Confiabilidad del termistor NTC en circuitos de batería automotriz

Cuando se utilizan PCB (placas de circuito impreso) flexibles en sistemas de gestión de baterías de vehículos eléctricos, la tensión mecánica y los cambios de temperatura debidos a la soldadura láser pueden provocar grietas térmicas en los termistores NTC (coeficiente de temperatura negativo) de montaje en superficie, una falla potencialmente catastrófica que es difícil de detectar. El riesgo de grietas en los componentes se puede minimizar utilizando termistores de óxido metálico a granel con terminaciones flexibles.

A medida que el mercado de EV (vehículos eléctricos) continúa su rápido crecimiento, también lo hacen los desafíos técnicos y las innovaciones desarrolladas para abordarlos. De estos, los ingenieros de diseño se centran más en mejorar la tecnología de las baterías, la eficiencia de los circuitos de alimentación y las soluciones de carga rápida.

Actualmente, la química de batería predominante utilizada en los EV es la de ion de litio, con voltajes de una sola celda de 3.6 V a 3.7 V. Por lo tanto, la creación de un sistema de energía con un voltaje total de 500 V a 900 V puede requerir hasta unos pocos cientos de estas celdas en una configuración en serie y en paralelo. Además, optimizar el rendimiento de un sistema que involucra tantas celdas requiere un BMS (sistema de gestión de baterías) eficiente, que debe monitorear la temperatura, la impedancia (resistencia interna de las celdas), el voltaje y la corriente de carga y descarga. Cada una de estas especificaciones afecta el rendimiento de la batería.

Un BMS consta de un CMC (controlador de administración de celdas) y la unidad central maestra, o BMC (controlador de gestión de baterías). Los CMC utilizan CI (circuitos integrados) multicanal (actualmente equipados con hasta 16 canales) para realizar la función de monitoreo, mientras que el BMC maneja la función de monitoreo de los CMC individuales. Los parámetros centrales que se miden en este tipo de sistema son la temperatura, la impedancia, el voltaje y la corriente.

Cuando se analiza específicamente la medición de temperatura, los termistores de NTC (coeficiente de temperatura negativo) son la solución de componentes más común. Usualmente, los dispositivos se colocan muy cerca de las paredes de la celda o del módulo, o de conexiones eléctricas para identificar “puntos calientes”. A medida que aumenta la temperatura del termistor, la resistencia eléctrica disminuye con una curva de alta sensibilidad debido al gran coeficiente de temperatura negativo de resistencia del componente. La temperatura se determina midiendo un voltaje en una red de resistencia-termistor mediante un ADC (convertidor de analógico a digital) integrado en el CI. Las lecturas de temperatura precisas son muy importantes para la correcta funcionalidad de la batería y la seguridad del sistema. Para una medición precisa de la temperatura, el NTC y las resistencias del circuito de medición son muy importantes.

NTC típicos de montaje en superficie. (Fuente de la imagen: Vishay)

Los sistemas de baterías de alto voltaje pueden constar de veinte termistores NTC de montaje en superficie o más colocados en un circuito flexible que se enrolla alrededor de la estructura de la batería ensamblada. Si el sustrato de montaje es una PCB FR4, estos componentes podrían soldarse por reflujo o por onda. Sin embargo, algunos circuitos flexibles no pueden utilizar estas técnicas de soldadura y, en su lugar, dependen de la soldadura láser con calentamiento local para evitar dañar otras partes sensibles. Si este proceso no se controla estrictamente, puede provocar grietas térmicas en los componentes de cerámica. De manera similar, todo el sistema de batería puede experimentar una tensión mecánica significativa en el conjunto y el funcionamiento. En este caso sucede de la misma manera, el conjunto del circuito flexible puede quedar expuesto a tensiones de torsión mediante las terminaciones de componentes o incluso mediante presión directa sobre el componente, lo que provoca grietas.

Placa SN/Pb (estaño/plomo) con acabado mate con un mínimo de 4% de plomo. (Fuente de la imagen: Vishay)

Este tipo de falla depende de varios factores, lo que puede hacer que sea difícil detectarla y menos probable que ocurra de manera predecible. Además, como bien se ha documentado en el caso de los capacitores de cerámica multicapa, es posible que la falla real del componente (grieta en el componente) no aparezca hasta mucho más tarde, mucho después de que se haya implementado el sistema. Este tipo de falla también es potencialmente catastrófica, lo que hace que el reemplazo o la reparación sean muy costosos.

Para mitigar el riesgo de grietas en los componentes debido a los cambios de temperatura o la tensión mecánica que se puede observar al usar placas CI flexibles, la serie de termistores NTC de Vishay emplea un material de óxido metálico a granel con una terminación de polímero de epoxi curado, galvanizado con níquel y estaño, en lugar de un material de película gruesa cocido. Esta solución proporciona una estructura de terminación flexible que supera significativamente a los materiales de terminación alternativos durante las pruebas de tensión, además de las soluciones de terminación flexible de otros fabricantes que se ven en componentes de cerámica estructurados multicapa.

Como las tensiones en los conjuntos de gestión de baterías que utilizan circuitos de la placa CI flexibles pueden variar de un conjunto a otro, el uso de soluciones de terminación flexible que puedan absorber la fuerza de torsión y la tensión térmica puede reducir significativamente el potencial de fallas en el campo y, por lo tanto, mejorar la confiabilidad y la vida útil.