Componentes inductivos para una operación segura

Los componentes inductivos desarrollados específicamente para los sistemas de gestión de batería ayudan a solventar este problema.

Las baterías de iones de litio son unidades de carga explosiva que se deben manejar con cuidado, especialmente en situaciones de sobrecarga y subcarga cuando las celdas de la batería están operando en una “zona gris”. Cuanto mayor y más complejo es un ”battery pack”, más complicada se vuelve esta tarea.

Muchos dispositivos electrónicos portátiles ya usan un sistema de gestión de batería (BMS) avanzado. El BMS en vehículos eléctricos, híbridos e híbridos enchufables es mucho más complejo, especialmente en un sistema eléctrico de alta tensión.

El aislamiento galvánico seguro de los paquetes de batería en cascada con elevadas tensiones en modo común se convierte en una función central crucial.

A menudo, hay que desarrollar tecnologías de circuito completamente nuevas y métodos de detección más precisos para el balanceo de celda de grandes paquetes de batería. Otro factor decisivo es el aislamiento de varios bloques funcionales para proteger sistemas sensibles de la elevada energía de la batería. Para este propósito, los fabricantes han creado componentes inductivos, como los transformadores de potencia con aislamiento y los choques de modo común, que mejoran la seguridad y el funcionamiento total de los ”battery packs” – y, por lo tanto, del vehículo (significativamente).

Aspectos críticos con componentes inductivos

Hay que tener en cuenta dos aspectos particularmente críticos al diseñar un ”battery pack”: primero, la sobrecarga de la batería causará sobrecalentamiento. Las celdas de batería tienen un rango de temperatura especificado relativamente estrecho, por lo que un exceso de calor puede deteriorarlas o, incluso, provocar una fuga térmica y, en consecuencia, un incendio o una explosión. Por lo tanto, se debe prevenir este calor excesivo a toda costa.

Segundo, la descarga de la batería por debajo de un determinado valor puede traducirse en una reducción permanente en su capacidad. Este umbral depende de la composición química o la tecnología de la batería y aparece en las especificaciones de los principales fabricantes, como Samsung SDI.

Control del flujo de energía

Junto al cargador de a bordo, el BMS tiene que mantener las celdas de la batería en su rango operativo especificado, también en las zonas grises de sobrecarga y subcarga, para impedir fallos de funcionamiento y daños.

En este contexto, hay que observar con detenimiento los límites de corriente de carga y descarga permisibles, así como las tensiones de carga y descarga superiores e inferiores. En función de la topología, los switches semiconductores controlan las corrientes. Debido a las elevadas tensiones en modo común, los transformadores de potencia de aislamiento se suelen usar entre los IC de balanceo de celda basado en baja tensión y los de monitorización para garantizar una comunicación constante en la pila a través de una configuración en cadena (daisy-chain).

Los transformadores de potencia de aislamiento con altas tensiones aisladas, como los modelos de la serie PH9185.XXXNL de Pulse, protegen el circuito de control ante tensiones elevadas en modo común. Esta serie se pueden configurar con varias ratios de transmisión.

Características:

• Tensión aislada de 5000 Vrms
• Tensión operativa de 600 Vrms
• Distancia aérea y de creepage de 8 mm y aislamiento reforzado
• Certificados UL y TÜV y cualificación AEC-Q200

Los transformadores de potencia de aislamiento PH9185.XXXNL de Pulse pueden proteger un circuito de control ante el exceso de potencia de la batería. (Fuente: Pulse)

Compensando sobretensiones y subtensiones

Las sobretensiones y subtensiones pueden dañar o envejecer la celda. Para impedirlo, es necesario distribuir la tensión de batería equitativamente en todo el “battery pack”.

Para este propósito, el BMS mide la tensión de cada celda de batería, que se ajusta al nivel total de una transferencia de carga entre las celdas o una descarga de celdas individuales. En celdas con una tensión por encima de la media, el exceso de carga se distribuye entre otras celdas.

Previniendo el sobrecalentamiento

Los sensores de temperatura miden continuamente la temperatura, garantizando así que las celdas de batería permanecen en su rango especificado. Si la temperatura supera el nivel crítico, el sistema de control interrumpe el proceso de carga o descarga hasta que las celdas sobrecalentadas vuelven a un nivel seguro.

Compensando las tensiones

Normalmente, el BMS lleva a cabo la denominada Coulomb count con el objetivo de determinar el estado de carga (SoC). Establece la cantidad de energía eléctrica que permanece en cada celda de la batería y transmite esta información a las unidades de control vía una interfaz con protección ante la interferencia electromagnética (EMI).

Esta arquitectura apilable puede soportar cientos de celdas en baterías de gran tamaño. Así se garantiza que todas las celdas se descargan uniformemente y su carga no cae por debajo del valor límite, lo que podría reducir permanentemente la capacidad total o provocar una descarga profunda inadmisible.

Resulta importante darse cuenta de que muchas de las celdas conectadas en serie tienen grandes diferencias de potencial de tensión en las conexiones en cadena.

Esto requiere un aislamiento galvánico entre los componentes. Los transformadores están especialmente indicados a la hora de aislar conexiones de comunicación en serie entre las PCB de cada una de ellas.

En Pulse, los desarrolladores pueden, gracias a su amplia gama de transformadores de potencia de aislamiento, encontrar fácilmente el modelo que proporciona la tensión operativa, el número de canales y la forma y el tipo de encapsulado para cumplir los requisitos de aplicación.

Por ejemplo, la serie HM11/21xxNL se encuentra disponible en múltiples configuraciones con diferentes tensiones de trabajo y aisladas, y existe un transformador idóneo para cada necesidad. Los transformadores de potencia de aislamiento poseen las aprobaciones para muchos chipsets del mercado (Rohm y otros fabricantes de IC de balanceo de celda).

Controlando el flujo de corriente con componentes inductivos

Un algoritmo de carga probado es una alternancia de fase de corriente constante y tensión constante. Los inductores de elevada corriente se usan en el BMS con la misión de limitar el ratio de alteración del flujo de corriente y eliminar el rizado de la corriente de carga. La serie PA434xNL de Pulse, por ejemplo, resulta ideal para este propósito.

Merece la pena cuando se integran correctamente, estos BMS robustos basados en componentes de fuerza magnética merecen la pena, ya que pueden evaluar y controlar el rendimiento y la estabilidad de cada celda de batería. Aumentan significativamente la vida de la batería y hacen que el sistema de batería – y, por ende, todo el vehículo, sean más seguros.

Autor: Jochen Neller, Responsable de Soporte Técnico de Inductores & Dispositivos de Temporización, Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH.