Funciones de protección del cargador de batería

Ya sea que use un cargador de batería para su automóvil o use una batería para otros fines, es importante comprender cómo proteger su batería. Esto incluye reconocer qué causa una sobrecarga, cómo evitar una fuga térmica y más.

La protección contra sobrecorriente es una parte importante de todos los circuitos eléctricos. Protege el equipo de sobrecargas de corriente y fallas a tierra.

Además de brindar protección, los dispositivos de sobrecorriente también se pueden usar para diagnosticar una situación de sobrecarga. Los disyuntores, fusibles y enlaces fusibles son los dispositivos de protección contra sobrecorriente más comunes. Estos dispositivos están conectados en serie con el circuito que protegen.

Los fusibles y los disyuntores están diseñados para interrumpir un circuito cuando la corriente supera un valor de umbral preestablecido. Se utilizan comúnmente en sistemas de baja tensión. Un fusible consta de dos cables o tiras encerradas en un aislante. La conexión fundida de la tira de fusión puede formar un arco y fundirse.

Los fusibles y disyuntores se pueden encontrar en casi todos los productos electrónicos. Se utilizan para proteger al personal, los conductores y los equipos de sobrecorrientes o cortocircuitos. Si el circuito no funciona, los fusibles se quemarán y el dispositivo no funcionará.

Las baterías deben estar protegidas contra sobrecorriente y sobretensión. Las condiciones de sobrecarga y sobrevoltaje pueden provocar fallas en la batería, explosiones y emanaciones tóxicas. Las baterías de iones de litio, en particular, deben ser monitoreadas y protegidas.

Los circuitos de carga de la batería son vulnerables a problemas como una sobrecarga de la fuente de alimentación, una carga no coincidente y un circuito de carga que consume más corriente de la permitida. Para proteger la batería y el equipo de estos peligros, el paquete de baterías debe incluir una función de protección contra sobrecorriente.

Los paquetes de baterías de polímero de litio suelen estar equipados con un circuito de protección diseñado para evitar la sobrecarga y la sobredescarga. Sin embargo, también son susceptibles de mal uso. Cargar una batería de polímero de litio por encima de su capacidad puede provocar una fuga térmica y otros problemas de seguridad. Idealmente, una batería no debe cargarse más de 1,5 veces la corriente de protección de carga de sobrecorriente de la batería.

Probar la función de protección contra sobrecorriente de un paquete de baterías implica verificar la respuesta del circuito a las condiciones de sobrecorriente y sobretensión. Estas pruebas deben realizarse en un laboratorio.

La función de protección de carga contra sobrecorriente se prueba utilizando una fuente de alimentación de CC. Los datos se recopilan durante una hora después de que se detiene la carga. Durante este tiempo, se miden la temperatura de la batería y el nivel SOC. Cuando el nivel de SOC alcanza el 130 por ciento o más, la prueba finaliza. Esto permite una evaluación más precisa de la capacidad de la batería para resistir sobrecorriente y sobretensión.

La protección contra descarga excesiva es una de las funciones de seguridad de un cargador de batería de iones de litio. Ocurre cuando el voltaje de una batería de litio cae por debajo de un cierto umbral. Si el voltaje alcanza un nivel por debajo de este umbral, la batería dejará de cargarse. La batería eventualmente se convertirá en un peligro potencial de incendio.

La protección contra sobrecarga se implementa en forma de un interruptor de protección contra sobrecarga. El interruptor está conectado en serie entre el lado positivo de las baterías y el terminal de salida de la batería.

El interruptor va acompañado de un circuito de control que enciende y apaga el interruptor cuando el voltaje de la batería alcanza un cierto punto de ajuste mínimo. También se incluye un circuito de retardo para evitar que el FET se apague prematuramente.

Además del interruptor de protección contra sobrecarga, también hay un circuito de detección de voltaje que monitorea el voltaje de la batería. Este circuito consta de un controlador de circuito integrado (IC) de tres terminales. Como se muestra en la Fig. 2, el IC controla el interruptor de protección contra sobredescarga interrumpiendo el voltaje de salida cuando el voltaje de la celda cae por debajo del umbral de sobredescarga.

