Calentamiento de una batería de iones de litio para uso en temperaturas bajo cero

Tengo un diseño en el que estoy trabajando para estar al aire libre todo el año, con un panel solar de 1 vatio cargando una batería de iones de litio de 6 Ah durante el día.

Espero que haya alrededor de 3 a 4 meses de temperaturas bajo cero durante el invierno dado el clima local.

Entiendo que cargar las baterías de polímero de litio cuando están a temperaturas bajo cero es una mala idea, ya que provocará un revestimiento de litio, lo que comprometerá el rendimiento futuro de la batería.

Entonces, cuando la batería está demasiado fría para cargarla (por debajo del punto de congelación), mi controlador de carga (MCP73871) deja de cargar la batería automáticamente.

En tal caso, me gustaría poder tomar la energía solar que no se está usando y enviarla a un alambre de nicromo que envolveré alrededor de la batería. Estoy pensando que algún tipo de configuración como esta funcionaría... ¿alguna idea?

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Descubrí que cualquier cosa especial que quiera hacer con la carga de la batería y las condiciones me justifica un µc porque agrega flexibilidad y sé que en unos meses tendré una nueva idea de qué agregar a tal cosa.
Como mencionó PlasmaHH, probablemente quieras controlar esto con una MCU. Probablemente tenga uno, y si tiene un pin de repuesto compatible con ADC allí, siga adelante y controle la temperatura de esa manera. Una cosa que haría es agregar algo de histéresis alrededor del punto de "congelación". El circuito tal como está puede tener la tendencia a oscilar a su alrededor encendiendo y apagando rápidamente la calefacción.
Tuve la tentación de usar mi MCU para controlar el mosfet, sin embargo, el 99% del tiempo la MCU estará "dormida". La única forma de activar la MCU es a través de una interrupción digital, o hacer que se despierte y sondee las condiciones de vez en cuando. Esto significa que todavía necesitaría algún tipo de ADC externo para disparar una interrupción para despertar la mcu, a menos que quisiera que la MCU se activara de vez en cuando y sondeara el circuito de calefacción. Estoy cansado de dejar encendido el circuito de calefacción mientras la MCU está dormida, y soy reticente a usar energía innecesaria en la MCU, cuando es escasa para empezar.
Piénselo: activar la MCU durante unos pocos µs cada segundo no desperdiciará ninguna potencia significativa. Y siempre puede aumentar el intervalo si el poder es realmente tan escaso.
El termistor necesita un pullup: use un termistor R alto. | El potenciómetro debe ser grande para I / Gate pulldown pequeño puede ser MUCHO más grande y no es necesario en absoluto con opamp "ordinario". || Lo mejor de todo: ¡mira el uso de la batería LiFePO4! | El uso térmico del sol puede ser más de 3 veces más efectivo si puede abrir/cerrar un camino térmico con un uso mínimo de energía.
También agregar mucho aislamiento y colocar cada circuito adentro podría ser suficiente para mantener la cosa lo suficientemente caliente.
@Russel McMahon: No creo que mi termistor necesite una resistencia pullup en este caso. Está polarizado con una fuente de corriente constante de 50 uA (del IC de carga de la batería de iones de litio).
@Russel McMahon: Tampoco creo que pueda cargar las baterías LiFePO4 por debajo del punto de congelación... no estoy seguro de qué ventaja cree que tendrían, además de un mejor rendimiento de descarga a bajas temperaturas.
Relacionado y de cierta relevancia || La temperatura de carga mínima indicada por LiFePO4 varía según el fabricante. Algunas especificaciones 0C como mínimo, mientras que otras dicen hasta -20C.
Esta es una referencia útil: la página de batería Una computadora portátil por niño : OLPC es competente y cuidadosa técnicamente. Aquí dicen que los rangos de carga de LiFePO4 son de 0 a +60 para Goldpeak y de -10 a +60 para BYD. Estas dos empresas se encuentran entre los pocos principales fabricantes de baterías chinos. [Me dijeron que Donald Trump poseía el 30% de BYD en un momento pero, la verdad es que no, son un fabricante de baterías grande y competente].
4+ años después: 1> ¿Lo hiciste? Si es así, ¿cómo funciona? 2. Mi nueva respuesta aquí puede ser de interés. electronics.stackexchange.com/a/467545/3288
Desgraciadamente, no terminé haciendo el proyecto después de todo. Todavía tengo curiosidad por ver si funcionaría, así que si alguien lo prueba, ¡hágamelo saber!

