Construcción de un simulador electrónico de batería

¿Por qué un simulador de batería?

Muchos nuevos productos incorporan baterías basadas en litio para ofrecer unas altas prestaciones y un peso ligero. De hecho, muchas de las aplicaciones más sofisticadas incluyen la conexión de numerosas células para lograr la tensión de trabajo deseada en el paquete, que suele ser del orden de centenares de voltios. Dado que las células de litio están sujetas a efectos perjudiciales si se permite un exceso de carga o de descarga, estos paquetes incorporan sistemas de supervisión que controlan el potencial de cada célula para evitar tales problemas.

El proceso de desarrollo de estos sistemas de supervisión de baterías multicélula (multicell battery monitoring systems, BMS) exigen una forma práctica de estimular que la circuitería compruebe la efectividad de los algoritmos de control y protección. Idealmente, el estímulo correspondería a las células reales, pero en tal caso la variación del estado de carga para poner en marcha diferentes acciones funcionales en el BMS se convierte en algo lento y engorroso.

En los laboratorios se utilizan a menudo fuentes de alimentación múltiples pero se trata de una solución muy cara. Por tanto, para pruebas funcionales sencillas, las cadenas resistivas se polarizan para ofrecer una simulación rudimentaria de la célula.

Las cadenas resistivas presentan importantes limitaciones ya que presentan una resistencia de fuente bastante elevada, y por tanto añaden elementos del sistema que no representan a las células reales. Sin embargo, incluso con fuentes de alimentación dedicadas, si el sistema sometido a test incluye equilibrado activo de célula, las fuentes deben incorporar una corriente de carga virtual (es decir, inversión de corriente). La cuestión principal es que conviene disponer de diversos simuladores de célula compactos que proporcionen pruebas sencillas de laboratorio de funcionalidad BMS. Otro aspecto práctico que aporta un simulador de batería es que este elemento se transporta fácilmente por aire para operaciones realizadas lejos del laboratorio, mientras si se trata de un paquete de células litio real normalmente se envía por mar.

Elección de un circuito práctico

La característica principal que necesitamos es una fuente de baja impedancia y funcionamiento en 2 cuadrantes (tensión positiva pero corriente bidireccional, por lo que podemos simular las direcciones de descarga y carga). También necesitamos aislar los diversos simuladores de célula de forma que se pueden conectar en serie como el paquete real. Este último requisito sugiere el uso de transformadores y, para reducir su tamaño, una arquitectura de tipo conmutada. Una topología conmutada en concreto ofrece aislamiento y funcionamiento en 2 cuadrantes, como es el caso del convertidor flyback.

En un flyback sencillo utilizado como elevador de tensión (boost), un interruptor en el lado bajo (low-side) trabaja con un ciclo de trabajo que fija la corriente de salida en una sección de salida como muestra la Figura 1.

En esta forma idealizada, el diodo rectificador conduce durante el tiempo en corte del interruptor, y permite que la corriente de salida que fluye en el inductor mientras la energía magnética se transfiera al condensador de salida de manera unidireccional. Al regular, el interruptor experimenta un pico de tensión de retroceso dV por encima de la fuente de 12V, donde dV es del orden de la tensión de alimentación en la mayoría de diseños.

Para que el convertidor esté aislado, sustituimos el inductor por un transformador como en la Figura 2, de forma que la salida aparece en el lado secundario. Aunque ahora la salida está aislada, la transferencia de energía magnética es la misma que con un inductor. La relación de espiras del transformador N se selecciona para optimizar el funcionamiento con las tensiones de entrada y salida deseadas. Una vez más, el interruptor experimenta un pico de tensión de retroceso dV por encima de la fuente de 12V. Obsérvese que este circuito no puede evitar que la tensión de salida se vea forzado por encima del punto establecido por una corriente externa (este solo permite un cuadrante de funcionamiento).

