Por: Don Tuite
El diseño de una fuente de potencia para energizar mediante la electricidad cualquier equipo portátil, empieza con el entendimiento de la funcionalidad que se le dará al mismo. A partir de este comienzo, el diseño pasa al entendimiento de lo último en tecnología de baterías y de los circuitos integrados que se usarán para cargar y descargar la batería. En este artículo presentamos a nuestros lectores, una actualización de la tecnología de baterías basadas en litio desde el punto de vista químico y también le damos un vistazo a un enfoque de diseño que tiene como objetivo conseguir el máximo de cualquier tipo de batería que se seleccione.
Anodos, Cátodos y Electrolitos.
En cualquier batería, los materiales usados para el ánodo y el cátodo determinan el voltaje y su capacidad. El electrolito determina los límites o ventana de operación para estos materiales. Hoy en día, el material usado para el ánodo es el grafito o coque, o sea el carbón. Pero esto puede estar cambiando debido a que el interés en ánodos basados en el silicio está creciendo, aunque los ánodos de carbón prevalecen por el momento.
Mientras tanto, mucha innovación está siendo enfocada en los cátodos y una diferenciación surge de la elección del material para el cátodo. A partir de los años 1970 hasta recientemente, casi todas las celdas de baterías fueron basadas en óxido de cobalto de litio (LiCoO2), porque es relativamente fácil de procesar y exhibe un ciclo de vida bueno. Sin embargo la escasez del cobalto presenta un problema en términos de costo.
Más o menos un 64% de los depósitos de cobalto se encuentran en el Congo y en el Caribe, y los Chinos han venido almacenando estos recursos en grandes cantidades. El mercado del cobalto es muy volátil y tiene largas fluctuaciones de precios. También, el LiCoO2 es muy volátil comparado con otros nuevos potenciales materiales para fabricar cátodos.
Para encontrar un compromiso factible entre la densidad de energía, la seguridad operacional, y una buena entrega de corriente, los fabricantes de baterías de ion de litio están usando mezclas de cobalto, níquel, manganeso, y a veces aluminio (Ver Figura 1). Los beneficios de los nuevos enfoques químicos incluyen aumento de seguridad, menos fluctuación de los precios de materias primas, y una mejora en las tasas de las capacidades de carga y descarga de las baterías.
Los Vehículos Eléctricos Impulsan La Investigación en Nuevas Baterías.
Tratándose de investigaciones, el objetivo primordial actual es mejorar el ciclo de vida para el mercado de vehículos eléctricos. (Ver Figura 2). Esta no es una situación terrible porque la industria automotriz tiene bastante dinero para invertirlo en investigación. Ultimadamente, otros desarrolladores de productos impulsados por baterías podrán viajar sobre los faldones de la industria automotriz y tomar ventaja de lo que sus ingenieros han descubierto.
Ciertos materiales de óxido están siendo desarrollados específicamente para el mercado de vehículos eléctricos. Pero todavía hay compromisos y decisiones que deben tomarse. Por ejemplo, lamestabilidad del material está amarrada a un costo melevado porque involucre un aumento de contenido de cobalto. De manera similar, aumentando el contenido de níquel aumenta la cpacidad pero disminuye la seguridad, mientras que el contenido adicional de magnesio sacrifice la capacidad pero aumenta la seguridad.
Con todos estos posibles compromisos, los fabricantes están apostando en cualquier cosa que ven como las mejores alternativas. En el futuro, otros mercados tales como el médico, el militar, y el de equipo industrial, podrán utilizar lo que los fabricantes de autos han aprendido.
Producción de Potencia y Corriente.
La entrega de estos dos valores eléctricos es importante para las aplicaciones tales como desde las herramientas eléctricas hasta los instrumentos quirúrgicos. O sea prácticamente todo lo que necesite un motor eléctrico para funcionar. Ellos también son requeridos para tener compatibilidad con los cargadores de baterías a acido de plomo.
La tasa de carga y descarga de las baterías se expresa en términos de la capacidad “C”. La mayoría de las baterías a litio pueden ser cargadas usando tasas de 0.7 a 1.0 C. Si ignoramos la forma de la curva de carga, una batería de litio de 1 Ah podría teóricamente ser totalmente cargada en una hora por un cargador que proporcione una corriente continua de 1 A. (La necesidad de dar forma a la corriente de carga en el cargador haría que una carga actual tome más tiempo).
Teoréticamente, la capacidad de una batería debe ser constante sin considerar la tasa de descarga. Pero debido a que por las pérdidas de energía y de caída de voltaje internos, la batería alcanza más rápido su bajo voltaje extremo de corte, entonces la capacidad puede ser menor que la capacidad a rangos elevados de descarga.
