan mediante dos resistencias externas, R_B1 y R_B2 (Figura 11). Los valores de las resistencias son elegidos por el diseñador para permitir un equilibrio entre la disipación de energía y la inmunidad al ruido.

Figura 11: El LTC6813-1 también ofrece un puerto de comunicaciones en serie de 2 hilos, de 1 Mbit/s, aislado por transformador, a través de un único par trenzado para distancias de hasta 100 m, con baja susceptibilidad y emisiones EMI. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El LTC6813-1 puede alimentarse directamente de la pila de baterías que está monitorizando o de una alimentación aislada independiente. También incluye el equilibrado pasivo de cada celda, junto con el control individual del ciclo de trabajo mediante la modulación por ancho de pulsos (PWM).

Conclusión:

La medición precisa de la tensión, la corriente y la temperatura de una sola celda o de un pequeño paquete de baterías con pocas celdas es un modesto desafío técnico. Sin embargo, medir con precisión estos mismos parámetros en celdas individuales de una cadena en serie -y hacerlo en entornos industriales y de automoción difíciles con una desviación de tiempo entre celdas insignificante- es un reto debido al gran número de celdas, el elevado CMV, el ruido eléctrico, los mandatos normativos y otros problemas.

Como se ha demostrado, los diseñadores pueden recurrir a los circuitos integrados específicamente diseñados para estas aplicaciones. Admiten el aislamiento galvánico, la precisión y el tiempo de escaneo rápido necesarios para abordar los problemas. Como resultado, ofrecen resultados precisos y procesables que permiten tomar decisiones críticas de alto nivel sobre la gestión de las baterías.