Esta nota de aplicación presenta un circuito simple para simular el funcionamiento de una batería Li+, proporcionando una forma más conveniente de probar un cargador de batería Li+ que usar una batería real.
Resumen: El proceso de carga de la batería Li+ puede tardar una hora o más, por lo que probar un cargador de batería Li+ con su carga natural (es decir, la batería) lleva mucho tiempo y es un inconveniente. Esta nota de aplicación presenta un circuito simple para simular el funcionamiento de una batería Li+, proporcionando una forma más conveniente de probar un cargador de batería Li+ que usar una batería real.
Una versión similar de este artículo es Maxim’s Engineering Journal, volumen 64 (PDF, 1,99 MB).
prólogo
Las baterías de iones de litio (Li+) son más delicadas que otras baterías químicas y tienen poca tolerancia al abuso. Por lo tanto, los cargadores de baterías Li+ son circuitos complejos que requieren ajustes muy precisos de corriente y voltaje. Si no se cumplen estos requisitos de precisión, el cargador no podrá cargar completamente la batería y puede reducir significativamente la vida útil de la batería o degradar el rendimiento de la batería.
Dadas las demandas que se imponen a los cargadores de iones de litio, es importante probar exhaustivamente el diseño del cargador y probar paso a paso todo el rango operativo. Sin embargo, probar un cargador de Li+ con una carga natural (es decir, una batería de Li+) requiere mucho tiempo y es poco práctico en un laboratorio o entorno de producción. Para simplificar el proceso, este artículo presenta un circuito de emulación de batería para acelerar y probar de manera realista un cargador de batería Li+ sin usar una batería real.
Carga CC-CV
El proceso de carga de la batería Li+ requiere carga de corriente constante (CC) de precisión media en la primera fase y transiciones a carga de voltaje constante (CV) de alta precisión en la segunda fase.
VI características de un moderno circuito integrado CC-CV (MAX1737) utilizado en cargadores de baterías Li+. Este tipo de IC es el corazón de todos los cargadores de batería Li+ en productos de consumo. Las regiones CC (entre 2,6 V y 4,2 V de voltaje de la batería) y CV (4,2 V) están claramente marcadas.
Las regiones por debajo de 2,6 V requieren diferentes técnicas de carga. Al intentar cargar una batería que se ha descargado por debajo de 2,6 V, el cargador aplicará una corriente de carga de valor más bajo (“corriente regulada”) hasta que la batería alcance el nivel de 2,6 V. Este es un mecanismo de seguridad necesario para el funcionamiento de la batería Li+ durante la descarga total. Forzar una corriente de carga rápida cuando VBATT < 2,6 V puede poner la batería en una condición de cortocircuito irreversible.
El punto de transición de la fase CC a CV tiene una tolerancia crítica de ±40mV. La razón de la estrecha tolerancia es que un CV bajo no cargará completamente la batería y un CV alto acortará su vida útil.
La finalización del proceso de carga incluye la detección de que la batería ha alcanzado la carga completa y que el cargador debe desconectarse o apagarse. Esto se logra detectando el punto durante la fase CV cuando la corriente de carga cae a una fracción de la denominada carga rápida o corriente de carga máxima (normalmente menos del 10%).
Parámetros de prueba del cargador de iones de litio
Un diseño de cargador de batería Li+ normalmente tiene dos bloques: un bloque digital (máquina de estado de control) y un bloque analógico que consiste en un suministro de corriente/voltaje correctamente regulado con una referencia precisa (mejor que 1%).Hay dos bloques de construcción básicos. Una prueba completa de un producto de cargador de iones de litio (no solo un IC) es más compleja y requiere más tiempo que solo verificar algunos valores de corriente o voltaje.