Este circuito también incorpora un diodo parásito para mantener el FET en estado encendido con respecto a la corriente inversa. Se complementa con un capacitor C21 que agrega una pequeña cantidad de tiempo al aumento del voltaje en la puerta del FET.

Cuando el interruptor de protección contra sobredescarga se apaga, el voltaje en el lado de salida del interruptor se eleva al voltaje en el extremo de carga. También se utiliza un disyuntor térmico para desactivar la entrada de la batería.

Otro componente mencionado anteriormente es la función de protección contra sobretemperatura. Este dispositivo no es tan sofisticado como la función de protección contra sobredescarga.

Un diseño alternativo para la función de protección contra sobredescarga sería un microcontrolador que leyera la temperatura de las baterías y deshabilitara la salida. Sin embargo, esta opción requiere mucha programación, lo que puede resultar poco práctico para algunas aplicaciones.

No obstante, existen algunas opciones de protección contra sobredescarga que son útiles y se pueden personalizar para cumplir con una aplicación en particular. Por ejemplo, en un cargador de batería de iones de litio de múltiples celdas, el mecanismo de detección de descarga excesiva podría configurarse para monitorear todas las celdas en el paquete de baterías.

Las funciones de protección contra sobretemperatura de los cargadores de baterías son fundamentales para el rendimiento y la confiabilidad de los sistemas de administración de energía de la batería. La condición de sobrecalentamiento no solo es un peligro para la seguridad, sino que también puede ser perjudicial para la vida útil de la batería. Para evitar que se produzca una fuga térmica, la batería debe apagarse antes de que la temperatura alcance un nivel inviable.

Los esquemas de protección de la batería suelen ofrecer dos niveles de protección. Uno es un fusible térmico y el otro es una función de apagado térmico.

El fusible térmico es un dispositivo que apaga automáticamente el cargador si la temperatura del acumulador supera un umbral predeterminado. Otras características de los cargadores de baterías incluyen protección contra sobrevoltaje y polaridad inversa.

Hay otros cargadores de batería que ofrecen funciones de apagado térmico. Sin embargo, estos dispositivos son demasiado costosos para incorporarlos a un cargador estándar y requieren un diseño cuidadoso para evitar un apagado térmico. En su lugar, se puede implementar una función de apagado térmico conectando un termistor NTC a un pin de conexión dedicado. Luego, un circuito de detección de voltaje puede monitorear la resistencia del termistor para determinar si la temperatura es lo suficientemente alta como para apagar la batería.

Las baterías tienen un amplio rango de temperatura. La diferencia entre la temperatura de la batería de almacenamiento y la del cargador puede ser enorme. Esta diferencia puede causar una sobrecarga o una carga insuficiente. Ambos pueden provocar daños en la batería.

Además del fusible térmico, el cargador puede incluir un regulador de voltaje. Esto permite que el cargador mantenga un voltaje constante mientras mantiene el flujo de corriente hacia la batería por debajo del valor máximo permitido.

Los cargadores de batería suelen incorporar un diseño de perfil de plástico patentado que presenta una rápida disipación del calor. También incluye una luz indicadora, una pantalla de tasa de carga y seis funciones de protección integradas.

La batería también puede incorporar un termistor para determinar si el ambiente de arranque es demasiado caliente para que la batería absorba la carga. Esta medición de temperatura es útil para monitorear circuitos y, a su vez, activar una acción para encender un ventilador de enfriamiento o cortar la carga.

Dependiendo de la tecnología de la batería y la química de la batería de almacenamiento, existen varias funciones de protección diferentes. Algunos se implementan como parte del sistema de administración de energía de la batería y otros se integran en el propio cargador.

La fuga térmica es una condición peligrosa que puede ocurrir en una batería. Hace que el electrolito de una batería se sobrecaliente y puede provocar un incendio que no se puede extinguir. Esta condición puede ser el resultado de un cortocircuito interno o un cortocircuito externo. Afortunadamente, un cargador de batería tiene una protección integrada contra la fuga térmica.