Se obtiene una versión síncrona cuando el rectificador se sustituye por otro interruptor como muestra la Figura 3. Ello mejora la eficiencia ya que el interruptor disipará menos potencia que un diodo de conducción directa, y crea un segundo cuadrante de funcionamiento ya que el ahora el circuito tiene simetría. Este circuito puede aceptar corriente inversa en el secundario que induce la corriente de retroceso del devanado primario de retorno hacia la fuente principal, por lo que la salida mantendrá este punto establecido incluso con una corriente de salida inversa forzada. Necesitamos reconocer la posibilidad de que la fuente de alimentación del circuito pueda experimentar una corriente inversa si la célula simulada está fuertemente “cargada” (fluye corriente hacia la tensión de salida positiva). Dado que todas las salidas están aisladas, la potencia de la fuente se puede compartir entre cualquier número de circuitos de manera que una sola fuente potentepueda alimentar una matriz completa. Una conexión en matriz también consolida las pérdidas parásitas del circuito por lo que es improbable que la fuente de alimentación experimente una corriente inversa en uso normal (es decir, siempre que la potencia neta “de carga” < pérdidas totales en funcionamiento).

Análisis detallado

Un CI especialmente apropiado para esta función del convertidor es el LT3837 de Linear Technology. La aplicación típica de este circuito consiste en suministrar tensiones bajas como las de una batería del orden de varios amperios procedente de carriles de alimentación de mayor tensión.

La única diferencia para la función de simulador de célula es que quisiéramos una tensión de salida ajustable. Dado que hay fuentes de alimentación de alta potencia llave en mano de 12V, podemos optimizar el diseño para utilizarlas como fuente. Dado que el rango de los compuestos químicos de las células de litio va desde un poco por debajo de 2V hasta algo por encima de 4V, podemos establecer un rango de ajuste correspondiente que ofrezca un uso versátil y la capacidad de simular una amplia variedad de estados de carga.

La Figura 4 muestra la sección de una matriz con todos los componentes. Para el ajuste de la tensión, la red de realimentación ofrece una señal de control del amplificador operacional de manera que cero voltios representan una salida aproximada de 4,2V y 3V generan unos 1,9V a la salida.

Para un buen control del usuario, cada circuito de célula se configura para que tenga un mando de ajuste fino, y a continuación se controla una matriz de forma agrupada con ajuste basto y fino (la señal de ajuste principal MCTL se puede conectar a varias secciones del convertidor). Para los valores indicados, el ajuste bruto de la tensión de salida del grupo es de unos ±0,9V, mientras que el ajuste fino es de unos ±0,15V, y los mandos de ajuste de la célula son de unos ±0,1V, por lo que se logra en conjunto el rango máximo deseado (para proporcionar los mandos de control fino se sacrificó la capacidad de controlar las células hasta los límites).

Toda la circuitería de control se alimenta a 3,3V obtenidos de la fuente de 12V. Para el control informatizado de la tensión, las señales del amplificador operacional se pueden sustituir por convertidores D/A como el LTC2668 de 16 canales.

Q101 y T100 son los dos principales elementos del convertidor flyback y Q102 es el rectificador síncrono.

Para un control rápido y aislado de Q102, la puerta es gobernada por T101 mediante los buffers de corriente Q103 y Q104. La realimentación se regula a partir de un devanado auxiliar en T100. Se incluye una resistencia serie de 10mΩ a la salida, de forma que las medidas de sensado de corriente se pueden llevar a cabo tomando conexiones Kelvin con un voltímetro (usando las señales I+ e I-). La impedancia total de salida del circuito es de unos 25mΩ y proporciona una sólida capacidad de ±6A.

Las pérdidas estáticas son del orden de 1W por sección de la célula, por lo que con una matriz de 24 células la probabilidad de inversión de una fuente de 12V es mínima y la potencia resulta apropiada para su uso con una fuente comercial de 12V/300W como la SWS300-12 de TDK-Lambda.

Conclusión

Construir un simulador de batería es una solución práctica para ofrecer una herramienta de desarrollo de BMS de alta densidad y fácil de transportar.

Un simulador de 24 células se puede montar sobre un chasis con bastidor 2RU y una fuente de 12V, y suministrar tensiones ajustables con precisión entre 1,9V y 4,2V con capacidad para ±6A.