Embora as baterias de iões de lítio e outras tecnologias amplamente utilizadas tenham aumentado consideravelmente a densidade energética das baterias e possibilitado este tipo de produtos, requerem muito mais cuidado do que as tecnologias mais antigas para maximizar o tempo entre recargas e a vida útil do produto. Simplesmente ligar uma fonte de energia aos terminais e desligá-la quando a tensão interna atinge um nível suficiente não é suficiente.
Desafios da Tecnologia de Baterias:
As baterias de iões de lítio, em particular, são vulneráveis a fatores como a sobrecarga. Isto não só danifica as células, como também pode ser perigoso. A sobrecarga aumenta a pressão interna das células e pode provocar uma fuga térmica, que pode levar a bateria a incendiar-se. É por isso que todos os controladores de carga disponíveis no mercado incorporam proteção contra sobrecarga.
Manter níveis elevados de vida útil da bateria e carga máxima exige um elevado grau de controlo sobre o processo do início ao fim. Os microcontroladores MAX77960B e MAX77961B, concebidos pela Maxim Integrated, são dois exemplos de como isso pode ser conseguido em sistemas portáteis. Estes dispositivos carregam a bateria em três fases sucessivas: pré-carga, corrente constante e tensão constante. A fase de pré-carga é utilizada para preparar adequadamente a bateria para a carga completa, o que é importante para evitar danos no caso de as células estarem quase completamente descarregadas. O processo envolve o fornecimento de uma pequena corrente inicial. O carregador utiliza medições e um temporizador de segurança para verificar se esta fase foi concluída com sucesso e, caso contrário, reporta um erro ao microcontrolador principal.
Os outros dois modos exigem um compromisso. O carregamento com corrente constante é o método mais rápido, mas apresenta o risco de danificar a bateria, uma vez que envolve níveis de corrente mais elevados que podem causar sobreaquecimento. É por isso que os controladores de carga de baterias incluem entradas para sensores de temperatura, que limitam a potência no caso de a bateria aquecer demasiado. Normalmente, quando a bateria está quase totalmente carregada, o controlador de carga passa para o modo de tensão constante. Isto evita o sobreaquecimento e ajuda a prolongar a vida útil da bateria, mas torna o processo de carregamento significativamente mais lento.
O controlo de carga melhorado oferece outras vantagens. Permite otimizar o tamanho e o peso geral do sistema, não só da própria bateria, mas também do circuito de alimentação. Alguns controladores de carga são altamente integrados. Por exemplo, o MC34674 da NXP Semiconductors é um carregador totalmente integrado para baterias de iões de lítio e polímero de lítio de célula única, otimizado para aplicações em viagem, que requer apenas um LED externo para indicar o estado de carregamento, dois condensadores de desacoplamento e um circuito termistor com uma ligação para detetar a temperatura da bateria.
Carregadores e Conversão de Tensão para Alimentação:
A mesma necessidade de elevada integração com poucos componentes passivos aplica-se aos conversores CC/CC utilizados para condicionar e fornecer energia aos diversos dispositivos do sistema, com os seus requisitos específicos de tensão e corrente. O grande número de pistas de alimentação necessárias, mesmo em dispositivos portáteis relativamente pequenos, que variam de 1 V para um sistema em chip (SoC) digital a 12 V ou mais para E/S analógica, torna as soluções compactas ainda mais valiosas. Ao utilizar menos componentes passivos externos e reduzir as perdas de conversão, os circuitos do carregador e do regulador podem ser mais pequenos e operar sem dissipadores de calor volumosos nos transístores de potência, permitindo assim projetos de sistemas compactos e eficientes. Uma das formas pelas quais o MAX77960B e o MAX77961B ajudam a melhorar a densidade é atuando como conversores buck e carregadores: fornecendo energia ao sistema portátil sempre que a tensão de alimentação da bateria é superior à tensão de saída desejada.
Independentemente de serem baterias recarregáveis ou não recarregáveis, a tensão da bateria diminui à medida que as células descarregam. Se esta tensão descer abaixo da gama de funcionamento do conversor, a carga restante na bateria será desperdiçada, resultando em tempos de funcionamento inferiores aos esperados. A utilização da conversão CC/CC com operação buck e boost permite a extração da carga máxima possível.