Cuando el sistema comience a cargar la batería, primero comenzará a monitorear el voltaje de la batería. Si el voltaje no aumenta, el sistema asume que la batería está en modo de fuga térmica. Luego, la corriente de carga aumentará hasta que la batería alcance un voltaje de carga predeterminado.

Cuando la corriente de carga alcanza un nivel predeterminado, el sistema comienza a reducir la tasa de carga. Esto reduce la corriente de carga a una cantidad segura para la batería. Una vez que el nivel actual alcanza un cierto umbral, la batería estará completamente cargada.

Para evitar la posibilidad de una fuga térmica, el cargador de batería controlará el voltaje y el ciclo de trabajo de la corriente de carga. Si hay una desviación en las características de carga, el sistema tratará la anomalía como un problema y reducirá la tasa de carga.

El software del cargador de batería también controlará los parámetros de carga eléctrica de la batería. Cuando el voltaje de la batería alcance un valor preestablecido, se verificará para determinar si existe una condición de fuga térmica.

En un modo de corriente constante, el ciclo de trabajo se verifica cada tres o cuatro valores consecutivos. Cuando el ciclo de trabajo disminuye, el contador di/dt disminuye y el límite DT aumenta.

Durante un modo de operación de voltaje constante, el contador di/dt se establece en el valor nominal. La curva de voltaje tendrá una pendiente positiva. Se considera una condición de embalamiento térmico cuando el voltaje no aumenta y el contador di/dt alcanza un valor negativo.

En un cargador de batería de voltaje constante, el ciclo de trabajo se verifica a intervalos fijos. En un momento preestablecido, el sistema reducirá la corriente de carga y luego verificará el ciclo de trabajo nuevamente para ver si ha disminuido.

La fuga térmica puede ocurrir en las baterías de litio. Aunque son dispositivos de almacenamiento de energía extremadamente eficientes, su capacidad puede verse disminuida si se dejan en un ambiente cálido. Además, se sabe que se queman cuando se exponen al hidróxido de litio. Por este motivo, las baterías de iones de litio deben almacenarse a una temperatura que sea segura para la batería.

La protección contra sobrevoltaje de salida del cargador de batería es una característica que ayuda a garantizar que la corriente que fluye hacia la batería se mantenga dentro de un límite predeterminado. Esto significa que el circuito de carga puede cerrar la salida durante un cierto período de tiempo para evitar un mal funcionamiento que pueda causar una explosión.

Las baterías pueden ser muy sensibles y una falla en el circuito de carga podría provocar una explosión. Afortunadamente, hay varias maneras de evitar que esto suceda. En primer lugar, la batería debe cargarse a un ritmo constante. La velocidad depende de la química de la batería y de cuánto se agote. En segundo lugar, el circuito debe estar diseñado para poder soportar condiciones de operación anormales.

Un sistema típico de gestión de baterías consta de un bloque de supervisión de baterías y un circuito de protección contra sobretensiones. El mecanismo de protección protege la batería contra daños durante el proceso de carga y contra problemas de suministro de energía. Puede integrarse con el circuito de carga o implementarse como parte del sistema de gestión de la batería. Por lo general, este tipo de cargador de batería utiliza un diseño de regulador lineal, cuyo objetivo es mantener la corriente dentro del rango de la envolvente de voltaje del terminal de la batería.

Otra opción es un sistema de gestión de batería que integra funciones de control continuo y control de limitación. Esto permite que la corriente de carga se reduzca cuando la carga supera el límite de corriente USB. Además, el suministro de salida de 3,3 V regulado se puede utilizar para proporcionar una señal de detección de bajo voltaje activa.

Otra opción para la protección contra sobretensiones es un circuito comparador. Usando operadores de comparación en el código del microcontrolador, es posible asegurarse de que el voltaje aplicado sea menor que el voltaje máximo permitido. El comparador de detección de corriente INA300 23 puede consumir muy por debajo del máximo de 1 mA.

También se puede usar una función de diodo ideal para pausar el proceso de carga cuando el voltaje de salida cae por debajo de un nivel específico. En este caso, el diodo ideal es un diodo de alto rendimiento que permite que un segundo PFET externo se conecte entre OUT y BAT. Cuando el voltaje de SALIDA cae por debajo del voltaje BAT, el diodo ideal se activa.

