Cómo agregar una celda de litio a un producto

El prototipo funcionaba con una fuente de banco. Ahora el producto tiene que funcionar con una sola celda de litio, cargarse por USB y sobrevivir a que lo dejen en un auto caliente, en una camioneta fría y en el cajón de un cliente durante un año. La respuesta típica de los foros es un módulo cargador y una celda de un listado de un marketplace. Eso sirve para que una demo funcione. No sirve para pasar los trámites de envío, una revisión de seguridad ni un periodo de garantía.

Diseñar bien la batería no es difícil, pero son cuatro trabajos distintos que la gente suele juntar en uno solo. Esta nota los recorre, explica qué pedirle al proveedor de la celda y qué probar antes de que salga la primera unidad.

Cuatro trabajos, no un solo chip

Un producto con litio necesita carga, protección, gestión de la ruta de alimentación y reporte del estado de carga. Algunos componentes combinan dos o tres de estas funciones, pero cada una tiene que estar cubierta en algún lugar.

Carga. Un cargador de una sola celda trabaja a corriente constante, luego a voltaje constante, y termina cuando la corriente baja a una fracción definida. También debería precondicionar a corriente reducida una celda muy descargada antes de la carga rápida. Los cargadores lineales pequeños de Microchip y Texas Instruments hacen esto en un encapsulado de cinco o seis pines, con una resistencia que fija la corriente. Lo que los diferencia es lo que hacen además de eso.

Protección. El cargador regula en condiciones normales. La protección es lo que actúa cuando algo más falla: una carga en cortocircuito, una falla del cargador que lleva la celda a sobrevoltaje, o un error de firmware que descarga la celda hasta dejarla en cero. Un protector como la familia BQ2970 de TI vigila «detección de sobrecarga (OVP), detección de sobredescarga (UVP), detección de sobrecorriente de carga (OCC), detección de sobrecorriente de descarga (OCD), detección de cortocircuito de la carga (SCP)» y maneja FETs externos de carga y descarga para abrir la celda. La mayoría de las celdas tipo pouch que se venden para productos ya traen una pequeña placa de protección de este tipo bajo la cinta de las lengüetas. Considérala la última línea de defensa, no la única. Desconecta en límites elegidos para evitar un incendio, no para conservar capacidad.

Ruta de alimentación. Con un cargador simple, la carga del sistema queda en paralelo con la celda. El cargador interpreta la corriente de la carga como corriente de carga, termina tarde o nunca, y una celda descargada significa que el producto no puede arrancar ni siquiera conectado. Los cargadores con ruta de alimentación (power path) separan ambas cosas. TI describe el BQ24075 como un dispositivo con «gestión dinámica de la ruta de alimentación (DPPM) que alimenta el sistema mientras carga la batería de forma simultánea e independiente», y señala que la salida regulada del sistema «permite el encendido instantáneo del sistema al conectarlo, incluso con una batería totalmente descargada» (BQ24075). Si el producto debe funcionar mientras se carga, o debe dar señales de vida con una celda vacía, esta es la característica por la que vale la pena pagar con área de placa.

Medición de carga. Una lectura de voltaje es un mal medidor de carga para la química del litio, porque la curva de descarga es plana en la parte central y cambia con la carga y la temperatura. Un medidor dedicado, como el BQ27421 de TI, necesita «conexiones solo a PACK+ (P+) y PACK– (P–)» y reporta «capacidad restante de la batería (mAh), estado de carga (%) y voltaje de la batería (mV)» por I2C, ajustándose por envejecimiento y temperatura (BQ27421-G1). Si el producto solo necesita una advertencia de batería baja, puede bastar un umbral de voltaje en el firmware. Si muestra un porcentaje al usuario, un medidor te ahorra una cola de soporte.

Cómo elegir el cargador

La decisión suele reducirse a tres preguntas.

Pregunta	Si no	Si sí
¿Debe funcionar mientras se carga, o arrancar con una celda vacía?	Cargador lineal simple	Cargador con ruta de alimentación
¿Se cargará fuera de la temperatura ambiente?	Resistencia fija en lugar del termistor	Cargador con entrada NTC y un perfil tipo JEITA
¿Cambiarán la química o la capacidad de la celda durante la vida del producto?	Programado por resistencia	Cargador programado por I2C

La pregunta de la temperatura es la que más se omite. Las celdas de litio no deben cargarse rápido cuando están frías o calientes. La hoja de datos de la celda indica la ventana de temperatura permitida para la carga, y es más angosta que la de descarga. Los cargadores con entrada de termistor suspenden o reducen la carga fuera de esa ventana. El BQ25180 de TI, por ejemplo, incluye «umbrales configurables del perfil de carga NTC, con soporte de JEITA» junto con un modo de envío (ship mode) medido en microamperes para productos que esperan en inventario (BQ25180). El termistor solo ayuda si está acoplado térmicamente a la celda. Un NTC de 10k en la PCB lee la placa, no la celda. Pide una celda con un cable de termistor integrado, o monta uno contra el pouch en el diseño mecánico.

El modo de envío merece una frase aparte. Un producto fabricado, probado y empacado pasará semanas o meses antes de que alguien presione el botón. Un cargador o protector que pueda desconectar la celda del sistema hasta que despierte evita que la celda se autodescargue por la corriente en reposo de cada riel de la placa. Sin eso, un producto puede llegar con la celda por debajo del corte de bajo voltaje del protector, y muchos cargadores se niegan a recuperarla.

