Inicio > Noticias > Contenido
¿Cómo mantener una batería de iones de litio de potencia?
- Sep 05, 2018 -

Las aplicaciones de baterías de iones de litio se han integrado en nuestras vidas. Podemos tener motocicletas eléctricas, herramientas eléctricas portátiles y vehículos híbridos enchufables. Siempre que haya electricidad, habrá baterías de iones de litio. El hecho de que los paquetes de baterías de iones de litio diseñen circuitos de protección para estas baterías nunca ha sido más importante.

El FET de potencia es una característica de seguridad clave en el Sistema de administración de la batería (BMS) cuyo objetivo principal es aislar la batería de la carga o el cargador en condiciones anormales. Este artículo discutirá cómo se aplica el bloque y cómo se aplica al FET de potencia para garantizar el funcionamiento seguro de la batería de Li-Ion.

El bloque de funciones de FET de alimentación no parece ser complicado: encienda el FET cuando el cargador o la carga estén conectados; apagar el FET cuando se produce un error. Para funcionar correctamente como FET de potencia, los ingenieros de diseño deben comprender las condiciones de carga, los límites de la batería y los circuitos de bloque de función.

En los sistemas de administración de baterías, los FET de potencia están controlados por el voltaje de la celda, la corriente de la batería, la temperatura, la carga y las comparaciones del monitor de carga. Los bloques de funciones están integrados de tres maneras en el sistema: (1) a través de componentes discretos, lo que requiere espacio adicional en la placa, y el ingeniero de diseño necesita una comprensión profunda de cada subbloque. (2) Un IC FET de potencia que integra la mayoría de los bloques de subfunción y se puede usar como un IC complementario para un monitor / ecualizador de múltiples núcleos. Los IC de FET de potencia son muy útiles en aplicaciones de alto recuento de células ("16 células"), como granjas solares y redes inteligentes. (3) Encienda los bloques de función FET en circuitos integrados BMS totalmente integrados, como ISL94202, ISL94203 e ISL94208. Las funciones de estos tres esquemas son aproximadamente las mismas. Este artículo explica las funciones intrínsecas de cada subbloque y las consideraciones de diseño para diferentes aplicaciones.

1.png

Figura 1. Diagrama esquemático del circuito utilizado para determinar si se debe encender o apagar el FET de alimentación.

Considere la configuración del circuito de la Figura 1. El sistema es una configuración FET de serie de lado alto conectada al motor. El estado de encendido del FET de potencia depende del voltaje de la celda de la batería, las corrientes de carga y descarga, la temperatura y el estado de los pines del monitor. Cualquier falla reportada por el subbloque causará que uno o ambos FET se apaguen.

Detección de células

La detección de células V, que no considera el balance de celdas, es una medición de voltaje que se usa para monitorear condiciones de sobretensión, subtensión y celdas abiertas. Las condiciones de baja tensión son importantes para detectar la condición sin carga de la batería para evitar que la celda se escape de la región activa. El área activa de la batería de iones de litio es 2.5V - 4.2V. La celda de polímero de litio tiene un rango activo de 2.5V - 3.6V. Dependiendo de la naturaleza química y el diseño, el voltaje limitante de la celda determina los límites de la celda de carga completa y sin carga. No exceda el límite de voltaje superior al cargar la batería, de lo contrario la batería podría dañarse. La mayoría de los circuitos integrados de BMS monitorean continuamente las condiciones de sobretensión y subtensión, independientemente del estado de carga de la batería.

Después de medir todas las celdas en el paquete de baterías, es útil informar la diferencia de voltaje total entre la celda más fuerte y la celda más débil. Las grandes diferencias de voltaje de la batería pueden identificar eventos de celda abierta o línea abierta. La mayoría de los sistemas tienen una prueba de línea abierta para garantizar que el sistema de medición esté conectado a las celdas con cables. La prueba de línea abierta no es tan frecuente como la medición del voltaje de la celda, y el resultado del cálculo de la diferencia de voltaje de la celda se puede usar como una advertencia temprana de falla del sistema.

Un evento de celda abierta es un circuito abierto interno o daño de conexión externa. La ocurrencia de un incidente puede ser lenta o repentina. Las posibles causas de eventos de celdas abiertas son el envejecimiento, la mala calidad de la fabricación de las celdas o el funcionamiento a largo plazo en entornos hostiles. El daño de la conexión externa generalmente es causado por una mala construcción de la batería.

