Las tareas de gestión del stack de batería litio-ion (Li-ion) de elevada tensión se enfrentan a grandes retos en vehículos eléctricos (EV) e híbridos (gasolina / electricidad).
Los ciclos de carga y descarga deben ser monitorizados y controlados, mientras que el stack de batería, que suele desarrollar tensiones de varios cientos de voltios, tiene que ser aislado para cumplir los estándares de seguridad.
En particular, este artículo analizará los requerimientos de monitorización de pilas Li-ion y revisará la arquitectura y los componentes usados en los subsistemas de control de batería y comunicaciones digitales y en el interface de aislamiento.
En el sistema de gestión, la tarjeta de seguimiento de batería usa dos elementos esenciales para monitorizar (con la máxima fiabilidad) el estado de la pila y entregar resultados digitales a un procesador host que dirige la operación.
Separando estos subsistemas, un interface de señal que emplea aislamiento entre la circuitería de sensado de batería de alto voltaje y los dispositivos de comunicación en las tarjetas garantiza que estas tensiones elevadas no afectan al subsistema digital.
El sofisticado sistema electrónico demandado para cumplir los requerimientos de rendimiento, seguridad y fiabilidad en vehículos eléctricos “proviene” de las propias características de la pila Li-ion.
En una pila Li-ion de descarga, el litio se suele ionizar en un ánodo de grafito y los iones se mueven hacia un electrolito para “atravesar” un separador y llegar a un cátodo, provocando un flujo de carga. El proceso de carga invierte el flujo, “trayendo” los iones de litio desde el cátodo (a través del separador) al ánodo.
El rendimiento y la fiabilidad de este proceso químico dependen de la temperatura y de la tensión de la pila. Con bajas temperaturas, la reacción se ralentiza y el voltaje se reduce. Cuando la temperatura aumenta, el ratio de reacción se incrementa hasta que los componentes de la pila de Li-ion comienzan a colapsarse.
Por ejemplo, con una temperatura superior a +100 °C, el electrolito empieza a colapsarse y libera gases que pueden ejercer presión a la hora de diseñar celdas sin mecanismos pressure-relief.
Con temperaturas suficientemente altas, las pilas Li-ion pueden experimentar una fuga térmica si los óxidos se colapsan, liberando oxígeno, que también contribuye a acelerar el aumento de temperatura.
Por consiguiente, mantener unas condiciones operativas óptimas de las celdas de Li-ion supone un requerimiento crítico en el sistema de gestión de batería. El desafío en el proceso de diseño del sistema de control / gestión es garantizar la recopilación y el análisis de datos fiables para monitorizar el estado de las pilas de Li-ion en el vehículo, un problema por la propia naturaleza de las propias celdas.
En un EV, como el Chevy Volt, el pack de batería contiene 288 celdas de Li-ion prismáticas, que se dividen en 96 grupos batería-celda conectados para desarrollar una tensión de sistema de 386.6 Vdc. Estos grupos se combinan con sensores de temperatura y elementos de refrigeración en cuatro módulos de alimentación.
Las líneas voltage-sense acopladas a cada grupo de celdas terminan en un conector en la parte superior del módulo de batería, mientras que un arnés voltage-sense une el conector a un módulo de interface de batería.
Aquí, los cuatro módulos de interface de batería codificados por colores operan en diferentes posiciones del stack de batería, que se corresponden con los rangos de baja, media y alta tensión deoffset de tensión dc.
Los datos desde los módulos de interface de batería se mueven upstream hacia el módulo de control de energía. Este módulo, en cambio, envía información de condiciones de fallo, estado y diagnóstico al módulo encargado del control powertrain híbrido que, a su vez, funciona como controlador host para tareas de diagnóstico del vehículo. En cualquier momento, el sistema ejecuta más de quinientos análisis cada décima de segundo, de los que el 85 por ciento se centran en la seguridad del pack de batería, y el resto se ocupa del rendimiento y de la duración.
Cada una de las cuatro PCB de módulo de control de interface de batería en el Chevy Volt combina circuitos de sensado con circuitería de comunicaciones CAN aislada por optoacopladores que se ubican en el borde del subsistema de comunicaciones.
Tarjeta multicapa
El análisis downstream de las prestaciones de la batería comienza con el módulo de control de interface, como el usado en el Chevy Volt (Figura 1). Diseñada para aportar elevada integridad de señal, esta PCB de cuatro capas combina técnicas trace-layout, aislamiento y planos de tierra.
La capa superior incluye la mayoría de componentes, como aislantes ópticos, un plano de tierra y trazas de señal con múltiples vías que ofrecen conexión al resto de capas. En la segunda, los planos de potencia y tierra se “extienden” bajo las zonas de elevada tensión de la PCB, y la tercera contiene trazas de señal que “pasan” por debajo de las áreas antes mencionadas. El otro lado de la tarjeta de circuito impreso (cuarta capa) se emplea para el plano de tierra y las trazas de señal, así como para algunos componentes adicionales.
En los vehículos eléctricos, las tareas de comunicaciones y control representan la “piedra angular” de su funcionamiento y, en un coche, como el Volt, múltiples redes aíslan y protegen subsistemas individuales. Algoritmos complejos gestionan los grupos de celdas Li-ion y monitorizan los packs de batería de cada subsistema de sensado en un módulo de control de interface particular.