Para las baterías de ácido plomo, la mencionada asimetría es extrema. Para las baterías de ion de litio, la asimetría es mínima y puede ser minimizada más. Los efectos pueden ser mayores o menores dependiendo solamente de pequeñas variaciones en la química de las celdas. Las baterías fabricadas con el mismo número de celdas rinden diferente en aplicaciones específicas.
El diseño de una celda que tenga tasas elevadas de carga y descarga empieza con un esfuerzo por reducir las longitudes de trayectoria de la línea conductora externa y también su resistividad. Un enfoque más físico consiste en reducir el tamaño de las partículas del cátodo a una nano escala. Y como se mencionó en líneas arriba, usar nuevos enfoques químicos, tales como espinela de manganeso y fosfato de hierro (FePO4), las cuales ofrecen pasajes tridimensionales para la dispersión de iones.
Internamente, la resistencia de las celdas de la batería puede ser reducida usando materiales delgados, aumentando el número de colectores de corriente, y aumentando la concentración del electrolito, a la vez reduciendo su viscosidad mediante el uso de un solvente.
Seguridad.
Varios factores deben ser notorios con respecto de la seguridad relativa de los materiales. Una es la volatilidad térmica de los componentes del cátodo, lo cual generalmente es determinado usando análisis termo-gravimétricos (ATG). El ATG mide la pérdida de peso de una muestra la cual es calentada en un horno. El fosfato de hierro niquelado es el material más estable seguido de la espinela de manganeso, y luego los materiales de cobalto. En general, la pérdida de peso por medio del ATG es solamente detectable a temperaturas encima de los 200o C. Por eso, el diseño del sistema debe tener esto en cuenta, usando el enfriamiento activo y pasivo requerido para el perfil de operación.
Diferencias entre el Polímero de Litio y el Ion de Litio.
Las baterías a Polímero de Litio ofrecen una variedad de factores de forma de celda más allá de las cilíndricas, pero tienen sus limitaciones (Ver Tabla siguiente). En donde otras baterías son usadas en productos que requieren bastante potencia, como son los vehículos eléctricos, las herramientas motorizadas y los laptops, las baterías a polímero de litio satisfacen el nicho de estos mercados.
Los fabricantes de artefactos que funcionan con tecnología Bluetooth fueron los primeros en reconocer estas ventajas. La disponibilidad de baterías de tamaños muy delgadas contribuyó a la popularidad de los teléfonos RAZR fabricados por Motorola. Después la firma Apple fue la segunda compañía que reconoció la atracción que sus consumidores sintieron por los productos delgados, y hoy en día la mayoría de sus productos usa baterías a polímetro de litio. Sin embargo, las baterías delgadas se han esparcido a productos tan exóticos como la placa de Rayos X, la cual es tan delgada que llega a encajar dentro de una casette convencional de rayos X.
La diferencia entre las baterías a polímero y otras celdas de litio se reduce a la forma de construcción de las celdas: esto puede ser forma prismática o cilíndrica. Las celdas de ion de litio de alta potencia tienen un factor de forma dominado por un tubo de metal cilíndrico y una construcción similar a un rodillo de jalea. Los polímetros de litio son construidos en capas planas o prismáticas.
También, las celdas de ion de litio tienen un escape de presión y los terminales positivos y negativos están en el tubo metálico, mientras que los terminales de las celdas de polímeros de litio están conectados y sobresalen de la misma celda. En otras palabras, los medios de separación de los electrodos es la diferencia clave entre las celdas convencionales y las celdas a polímero.
La batería de ion de litio usa una parte discreta de las membranas de polímero, usualmente de polietileno interpuesta entre los electrodos. Una vez ensamblada, la celda se llena con soluciones de electrolito. Las baterías de polímetro de litio también pueden utilizar polietileno o polipropileno, o una combinación de ambos.
Algunas baterías a polímero de litio usan una gelatina de polímero la cual contiene la solución electrolítica la cual cubre la superficie de los electrodos. En donde las capas de ion de litio son enrolladas en tubo, el ensamblaje del polímero de litio puede ser un rodillo de jalea o una pila de tarjetas empaquetadas en un material flexible.
Diseño de un Sistema Para Baterías Portátiles Empaquetadas.
Muchos proveedores de circuitos integrados tales como Texas Instruments, Linear, Maxim y Analog Devices ofrecen productos para niveles múltiples de sofisticación funcional en los sistemas que funcionan a batería. Las funciones básicas que deben ser comunes a todos los sistemas incluyen protección, balanceo de celdas, y estado de la carga.
El criterio de protección puede ser limitado al sobre voltaje, la sobre corriente, la sobre temperatura, o cualquier combinación de estas condiciones, pero también puede incluir niveles avanzados, tales como la indicación de una celda abierta, sobre corriente de carga y descarga, corto circuitos en las salidas, monitoreo de la temperatura del ambiente y de las celdas, y balanceo de ellas.