La celda es una parte comprada con documentación

Los ingenieros que jamás diseñarían con un regulador sin documentación diseñan con una celda de un listado que trae un número de capacidad y una foto. La celda necesita el mismo trato que cualquier otro componente.

Consigue la hoja de datos. Debe indicar el voltaje de carga nominal y máximo, la corriente de carga estándar y máxima, el voltaje de corte, los rangos de temperatura de carga y descarga, y la vida útil en ciclos hasta una capacidad definida. Si el voltaje de regulación del cargador no coincide con el máximo especificado de la celda, uno de los dos está mal. Algunas celdas de alta energía tienen un máximo superior al común; algunas celdas de larga vida o de alta temperatura tienen uno inferior. El cargador debe ajustarse a la celda, no al revés.

Pide la especificación del circuito de protección. Si la celda viene con una placa de protección, pregunta qué límites usa. Una celda cuyo protector abre con una corriente de descarga menor que el pico de consumo de tu producto se caerá bajo carga, y parecerá una falla del firmware.

Pide el resumen de pruebas UN 38.3. Las celdas y baterías de litio deben pasar una serie definida de pruebas de transporte antes de poder enviarse, y desde 2020 el fabricante o proveedor debe poner un resumen de pruebas a disposición a lo largo de la cadena de suministro. La agencia de materiales peligrosos del Departamento de Transporte de EE. UU. describe el requisito y lo que debe contener el resumen (PHMSA, resúmenes de pruebas de baterías de litio). Un proveedor que no puede presentarlo es un proveedor cuyas celdas se quedarán atoradas con un transportista.

Pregunta por la norma de seguridad. IEC 62133-2 «especifica los requisitos y las pruebas para la operación segura de celdas y baterías secundarias de litio selladas portátiles, con electrolito no ácido, bajo uso previsto y mal uso razonablemente previsible» (IEC 62133-2). Si el producto terminado debe probarse contra ella, o contra una norma regional relacionada, depende del mercado y de la categoría del producto. Empezar con una celda que ya tiene un informe elimina la parte más grande de ese trabajo.

Especifica la interfaz mecánica. Lengüetas, cables precrimpados con un conector específico o un pouch desnudo implican cada uno un paso de ensamblaje distinto. Un conector que se puede conectar al revés se va a conectar al revés. Elige uno con llave.

La parte del firmware

La placa puede estar bien y aun así el producto falla en campo porque el firmware trató la batería como un riel fijo.

• Lee el medidor, no adivines. Si hay un medidor, configúralo con la capacidad de diseño y el perfil de química de la celda, y lee el estado de carga de él. Si no, usa la curva de descarga de la hoja de datos de la celda a la carga real del producto, no una tabla de circuito abierto.
• Apaga antes de que lo haga el protector. El firmware debería guardar el estado y entrar en reposo a un voltaje por encima del disparo de bajo voltaje del protector. Dejar que el protector abra la celda es una pérdida de energía no controlada, y todo lo que hemos escrito sobre la recuperación de actualizaciones de firmware aplica en ese momento.
• Atiende los pines de estado del cargador. Los cargadores exponen los estados de cargando, terminado y falla. Una falla ignorada en silencio se convierte en un cliente que dice que el producto «a veces no carga».
• Respeta también la ventana de temperatura en software. Si el cargador no tiene entrada NTC, el firmware con un sensor de temperatura debería poder deshabilitar la carga mediante el pin de habilitación del cargador.

Qué probar antes de enviar

Estas son las pruebas que detectan problemas que una demo funcional esconde.

1. Carga desde vacío. Descarga una celda hasta el corte del protector y luego conéctala. Confirma que el producto arranca, que el cargador precondiciona y que el medidor se recupera.
2. Carga en los extremos de temperatura. Pon la unidad en una cámara o en un gabinete tibio en los bordes de la ventana de carga de la celda y confirma que el cargador suspende y reanuda. Aquí es donde un termistor montado en la placa muestra su error.
3. Consumo máximo mientras se carga. Consume la corriente pico del producto con el cargador conectado y confirma que el riel del sistema se mantiene y que el cargador termina correctamente después.
4. Prueba de almacenamiento. Carga por completo, deja la unidad en modo de envío o apagada y mide el voltaje de la celda después de un intervalo definido. Compáralo con la especificación de autodescarga de la celda y el consumo en reposo de la placa.
5. Pon la salida en cortocircuito. Con la celda instalada, pon en cortocircuito el riel del sistema con un cable con capacidad de fusible y confirma que el protector dispara y se recupera. Hazlo detrás de un escudo.
6. Registra cada ciclo de carga en las primeras unidades en campo, con la temperatura. Los números de vida en ciclos de la hoja de datos de la celda se midieron a una temperatura y una tasa, y las tuyas son distintas.

Integrar una celda de litio en un diseño existente es un trabajo de ingeniería acotado: un bloque en el esquemático, una decisión mecánica sobre dónde van la celda y su termistor, una capa de firmware y una conversación con el proveedor. Tomamos como punto de partida la hoja de datos de la celda, el perfil de carga del producto y los mercados previstos, y devolvemos un diseño con los cuatro trabajos anteriores cubiertos y una lista de pruebas para demostrarlo.