El uso de la tecnología PassThru ayuda a extender la vida útil de los sistemas de almacenamiento de energía

Métodos para ampliar la vida útil de la batería y mejorar el rendimiento del sistema de almacenamiento de energía

Las baterías son los componentes cruciales de los sistemas de almacenamiento de energía. Extender la vida útil de las baterías significa un rendimiento más fuerte del sistema, mayor tiempo de operación y costos más bajos. Normalmente, hay tres maneras de prolongar la vida útil de las baterías: mejorar la tecnología de las baterías, diseñar mejores dispositivos y ofrecer sistemas innovadores de gestión de energía.

Mejorar la tecnología de baterías implica seleccionar baterías adecuadas para aplicaciones específicas y diseñar sistemas de gestión de baterías apropiados para controlar la carga, regular la temperatura y minimizar el consumo de energía. Diseñar mejores dispositivos requiere considerar componentes de hardware eficientes y firmware sólido, ambos esenciales para equilibrar la funcionalidad y los indicadores de duración. Para lograr una optimización energética inteligente, se pueden utilizar los últimos sistemas de gestión de energía. Estos sistemas emplean algoritmos basados en AI, estructuras de topología novedosas y métodos eficientes de control de convertidores, como el modo PassThru y el modo de ahorro de energía.

Además, utilizar dispositivos de almacenamiento de energía como supercapacitores junto con baterías puede beneficiar diversos escenarios de aplicación. Los supercapacitores ofrecen ventajas, incluyendo soporte para carga y descarga rápidas de ráfagas de energía a corto plazo, mayor vida útil y mayor eficiencia general del sistema. Por ejemplo, los supercapacitores son ideales para el almacenamiento rápido de energía y para proporcionar energía de respaldo. Pueden soportar condiciones extremas de temperatura. Cuando se utilizan en combinación con baterías, como en vehículos eléctricos, los supercapacitores ayudan a mejorar el rendimiento y a extender la vida útil de las baterías. Además, los supercapacitores son más respetuosos con el medio ambiente.

Una diferencia clave entre los supercondensadores y las baterías es que, con el mismo voltaje nominal, una batería de polímero de litio de 6 celdas y 0.1Ah exhibe las características de una fuente de voltaje, proporcionando un voltaje más estable durante la operación. En contraste, cuando la corriente fluye desde un supercondensador de 2F hacia la carga, el voltaje disminuye linealmente. La característica de descarga lineal de los supercondensadores requiere un sistema más eficiente para convertir su energía. En este escenario, es más adecuado utilizar una función de convertidor buck-boost, ya que este convertidor puede ajustar y regular apropiadamente la estabilidad del voltaje de salida, independientemente de si el voltaje de entrada es menor o mayor que el voltaje de salida establecido.

El modo PassThru es un medio importante para lograr la optimización de la eficiencia

La tecnología PassThru es una característica fundamental de los dispositivos de potencia de entrada amplia. En comparación con los sistemas que utilizan métodos de control convencionales (controlador estándar buck-boost), puede mejorar la eficiencia y extender la vida útil de los sistemas de almacenamiento de energía. "Pass-through" se refiere a la transmisión directa de la entrada dentro de una ventana de voltaje predefinida hacia la salida, como si ocurriera un cable cortocircuitado. La tecnología PassThru actúa como una red entre la fuente de energía (por ejemplo, supercondensador) y la carga, asegurando la regulación del voltaje dentro de rangos aceptables especificados. Proporciona un camino directo desde la fuente de energía a la carga para garantizar que el dispositivo opere de la manera más eficiente posible. El modo PassThru es un medio importante para asegurar la eficiencia optimizada de los dispositivos alimentados por supercondensadores porque reduce los ciclos de carga/descarga de los supercondensadores y mejora la EMI del dispositivo y su rendimiento general.