Más allá de la protección básica, algunos circuitos integrados pueden ser programados para detectar y actuar sobre las variaciones inaceptables del voltaje de celda, también sobre el total de la temperatura y de la corriente del paquete. Un ejemplo más sofisticado podría ser un circuito integrado que ofrece completa seguridad, calibración y balanceo, incluyendo registro de datos para paquetes que contienen múltiples celdas en serie.
Si es que las características de protección de la batería contienen calibración avanzada, el host device será diseñado para permitir acceso a estos datos mediante grabación o visualización via una barra de transmisión I2C. Una consideración importante que hay que tener en la implementación de este tipo de acceso de datos es la carga del dispositivo hospedador.
Balanceo de Celdas.
Los diseñadores a veces quedamos atrapados en la trampa de debatir si es que el balanceo de celdas es algo importante o no. La pregunta más útil para hacer es que condiciones aumentarían el desbalanceo o causarían su ocurrencia. Recordemos que el ambiente de trabajo, la aplicación, el número de celdas, y aun las dimensiones físicas del paquete de baterías puede conducir a tener un desbalanceo entre las celdas.
El calor excesivo es típicamente una causa inesperada del desbalanceo. El calor aumenta la auto descarga de las celdas, y cuando una celda se auto descarga más rápido que otra, el desbalanceo es inevitable. Esto ocurre especialmente en paquetes grandes de baterías, una celda tendera a trabajar más caliente que las otras, y esto se transformará en un desbalanceo inoportuno.
Los desbalanceos son una falla de diseño, porque de otra manera, la celda más débil gobierna a las otras. O sea, la primera celda que alcanza el máximo voltaje de carga abortará el ciclo de carga, y la primera celda que alcance el mínimo voltaje de descarga abortará la descarga adicional. El desbalanceo de una celda de batería reduce el tiempo operacional del paquete.
Existe multiplicidad de técnicas para realizar el balanceo de celdas de baterías. La más común es el balanceo por desangre, el cual se hace durante el ciclo de carga. Para hacerlo, la corriente es encaminada alrededor de la celda con el voltaje más alto. Si las oportunidades de balanceo durante la carga son limitadas, entonces el balanceo activo, el cual puede ocurrir en cualquier tiempo cuando la carga esta inactiva, o también durante la descarga, es apropiado. El balanceo resistivo por desangre genera calor. El balanceo activo es mucho más eficiente. Pero debido a su complejidad de conmutación, requiere un análisis cuidadoso en relación a diversos modos de falla potencial.
Diagnósticos.
Teniendo alguna forma de diagnosticar en los controles de carga de las baterías puede ayudar en las reclamaciones de garantía y de devoluciones. El enfoque de diagnóstico más básico es una función simple de registro que graba lo que está pasando al paquete de baterías durante su vida de trabajo. Esto es útil para las devoluciones porque los fabricantes pueden capturar y grabar ciertas condiciones abusivas de sus clientes.
Un método de grabación más avanzado parecido al que usan las cajas negras de los aviones también es disponible en varios circuitos integrados usados en baterías. Este dispositivo aumenta la habilidad de capturar eventos conducentes al cese de operación de un paquete, lo cual también puede ayudar a los fabricantes en casos de garantía o devoluciones.
Super Condensadores Para Respuesta Rápida.
Ultimadamente, la dependencia de las baterías en las reacciones químicas limita su habilidad de responder rápidamente a las ondas transitorias de las cargas, especialmente en las temperaturas de ambientes fríos. La temperatura y la corriente de descarga afectan el rendimiento de una celda; por lo tanto, la capacidad y el tiempo de ejecución pueden variar tanto como 65%. En este caso, los super condensadores son ideales para suplir ráfagas rápidas de potencia. Ver Figura 3.
Puede ser útil el pensar acerca de la batería como que es un casi condensador con una constante de tiempo muy lenta. Un super condensador conectado en paralelo con la batería provee una respuesta rápida a las demandas instantáneas de potencia actuando como un puente hasta que la química de la batería puede efectivamente alcanzar los requisitos de la carga. Por ejemplo el super condensador de la Figura 4, ha sido especialmente condicionado para arrancar motores de vehículos del tipo arranque-pare, entregando una corriente de pico de 300 A.
Cargas Inteligentes.
Los diseñadores de sistemas a batería necesitan realizar sus diseños teniendo en cuanta el punto de vista de la potencia a proveer por el paquete de baterías. Uno de los temas claves es la ubicación de la funcionalidad de la calibración y protección del paquete. La solución depende del grado de emparejamiento existente entre el paquete de baterías y la potencia a ser provista por el paquete. Consideremos este paradigma como que se desea energizar el sistema de multi-celdas de un laptop, o un teléfono inteligente.
