Una breve descripción del sistema de batería inteligente

En la industria de las computadoras, las baterías de iones de litio son un asunto de amor y odio. Los incidentes que ocurrieron en los primeros días del uso de baterías de iones de litio aún están frescos en la mente de las empresas involucradas. Aprendieron una lección impresionante: bajo ninguna circunstancia debe exceder los parámetros nominales de una batería de iones de litio, o seguramente causará una explosión o un incendio.

Además de la composición química de la batería o los parámetros del electrodo, hay varios parámetros determinados para la batería de iones de litio, y si se excede, la batería entrará en un estado descontrolado. En el gráfico que explica estos parámetros (consulte el mapa de parámetros de iones de litio), cualquier punto fuera de la curva de umbral correspondiente está fuera de control. A medida que aumenta el voltaje de la batería, el umbral de temperatura desciende. Por otro lado, cualquier comportamiento que haga que el voltaje de la batería exceda su valor de diseño hará que la batería se sobrecaliente.

Cuidado con el peligro causado por el cargador

El fabricante del paquete de baterías ha establecido varias capas de protección de paquetes y baterías para evitar un sobrecalentamiento peligroso. Sin embargo, hay un componente en la batería que puede hacer que estas medidas fallen y causen daños. Este dispositivo es un cargador.

Hay tres formas de dañar una batería de iones de litio recargable: el voltaje de la batería es demasiado alto (la situación más peligrosa); la corriente de carga es demasiado grande (la corriente de carga excesiva provoca el efecto de recubrimiento de litio, que provoca calor); el proceso de carga no se puede finalizar correctamente o la carga a una temperatura demasiado baja.

Los diseñadores de cargadores de baterías de iones de litio toman precauciones adicionales para evitar exceder el rango permitido de estos parámetros. Es absolutamente seguro asegurarse de que los parámetros relevantes del sistema funcionen dentro del rango seguro.

Por ejemplo, la especificación del cargador de batería inteligente permite un sesgo negativo de -9%, pero enfatiza que la desviación positiva no debe exceder el 1%. Se garantiza que cumple con los estándares de seguridad de baterías inteligentes. Por supuesto, en el diseño real, las desviaciones positivas y negativas son aleatorias. Por lo tanto, el diseño conforme a esta especificación a menudo establece que el valor de voltaje objetivo del cargador sea cercano al -4% del valor nominal.

Debido a la inexactitud del voltaje de carga (ya sea -4% o -9%), la batería siempre está subcargada. El temor al peligro potencial de las baterías de iones de litio da como resultado una utilización muy baja de la capacidad de la batería. Según la experiencia de los expertos de la industria, incluso después de la carga, el voltaje es solo un 0,55% más bajo que el valor nominal y la caída de capacidad es de hasta un 15%.

Batería incorporada en la computadora

El principio de la tecnología de batería inteligente es muy simple. La batería está integrada en una pequeña computadora para monitorear y analizar todos los datos de la batería para predecir con precisión la capacidad restante de la batería. La capacidad restante de la batería se puede convertir directamente en el tiempo de trabajo restante de la computadora portátil. El tiempo de trabajo se puede extender inmediatamente en un 35% en comparación con el método de monitoreo de capacidad original basado solo en el monitoreo de voltaje.

Desafortunadamente, la tecnología de batería inteligente solo puede hacer mucho. A menos que puedan comunicarse con el circuito del cargador, no pueden determinar su entorno operativo ni controlar el proceso de carga.

En un entorno de "sistema de batería inteligente", la batería solicita al cargador inteligente que la cargue bajo ciertas condiciones de voltaje y corriente. El cargador inteligente es entonces responsable de cargar la batería según los parámetros de voltaje y corriente solicitados.

El cargador ajusta su salida con su propio voltaje interno y referencia de corriente para que coincida con el valor solicitado por la batería inteligente. Dado que la inexactitud de estos puntos de referencia puede ser tan alta como -9%, el proceso de carga puede terminar con la batería solo parcialmente cargada.

Una comprensión más detallada del entorno de carga puede revelar más problemas que afectan la eficiencia de carga de las baterías de iones de litio. Incluso en el caso más ideal, asumiendo que la precisión del cargador es del 100%, el elemento resistivo entre las celdas del cargador en la ruta de carga introduce una caída de voltaje adicional, especialmente durante la fase de carga de corriente constante. Estas caídas de voltaje adicionales hacen que el proceso de carga entre en la fase de voltaje constante prematuramente desde la corriente constante.

A medida que la caída de voltaje introducida por la resistencia disminuye gradualmente a medida que disminuye la corriente, el cargador finalmente completará el proceso de carga. Sin embargo, el tiempo de carga se ampliará. La eficiencia de transferencia de energía durante la carga de corriente constante es mayor.

Elimina la caída de resistencia

Idealmente, la salida del cargador elimina con precisión los efectos de la caída de voltaje en la resistencia. A alguien se le puede ocurrir una solución en la que el cargador inteligente monitorea y corrige su salida utilizando datos del circuito de monitoreo de batería inteligente en todas las etapas del proceso de carga. Esto es posible para un sistema de batería única, pero no para sistemas de batería doble o múltiple.