Figura 1. Características da corrente de descarga: O gráfico mostra a tensão de saída em função do tempo durante a descarga da bateria. Fonte: https://www.farnell.com/datasheets/2305652.pdf
A capacidade de suportar modos de desligamento de baixo consumo é vital para dispositivos da Internet das Coisas (IoT), como sensores ambientais e wearables concebidos para monitorizar a saúde e o bem-estar. Estes dispositivos entram em modo de repouso durante longos períodos e despertam durante uma fração de segundo antes de voltarem ao modo de repouso. Com ciclos de trabalho tão curtos, uma baixa corrente de repouso é crucial em todo o sistema, incluindo nos circuitos de gestão de energia. O conversor buck-boost MAX710ESE+, desenvolvido pela Maxim, por exemplo, permite que o subsistema regulador linear seja utilizado exclusivamente durante estes modos de repouso para limitar o consumo de corrente e evitar a descarga da bateria durante períodos prolongados de inatividade.
Monitorização e gestão de baterias:
Em muitas aplicações, é igualmente importante saber quanta carga resta e monitorizar o fluxo de corrente para cada célula de um conjunto de baterias. A combinação destes dois elementos pode ser crucial para os sistemas automóveis, uma vez que os condutores não querem estar longe de um ponto de recarga se a estimativa estiver incorreta ou se um desequilíbrio resultar em tensão insuficiente devido à descarga excessiva de várias células. Em todos os sistemas, uma estimativa precisa da carga ajuda a otimizar o tempo de carregamento e a gestão da capacidade. Atualmente, alguns sistemas utilizam estas medições para reduzir a velocidade de carregamento e prolongar a vida útil da bateria, comparando a carga atual com a utilização prevista. Em muitos casos, existem produtos dedicados disponíveis para a gestão e monitorização de baterias.
O Renesas ISL94202 foi concebido para baterias com até oito células e oferece um controlo autónomo do conjunto sem a necessidade de um microcontrolador supervisor. O dispositivo gere automaticamente o equilíbrio das células dentro do conjunto e possui diversas funcionalidades de proteção para evitar sobrecorrentes e outros problemas. Outro exemplo é o Infineon Technologies TLE9012AQU, que desempenha quatro funções principais: medir a tensão da célula, medir a temperatura, equilibrar as células e fornecer comunicação isolada com um controlador central da bateria. Esta combinação de funções torna-o o dispositivo ideal para sistemas automóveis e de comunicação de grande dimensão, onde são necessários vários conjuntos de baterias em paralelo. Para garantir a precisão na medição do estado da célula, um conversor A/D de 16 bits monitoriza cada célula.
Os projetos de veículos modernos podem incorporar diversos subsistemas de baterias diferentes para alimentar várias partes do veículo, desde o grupo motopropulsor até ao sistema de infoentretenimento. Muitos fabricantes estão a planear eliminar a bateria de baixa tensão utilizada para alimentar os circuitos auxiliares e, em vez disso, utilizar a bateria de transmissão de alta tensão para alimentar também os equipamentos internos. Isto exige não só conversores CC/CC otimizados para a máxima redução do consumo de energia, mas também sistemas de gestão de baterias capazes de lidar com uma topologia de energia complexa. A gama de circuitos integrados de gestão e suporte de baterias da NXP, como o MC33771C, foi concebida para satisfazer uma vasta gama de requisitos. Estes dispositivos suportam a comunicação em cadeia isolada para transmitir informação a um microcontrolador central e podem medir a corrente de forma síncrona nos diversos conjuntos de baterias.
Por outro lado, e para suportar a crescente utilização de sensores da Internet das Coisas (IoT), a recolha de energia está a tornar-se um método importante para complementar a energia disponível para dispositivos portáteis e alimentados por bateria. A recolha de energia permite que os sensores de segurança e outros dispositivos de baixo consumo de energia operem durante muitos anos sem necessidade de substituição da bateria ou ligação à rede elétrica.
Uma configuração comum consiste em combinar uma bateria descartável, como uma bateria de lítio tipo moeda, com um dispositivo recarregável, seja um supercondensador ou uma pequena bateria de iões de lítio. As tecnologias de captação de energia nem sempre fornecem a carga de forma eficiente, e as fontes operam frequentemente com uma impedância elevada. Portanto, é necessário um projeto cuidadoso do circuito para minimizar as perdas. O MAX20361 da Maxim oferece aos designers uma solução integrada capaz de aproveitar a energia das células solares e fornecer uma carga útil para os circuitos subsequentes. O conversor boost integrado pode operar com tensões de entrada tão baixas como 225 mV.
a integração
nos sistemas. O apoio ao projeto oferecido por engenheiros experientes de distribuidores como a Farnell garante que as equipas recebem as melhores orientações sobre quais os dispositivos a utilizar para cada aplicação.
Autor: Cliff Ortmeyer, Diretor Global de Marketing Técnico da Farnell