En los laptops, las funciones mencionadas pueden residir dentro del paquete de baterías. En los teléfonos inteligentes las funciones mencionadas pueden residir dentro de los teléfonos. Fundamentalmente todo depende de si la batería será extraída o siempre permanecerá dentro del aparato del cual se trate. Una decisión de diseño similar hay que hacer para diseñar el control de potencia, y en este caso también hay dos caminos a tomar.
En el caso del laptop, el cargado de la batería se hace con la batería instalada dentro del laptop. La alternativa se encuentra en las herramientas portátiles eléctricas. En la mayoría de los casos, la batería se saca para recargarla y nunca se descarga excepto cuando se vuelve a ponerla dentro de la herramienta que se trate. Actualmente, en el caso de las herramientas, se tienen baterías recargadas que sirven de repuesto, las recargas se hacen fuera de las herramientas.
Autenticación.
El siguiente tema de diseño es acerca de cómo los aparatos eléctricos o los cargadores de baterías se ocuparan de las baterías falsificadas o de calidad inferior. ¿Solamente se permitirá el uso de paquetes de baterías fabricadas por el fabricante original, o se permitirá el uso de cualquier paquete? La tecnología de respuesta de desafío cifrado incrustado colocada dentro de la batería y el hospedador pueden manejar estos problemas. Se pueden usar varios protocolos.
Considere una herramienta eléctrica para la cual su fabricante provee paquetes de baterías de alta calidad, de alta capacidad y vida de operación larga. Los paquetes son tan buenos que existen otras compañías que venden imitaciones baratas en eBay. Si el fabricante original crea una herramienta o un cargador que simplemente rehúsa o rechaza cargar o energizar la batería, corre el riesgo de perder su cliente la próxima vez que este compra la misma herramienta.
Para contrarrestar esto, los fabricantes astutos programan sus cargadores para cargar las baterías falsas mucho más lentamente a un estado de carga más bajo que con el que realmente carga sus baterías. Las baterías baratas entonces alcanzan una mala reputación de ser inferiores a las verdaderas. Claro que este método trabaja siempre y cuando el fabricante original mantiene sus contraseñas en secreto.
También existe la conversión de potencia dentro de un aparato que funciona a batería. A menudo un regulador buck-boost puede ser requerido porque el voltaje de la batería varía mucho durante la descarga y puede bajar debajo del valor requerido por el aparato. La implementación de esto requiere una decisión de diseño acerca de si la regulación del voltaje será dentro del paquete de batería o dentro del aparato que funciona a batería.
Un subconjunto de decisiones de diseño trata sobre si el aparato que funciona a batería puede ser operado indefinidamente mientras el sistema cargador continua enchufado a un tomacorriente eléctrico. Pensamos afirmativamente si es que el aparato es un radio y negativamente si es que es un taladro portátil. Pero qué tal si la fuente de potencia es un cable USB?
Cargado Inalámbrico de Baterías.
Las tecnologías para el cargado inalámbrico de baterías a partir de una fuente de corriente alterna no son nuevas, y la tecnología básica para realizar esto fue iniciada por Tesla. Pero ha sido solo recientemente que se ha producido una norma técnica la cual ha sido apoyada por más de 70 miembros del Consorcio de Potencia Inalámbrica. Las especificaciones requieren un canal de comunicaciones entre el aparato que funciona a batería y la plataforma inalámbrica de carga para que existan enlaces y revisiones de seguridad. Sin embargo, si la comunicación se pierde, la operación de cargado para.
Consideraciones Finales.
Debido a que son fundamentales, los diseñadores tienden a olvidarlos. Sin embargo, los elementos de ac-dc y dc-dc deben ser considerados en el diseño de cualquier cargador de batería. Para las baterías de ion de litio, el voltaje de carga debe ser controlado en forma precisa a 4.2 V más o menos 25 mV a la corriente requerida. Sin embargo esto restringe el resto del sistema de carga.
Otro factor que no debe ser pasado por alto es la administración termal. Debe hacerse independientemente si el cargador es parte del aparato que funciona a batería o si no lo es. Sin enfriamiento pasivo o activo, las temperaturas de las celdas de la batería se elevaran.
Finalmente, al diseñar un cargador de baterías, será necesario mirar retrospectivamente así como hacia adelante en el caso que exista una base instalada de baterías existentes que deben ser mantenidas. Entonces será necesario trabajar con el proveedor de paquetes de baterías a fin de encontrar un método mecánico o de respuesta al desafío para identificar que tipos de batería serán cargadas. Este problema es frecuente cuando se trata de radios portátiles usados por organizaciones de seguridad pública.
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