Cómo alargar la vida útil de las baterías de los coches¿Cómo alargar la vida útil de las baterías de los vehículos eléctricos? Una de cada cinco averías de un coche se debe a la batería. En los próximos años, con la creciente popularidad del control fly-by-wire, la gestión del motor, las tecnologías híbridas (eléctricas/gas) y otras tecnologías automotrices, este problema se volverá cada vez más grave. Para reducir las fallas, es necesario detectar con precisión el voltaje, la corriente y la temperatura de la batería, preprocesar los resultados, calcular el estado de carga y el estado operativo y enviar los resultados a la unidad de control del motor (ECU) para controlar la carga. función. Los automóviles modernos nacieron a principios del siglo XX. Los primeros coches se arrancaban manualmente, lo que requería mucho esfuerzo y era arriesgado. Las "manivelas" de los automóviles fueron responsables de muchos accidentes mortales. En 1902 se desarrolló con éxito el primer motor de arranque por batería. En 1920, todos los coches funcionaban con electricidad. Al principio se utilizaban baterías secas, que debían ser reemplazadas cuando se acababa la energía. Pronto, las baterías líquidas (también conocidas como baterías de plomo-ácido en la antigüedad) reemplazaron a las baterías secas. La ventaja de las baterías de plomo-ácido es que se pueden cargar desde el motor durante el funcionamiento. Las baterías de plomo-ácido han cambiado poco durante el último siglo y la última gran mejora ha sido el sellado. Lo que realmente ha cambiado es la demanda. Al principio, las baterías sólo se utilizaban para arrancar el coche, tocar la bocina y encender las luces. Ahora, antes del encendido, todos los sistemas eléctricos del coche funcionan con él. La proliferación de nuevos dispositivos electrónicos se extiende más allá de los dispositivos electrónicos de consumo como GPS y reproductores de DVD. Hoy en día, los equipos electrónicos de la carrocería, como la unidad de control del motor (ECU), los elevalunas eléctricos y los asientos eléctricos, se han convertido en configuraciones estándar de muchos modelos básicos. El aumento exponencial de la carga ha tenido graves efectos, como lo demuestra el aumento del número de averías provocadas por los sistemas eléctricos. Según las estadísticas de ADAC y RAC, casi el 36% de las averías de los coches se pueden atribuir a fallos eléctricos. Si analizamos este número, podemos encontrar que más del 50% de las fallas son causadas por baterías de plomo-ácido. Las siguientes dos características clave reflejan el estado de una batería de plomo-ácido: (1) Estado de carga (SoC): SOC indica cuánta energía puede proporcionar la batería, expresada como porcentaje de la capacidad nominal de la batería (es decir, el SoC de una batería nueva). (2) Estado de funcionamiento (SOH): SOH indica cuánta energía puede almacenar la batería. Estado de carga La indicación del estado de carga es como un "indicador" de batería. Existen muchos métodos para calcular el SoC, entre los cuales los dos más utilizados son: el método de medición de voltaje en circuito abierto y el método de Coulomb (también llamado método de cantidad eléctrica). (1) Método de medición del voltaje de circuito abierto (VOC): el voltaje de circuito abierto de la batería cuando está descargada tiene una relación lineal con su estado de carga. Este método de cálculo tiene dos limitaciones básicas: en primer lugar, para calcular el SoC, la batería debe estar en circuito abierto y no conectada a la carga, en segundo lugar, esta medición sólo es precisa después de que sea estable a largo plazo; Estas limitaciones hacen que el método VOC no sea adecuado para cálculos de SoC en línea. Este método se usa generalmente en talleres de reparación de automóviles. Retire la batería y use un voltímetro para medir el voltaje entre los terminales positivo y negativo de la batería. (2) Método de Coulomb: este método utiliza el conteo de Coulomb para calcular la integral de la corriente a lo largo del tiempo para determinar el SoC. Con este enfoque, el SoC se puede calcular en tiempo real incluso cuando la batería está bajo carga. Pero el error del método de Coulomb aumenta con el tiempo. El voltaje de circuito abierto y el método de conteo de Coulomb se utilizan generalmente para calcular el estado de carga de la batería. Condiciones de funcionamiento En comparación con una batería nueva, las condiciones de funcionamiento reflejan el estado general de la batería y su capacidad para almacenar carga. Debido a la naturaleza de la batería en sí, los