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Este artículo es parte del cambio tecnológico: Gestión de baterías de vehículos eléctricos.
La química de cada batería tiene sus ventajas y desventajas, pero las ventajas y desventajas de las baterías de iones de litio (Li-ion) son más favorables que la mayoría. Las baterías de iones de litio son el estándar de oro en prácticamente todos los vehículos eléctricos (EV), en gran parte debido a una combinación de alta densidad de energía por volumen y peso, una tasa de autodescarga moderada y la capacidad de soportar miles de ciclos de carga y descarga antes de alcanzar atribuible al final de su vida útil.
Sin embargo, dado que representan alrededor del 30 al 40% del costo total de un vehículo eléctrico promedio, estas baterías deben monitorearse y administrarse cuidadosamente para extraer la mayor cantidad de energía posible de una sola carga y protegerlas de daños permanentes. A pesar de las propiedades de manejo de energía de las últimas formulaciones, tienden a ser altamente inflamables y, por lo tanto, deben manipularse con precaución para evitar riesgos de seguridad.
NXP Semiconductors aporta un mayor nivel de seguridad y confiabilidad a la gestión de baterías de vehículos eléctricos con su controlador IC de celda de batería de próxima generación, el MC33774. La empresa cuenta con la certificación de seguridad funcional ASIL D y tiene la capacidad de medir el voltaje de una celda de batería con una precisión de 0,8 mV. También puede monitorear hasta 18 celdas simultáneamente y realizar un equilibrio pasivo de las mismas para maximizar su capacidad utilizable.
El chip se puede utilizar para calcular el estado de carga (SOC) de las celdas de la batería en cualquier momento y durante su vida útil, una cifra clave conocida como estado de salud (SOH). También está diseñado para adaptarse a las condiciones siempre cambiantes que enfrentan las baterías de los vehículos eléctricos, maximizando así ambas métricas.
El BMS: la columna vertebral de los vehículos eléctricos
Con la creciente complejidad y densidad de las baterías de los vehículos eléctricos, la gestión de las mismas no es cada vez más fácil.
Hoy en día, todos los vehículos eléctricos están equipados con tantas celdas de batería como sea posible para aumentar la capacidad de almacenamiento de los paquetes en su interior. Estos voluminosos sistemas pueden pesar hasta varios miles de libras y costar miles de dólares, y las celdas producen cientos de voltios a la vez. Como señaló NXP, las baterías de iones de litio de 800 V instaladas en los vehículos eléctricos más recientes suelen constar de 200 celdas individuales conectadas en serie.
Debido a que la capacidad de las baterías de iones de litio fluctúa con el tiempo y el uso, especialmente cuando se utilizan en condiciones duras de la carretera, cada celda debe gestionarse y regularse para lograr su rendimiento óptimo. Cada celda suele estar conectada a un sistema de gestión de batería (BMS) compuesto por chips como el MC33774 de NXP. Desempeña un papel crucial en el monitoreo del voltaje, la temperatura y otros aspectos de cada celda a lo largo de su vida útil y en diferentes condiciones para evitar que se desperdicie energía valiosa.
Incluso las pequeñas mejoras en la precisión de las mediciones de los circuitos integrados de monitoreo de baterías pueden sumarse, aumentando la autonomía de los vehículos eléctricos en varios puntos porcentuales de un solo salto.
Un desafío importante con las baterías de vehículos eléctricos es equilibrar la carga almacenada en cada celda. Debido al estrés de las cargas y descargas repetidas, estas celdas también pierden capacidad de almacenamiento con el tiempo y se deterioran a diferentes ritmos.
Por razones de seguridad, los paquetes de baterías de automóviles eléctricos generalmente dejan de proporcionar energía cuando la celda más débil del paquete se descarga por completo. La carga desigual de las celdas puede causar daños permanentes o representar un riesgo para la seguridad. Si las celdas de la batería no se cargan y descargan de manera uniforme, el vehículo eléctrico no durará tanto por carga.
La otra función que desempeña el BMS en el vehículo eléctrico es corregir las fluctuaciones de temperatura dentro y fuera de la batería. La exposición al calor y al frío puede provocar grandes variaciones en el rendimiento general y la vida útil.
Un BMS moderno también necesita medir lo que sucede en las celdas de la batería para mitigar los riesgos, tanto a corto como a largo plazo. Uno de los riesgos asociados con las baterías de vehículos eléctricos de alto voltaje es la fuga térmica. Si las celdas de la batería se dañan o se cargan o descargan incorrectamente, pueden sobrecalentarse incontrolablemente e incluso estallar en llamas. La sobrecarga o subcarga de las celdas que componen la batería también puede provocar estrés físico, provocando la interrupción prematura de la carga e incluso un acortamiento de su vida útil.