En un sistema de dos baterías, es preferible cargar y descargar dos baterías al mismo tiempo, si es posible. Aunque la carga de la batería es paralela, un cargador típico con un solo puerto SMBUS todavía no está a la altura. Porque si solo hay un puerto SMBUS, el cargador u otro dispositivo SMBUS solo puede comunicarse con una batería al mismo tiempo. Por lo tanto, un sistema ideal debería proporcionar dos o más puertos SMBUS para que ambas baterías puedan comunicarse con el cargador al mismo tiempo.

Administrador del sistema de batería inteligente (SBS)

Además de proporcionar múltiples puertos SMBUS, la tecnología de SBS Manager también puede mejorar significativamente el rendimiento de las baterías inteligentes de iones de litio. El SBS Manager es parte de SBS y está definido por la especificación SBS 1.1. Reemplaza al Smart Selector definido en la versión anterior.

El SBS Manager proporciona una interfaz para la unidad y el lado del sistema de la unidad y, por otro lado, administra la batería inteligente y el cargador. La unidad puede leer y solicitar el envío de información sobre la batería, el cargador y el propio administrador. La interfaz asociada con esta transferencia de información se define en la especificación. En un sistema de baterías múltiples, el administrador de SBS es responsable de seleccionar la fuente de alimentación del sistema y decidir qué batería cargar o descargar en un momento determinado. En resumen, SBS Manager determina qué batería cargar, cuál descargar y cuándo.

Una gestión de SBS bien implementada tiene varias ventajas: un proceso de carga más completo y más rápido, carga y descarga eficientes simultáneas y la capacidad de detectar y reaccionar rápidamente a condiciones peligrosas como posibles sobrecargas de voltaje.

El SBS Manager, que monitorea el voltaje de la batería, carga la batería a su capacidad real. Se puede evitar una carga insuficiente debido al voltaje de monitoreo inexacto del cargador inteligente (generalmente -4% a -9% como se describe arriba). Además, este proceso no requiere una tensión de referencia particularmente precisa (las referencias de tensión precisas son caras).

La estrategia para evitar el uso de una referencia de voltaje precisa es medir el voltaje de la batería usando un circuito de medición dentro de la batería inteligente con una precisión del 1%. De esta manera, el administrador de SBS puede ordenar al cargador que aumente el voltaje de manera apropiada hasta que el voltaje monitoreado alcance un valor adecuado.

Un administrador SBS bien implementado permite que la batería se cargue un 16% más rápido que los cargadores convencionales. Aumente de forma segura el voltaje de salida del cargador por encima del voltaje nominal de la batería para compensar la caída de voltaje debido a la resistencia interna de la batería y la resistencia del bucle. Esto se puede hacer controlando el voltaje interno de la batería y ajustando rápidamente el voltaje del cargador.

Cuando y como cargar

El administrador de SBS puede determinar cuándo cargar la batería al mismo tiempo. La carga simultánea permite una mejor utilización de la corriente del cargador para cargar. En un sistema de celda única, cuando se ingresa al modo de carga de voltaje constante, la corriente de carga proporcionada por el cargador disminuye a medida que la batería está completamente cargada. La corriente no utilizada se desperdicia. Este no es el caso en un sistema de batería dual que utiliza el administrador SBS, y la corriente que no se usa al cargar una batería se puede usar para otra.

Además, el administrador de SBS puede determinar qué estado de la batería se puede transferir energía más rápidamente. La batería que puede aumentar la capacidad del sistema más rápidamente se carga primero y la batería que puede cargar más energía se descarga rápidamente. Esto acelera el proceso de carga hasta en un 60%. El SBS Manager también puede determinar cuándo está habilitada la función de descarga simultánea. Una descarga simultánea adecuada puede aumentar la capacidad del sistema hasta en un 16%.

Por supuesto, todas estas mejoras deben ser seguras para el rendimiento de la batería. Como se discutió anteriormente, las baterías de iones de litio tienen un voltaje nominal. Cuando el voltaje aplicado a la batería alcanza un valor máximo, el proceso de carga cambia de un modo de corriente constante a un modo de voltaje constante. La detección de este punto de conmutación es responsabilidad del administrador de SBS de carga inteligente, en función del voltaje medido de la batería. Pero la gran ventaja del SBS Manager sobre los cargadores inteligentes es que monitorea y corrige constantemente el voltaje del cargador y la batería. Esto también garantiza la seguridad en el caso de alcanzar la capacidad máxima de la batería.

A medida que el rendimiento de las computadoras y otros dispositivos sigue aumentando, la demanda de energía crece rápidamente y la mejora de las baterías químicas no puede seguir el ritmo de esta tasa de crecimiento. Aunque la tecnología SBS es muy útil, siempre habrá un día en que la tecnología SBS no pueda proporcionar la energía que requieren los sistemas de alto rendimiento y se necesitará una solución de administración de energía más inteligente.

Si ese OEM puede mantener la computadora portátil funcionando durante seis horas sin afectar significativamente el rendimiento, rápidamente se apoderará del mercado. El Gerente de SBS ha dado un gran paso hacia este objetivo.

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