cálculos de SoH son complejos y dependen del conocimiento de la química y el entorno de la batería. El SoH de una batería se ve afectado por muchos factores, incluida la aceptación de carga, la resistencia interna, el voltaje, la autodescarga y la temperatura. Generalmente se considera difícil medir estos factores en tiempo real en un entorno como un automóvil. Durante la fase de arranque (arranque del motor), la batería está bajo carga máxima, lo que refleja mejor el SoH de la batería. Los métodos de cálculo reales de SoC y SoH utilizados por los principales desarrolladores de sensores de baterías para automóviles, como Bosch y Hella, son altamente confidenciales y, a menudo, están protegidos por patentes. Como propietarios de la propiedad intelectual, suelen trabajar en estrecha colaboración con fabricantes de baterías como Varta y Moll para desarrollar estos algoritmos. Figura 1. Solución discreta de detección de batería Este circuito se puede dividir en tres partes: (1) Detección de batería El voltaje de la batería es detectado por un atenuador de resistencia conectado directamente desde el terminal positivo de la batería. Para detectar el flujo de corriente, coloque una resistencia de detección entre el terminal negativo de la batería y tierra (normalmente 100 mω para aplicaciones de 12 V). En esta configuración, el chasis metálico del automóvil generalmente está conectado a tierra y la resistencia de detección está instalada en el circuito de corriente de la batería. En otras configuraciones, el electrodo negativo de la batería está conectado a tierra. Para los cálculos de SoH, también se debe detectar la temperatura de la batería. (2) Microcontrolador Un microcontrolador o MCU realiza principalmente dos tareas. La primera tarea es procesar los resultados del convertidor analógico a digital (ADC). Este trabajo puede ser tan simple como realizar solo un filtrado básico o tan complejo como calcular SoC y SoH. La funcionalidad real depende de la potencia de procesamiento de la MCU y de las necesidades del fabricante del automóvil. La segunda tarea es enviar los datos procesados a la ECU a través de la interfaz de comunicación. (3) Interfaz de comunicación Actualmente, la interfaz LIN es la interfaz de comunicación más utilizada entre sensores de batería y ECU. LIN es una alternativa económica de un solo cable al conocido protocolo CAN. Esta es la configuración más sencilla para probar la batería. Sin embargo, los algoritmos de detección de baterías más sofisticados requieren un muestreo simultáneo del voltaje y la corriente de la batería, o del voltaje, la corriente y la temperatura de la batería. Para el muestreo simultáneo, se requieren hasta dos convertidores analógicos a digitales adicionales. Además, los ADC y MCU requieren fuentes de alimentación reguladas para funcionar correctamente, lo que resulta en una mayor complejidad del circuito.
Los fabricantes de transceptores LIN han resuelto este problema integrando fuentes de alimentación reguladas. La próxima evolución en las pruebas de baterías de precisión para automóviles es la integración de ADC, MCU y transceptores LIN, como la familia ADuC703x de microcontroladores analógicos de precisión de Analog Devices. El ADuC703x ofrece dos o tres ADC sigma-delta de 16 bits y 8 ksps, un MCU ARM7TDMI de 20,48 MHz y un transceptor integrado compatible con LIN v2.0. La familia ADuC703x tiene un regulador de baja caída en chip que puede alimentarse directamente desde una batería de plomo-ácido. Para cumplir con los requisitos de las pruebas de baterías de automóviles, la parte frontal incluye los siguientes componentes: un atenuador de voltaje para monitorear el voltaje de la batería; un amplificador de ganancia programable que admite mediciones de corriente a escala completa desde menos de 1 A hasta 1500 A cuando se usa con una resistencia de 100 mΩ. ; un acumulador, admite conteo de culombios sin monitoreo de software y sensor de temperatura en chip. Figura 2. Ejemplos de soluciones con dispositivos integrados Hace unos años, sólo los coches de alta gama estaban equipados con sensores de batería. Hoy en día, cada vez hay más coches de gama media y baja con un pequeño equipamiento electrónico, que hace diez años sólo estaba disponible en los modelos de gama alta. Como resultado, están aumentando los fallos causados por las baterías de plomo-ácido. Dentro de unos años, todos los coches estarán equipados con sensores de batería, lo que reducirá el riesgo de fallos de funcionamiento provocados por el número cada vez mayor de dispositivos electrónicos.