Además, NXP señaló que es necesario mantener la precisión y medir y ajustar con precisión el estado interno de la celda de la batería en todo momento durante el ciclo de vida de un año de estas baterías de iones de litio.
Monitoreo de batería para condiciones difíciles
NXP afirma que su último controlador de celdas de batería hace más que simplemente satisfacer las necesidades de la gestión de baterías de vehículos eléctricos modernos.
Basado en su tecnología SmartMOS de silicio sobre aislante (SOI), el IC analógico frontal ofrece una precisión de medición de voltaje a nivel de celda de 0,8 mV y puede monitorear y administrar hasta 18 celdas separadas simultáneamente en una amplia gama de grados automotrices. rango. El dispositivo también se puede conectar en cadenas de hasta 62 dispositivos para su uso en baterías de iones de litio de alto voltaje críticas para la seguridad.
Según NXP, el MC33774 ha sido rigurosamente probado y calificado para soportar los rigores de la carretera. El IC está diseñado para un error de medición de voltaje de menos de 1,5 mV en todo el rango de temperatura de -40 a +125 °C. E independientemente de las fluctuaciones en el voltaje de las celdas de la batería a lo largo de su vida útil, permite predicciones precisas sobre la autonomía del vehículo eléctrico. Aunque el IC es muy preciso en las mediciones de voltaje, carece de la capacidad de detectar corriente.
La precisión de las clasificaciones de IC ayuda a garantizar el rendimiento de por vida en una amplia gama de químicas de celdas de batería, dijo NXP. Estos incluyen níquel manganeso cobalto (NCM) y fosfato de hierro y litio (LFP).
El controlador de celdas de batería también cuenta con MOSFET que pueden generar corrientes de hasta 300 mA por canal para compensar las diferencias en la carga de las celdas de batería en un paquete, un proceso llamado equilibrio pasivo de celdas.
Las celdas del corazón de una batería nunca son completamente idénticas. Difieren ligeramente en capacidad, resistencia interna, tasa de autodescarga y otros factores, en gran parte debido a inconsistencias en la fabricación. En un momento dado, una sola celda puede tener una capacidad de carga menor que las otras celdas del paquete de baterías. Como resultado, las celdas «débiles» del sistema limitan el rendimiento general de la batería de iones de litio.
A pesar de los ligeros desequilibrios en la resistencia interna y la capacidad de almacenamiento, las celdas de batería conectadas en serie mantienen la misma carga y corriente de carga. Por lo tanto, no todas las celdas se recargan al mismo ritmo al cargar. Las baterías sobrecargadas pueden experimentar fallos de funcionamiento que provocan que se interrumpa la corriente de carga si una celda se carga completamente antes que las demás del paquete. El equilibrio pasivo de celdas resuelve el problema al igualar la cantidad de carga en las celdas de la batería para que estén completamente llenas y descargadas de manera segura.
El nuevo chip NXP está alojado en un encapsulado LQFP-EP de 64 pines y presenta una arquitectura interna totalmente redundante e independiente que cumple con ASIL D, el estándar de seguridad funcional más estricto, al medir el voltaje y la temperatura de aquellos conectados a la celda compatible. La interfaz I2C brinda la capacidad de controlar otros dispositivos dentro del BMS. Según NXP, el MC33774 también permite la comunicación a través del bus SPI a 2 Mbit/s.
Una batalla por delante en los circuitos integrados de gestión de baterías de vehículos eléctricos
A medida que la gestión de baterías se vuelve más crítica en los vehículos eléctricos, los principales actores de la industria de semiconductores de potencia, como Analog Devices, Infineon Technologies, NXP y Texas Instruments, están compitiendo para capturar una mayor parte del mercado de rápido crecimiento de los circuitos integrados de gestión de baterías.
NXP, a su vez, está lanzando el controlador IC de celda de batería como componente central de su chipset BMS para baterías de vehículos eléctricos. Las ofertas incluyen el MC33777, su futuro controlador de caja de conexiones de batería para medición de nivel de paquete, y el MC33665 lanzado recientemente, que actúa como puerta de enlace de comunicaciones dentro del BMS y conecta varios MC33774 entre sí para monitorear celdas masivas en el EV.
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