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Cargador Ciclador de baterias

Algo sobre las baterias NiCD y NiMH Una batería se compone de un conjunto de elementos individuales (o celdas) conectados en serie, cada uno de los cuales tiene un voltaje nominal, en estado cargado, de 1.2 V. En el mercado se comercializan elementos con capacidades entre 50 mAh y 3300 mAh. Una batería de 1000 mAh es capaz de entregar una corriente de 1000 mA (1A) durante una hora, ó 10 A durante 1/10 de hora, etc; este valor que trae impreso es el "C" al cual hacemos referencia mas adelante. Las baterías recargables son capaces de liberar una corriente muy elevada, pues la corriente máxima está limitada por su resistencia interna.

Las baterías de NiMH, de mayor capacidad que las de NiCd (un 70% más) tienen en cambio una resistencia interna algo superior a las de NiCd. En una batería de elementos en serie, la resistencia interna por elemento se multiplica por el número de estos. Cuando se cierra el circuito eléctrico a través una carga, la resistencia de la batería produce una caída de tensión debido a su resistencia interna: el voltaje suministrado es inferior al que se mide en circuito abierto. Esto significa que parte de la energía de la batería se consume y disipa en el interior de la batería en forma de calor.

Cargadores de baterias

Una batería de 7 elementos recién cargada suministra, en vacío, un voltaje de casi 10 V; cuando se cierra el circuito a través de una carga (motor) con una corriente de, digamos, 1.5 A, el voltaje por elemento cae a 1.2 V, dando un total de 8.4 V para la batería. Los restantes 1.6V x 1.5 A= 2.4 w se disipan en forma de calor. El calor es el gran enemigo de los elementos de NiCd y aún más de las de NiMH. Si se carga una batería con una corriente elevada y una vez alcanzada la carga máxima se sigue suministrando corriente, ésta se disipará en el interior de la batería en forma de calor, pudiendo deteriorarla o incluso destruirla. Memoria y ciclado de baterías

El llamado "efecto de memoria" en las baterías de NiCd (que no existe en las de NiMH) es aún motivo de controversia. Mientras que la experiencia de mucha gente asegura que la descarga parcial de una batería de NiCd, seguida de una carga y otra descarga parcial etc. va reduciendo poco a poco la capacidad de la batería, hay detractores que aseguran que el efecto de memoria es ficticio, y sólo se da si la descarga parcial sucede en todas las ocasiones hasta el mismo punto, lo que es muy improbable que ocurra en la realidad.

El supuesto efecto de memoria se puede suprimir mediante el ciclado de las baterías, descargándolas CASI por completo y volviéndolas a cargar en su totalidad varias veces. Lo que está totalmente demostrado es que las baterías recién adquiridas son "perezosas" y no adquieren su máxima capacidad ni entregan su máxima corriente hasta que se las ha ciclado algunas veces.

Este efecto también se observa en baterías que se han cargado con una corriente no muy elevada pero durante un largo tiempo (días o semanas): esto produce el crecimiento de cristales en el electrolito y reduce drásticamente la capacidad de carga, pero se puede solucionar ciclando las baterías algunas veces. Otra certeza es que NUNCA SE DEBE DESCARGAR COMPLETAMENTE una batería, bajo riesgo de producir la llamada "inversión de polaridad": una batería nunca está compuesta de n elementos exactamente iguales, en capacidad y prestaciones, por lo que, en una descarga total, inevitablemente se descargará antes el elemento más débil, y al seguir circulando corriente impulsada por los elementos más fuertes, se producirá la carga parcial del elemento débil con polaridad contraria.

Esto es nefasto para la vida útil de ese elemento, pues en su interior se crean dendritas metálicas que pueden llegar a cortocircuitar los dos electrodos, destruyendo la celda. Baterías de NiCd frente a NiMH Como ventajas fundamentales, las baterías de NiMH tienen una mayor densidad de carga (capacidad/peso superior, aprox. 40%-70% más capacidad); no contienen Cd (tóxico) y aparentemente no tienen efectos de pérdida de capacidad por mal uso, o de formación de dendritas. Como inconvenientes, tienen una resistencia interna superior que limita su uso en aplicaciones de alta potencia.

Es cierto que han aparecido nuevos tipos en el mercado (Sanyo RC 3000 HV, RC330 HV) que prácticamente igualan en capacidad de descarga a las celdas del mismo tamaño de NiCd, RC2400. Otro inconveniente es que no admiten una carga tan rápida como las de NiCd, bajo riesgo de deteriorarlas. Es buena medida no cargarlas a regímenes superiores a C: una celda RC3000 HV se podrá cargar sin problemas a 3 A. Aún más que en el caso de NiCd, los elementos de NiMH son sensible al calor: un sobrecalentamiento puede producir gases internos y sobrepresiones que dan lugar a escapes de electrolito y pérdidas de estanqueidad, reduciendo la vida útil de las celdas.

