Utilice monitores avanzados de batería, equilibrio de celdas y aislamiento de E/S para diseñar un núcleo BMS resistente

Las baterías recargables son elementos fundamentales de un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS, por sus siglas en inglés), y cada vez se combinan más composiciones químicas diferentes en paquetes de decenas, cientos e incluso miles de celdas para proporcionar un funcionamiento más eficiente a voltajes más altos. Para los diseñadores de un sistema de gestión de baterías (BMS), esta disposición presenta varios desafíos para lograr un rendimiento, eficiencia, confiabilidad y seguridad óptimos.

Por ejemplo, diseñar o seleccionar los circuitos integrados (CI) necesarios para satisfacer las necesidades de esta aplicación requiere un profundo conocimiento de la química de las baterías, la carga, la supervisión, el equilibrio de carga, el aislamiento, la seguridad y las técnicas de comunicación para una implementación eficaz.

Para ayudar a abordar estos desafíos, los proveedores han integrado muchas de las funciones necesarias en circuitos integrados especializados en gran medida independientes del procesador. Muchos de estos circuitos integrados admiten diferentes composiciones químicas de baterías de litio, así como celdas que no contienen litio. Recopilan datos de celdas de batería y toman decisiones y acciones óptimas de administración de baterías en tiempo real. También proporcionan datos al procesador del sistema sobre el estado y la condición de las celdas.

Este artículo proporciona una breve revisión de los requisitos específicos de los paquetes de baterías multicelda. Luego presenta circuitos integrados sofisticados, optimizados y específicos de la aplicación de Analog Devices y describe cómo se pueden usar para cumplir con estos requisitos.

Los paquetes de alto número de celdas suman desafíos adicionales

El diagrama de cableado básico de un paquete de baterías, que comprende numerosas celdas colocadas en serie para un voltaje más alto y en paralelo para una mayor corriente, es engañosamente simple. Esto implica que la disposición es simplemente una extensión de un paquete de una o varias celdas que requieren poca gestión. Estos paquetes de alta densidad se utilizan en aplicaciones tales como herramientas eléctricas que requieren 18 V o 48 V, vehículos eléctricos (EV) que requieren 400 V u 800 V, y sistemas de almacenamiento de energía (BESS) que suelen requerir 1500 V.

La realidad de estos paquetes de baterías más grandes es que tienen sutilezas y complejidades mucho más allá de lo que aparece en su diagrama esquemático. El desafío de la gestión aumenta exponencialmente con el número de celdas y paquetes.

En primer lugar, se debe supervisar cada una de las celdas para determinar el voltaje terminal, el perfil de carga/descarga, el estado de carga (SoC), la temperatura y los indicios de fallo inminente. Además, las distintas celdas deben gestionarse de forma conjunta, teniendo en cuenta sus diferencias y dándoles la importancia que merecen.

La falta de un conjunto universal de normas complica aún más la gestión de las celdas de batería. La estrategia adecuada también depende de la química celular. Difiere entre las principales químicas, como las de iones de litio (Li-ion) y las de plomo-ácido, por ejemplo, así como dentro de una química amplia dada, como las diversas formulaciones de iones de litio. Por lo tanto, una estrategia BMS de alto nivel debe adaptarse a la química celular que gestiona.

Debido a la gran cantidad de celdas en paquetes de baterías de mayor voltaje y mayor capacidad y los numerosos mandatos de seguridad que deben cumplir estos paquetes, el monitoreo y la gestión de celdas locales son la solución de ingeniería más viable. Aunque por lo general hay un procesador central para el sistema, normalmente solo puede proporcionar directrices de supervisión de alto nivel a la supervisión de las celdas locales y evaluar el rendimiento agregado del paquete de baterías. La supervisión y gestión individual de las celdas de la batería se realiza mediante un sistema electrónico autónomo que proporciona funcionalidad en tiempo real y funciona en gran medida sin la intervención de un procesador a nivel del sistema.

Equilibrio celular pasivo frente a activo

El equilibrio celular es fundamental para mantener la integridad de un paquete multicelular y garantizar que algunas celdas no se estresen demasiado mientras que otras se infrautilizan. Evita daños en las celdas y paquetes de baterías, maximizando el rendimiento. El equilibrio garantiza que todas las celdas de un paquete alcancen su capacidad máxima simultáneamente, lo que evita la sobrecarga, el estado de carga desigual, la descarga excesiva y la degradación prematura, prolongando así la vida útil de la batería.

Hay dos enfoques para el equilibrio: activo y pasivo. El equilibrado activo es más preciso y rápido que el equilibrado pasivo, pero es más complicado de implementar. Utiliza circuitos activos para redistribuir la carga entre las celdas de una batería, garantizando que todas tengan el mismo estado de carga (SoC). Este circuito supervisa el voltaje de cada celda y ajusta la corriente de carga y descarga en consecuencia.

Por el contrario, el equilibrio pasivo se basa en la ley de Ohm y en resistencias de equilibrio para llevar las celdas al mismo SoC. Además de ser menos preciso y más lento que el equilibrio activo, el equilibrio pasivo disipa (desperdicia) el exceso de energía de una celda con mayor carga.