Sin embargo, últimamente los datos críticos necesarios para la gestión de la batería están emplazados en el interface de señal de bus de red de área de control (CAN) y una señal de fallo de alta tensión.
Al mismo tiempo, la seguridad y la fiabilidad dependen del aislamiento de la red de bus CAN desde los circuitos de sensado de elevado voltaje. Aunque dicho aislamiento se puede diseñar usando diversos métodos y componentes, el entorno adverso y las múltiples regulaciones hacen que los optoacopladores se conviertan en la solución preferida en este tipo de aplicación.
Los optoacopladores ofrecen inmunidad al ruido en modo común y también son insensibles a la EMC y la EMI asociadas a cualquier entorno eléctricamente ruidoso, como es un automóvil. Además, estos dispositivos proporcionan elevados niveles de aislamiento, algo vital para hacer frente al estrés de tensión dc del pack de batería, así como a los transitorios que se pueden producir durante los procesos de test, conexión / desconexión de cargador y conversión dc / dc.
En la elección de este componente esencial, los principales requerimientos para su uso en el sector de la automoción son un encapsulado adecuado y las especificaciones de tensión operativa.
A pesar de que las especificaciones de rendimiento, como velocidad, ratio de datos y consumo de energía, son importantes, los conceptos relativos a EMI, conmutación rápida y transitorios de elevada corriente, que tienden a limitar la necesidad de dispositivos de alta velocidad e incrementar la demanda de mayor fiabilidad en el ajuste de slew rate para minimizar las interferencias EMI.
Para cumplir estos estrictos requerimientos, Avago cuenta con varias familias de optoacopladores que pueden gestionar el sensado de tensión en los packs de batería, ofrecer aislamiento en los interfaces de comunicaciones de datos y aportar otras funciones. La Tabla 1 muestra algunos de los dispositivos especialmente indicados para vehículos.
Optoacopladores para aplicaciones de automoción
Optoacoplador de grado-automoción
Por ejemplo, el optoacoplador ACPL-M43T de Avago Technologies proporciona aislamiento en las PCB del módulo de control de interface de batería. Este miembro de la familia R2Coupler de grado-automoción con canal digital se suministra en un encapsulado Jedec SO-5 de 5-lead diseñado para montaje en superficie.
Junto con el aislamiento reforzado, los dispositivos R2Coupler, como el ACPL-M43T utilizan bobinas dobles para fortalecer los pads funcionales críticos (Figura 2).
Para dispositivos R2Coupler de grado-automoción, como el optoacoplador ACPL-M43T, Avago refuerza los pads funcionales críticos con doublé wire bond, como se observa en la zona resaltada.
Los optoacopladores herméticos también han demostrado mejoras en fiabilidad y rango de temperatura operativa en comparación con aquellos modelos basados en LED de grado-consumo.
Destinado para aplicaciones de automoción, este optoacoplador usa LED de grado-automoción, ha sido fabricado según el estándar de calidad ISO / TS16949 y cumple las especificaciones AEC-Q100.
El dispositivo es ideal para superar los requerimientos de pack de baterías en EV, con especificaciones que incluyen tensión operativa continua de 567 V, sobretensión transitoria máxima de 6000 V y creepage yclearance de 5 mm.
Este optoacoplador también se caracteriza por una elevada inmunidad a los transitorios en modo común de 30 kV / µs para salida de baja o alta lógica con corriente de entrada directa de 10 mA, reduciendo la probabilidad de que transitorios provenientes de otros subsistemas de automoción entren en la red de transmisiones CAN.
La velocidad de 1 M baudio es más que suficiente para este tipo de diseño. Además, el dispositivo cuenta con una salida de recopilación abierta que permite a los ingenieros “sintonizar” el slew rate de salida y así minimizar las emisiones electromagnéticas que podrían provocar efectos secundarios en las tareas de conmutación de componentes downstream, incluyendo transceptores CAN, a pesar de la baja EMI inherente en el protocolo de transmisión física CAN.
En la PCB del módulo de interface de batería, los ACPL-M43T se sitúan en el borde de la sección de comunicaciones, aislándola de otros subsistemas de sensado de alta tensión que son protegidos por planos de tierra en capas más profundas de la tarjeta de circuito impreso.
El interface de aislamiento ofrece tres optoacopladores individuales para cada una de las tres líneas de cada circuito de sensado: pin de salida CAN Tx, pin de entrada MCU CAN Rx y señal de fallo de elevada tensión desde el MCU.
El optoacoplador Avago ACPL-M43T aísla señales entre el MCU y el transceptor CAN
La salida desde el pin MCU CAN Tx, por ejemplo, atraviesa una capa de señal apantallada en la PCB para alcanzar el ánodo de pin 1 de un dispositivo ACPL-M43T para suministrar energía al LED embebido, provocando un cambio de estado en el pin 5 Vo (Figura 3). La señal aislada, entonces, pasa a la fase de salida de comunicaciones del módulo de interface de batería.
Por lo tanto, los optoacopladores tienen un papel muy importante en el subsistema electrónico de vehículos eléctricos e híbridos al proporcionar aislamiento de señal, inmunidad al ruido y protección (seguridad) de sistema, y evitar tensiones elevadas que pudieran provocar daños en el coche y, consecuentemente, a los ocupantes. El Chevy Colt es sólo un ejemplo de cómo los optoacopladores de Avago facilitan la gestión del stackde batería.