El estado de carga total es también más difícil de detectar en las NiMH, por lo que se recomienda el uso de cargadores que especifiquen su aptitud para cargar baterías de NiMH, evitando así sobrecalentamientos indeseados. Porque un cargador inteligente? Un cargador inteligente es llamado asi porque tiene el control total del estado de la bateria a cargar. El mismo es programado para ejecutar controles sobre la tension, corriente y temperatura del pack de pilas conectado, haciendo que la seguridad sea el factor mas importante a cumplir. Cuando una bateria es cargada, hay muchos factores que intervienen, desde los materiales de su fabricacion hasta la temperatura ambiente. Cada uno de estos factores deberian ser tenidos en cuenta como para que el cargador realize de la mejor manera la carga y corte de carga.

El principal problema que tiene un cargador no inteligente es que la parte "inteligente" la provee el operador, es decir, nosotros. Es la persona que pone a cargar las baterias la que controla el tiempo que estan bajo carga, la temperatura, y con suerte otro parametro como la tension y/o la corriente. Esto es muy peligroso porque cualquier olvido, omision o cualquier otro factor que nos haga distraer del control puede provocar desde simplemente perder las baterias hasta un incendio. Por otro lado, un cargador inteligente tiene la gran desventaja del precio, ya que es mucho mas caro en relacion a uno hecho con 3 transistores o un solo CI dedicado. En lo que a mi respecta, el valor queda cubierto por la vida util de los primeros packs que tengamos.

 

Recomendaciones para un cargador inteligente

Como he encontrado tanta informacion al respecto, y se dice tanto sobre los cargadores en internet, podemos llegar a decir que estos son los requisitos que deberia tener un cargador inteligente:

  1. Que detecte cuando la pila o bateria esta conectada
  2. Que permita seleccionar el tipo de carga, cantidad de elementos
  3. Que detecte el estado de las baterias recien conectadas mediante un analisis de tension y corriente, cortocircuitos, altas tensiones, etc.
  4. Que al principio deje 5 min de lectura para esperar que se estabilice la tension. Esto es por si la bateria se acaba de descargar y pensamos recargarla al instante o viene de un ciclo del ciclador.
  5. Tener un control total de la tension, corriente y temperatura de los elementos para producir un corte
  6. Que cargue a 0.3C mientras que la tension no alcance los 0.8V/elem. Esto es para prevenir una carga elevada cuando la bateria esta muy descargada.
  7. Cuando este cargando a regimen, debe parar por:
    1. Exeso de temperatura dT/dt
    2. Variacion de tension -dV/dt (pico de tension en la curva de carga)
    3. Tension Maxima
    4. Tiempo maximo
  8. Detectar y declarar temperatura maxima cuando la temperatura alcanza un valor critico o cuando el incremento de temperatura es mucho para un tiempo dado.
  9. Detectar un pico en la tension de la bateria durante la carga (-dV/dt), pero esto debe ser medido solo despues de 30min de carga porque pueden producirse falsos picos al principio de la carga.
  10. Que produzca el corte cuando la tension de la bateria llegue a 1,78v por elemento.
  11. Que produzca el corte cuando se llegue a un tiempo maximo de carga, en funcion de la cantidad de elementos, el regimen de carga.
  12. Que despues de detectar un corte, deje la bateria en carga por goteo (0.1C) midiendo que la temperatura nunca supere los 35º

Muchas de estas recomendaciones son las que da Maxim, respecto del uso de microcontroladores en cargadores de baterias. 

Ciclador de baterias

Como segunda parte, despues de que se produjo la carga de los elementos de la bateria; si estos no van a ser usados en un periodo de tiempo razonable, se recomienda ciclarlos antes de almacenarlos unos meses. Tambien deberia aplicarse el proceso de ciclado despues que la bateria a estado un tiempo sin uso ya que de esta manera es como mejor se "rejuvenece"  y permite la mejor autonomia y vida util.

Un ciclador no es otra cosa que un circuito de descarga asociado al cargador de baterias, lo que hace es descargar el pack y despues avisar que se ha descargado para que el cargador vuelva a cargarlo nuevamente. Si este circuito de descarga tiene tambien un circuito de control como el del cargador, tenemos la mejor combinacion, un cargador/ciclador inteligente!.

Recomendaciones para un ciclador inteligente

Si bien no encontre mucha informacion al respecto, el ciclador por logica deberia:

  1. Permitir seleccionar el regimen de descarga, como maximo a 1C
  2. Tener el control sobre la corriente de descarga y la tension de la bateria.
  3. Nunca descargar la bateria por debajo de 0.8V por elemento
  4. Parar la descarga si la bateria alcanza una temperatura mayor a 35º

Bibliografia

 

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