Un aumento en la duración de la batería puede conducir a muchas cosas, lo que incluye un mayor rendimiento del sistema, un mejor tiempo de funcionamiento y menores costos. Una de las maneras de aumentar la duración de la batería es optimizando el diseño del circuito para limitar la cantidad de dispositivos por los que debe fluir la energía antes de llegar a una carga. En este artículo, aprenda cómo la tecnología PassThru™ puede ayudar a agregar longevidad y eficiencia a la vida útil de un sistema de almacenamiento de energía.
Introducción
Prolongar la vida útil de las baterías significa aumentar el rendimiento del sistema, aumentar el tiempo de funcionamiento y reducir los costos. Normalmente, tres de las maneras de hacerlo son mejorar la tecnología de las baterías, diseñar mejores dispositivos e innovar en sistemas de gestión de potencia. Mejorar la tecnología de baterías incluye escoger la batería adecuada para la aplicación específica y diseñar el sistema de administración de baterías adecuado para controlar la carga, regular la temperatura y minimizar las pérdidas. Diseñar mejores dispositivos implica la consideración de componentes de hardware eficientes y un firmware robusto, los cuales son necesarios para ofrecer un equilibrio óptimo entre funcionalidad y longevidad. Para optimizar de manera inteligente el consumo de energía, se pueden aprovechar los sistemas de administración de potencia más recientes que emplean algoritmos basados en IA, topologías más nuevas y métodos de control de convertidores eficientes, como el modo PassThru y el modo de ahorro de energía.
Compresión de los supercapacitores
El uso de dispositivos de almacenamiento de energía, como supercapacitores, junto con baterías, puede beneficiar a diferentes casos de uso. Entre las ventajas se encuentran carga y descarga rápidas para ráfagas cortas de energía, una vida útil prolongada y una mayor eficiencia general del sistema. Por ejemplo, los supercapacitores son excelentes para almacenar energía de manera rápida y proporcionar energía de respaldo. Pueden soportar temperaturas y condiciones extremas. Cuando se combinan con baterías, como en los automóviles eléctricos, los supercapacitores ayudan a mejorar el rendimiento y aumentar la duración de la batería. Además, los supercapacitores son mejores para el medio ambiente.
Figura 1. Comparación de las características de descarga típicas de un supercapacitor de 24 V y una batería de polímero de litio con una carga de 0,5 A.
La Figura 1 muestra en qué se diferencia un supercacacitor de una batería. Con la misma tensión nominal, la batería de polímero de litio de 6 celdas y 0,1 Ah exhibe las características de una fuente de tensión, ya que proporciona una tensión más estable durante todo su funcionamiento. En contraste, la tensión cae linealmente a medida que la corriente fluye desde un supercapacitor de 2 faradios hacia la carga. Y esta descarga lineal característica de los supercapacitores requiere sistemas más eficientes para convertir su energía. Aquí es cuando se utiliza con mayor preferencia la funcionalidad del convertidor buck-boost, ya que puede regular adecuadamente la tensión de salida, ya sea que la tensión de entrada sea inferior o superior al ajuste de tensión de salida.
¿Qué es el modo PassThru?
La tecnología PassThru es una característica esencial para dispositivos con alimentación de entrada amplia. Permite mejorar la eficiencia y extiende la vida útil de los sistemas de almacenamiento de energía en comparación con los sistemas que utilizan control convencional (controlador buck-boost estándar). El traspaso ocurre cuando, en una ventana de tensión predefinida, la entrada pasa directamente a la salida, como si actuara como un cable en cortocircuito. La tecnología PassThru actúa como una red entre la fuente de alimentación, como un supercapacitor, y la carga, lo que garantiza la regulación de la tensión en un rango aceptable específico. Garantiza que el dispositivo funcione de la manera más eficiente posible al proporcionar una ruta directa desde la fuente de alimentación hasta la carga. El modo PassThru es una parte importante para garantizar una eficiencia óptima en cualquier dispositivo alimentado por un supercapacitor, ya que reduce los ciclos de carga y descarga del supercapacitor, además de mejorar el patrón de EMI y el rendimiento general del dispositivo.
Cómo el modo PassThru prolonga la vida útil de un sistema de almacenamiento de energía
El modo PassThru en convertidores buck-boost de 4 conmutadores proporciona una ruta directa desde la fuente de alimentación hasta la carga de salida, de acuerdo con un ajuste de ventana específico, como se muestra en la Figura 2. La entrada pasa directamente a la salida. Esto mejora la eficiencia en la ventana PassThru especificada al eliminar las pérdidas por conmutación y también mejora la compatibilidad electromagnética, ya que la frecuencia de conmutación no ocurre en el modo PassThru. El modo PassThru en un convertidor buck-boost brinda flexibilidad, ya que da la opción de establecer una tensión de salida buck diferente de la tensión de salida boost. Esto es contrario a los circuitos integrados buck-boost típicos que tienen solo una tensión de salida nominal. Esta característica también protege la carga cuando la tensión de entrada se comporta de manera anormal. La tecnología PassThru es un modo de funcionamiento del LT8210, que es el único circuito integrado con controlador buck-boost disponible en el mercado que tiene esta capacidad.
Figura 2. Diagrama de circuito del convertidor buck-boost con modo PassThru.