La prueba consiste en pasar el cargador por todo el rango operativo, la fase CC, la transición de CC a CV y la terminación de la carga. La condición más realista para tal prueba es con una batería Li+ que es la carga natural del cargador. Sin embargo, probar un cargador Li+ con una batería Li+ lleva mucho tiempo, ya que el proceso de carga puede durar una hora o más. Los tiempos de prueba pueden variar mucho dependiendo de si combina baterías de alta capacidad con cargadores lentos, baterías de baja capacidad con cargadores rápidos o cualquier otra opción.
Además, el proceso de carga no puede acelerarse más allá de los límites impuestos por la tasa de carga máxima de la batería (la llamada corriente de carga rápida) sin dañar la batería. Para baterías típicas utilizadas en productos de consumo, esta corriente rara vez se especifica por encima de 1C (la corriente requerida para descargar completamente la batería en 1 hora). Por lo tanto, en la mayoría de los casos, el tiempo requerido para llevar el cargador a un ciclo completo es de 2 horas o más.
Si es necesario repetir la prueba, la batería debe descargarse por completo. Este es un proceso un poco más corto que la carga. O debería tener una batería que se descarga constantemente.
Una alternativa a las pruebas de carga con baterías reales es probar los cargadores con cargas realistas simuladas. Esta simulación debería verificar la respuesta de CC y la estabilidad dinámica del circuito. Sin embargo, la simulación de batería es difícil de implementar con las cargas estándar utilizadas en las pruebas de potencia. A diferencia de la mayoría de las cargas de banco para pruebas de fuentes de alimentación, las baterías no actúan como resistencias o sumideros de corriente constante. Como se mencionó anteriormente, la prueba también requiere pasar el cargador a través de su rango operativo. El circuito de prueba del cargador de iones de litio que se describe a continuación cumple con todos estos requisitos.
Selección de carga modelada por batería
Discutiremos dos enfoques de modelado a considerar, pero los descartaremos más adelante.
Una forma de modelar una carga de batería es usar una fuente de voltaje capaz de generar (descargar) y hundir (cargar) corriente en serie con una resistencia que representa la resistencia interna de la batería. Debido a que las baterías de iones de litio requieren límites precisos en la terminación del voltaje y la corriente de carga, todos los cargadores de iones de litio actuales son convertidores de energía regulados de manera efectiva.
Además, la estabilidad del convertidor de potencia regulado (cargador) depende de las propiedades dinámicas de la carga conectada (batería), por lo que debemos elegir una carga que se asemeje mucho a las propiedades del modelo. De lo contrario, la prueba solo puede verificar los límites VI del propio cargador.
Si la prueba es una tarea única y el modelo de batería más simple cumple con los requisitos de la prueba, entonces es apropiado usar un regulador de voltaje de derivación en serie con una resistencia para simular la resistencia interna de la batería. Este enfoque también tiene la ventaja de ser alimentado por el propio cargador.
Sin embargo, las pruebas más rigurosas requieren modelos más sofisticados. Este modelo utiliza una fuente de voltaje interna. Su valor es función de la carga total entregada a la batería durante el proceso de carga.
El voltaje entre los terminales de una batería que se carga con corriente constante varía continuamente con una pendiente positiva. Este comportamiento es causado por el agotamiento gradual de los iones despolarizados que se acumulan alrededor del cátodo de la batería durante la descarga y otros procesos químicos dentro de la batería. Como resultado, el punto de operación del cargador depende de la cantidad de tiempo que ha estado conectado a la batería y el historial pasado de la batería. Las cargas que simulan este modelo más complejo son difíciles de configurar utilizando equipos de propósito general que se encuentran en la mayoría de los laboratorios de electrónica.
Un circuito que simula de cerca una batería que se está cargando es un accesorio de banco útil si necesita probar su circuito de carga con frecuencia o si necesita evaluar completamente el rendimiento de su circuito. La simulación debe barrer continuamente todos los posibles puntos de funcionamiento de CC del cargador. El circuito también debe mostrar los resultados para que el operador pueda buscar problemas, fallas y oscilaciones. Si el simulador proporciona voltaje de la batería y salidas de señal, estos resultados se pueden ver directamente como una imagen del alcance.