En un convertidor buck-boost de cuatro interruptores, el modo PassThru proporciona un camino directo desde la fuente de energía hasta la carga de salida según los ajustes de ventana especificados. La entrada se pasa directamente a la salida, eliminando las pérdidas de conmutación, mejorando así la eficiencia dentro de la ventana especificada de PassThru. Además, mejora la compatibilidad electromagnética ya que no hay frecuencia de conmutación durante el modo PassThru. El modo PassThru en los convertidores buck-boost ofrece flexibilidad al permitir diferentes voltajes de salida para la salida buck en comparación con la salida boost. Esto es contrario a los ICs buck-boost típicos que solo proporcionan un voltaje nominal de salida. Esta característica también protege la carga cuando el voltaje de entrada se comporta de manera anormal.

El control del modo PassThru mejora la eficiencia operativa del sistema

El modo PassThru es un modo de operación del LT8210, que es el único controlador IC buck-boost en el mercado con esta capacidad. Usando la placa de demostración DC2814A-A como ejemplo, esta placa de demostración emplea el LT8210 con un rango de voltaje de entrada de 4 V a 40 V, una corriente de carga completa de 3 A y un voltaje de salida de 8 V a 16 V. Al operar en modo PassThru, la eficiencia puede mejorarse hasta un 5% bajo cargas más pesadas en comparación con la operación buck-boost, y hasta un 17% bajo cargas más ligeras (como una carga de corriente del 10%). Por lo tanto, el modo PassThru logra mejoras significativas en el rendimiento bajo condiciones de operación con cargas ligeras.

Es importante señalar que, aunque el modo PassThru del LT8210 permite un voltaje de salida diferente al voltaje de salida del modo buck, todavía existe una región buck-boost cuando el voltaje de entrada está cerca del valor configurado del voltaje de salida. La razón de esta región buck-boost en el LT8210 es que existe una superposición entre las regiones de control de regulación de corriente del inductor en modo buck y boost.

Para evaluar la eficacia de la aplicación en modo PassThru, se utiliza un convertidor buck-boost de cuatro interruptores como pre-regulador para el convertidor punto de carga, que también se emplea como controlador de motor. Aunque la fuente de alimentación es un supercondensador de 24V, el motor de corriente continua requiere una tensión de entrada de 9V y una corriente de entrada de 0.3A. El convertidor buck-boost operará en modo PassThru o en el controlador convencional buck-boost de cuatro interruptores funcionando en Modo de Conducción Continua (CCM). Cabe destacar que el control convencional buck-boost no tiene modo PassThru; solo tiene operaciones de buck, boost y buck-boost.

El sistema que utiliza el modo PassThru establece su voltaje de salida boost en 12V y su voltaje de salida buck en 27V. De esta manera, el voltaje de arranque del supercondensador puede estar dentro del límite de la banda de paso. Por lo tanto, el sistema pasará por el modo PassThru desde el voltaje del supercondensador de 24V a 12V. Durante este período, la eficiencia alcanza el 99,9%. En comparación con el sistema con el método de control convencional, el modo PassThru mejora la eficiencia entre un 22% y un 27%.

Algunas de las principales razones para la mayor eficiencia de los sistemas controlados por el modo PassThru incluyen la eliminación de la operación buck, asegurando que la tensión de la batería se mantenga dentro de la banda de paso recomendada, y su diseño para operar bajo cargas ligeras, enfocándose en reducir las pérdidas de conmutación. La tecnología PassThru es un medio crítico para optimizar el rendimiento de los dispositivos alimentados por supercapacitores. En comparación con los sistemas convencionales controlados por la operación buck-boost en modo CCM (Continuous Conduction Mode), adoptar el controlador buck-boost síncrono LT8210 con modo PassThru puede mejorar significativamente la eficiencia de los dispositivos alimentados por supercapacitores.

Admite controladores DC/DC síncronos de buck-boost de 4 interruptores

ADI presentó el LT8210, un controlador DC/DC síncrono buck-boost de 4 interruptores con entrada VIN y salida VOUT de 100V con capacidad de paso directo. Opera en los modos PassThru, continuo forzado, omisión de pulsos y Burst®. En el modo PassThru, cuando el voltaje de entrada está dentro de la ventana programable por el usuario, la entrada se transmite directamente a la salida. El modo PassThru elimina las pérdidas de conmutación y EMI, mientras maximiza la eficiencia. Para los voltajes de entrada por encima o por debajo de la ventana de paso directo, el circuito de regulación buck o boost mantiene la salida en los valores máximos o mínimos establecidos, respectivamente.