Para revisar el funcionamiento del modo PassThru del LT8210, se puede consultar la hoja de datos o el perfil de eficiencia de la placa de demostración. La Figura 3 muestra el perfil de eficiencia de la placa de demostración del DC2814A-A con una tensión de entrada de 4 V a 24 V y una carga del 10 % al 80 %. Al utilizar el LT8210, esta placa de demostración funciona con una tensión de entrada de 4 V a 40 V, con una corriente de carga completa de 3 A y una tensión de salida de 8 V a 16 V. Al funcionar en modo PassThru aumentará la eficiencia hasta en un 5 % en cargas más pesadas y en hasta un 17 % en cargas más livianas, como con una carga de corriente del 10 % en referencia al funcionamiento buck-boost. Por lo tanto, en condiciones de funcionamiento de carga liviana, el modo PassThru ofrece una mejora significativa.
En particular, si bien el modo PassThru del LT8210 permite configurar una tensión de salida boost diferente de la tensión de salida buck, cuando la tensión de entrada está cerca del ajuste de la tensión de salida, aparece la región buck-boost. Esta región buck-boost presente en LT8210 se debe a la intersección de las regiones de control de buck y boost con respecto a la regulación de corriente de un inductor.
Figura 3. Perfil de eficiencia del DC2814A-A.
Para comprender el efecto aplicado del modo PassThru, considere el sistema de la Figura 4. El convertidor buck-boost de 4 conmutadores se utiliza como prerregulador de un convertidor de punto de carga que también se utiliza como controlador de motor. Si bien la fuente de alimentación es un supercapacitor de 24 V, el motor de CC requiere una especificación de entrada de 9 V y 0,3 A. El convertidor buck-boost utilizará el modo PassThru o el control buck-boost convencional de 4 conmutadores que funciona en modo de conducción continua (CCM, por sus siglas en inglés). Tenga en cuenta que el control buck-boost convencional no tiene modo PassThru. Solo tiene el funcionamiento de buck, boost y buck-boost, como se observa en la Figura 3.
El sistema que utiliza el modo PassThru tiene su tensión de salida boost ajustada en 12 V, mientras que la tensión de salida buck, en 27 V. Esto permite que la tensión de arranque del supercapacitor esté dentro de los límites de la banda de paso.5 Por lo tanto, el sistema pasará al modo PassThru de la tensión del supercapacitor de 24 V a 12 V. Durante este tiempo, la eficiencia lega al 99,9 %. Tenga en cuenta que el convertidor pasará al modo buck-boost, lo que provocará una caída en la eficiencia antes de pasar al modo boost. Por otro lado, el sistema que funciona en el control buck-boost convencional se ajustó para funcionar con una tensión de salida constante de 16 V. Esto se hizo para ajustar la tensión de salida cerca del punto medio de los ajustes de los límites de la banda de paso.
Figura 4. Diagrama de bloques de motor accionado por supercapacitor.
Figura 5. Comparación de eficiencia de un sistema habilitado para PassThru con un convertidor buck-boost convencional operado por CCM.
La Figura 5 muestra una comparación de eficiencia de los dos convertidores buck-boost a medida que la tensión pasa de 4 V a 24 V a 2,7 W. El modo PassThru aumentó la eficiencia entre un 22 % y un 27 %, en comparación con el sistema controlado convencionalmente. Para validar aún más la diferencia de los dos sistemas, se probaron con la función de emulador de batería del IT6010C-80-300 de ITECH. Se usaron los siguientes ajustes para emular la respuesta del supercapacitor con un tiempo de funcionamiento de al menos 120 segundos: tensión inicial de 24 V, tensión final de 0 V, carga eléctrica de 0,005 Ah y resistencia interna de 0,01 m.Ω. La Figura 6 muestra las formas de onda de los dos sistemas. El canal 1 se refiere a la tensión del emulador de batería, el canal 2 se refiere a la tensión del motor y el canal 3 se refiere a la corriente del motor. El sistema controlado por PassThru funcionó durante 224 segundos, mientras que el sistema controlado convencionalmente solo funcionó 150 segundos. Por lo tanto, se observó un aumento de 49 % en el tiempo de funcionamiento del sistema al utilizar el modo PassThru.
Figura 6. Tiempo total de funcionamiento del motor accionado por supercapacitor.
A continuación se indican algunos de los puntos que hacen que un sistema controlado por PassThru sea más eficiente:
- El modo PassThru elimina la operación buck
- La tensión de la batería está dentro de la banda de paso
- Está diseñado para funcionar con carga liviana, con énfasis en las pérdidas por conmutación.
Conclusión
La tecnología PassThru es un componente importante para lograr un rendimiento óptimo en cualquier dispositivo alimentado por supercapacitor. La utilización del controlador buck-boost síncrono LT8210 equipado con modo PassThru puede optimizar en gran medida la eficiencia de un dispositivo alimentado por supercapacitor en comparación con un sistema controlado convencionalmente (buck-boost operado por CCM). En nuestro ejemplo, el modo PassThru permitió un 27 % más de eficiencia y aumentó el tiempo de funcionamiento total del sistema, prolongando así el tiempo de funcionamiento del sistema de almacenamiento de energía en 49 %.
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