La prueba puede ser rápida (de horas a decenas de segundos) y puede repetirse tantas veces como sea necesario, lo que la hace mucho más conveniente que probar con una batería real. Sin embargo, las pruebas aceleradas no son adecuadas para determinar los efectos térmicos de la tensión de alimentación en los circuitos del cargador. Por lo tanto, es posible que se requieran pruebas adicionales durante un período de tiempo prolongado para adaptarse a las constantes de tiempo térmico de los circuitos de alimentación y regulación del cargador.
Construir una carga modelada a partir de una batería
El circuito de la Figura 2 simula una batería Li+ de una sola celda. Tanto el voltaje de terminación como la corriente de carga rápida que se entregan durante la fase CC del cargador están controlados por la configuración del cargador. Cuando el simulador se inicializa a un estado completamente descargado, el voltaje de la batería interna se establece en 3 V, pero el nivel se puede elevar a 4,3 V para probar las condiciones de sobrecarga. La inicialización de 3 V es estándar para los circuitos de apagado por batería baja que se usan para terminar la descarga de la batería Li+. Este diseño está diseñado para usarse con cargadores de batería Li+ tipo CC-CV estándar que terminan la carga a 4,2 V. El diseño se puede ajustar fácilmente para adaptarse a niveles no estándar de terminación y voltajes de descarga total.
El cargador bajo prueba impulsa el simulador con corrientes de carga de hasta 3A, sujeto a los límites establecidos por el consumo en los transistores de potencia. El aumento en el voltaje de la batería simulado por el circuito en la Figura 2 es una función de toda la corriente de carga integrada por el circuito desde el momento en que el simulador se establece en un estado completamente descargado.
Usando los valores mostrados y una corriente de carga de 1A, la constante de tiempo de integración permite que el simulador alcance el límite de 4.2V del cargador en 6-7 segundos. Las simulaciones de rango de corriente, resistencia interna, voltaje de fin de carga y voltaje de descarga total se basan en las especificaciones de una celda Li+ típica (en este caso, Sony® US18650G3). El voltaje de la batería simulado no incluye un efecto de temperatura ambiente simulado.
El regulador de voltaje de derivación está diseñado alrededor del regulador de derivación MAX8515 y el par de transistores de potencia bipolares. (Este regulador fue elegido por la precisión de la referencia de voltaje interno). Un transistor TIP35 de alta corriente está montado en un disipador de calor capaz de disipar aproximadamente 25W.
La mitad del amplificador operacional dual MAX4163 integra la corriente de carga, y la otra mitad amplifica y cambia el nivel de la señal de medición actual. Los rangos de entrada y salida de riel a riel y PSRR alto del amplificador operacional simplifican el diseño del circuito para ambas funciones. Tenga en cuenta que la resistencia de detección de corriente de 0,100 Ω en serie con el lado positivo del simulador de batería también sirve como resistencia interna de la batería.
El simulador se puede restablecer a un estado completamente descargado mediante una señal externa cuando se opera en un sistema con adquisición automática de datos de prueba. Alternativamente, si la configuración de prueba se opera manualmente, también es posible un reinicio de botón.
Un interruptor unipolar de un solo paso le permite elegir entre dos modos de funcionamiento para el simulador. En la posición A, el interruptor actúa como un simulador de carga integral como se describió anteriormente. La posición B asume un voltaje de salida establecido y absorbe la corriente según sea necesario para probar el cargador en un punto de operación de CC fijo. Con ese fin, el voltaje “establecido” se puede ajustar manualmente entre 2,75 V y 5,75 V mediante una resistencia variable de 50 kΩ. Estos valores de voltaje establecidos son relativos a la fuente de sumidero interna. El voltaje entre los terminales del simulador (VBATT) que realmente se mide es el voltaje establecido más la caída causada por la corriente disipadora que fluye a través de la resistencia interna del simulador (resistencia de 0,100 Ω). Toda la energía requerida para operar el simulador es proporcionada por la salida del cargador de batería.