Respuestas (2)

No es una mala idea. No estoy de acuerdo con los otros comentarios sobre el uso de la MCU para controlar esto. ¿Por qué desperdiciar la corriente de reposo? Los breves despertares periódicos tienen un efecto real a lo largo del tiempo. Simplemente agregue algo de histéresis al comparador para que no oscile. Podría considerar tener la salida del comparador conectada a un pin de interrupción en la MCU si es necesario.

Además, probablemente sea solo un error de dibujo, pero noté que su FET está al revés. Debe darle la vuelta para que la fuente vaya a tierra.

editar: error tipográfico

Está huyendo de la energía solar, un pájaro que hace caca en las células solares tiene un efecto mucho mayor...
No digo que las activaciones de MCU sean un gran consumo de corriente, solo que un circuito comparador adecuado consumirá menos corriente en promedio. Trabajo en la industria de la electrónica automotriz y los requisitos actuales de reposo son muy estrictos, por lo que ponemos mucho esfuerzo en cosas como esta. En general, es mejor tener circuitos discretos de muy bajo consumo en reposo que tener que activar su micro periódicamente. Por supuesto, depende del tiempo entre despertares y muchas otras variables. Solo mis dos centavos.
Todos los demás efectos dominan en el consumo actual. En el invierno calienta un cable, la energía total ahorrada probablemente prolongaría el período de calentamiento en el orden de microsegundos. En el verano hay más que suficiente luz solar para compensar. Probablemente ya tenga un µc. La eficiencia no siempre es un mínimo absoluto en el consumo de corriente, también puede ser la reducción de piezas, los puntos de falla y el tiempo de diseño.
El hecho de que haga calor no significa que el sol esté brillando. Todavía hay valor en la reducción del consumo de reposo. Estoy de acuerdo en que también tiene valor reducir la lista de materiales. Se trata de probabilidades comerciales y lo que es mejor para la aplicación.
Permítanme decirlo de otra manera: si el ahorro de energía de un comparador marca la diferencia entre que la cosa funcione las 24 horas del día, los 7 días de la semana y finalmente falle en el verano, entonces debería verificar cada hora si hay excremento de pájaro.
Excepto que puede diseñar este circuito para tener en cuenta la corriente de reposo, pero no puede diseñarlo para tener en cuenta la caca de pájaro. El hecho es que ambos hemos propuesto métodos para lograr el objetivo aquí y ambos tienen ventajas y desventajas. OP puede decidir por sí mismo qué método se adapta mejor a sus necesidades. :)

Gracias a los que intervinieron.

Para mí, en última instancia, todo se reduce a guardar un par de pines en la MCU.

Llevé al máximo el uso de mis pines de E/S, aunque todavía tengo un ADC y un pin DAC que podría usar, pero prefiero guardarlos.

Para lograr la histéresis, planeo usar una configuración de amplificador operacional de inversión doble, con el amplificador operacional sirviendo al termistor configurado como un disparador Schmitt. Las salidas de los dos amplificadores operacionales se alimentan a una puerta NOR de doble entrada. La salida de la puerta NOR impulsa la base del MOSFET de canal N. Aquí está mi plan:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Esto debería crear la siguiente tabla de verdad:

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Calentamiento de una batería de iones de litio para uso en temperaturas bajo cero
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