Cuando la batería está conectada a la carga, se genera una gran cantidad de corriente de irrupción y puede producirse una falsa alarma de la presión diferencial máxima de la celda. Un aumento repentino de la corriente de entrada debido a la falta de coincidencia de la impedancia de la celda puede provocar una falta de coincidencia importante en el voltaje de la celda Algunos chips tienen un retraso en la notificación de eventos, mientras que otros no.

Detección de corriente

La mayoría de los sistemas de batería utilizados para medir la corriente tienen tres comparadores de corriente: cortocircuito de descarga (DSC), sobrecorriente de descarga (DOC) y sobrecorriente de carga (COC). Cada comparador genera un retraso que permite que la corriente sea mayor que el límite por un período de tiempo antes de tomar acción.

La carga es menos controlada que el cargador, por lo que se requiere una rápida detección de descarga de corriente para apagar el FET de alimentación para evitar daños a la batería o al FET de alimentación. Cuando ocurre un evento de DSC, el FET de potencia a menudo se apaga de decenas a cientos de milisegundos. El retardo DSC consiste en el retardo de tiempo y el tiempo requerido para que se apague el FET de alimentación. El FET de potencia se apaga cuando la puerta y la fuente están conectadas por una resistencia de aislamiento. La resistencia y la capacitancia de la compuerta forman un circuito RC que determina el tiempo de apagado del FET.

Hay muchos factores a considerar cuando se configura el retardo total del tiempo de apagado de DSC. El tiempo de apagado del DSC se determina por el tiempo en que la batería y el circuito están dañados, a diferencia del tiempo que la corriente de entrada puede pasar cuando la carga está activada o conectada. El tiempo de apagado del DSC debe equilibrarse con el tiempo de apagado del FET. La velocidad excesiva de desactivación del FET puede causar grandes transitorios de voltaje en los pines de medición de la celda. El pin más cercano al FET de potencia es más susceptible a los transitorios de voltaje grande. Estos eventos transitorios son la energía inductiva almacenada en la traza entre el FET de potencia y la batería, que es el resultado de la divergencia de ninguna parte cuando la batería se desconecta repentinamente de la carga. La energía del inductor se desvía a la carga abierta hasta que la tensión aumenta lo suficiente para activar el diodo ESD del circuito conectado. Si la energía es suficiente, el componente estará sujeto a una tensión eléctrica excesiva. La cantidad de energía almacenada en la traza es el producto de la inductancia de la traza y la corriente que fluye hacia la carga. La energía almacenada en la traza es la más bajo condiciones de cortocircuito de descarga. El filtrado en el pin de voltaje de la celda ayuda a reducir la probabilidad de eventos EOS. En la práctica, el trazado debe ser lo más corto posible y lo más ancho posible. El tamaño y la longitud del cable entre la carga y el FET de potencia también se deben elegir cuidadosamente. Este es otro factor que puede causar eventos transitorios de alto voltaje.

El aumento del valor de la resistencia de aislamiento entre la compuerta FET y el pin de control FET reduce la magnitud del transitorio de voltaje al extender el tiempo de apagado de FET. Al mismo tiempo, esto extiende el tiempo de activación del FET de potencia por la constante de tiempo RC que involucra la capacitancia del FET. Tenga en cuenta que hay resistencias de aislamiento en ambos casos.

Un FET de potencia que se apaga demasiado lentamente puede causar daños o pérdida de FET de alimentación. Como se muestra en la Figura 2, la mayoría de las hojas de datos de productos FET de potencia proporcionan un gráfico de la relación entre la corriente FET y el VDS y la duración. Considere una batería de 20V con una corriente de cortocircuito de 100A. La siguiente figura muestra que el FET puede permanecer en ejecución durante 1 milisegundo en esta condición.

2.png

Figura 2. El tiempo de apagado del FET debe estar dentro del área de operación segura del FET de potencia.

En la práctica, el límite DSC generalmente se compara con la duración de la corriente de entrada. La corriente de entrada puede ser tan grande como 100 veces o más de la corriente de operación. La Figura 3 muestra un ejemplo de un evento transitorio de corriente de entrada en el que el pico de corriente de entrada es 270A y el consumo de corriente de operación es 8A. Si se permite que la corriente de arranque supere el límite DSC, el FET cambiará entre los estados de encendido y apagado.