Algunas químicas de batería son muy sensibles a los voltajes impresos. Por ejemplo, las baterías recargables de iones de litio están diseñadas para cargarse a solo un grado C. Cuando el voltaje del terminal cae por debajo de este nivel, el circuito de carga debe desconectarse. De manera similar, otras químicas esperan un voltaje de flotación muy pequeño. Sin embargo, cuando el voltaje cae demasiado bajo, la tasa de autodescarga aumenta. Estas químicas también requieren que el circuito de carga se desconecte cuando se alcanza el voltaje terminal.

Pueden surgir otros problemas por el uso de adaptadores de CA/CC no regulados. Muchos dispositivos electrónicos, incluidos aviones, paneles de vidrio e incluso los circuitos integrados de carga, son susceptibles de sufrir daños cuando se conectan a un suministro no regulado.

Una solución es utilizar una fuente de alimentación conmutada. Estos tipos de fuentes de alimentación utilizan un interruptor para controlar el voltaje. Si el voltaje aumenta demasiado rápido, el interruptor volverá a verificar el voltaje. Pero si la fuente de alimentación está defectuosa, la fuente de alimentación conmutada puede dañarse.

Entrada del cargador de batería Protección contra bajo voltaje y sobrevoltaje

La protección contra sobrevoltaje y bajo voltaje de entrada del cargador de batería es una característica importante para una variedad de aplicaciones. Cuando el voltaje de entrada supera un cierto umbral, el IC del cargador desactivará la fuente de alimentación. Esto puede proteger la carga, el dispositivo o el microcontrolador del sistema contra daños. Según el diseño del IC del cargador, también se pueden implementar umbrales de temperatura.

La protección contra sobrevoltaje es menos común que la protección contra bajo voltaje. Sin embargo, en algunos casos, la condición puede causar un mal funcionamiento del circuito. Lo mejor es implementar este tipo de protección con precaución. Hay una serie de factores a considerar, como la corriente de carga y la temperatura de la batería, la cantidad de energía necesaria para mantener el voltaje de la batería y el tipo de dispositivo que se utiliza. Idealmente, el IC del cargador implementará respuestas configurables a la situación de sobretensión. El cargador IC también deberá poder regular su rango de operación.

La protección contra bajo voltaje suele ser menos compleja que la protección contra sobrevoltaje. La mayoría de los diseñadores simplemente no se preocupan por este aspecto de sus diseños. Más bien, se enfocan en otros aspectos de sus proyectos. En la mayoría de los casos, las condiciones de bajo voltaje no causan daños. Sin embargo, algunas condiciones pueden requerir más atención.

Para implementar la protección contra bajo voltaje, se coloca un circuito a través de la fuente de alimentación. Entonces, se utiliza un temporizador. Este temporizador desconectará automáticamente la carga si la batería cae por debajo de un umbral establecido. El circuito es simple y fácil de implementar. El temporizador se puede ajustar para acomodar diferentes valores de voltaje.

Otra opción es utilizar un circuito de palanca. Un circuito de palanca es similar a una palanca de caída. Sin embargo, una palanca no considera la posibilidad de daño a la fuente de alimentación. Más bien, la función de la palanca es evitar que ocurra una situación de sobretensión.

En general, la función de protección contra sobrevoltaje de un cargador de batería se basará en un estándar de batería JEITA. Como resultado, el fabricante del paquete de baterías tendrá umbrales especificados para diferentes niveles de corriente de carga. Por ejemplo, el IC del cargador puede configurar el voltaje de entrada mínimo en 4,5 V, el voltaje de entrada máximo en 20 V y el umbral de bajo voltaje en 3 V.

Otras características de protección contra sobrevoltaje incluyen regulación térmica y detección de batería faltante. El IC del cargador también puede evitar el exceso de temperatura al regular la corriente de carga. Estas características de seguridad asegurarán que la batería no se dañe durante la carga.