El controlador GATEVCC del LT8210 está regulado a 10,6V para permitir el uso de MOSFETs de nivel estándar y puede alimentarse a través del pin EXTVCC para mejorar la eficiencia. El regulador GATEVCC cuenta con protección contra retroceso, que mantiene la regulación en caso de caídas de tensión de entrada. Al añadir un único MOSFET de canal N, se puede lograr una protección opcional contra inversión de entrada hasta -40V. El LT8210 también incluye un amplificador de detección de corriente de precisión, que permite un monitoreo y una limitación precisa de la corriente promedio de salida o entrada.

El LT8210 cuenta con modos de operación Pin-Selectable PassThru o CCM de salida fija, DCM, Burst® y una ventana PassThru no conmutada programable. Posee un consumo de 18μA en modo PassThru con una eficiencia del 99.9%, un rango de VIN desde 2.8V hasta 100V (4.5V en el arranque), rango de VOUT desde 1V hasta 100V, protección de entrada inversa hasta -40V, precisión de voltaje de salida de ±1.25% (-40°C a 125°C) y monitoreo de corriente preciso de ±3%, regulación de corriente precisa de ±5%. Soporta controladores de compuerta de MOSFET de canal N cuádruple de 10V, y el EXTVCC LDO puede ser alimentado desde VOUT/raíles de energía externos. Tiene un límite de corriente del inductor ciclo por ciclo de ±20%, sin ruido de refresco en el MOSFET superior en modos buck o boost, frecuencia fija/bloqueable por fase desde 80kHz hasta 400kHz, adecuado para modulación de frecuencia de espectro extendido de bajo EMI (SSFM). Cuenta con un monitor de sobrecorriente/salida de voltaje Power Good y está disponible en paquetes TSSOP de 38 pines y QFN de 40 pines (6mm x 6mm). El LT8210 puede ser aplicado en sistemas automotrices, industriales, de telecomunicaciones, aviónica, sistemas automotrices de arranque-parada, aplicaciones de llamadas de emergencia y aplicaciones conformes con ISO 7637, ISO 16750, MIL-1275, DO-160.

LT8210 también ofrece varios kits de evaluación, incluido el tablero de demostración DC2814A-B, que es un convertidor DC/DC síncrono buck-boost de alto voltaje y alta eficiencia con un rango de voltaje de entrada de 9V a 80V, capaz de entregar una corriente de carga máxima de 2.5A y con un rango de salida de 24V a 34V. Otro circuito de demostración, el DC2814A-C, tiene un rango de voltaje de entrada de 26V a 80V, proporcionando una corriente de carga máxima de 2A, con un rango de salida de 36V a 56V. Además, el circuito de demostración DC2814A-A tiene un rango de voltaje de entrada de 8V a 80V, que puede funcionar hasta los 3.5V después del inicio del dispositivo, ofreciendo una corriente de carga máxima de 3A y con un rango de salida de 8V a 16V.

Estas placas de demostración incorporan el controlador LT8210EUJ, utilizando una arquitectura de modo de corriente de frecuencia constante que permite una frecuencia de bloqueo de fase de hasta 400kHz, mientras que los bucles opcionales de retroalimentación de corriente de entrada o salida ofrecen soporte para la carga de baterías y otras aplicaciones. Además, ADI ofrece LTspice®, un software de simulación potente y eficiente gratuito, captura de esquemas y visor de formas de onda, mejorando las capacidades y modelos para optimizar la simulación de circuitos analógicos.

Conclusión

El LT8210, un controlador DC/DC síncrono de 4 interruptores tipo buck-boost introducido por ADI, opera en modos PassThru, continuo forzado, salto de pulsos y Burst®, optimizando significativamente la eficiencia de dispositivos alimentados por supercapacitores. Este controlador DC/DC tipo buck-boost, que admite tecnología PassThru, mejorará la eficiencia de las baterías y prolongará la vida útil de los sistemas de almacenamiento de energía, convirtiéndolo en un compañero ideal para aplicaciones como sistemas electrónicos automotrices, industriales, de telecomunicaciones y aeroespaciales.