Comience con el monitoreo multicelular

Aunque existen muchas soluciones ESS disponibles, dos funciones esenciales «cercanas a la acción» de un BMS son la supervisión y el equilibrio de las celdas individuales. Un circuito integrado como el ADES1830CCSZ (Figura 1), un monitor de baterías multicelular y multiquímico de 16 canales, cumple estas funciones y añade muchas características esenciales que facilitan y simplifican el diseño y el funcionamiento general del sistema.

Figura 1: El monitor de celdas de batería ADES1830CCSZ multicelda multiquímica sirve como un componente fundamental para un BMS integral. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Este monitor de pila de baterías multicelular mide hasta 16 celdas de batería conectadas en serie con un error de medición total (TME) durante toda la vida útil inferior a 2 mV en todo el rango de temperaturas; el ADES1831CCSZ, por lo demás idéntico, tiene un TME ligeramente superior, de 5 mV. El rango de entrada de medición de -2 V a 5,5 V hace que tanto el ADES1830 como el ADES1831 sean adecuados para la mayoría de composiciones químicas de baterías.

Para garantizar la coherencia durante la supervisión de paquetes con un gran número de celdas, todas las celdas se pueden medir simultáneamente y de forma redundante con convertidores analógico-digitales (ADC) integrales duales. Estos ADC funcionan de forma continua a una alta velocidad de muestreo de 4,096 megamuestras por segundo (MSPS), lo que permite reducir el filtrado analógico externo y obtener resultados de medición sin alias. Si es necesario, se puede lograr una reducción de ruido adicional mediante filtros de respuesta de impulso infinito programables (IIR) de seguimiento. Los modelos ADES1830 y ADES1831 también cuentan con equilibrio pasivo mediante control del ciclo de trabajo de modulación por ancho de pulso (PWM) individual y admiten hasta 300 miliamperios (mA) de corriente de descarga para cada celda.

Aunque un solo dispositivo ADES1830 o ADES1831 admite solo 16 celdas conectadas en serie, se pueden concatenar varios dispositivos para supervisar simultáneamente celdas que forman cadenas de baterías largas y de alto voltaje. Para facilitar esta conectividad entre circuitos integrados, cada dispositivo cuenta con una interfaz de puerto serie aislada (isoSPI) para comunicaciones de alta velocidad, inmunes a las interferencias de radiofrecuencia y de larga distancia, con aislamiento proporcionado por condensadores o transformadores seleccionados por el usuario.

De esta manera, una única conexión del procesador host puede leer datos y supervisar toda la cadena. Este enlace de puerto serie puede funcionar de forma bidireccional, lo que garantiza su integridad incluso en caso de fallo en la ruta de comunicación.

Para optimizar la aplicabilidad de estos monitores multicelda, Analog Devices ofrece la placa de evaluación EV-ADES1830CCSZ (Figura 2, izquierda). Para mayor realismo, se pueden conectar varias placas de evaluación a través de la interfaz isoSPI para supervisar una larga serie de celdas en una pila (Figura 2, derecha).

Figura 2: La placa de evaluación EV-ADES1830CCSZ para los modelos ADES1830 y ADES1831 (izquierda) incluye entradas multicanal para lecturas de voltaje de celdas, circuitos de equilibrio de celdas y conectividad de puerto isoSPI (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Equilibrio de celdas mejorado para un rendimiento óptimo

La optimización del rendimiento de paquetes multicelulares más grandes requiere un mejor equilibrio entre las celdas. Para abordar este desafío, Analog Devices ofrece el ADES1754GCB/V+ (Figura 3), un sistema de adquisición de datos de CI de equilibrio de batería multiquímica de alto voltaje de 14 canales diseñado para administrar módulos de batería de alto y bajo voltaje.

Figura 3: El circuito integrado ADES1754GCB/V+ de 14 canales y alta tensión para la adquisición de datos de múltiples composiciones químicas es compatible con técnicas avanzadas de equilibrio de baterías. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Este sistema puede medir 14 voltajes de celdas y una combinación de seis temperaturas con motores de medición totalmente redundantes en 162 microsegundos (μs). Alternativamente, puede evaluar todas las entradas únicamente con el motor de medición ADC en 99 μs.

Para el equilibrio activo de las celdas, hay 14 interruptores de equilibrio interno con una capacidad nominal de más de 300 mA de corriente de equilibrio de celdas, que se pueden conmutar para admitir amplios diagnósticos integrados. Mediante estos interruptores, el circuito integrado se puede configurar para implementar el equilibrio automático con temporizadores de celdas individuales o por voltaje de celda. El CI también ofrece un modo de descarga de emergencia.

Se pueden conectar en cadena hasta 32 dispositivos para gestionar 448 celdas y controlar 192 temperaturas. Los voltajes de la celda y de la barra colectora, que van de -2,5 V a +5 V, se miden diferencialmente en un rango de 65 V en modo común, con una precisión típica de 100 μV. Para garantizar una comunicación sólida, el sistema utiliza el protocolo UART de gestión de baterías de Analog Devices y es compatible con una interfaz de controlador I²C para gestionar dispositivos externos.

