Battery management: añadiendo baterías a los prototipos

battery

Muchos de los prototipos que se realizan en este laboratorio (y fuera de él) requieren de una alimentación propia, por lo que suelen emplear baterías. Actualmente, dada su alta densidad de energía, las más empleadas son las baterías de litio. Sin embargo, estas baterías requieren circuitos específicos para recargarla y para garantizar la seguridad en su funcionamiento.

La mayor parte de baterías suelen ser de química LiCoO2, las cuales son compatibles con la mayoría de circuitos integrados. Estas baterías suelen tener un voltaje nominal de 3,7 V, que sube hasta 4,2 V cuando está completamente cargada. En algunos dispositivos (como teléfonos, tablets, etc.) se emplean baterías que terminan la carga a los 4,3-4,35 V, con tensión nominal de 3,8 V. Se ha de comprobar que se elige la electrónica para la tensión de carga adecuada.

Existe un tipo menos común de baterías de Litio, las de química LiFePO4, que tienen una curva de tensión de descarga mucho más plana, y son usadas en algunas aplicaciones en las que esta característica es importante. Requieren de electrónica de control y carga específica.

En este post se comentan las protecciones básicas que se incluyen en las baterías. En sucesivos posts, se comentará el uso de cargadores, medidores de carga y algún caso práctico de cómo se ha implementado la alimentación en sistemas concretos.

Protección básica

Las baterías de litio son muy sensibles a las sobrecargas, sobredescargas, sobrecorrientes y cortocircuitos, pudiendo incendiarse de forma peligrosa en casos extremos. Por ello, y sobre todo en el diseño de prototipos, es imprescindible que integren protecciones para estas situaciones.

Típicamente, esta protección se realiza mediante un pequeño integrado que monitoriza el voltaje en la batería y actúa sobre dos transistores MOSFET para controlar la corriente entrante (durante la carga) y saliente (durante la descarga), pudiendo interrumpirla en caso de darse unas condiciones incorrectas.

Battery protection schematic
Esquema protección batería.

Dado que esta protección se implementa en todos los sistemas, muchas de las baterías sueltas que se pueden adquirir integran esta protección básica en una plaquita soldada en los terminales de la batería. Esto es muy conveniente ya que, si estuviera situada en la placa del propio prototipo, sería menos fiable al estar expuesto a problemas de soldadura, cortos o rotura de cables.

Batería con placa de protección.
Batería con placa de protección.

A la hora de elegir una batería, por simplicidad y fiabilidad, conviene elegir una que disponga de estas protecciones. Esto se puede ver en las características, donde se suelen especificar los parámetros de esta protección (además de los límites de funcionamiento de la batería). Un ejemplo de características el siguiente:

 

Parámetro Significado Explicación
Standard Capacity:2200 mah Capacidad nominal
Standard Voltage: 3.7 V Voltage nominal
Charge cut-off voltage: 4.20 ±0.03V Corte de corriente por sobrecarga. Punto en el cual el chip de protección corta la entrada de corriente.
Discharge cut-off voltage: 2.75V Corte de corriente por sobredescarga. Punto en el cual el chip de protección corta la salida de corriente.
Charge current: standard 0.2 C and maximum 1C Corriente nominal y máxima de carga. Dado que C=2200 mAh, la corriente de carga estándar es 440 mA y la máxima 2200 mA
Standard discharge current: 0.2C Corriente de descarga nominal. A esta corriente de descarga, la capacidad efectiva debería ser la nominal.
Maximum discharge current: 2.0C Máxima corriente de descarga. Máxima corriente a la que se puede descargar la batería.

En este caso, nos indica que durante la carga no se deben superar los 4,2 V, ni bajar por debajo de los 2,75 V en la descarga. Típicamente este corte de descarga es útil para que el prototipo se apague. Sin embargo, suele ser mejor monitorizar el voltaje y apagar el prototipo de forma ordenada antes de este límite o cuando la tensión cae por debajo del mínimo necesario para el funcionamiento del prototipo.

Por otro lado, en muchos sistemas se monitoriza la temperatura de la batería. Esto se suele realizar mediante una resistencia NTC que está integrada en la célula de la batería y se denota porque el conector tiene tres cables, hallándose la NTC conectada entre el central y masa. Si la batería no la integra, puede usarse una NTC con cable y colocarla pegada a la batería.

NTC con cable.
NTC con cable.

Si se trata de un prototipo y no se va a cargar o descargar la batería a tasas muy elevadas, el calentamiento suele ser despreciable y no es necesario incluir este sensor de temperatura. En cambio, en productos finales o en sistemas que pueden estar expuestos a temperaturas extremas (fuera de unos 5 a 35 ºC aprox.), es necesario incluirlo para modular o impedir la carga en función de la temperatura.

 

Imagen de cabecera | Adafruit