Battery Management: cargando las baterías

Battery charging

Cuando se acaban las baterías, suele ser incómodo quitar la batería y enchufarla a un cargador específico, por lo que se suele incluir un sistema de carga de baterías. Este se hallará en el propio sistema permitiendo recargar la batería a partir de alguna fuente de alimentación, como un conector USB.

Las baterías de litio requieren un perfil específico de carga para que se haga con seguridad, que suele constar de tres etapas:

  • Precarga: esta se encarga de cargar lentamente la batería cuando está agotada, hasta una tensión de unos 3 voltios.
  • Cuando la batería se halla por encima de esa tensión, se comienza la carga a corriente constante (la fijada en el diseño) hasta que la tensión de la batería alcanza la tensión de terminación.
  • Cuando se alcanza esta tensión, se le fija esta tensión entre los terminales, permitiendo que absorba corriente hasta que acabe completamente cargada. La carga se da por finalizada cuando la corriente que se inyecta en la batería disminuye por debajo de un umbral específico del cargador.
Perfil carga litio
Perfil de carga de baterías de litio (carga completa y recarga parcial).

Las características de la batería nos indicarán la corriente máxima de carga, que típicamente está en torno a 1C. Esta nomenclatura significa 1 veces la capacidad nominal, es decir, si la batería es de 1000 mAh, puede cargarse a una corriente de hasta 1000 mA.

En la práctica, las baterías se suelen calentar un poco durante la carga, y si se carga a una corriente cerca de la tasa máxima, es recomendable emplear un proceso de carga que incluya regulación térmica. Esto se traduce en que el cargador ha de tener conexión para un sensor de temperatura, que suele ser una resistencia NTC acoplada a la batería.

En cuanto a la forma de regular la carga de la batería, hay dos topologías de reguladores posibles, la lineal y la conmutada. La lineal se basa en disipar en forma de calor la potencia necesaria para regular la carga a partir de la entrada, por lo que sólo son aptos para corrientes de carga bajas. Sin embargo, son más simples y compactos, por lo que son una buena elección para baterías pequeñas o aplicaciones con restricción de espacio. Dado su baja eficiencia, es necesario realizar cálculos de potencia disipada para asegurar que trabajará dentro de su rango de funcionamiento. Un ejemplo de estos reguladores es el ubicuo MCP73831 de Microchip.

Regulador lineal (MCP73831).
Regulador lineal (MCP73831).

Para corrientes más elevadas (normalmente a partir de unos 300-400 mA), la opción más adecuada son los reguladores conmutados. Estos necesitan una bobina externa, además de condensadores de filtrado (de salida y de compensación). Estos permiten corrientes de varios amperios y suelen disponer de interfaces de control y monitorización más completas.

Regulador conmutado con power-path (BQ24250).
Regulador conmutado con power-path (BQ24250).

En el mercado, existen muchos integrados que se encargan de la carga, integrando este regulador y la lógica para seguir el perfil de carga, con diversas opciones de entrada de alimentación (USB, energy harvesting, carga inalámbrica, etc.). En el caso de cargadores específicos para conexión USB, suelen detectar el tipo de puerto que suministra la corriente, adaptando la intensidad de carga en función de la disponible.

Todos los integrados de carga suelen disponer de alguna opción de monitorización de la carga. Los más básicos sólo disponen de alguna línea de salida que indica que está cargando la batería o que hay tensión a la entrada. Los más avanzados, ofrecen una interfaz a través de I2C o SMBUS permitiendo, además de consultar el estado y posibles fallos, controlar parámetros de la carga al vuelo, como puede ser la corriente máxima de carga o la tensión de terminación.

Un tema que a veces hay que considerar es el uso del sistema mientras se recarga la batería. Esto puede causar que, en cargadores comunes, el consumo del sistema se le reste a la corriente de carga de la batería pudiendo llegar, si el sistema tiene un consumo alto, a agotarla más en lugar de recargarla. Para estas situaciones, existen cargadores que se encargan de, dentro de los límites de corriente de la fuente externa de alimentación, compensar el consumo activo del sistema de manera que la batería se recargue a la corriente deseada. Normalmente el fabricante emplea uno nombre para esta tecnología, como Texas Intruments con dynamic power-path.

Por último, en algunos casos (cargadores que se configuran mediante interfaz externa) puede darse el caso de que, si la batería se ha agotado, el sistema no se encienda, y el microcontrolador principal no ordene al cargador que comience la recarga. Por ello, habrá de tener en cuenta el proceso de inicio de la carga en estos casos. En estos casos también puede ser que no se llegue al voltaje mínimo para que funcione correctamente el sistema, y se deba aplazar el arranque a que se alcance dicho voltaje.

Circuito de carga | Datasheet de TI BQ24250
Circuito de carga | Datasheet de Microchip MCP73831¡
Perfil de carga | Digi-Key
Introducción a perfiles de carga JEITA (regulación térmica): http://www.ti.com/lit/an/slyt365/slyt365.pdf 

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