Al igual que con los modelos ADES1830 y ADES1831, Analog Devices ofrece la placa de evaluación ADES1754EVKIT# (Figura 4, izquierda) para mejorar la experiencia de diseño y reducir el periodo de configuración. La disposición física de la placa (Figura 4, derecha) está optimizada para una conexión eficiente a múltiples celdas de batería, así como para E/S de procesador aisladas.

Figura 4: El ADES1754EVKIT# (izquierda) acelera el proceso de diseño del ADES1754; su diseño físico (derecha) está optimizado para una conexión eficiente a múltiples celdas de batería, así como a E/S de procesador aisladas. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El kit proporciona una plataforma práctica para evaluar las características y funciones del circuito integrado, así como sus parámetros eléctricos. Los conectores de comunicación verticales del kit, junto con su conector de batería de encaje a presión, permiten a los usuarios construir y evaluar rápidamente un sistema con hasta 32 dispositivos conectados en cadena.

La comunicación y el aislamiento de seguridad completan el núcleo del BMS.

Debido a los evidentes problemas de seguridad asociados con los altos voltajes de los paquetes de baterías, es obligatorio que el enlace de comunicación entre el controlador BMS y los dispositivos individuales de monitorización de baterías incluya aislamiento galvánico (óhmico). Algunos circuitos integrados de medición y monitorización ofrecen esta función de aislamiento de forma directa, pero muchos otros no.

Para implementar este requisito en los casos en los que no forma parte integral del circuito, Analog Devices ofrece el ADBMS6821 de un solo canal (Figura 5, izquierda) y el ADBMS6822 de doble canal. Estos circuitos integrados compatibles con AEC-Q100 e implementan comunicaciones isoSPI bidireccionales, aislando así los dispositivos mediante una única conexión de par trenzado para cada enlace de datos (Figura 5, derecha).

Figura 5: El ADBMS6821 de canal único (izquierda) y el ADBMS6822 de doble canal contienen los bloques funcionales necesarios para proporcionar comunicaciones isoSPI bidireccionales; se conectan fácilmente con un bucle bidireccional en cables de par trenzado (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En funcionamiento, cada transceptor codifica los estados lógicos en señales que se transmiten a través de la barrera de aislamiento a otro transceptor. El dispositivo receptor decodifica la transmisión y conduce el bus periférico a los estados lógicos adecuados.

El transceptor actúa como puente entre el puerto SPI del microcontrolador BMS y los puertos isoSPI de los monitores individuales de los paquetes de baterías. Traduce señales SPI estándar (CS, SCK, PICO y POCI) en pulsos que pueden enviarse bidireccionalmente a través de cables de par trenzado.

Los dispositivos admiten velocidades de datos de 2 megabits por segundo (Mbits/s) y longitudes de cable de 100 metros (m) con una susceptibilidad y emisiones de interferencias electromagnéticas (EMI) muy bajas. Los diseñadores pueden optar por utilizar condensadores o transformadores para la barrera de aislamiento, dependiendo de la tensión nominal requerida, el espacio disponible, las cuestiones normativas y otros factores técnicos.

Como ventaja adicional, los transceptores se pueden emparejar con otras soluciones avanzadas de monitorización en pila de la familia ADBMS de Analog Devices para permitir la monitorización del voltaje de las celdas y los sensores incluso cuando el controlador BMS está apagado, lo que da como resultado un diseño de monitorización de celdas de bajo consumo (LPCM).

Al igual que con otros dispositivos BMS, una placa de evaluación es un complemento valioso para que los diseñadores exploren, prueben y verifiquen la funcionalidad. Para estos transceptores, hay disponible una placa de evaluación con todas las funciones, la EVAL-ADBMS6822DEC (Figura 6). Funciona como un adaptador dual SPI a isoSPI de 2 hilos, con el ADBMS6822 de doble canal, pero también se puede utilizar con el ADBMS6821 de un solo canal.

Figura 6: Como adaptador dual SPI a isoSPI de 2 hilos, el EVAL-ADBMS6822DEC facilita el desarrollo y la evaluación de un enlace aislado entre el procesador BMS y los dispositivos de monitoreo de celdas individuales. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Con esta placa de evaluación, se pueden conectar varios monitores de batería ADBMS68xx mediante interconexiones en cadena. La placa también cuenta con un puerto isoSPI reversible, que permite una ruta de comunicación redundante con las unidades periféricas. La placa de circuito impreso (PCB), los componentes y los conectores están optimizados para reducir al mínimo la susceptibilidad y las emisiones de interferencias electromagnéticas (EMI).

Conclusión

La gestión adecuada, eficaz y eficiente de paquetes de baterías con un gran número de celdas y los correspondientes altos voltajes es una cuestión compleja que presenta muchas sutilezas de diseño. Los circuitos integrados optimizados y específicos para cada aplicación de Analog Devices ofrecen una amplia variedad de soluciones para cumplir los requisitos técnicos y normativos exigidos.