Hay varios tipos de circuitos integrados de cargador, incluidos los cargadores reductores, elevadores y reductores. Los cargadores Buck-Boost permiten la carga continua mientras limitan la corriente de carga máxima a un umbral específico. Tanto los cargadores reductores como los elevadores tienen un voltaje operativo más alto que un cargador reductor. Por lo tanto, requieren un paquete IC más grande. Se pueden utilizar en aplicaciones portátiles.

Algunos circuitos integrados de cargador tienen una interfaz I2C integrada. Esto permite que el dispositivo configure fácilmente diferentes funciones de seguridad. Una de esas características es el temporizador de vigilancia. Durante el proceso de carga, la MCU debe restablecer periódicamente el temporizador. Si el temporizador no funciona, el microcontrolador del sistema no podrá responder.

Otro tipo de cargador de batería IC es el cargador de conmutación. Los cargadores de conmutación son generalmente más eficientes y capaces de manejar corrientes más altas. Si bien este tipo de cargador puede costar más, también puede ser una opción más conveniente para algunas aplicaciones.

Protección contra cortocircuito del cargador de batería y conexión inversa

Las conexiones de batería con polaridad inversa pueden causar daños graves a las baterías y al equipo electrónico portátil. Pueden producir una chispa, gas hidrógeno o descargar la batería por completo. Todo esto puede ser peligroso para su salud y para su equipo. Aquí se explica cómo evitar las conexiones inversas de la batería y cómo proteger su cargador de batería de los efectos.

Para evitar conexiones de batería de polaridad inversa, es importante conectar los terminales positivo a negativo de la batería. Esto es para asegurar que la batería no se sobrecaliente. Además, el voltaje del lado negativo de la batería descargará gradualmente la batería, provocando un ciclo de descarga similar al que ocurre con un capacitor.

Según el tipo de dispositivo que utilice, es posible que necesite un interruptor de inversión de la batería o protecciones mecánicas. Estos pueden incluir un conector polarizado o un conector unidireccional. Además, es posible que deba usar gafas protectoras o guantes de goma.

Otro enfoque simple para evitar la inversión de la batería es usar un circuito de diodo en paralelo. Es fácil de construir y puede proteger baterías de alta impedancia de salida de instalaciones inversas. Sin embargo, debe ser capaz de manejar una alta corriente. La bomba de carga también puede ser una adición útil para ayudar a proteger la carga.

Una conexión de batería de polaridad inversa es peligrosa porque los electrones se extraen del lado negativo al positivo de la batería. Esto puede hacer que la batería se descargue y quemarla. Al igual que con otras baterías, también puede provocar un drenaje rápido y una vida útil corta. El uso de un interruptor de inversión de batería puede proteger su cargador de batería y dispositivos electrónicos portátiles de los efectos de una conexión de batería inversa.

Cuando se conecta una batería inversa, el MP1 la detecta. Si el MP1 no detecta la conexión, deshabilitará el dispositivo de paso principal del MP2. Durante una conexión inversa de la batería, el MN1 generará mucha energía. Esto hace que el MP2 se desactive y luego el MP1 se desactive. De manera similar, si la batería está conectada y el MP2 está desactivado, el MP1 detendrá el funcionamiento del cargador.

Otro enfoque es utilizar un circuito basado en NMOS. NMOS utiliza un elemento de memoria de bloqueo para determinar si la batería inversa está conectada. Si bien este método es más simple que un enfoque basado en PMOS, no siempre se conecta a la batería. Incluso si lo hace, no siempre es lo suficientemente rápido como para evitar que se active el MN1.

Alternativamente, puede probar un circuito de protección PMOS. En este método, la batería se conecta temporalmente a la salida del cargador mientras el cargador está apagado. Al comparar el voltaje del terminal de la batería con el voltaje de la salida del cargador, puede determinar si la conexión es permanente.

Finalmente, es esencial desconectar el MN1 de la batería antes de que se caliente demasiado para desconectarse. Aunque no es un proceso rápido, es muy importante. Se han desarrollado varios circuitos para ayudar en esta tarea. Uno de los mejores circuitos incluye R3 y R4. Es más efectivo para aplicaciones de baterías de iones de litio de bajo voltaje.