3.png

Figura 3. La corriente de arranque puede romper accidentalmente el límite de cortocircuito de descarga

La Figura 4 es una caída de voltaje de la batería causada cuando la corriente de entrada de la Figura 3 fluye hacia la celda. La Figura 4 muestra la importancia de usar celdas de baja impedancia y conexiones de celda a celda. La corriente de arranque provocó que el voltaje de la batería cayera en 10.8V. La magnitud de la corriente de entrada se reduce al aumentar la resistencia de aislamiento (Riso1 y Riso2) de la potencia FET. Un aumento en la resistencia de aislamiento aumenta la duración del evento de corriente de arranque.

4.png

Figura 4. Caída de voltaje de la batería cuando la corriente de arranque en la Figura 3 proviene de la batería

El límite y la demora de sobrecorriente de descarga son los límites secundarios que identifican la carga dañada o el sistema (aún en funcionamiento después de los daños) o la carga incorrecta está conectada a la batería. Las condiciones de DOC existen por mucho más tiempo y requieren menos factores que considerar que DSC.

El límite de sobrecarga de carga evita la sobrecarga de la batería y la carga de la batería con el cargador incorrecto. El retardo de COC permite que la carga no regulada fluya a la batería en un corto período de tiempo. La figura 5 muestra la curva de carga de un scooter. El motor carga la batería cuando la corriente es negativa. La corriente regenerativa del motor puede ser significativamente mayor que la corriente de carga. La configuración del límite de COC está cerca de la corriente del cargador para evitar cargar la batería con el cargador incorrecto. La mayoría de las corrientes regenerativas tienen una corta duración. En la Fig. 5, la corriente regenerativa registrada después de 250 segundos es el caso cuando la motocicleta va cuesta abajo. La corriente de regeneración a unos 280 segundos es el caso donde la motocicleta se detiene por inercia. La batería tiene una corriente de carga de 2A.

5.png

Figura 5. Curva de carga de un scooter.

El ajuste de la corriente de carga implica muchos factores. El factor principal es la aceptación de carga de la propia celda. Otros factores incluyen el tiempo de carga, el calentamiento de la celda y el envejecimiento de la batería.

Control de temperatura

La razón principal para detectar la temperatura de la celda es asegurarse de que la batería no alcance el embalamiento térmico. Las condiciones que pueden provocar un desbordamiento térmico son la sobrecarga de la celda, el cortocircuito a la batería o el cortocircuito interno de la celda. Algunas baterías químicas son relativamente susceptibles a fugas térmicas.

Además de la detección de fuga térmica, la detección térmica también se utiliza en la práctica para determinar si la batería se está cargando o descargando de forma segura. Como se muestra en la Figura 6, la mayoría de las baterías de litio ofrecen un rango de temperatura de carga / descarga recomendado. En aplicaciones como las computadoras portátiles, puede ser conveniente cargar en la única zona de temperatura de descarga permitida de la Figura 6. JEITA es un estándar de carga de baterías de litio. El estándar aboga por reducir la corriente de carga en una zona de temperatura donde la celda no es muy estable o es menos capaz de aceptar carga. La Figura 7 es un ejemplo del estándar de carga JEITA. Para la mayoría de las aplicaciones, la curva de la Figura 6 es suficiente para los requisitos y es fácil de implementar.

6.png

7.png

Conclusión

Para los BMS ICs independientes, es importante comprender el rendimiento de sus bloques de funciones y FET de potencia en el área de trabajo. Algunos circuitos integrados permiten la carga cuando tanto la carga FET (CFET) como la descarga FET (DFET) están activadas. Otros circuitos integrados apagan el CFET. El CFET nunca debe apagarse en una configuración de FET de potencia en serie cuando el perfil de temperatura de la celda solo permite que la región de descarga funcione. Ejecutar la carga mientras el CFET está apagado permite que la corriente pase a través del diodo del cuerpo del CFET. Esto aumenta la disipación de potencia del FET, haciendo que la temperatura del FET aumente. Si no se toman medidas para eliminar el calor generado por el FET, como el diseño del circuito o el uso de un disipador de calor, el componente podría dañarse. El apagado de CFET cuando se opera en una configuración en serie también reduce el consumo de energía de carga que puede afectar el rendimiento de la aplicación.

La mayoría de las baterías pequeñas y medianas usan dos termistores para monitorear la temperatura. Uno de los termistores está ubicado en el centro de la batería, y la temperatura aquí es más alta debido al aislamiento de las celdas de la batería. Estas células envejecen más rápido debido a las altas temperaturas de operación. El segundo termistor está ubicado fuera del paquete de baterías y se usa principalmente para medir la temperatura ambiente. La detección adecuada de la temperatura evita que la batería se escape térmicamente y asegura que sea segura para cargar o descargar.


Related Products