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Cargador de batería programable para baterías de litio y plomo-ácido

La batería, como una de las soluciones de almacenamiento de energía más accesibles, ha ido ganando popularidad en los últimos años. Hoy día, las baterías no solamente se pueden emplear en dispositivos electrónicos personales, automóviles y sistemas de suministro de energía ininterrumpida (UPS), sino asimismo en vehículos eléctricos y almacenamiento de energía renovable. No obstante, las distintas características de los diferentes géneros de baterías plantean retos técnicos a fin de que los consumidores e incluso los ingenieros seleccionen baterías y cargadores. Este artículo discutirá las diferencias entre dos de los modelos de baterías más populares: la batería de plomo-ácido y la batería de litio, así como de qué manera seleccionar un cargador adecuado.

Características de las baterías de plomo-ácido y litio

Las baterías de plomo-ácido, como una de las más populares, tienen una larga historia. Algunas de las ventajas son la alta tolerancia al voltaje de carga, alta capacidad de sobre corriente, extensa temperatura de funcionamiento y bajo costo. De manera frecuente se hallan en aplicaciones móviles como automóviles y carretas elevadoras, así como en sistemas de respaldo. Los inconvenientes de las baterías de plomo-ácido son la alta tasa de auto descarga y los ciclos de carga / descarga parcialmente cortos; por consiguiente, no es conveniente para aplicaciones de almacenamiento de energía.

En contraste al plomo-ácido, la alta tasa de carga / descarga, la baja tasa de auto descarga y la alta densidad de energía de las baterías de litio las transforman en una mejor opción para almacenar energía a más largo plazo. En dependencia del metal utilizado en el cátodo de las baterías de litio, hay una variedad con diferentes rendimientos. El óxido de litio y cobalto (LCO) tiene una alta densidad de energía y es ideal para la electrónica personal.

El fosfato de litio y hierro (LiFePO4) tiene una vida útil más larga y una estabilidad térmica relativamente buena, lo que lo transforma en una mejor opción para soluciones de almacenaje de energía. La limitación de las baterías de litio es que la fuga térmica podría hacer que la batería se incendie. Por lo tanto, las baterías de litio requieren una carga / descarga más controlada.

Algoritmo de carga de batería

El voltaje nominal de una sola celda de plomo-ácido es de más o menos 1,8-dos,3V con una corriente de carga máxima recomendada de 0,3C. La mayoría de las baterías comercializadas tienen muchas celdas en serie y paralelamente para formar una batería de gran capacidad a tensiones más prácticas como 12V, 24V y 48V. Tenga presente que “12V”, “24V” o bien “48V” se emplean de manera frecuente de forma imprecisa como una indicación del rango de tensión. El voltaje real cambiaría continuamente en función de la capacidad restante. Por servirnos de un ejemplo, el voltaje de circuito abierto de una batería de plomo-ácido AGM de ‘12V’ típica está entre 10,8 V (30 por cien de capacidad de la batería) y trece con ocho V (100 por cien de capacidad).

Debido a la alta tasa de auto disipación de las baterías de plomo-ácido, de manera frecuente se recomienda un procedimiento de carga de tres etapas. Un ciclo de carga habitual comienza en la etapa de corriente incesante (“etapa 1” de la Figura 1) en la que el cargador limita su corriente de salida a su capacidad máxima y aumenta de forma lenta su tensión de salida. En el momento en que el voltaje de la batería alcanza la tensión máxima de carga, el cargador cambia a etapa de tensión incesante (“etapa 2” de la Figura 1).

El cargador empieza a producir su máximo voltaje nominal continuamente, controlando su corriente de salida. Por último, el cargador cambia a etapa de carga flotante (“etapa 3” de la Figura 1) una vez que la corriente de carga caiga bajo el diez por cien (más o menos) de la corriente nominal. En esta etapa, el cargador reduciría su tensión de salida para eludir la sobrecarga. Aunque la batería en este punto está cerca de estar completamente cargada, todavía consumiría energía constantemente del cargador para compensar su auto disipación.

curva de carga
Figura 1. Curva de carga de 3 etapas

Las baterías de litio pueden tener voltajes nominales de tres,2V a 4,4V con una corriente de carga máxima de hasta 1C. Aun la misma variante química de las baterías de litio, mas de diferentes fabricantes, podría tener diferente tensión nominal y corriente de carga. En contraste a las baterías de plomo ácido, las baterías de litio no aceptan un alto voltaje de carga y no requieren carga flotante para mantener su estado. Por tanto, las baterías de litio de manera frecuente se cargan en dos etapas (Figura dos), sin la etapa flotante.

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Figura 2. Curva de carga de 2 etapas

El desequilibrio de las celdas es una preocupación para muchas de las baterías de litio. Debido a las tolerancias de fabricación, la resistencia en serie equivalente (ESR) de las celdas de litio no se puede combinar con perfección. La diferencia entre ellas hace que las celdas del mismo banco se carguen a una tensión o bien corriente diferente. Las celdas con ESR baja siempre y en todo momento se van a cargar / descargarán absolutamente primero, por lo que esas celdas avejentarán y van a fallar más veloz.

El desequilibrio de las celdas no solo acorta la vida útil de la batería, sino también podría provocar una fuga térmica y transformarse en un peligro para la seguridad. Para resolver este inconveniente, los grandes bancos de baterías de litio siempre han de estar equipados con sistemas de administración de baterías (BMS). La función básica de BMS es monitorear el estado de carga y equilibrar las celdas de forma pasiva o bien activa.

El BMS pasivo equilibra las celdas descargando las más llenas a través de resistencias de potencia. Es robusto y relativamente simple de diseñar, mas no tan eficaz y menos efectivo. Por otra parte, el BMS activo carga las celdas individualmente a fin de que coincidan con los estados de carga. Debido a que el BMS activo tiene control de carga para cada celda, algunos bancos de baterías de litio con BMS de equilibrio activo solo requieren fuentes de nutrición de CA / CC de tensión constante como cargador.

Solución de carga de batería inteligente de MEAN WELL

Como se mentó anteriormente, las baterías de diferentes productos químicos y de diferentes fabricantes pueden tener diferentes peculiaridades. Asimismo se recomienda (obligatorio para baterías de litio) tener la curva de carga optimada para asegurar la confiabilidad, longevidad y seguridad. Los cargadores programables cd MEAN WELL, con el programador de carga inteligente SBP-001, ofrecen flexibilidad y una interfaz fácil de emplear para ajustar la curva de carga.

Como un ejemplo, usaremos la nueva serie HEP-mil y escogiendo el modelo HEP-1000-48 de tensión incesante de 48V y una potencia máxima de 1008W. Los usuarios pueden conectar la HEP-mil-48 con el programador de cargador inteligente MEAN WELL SBP-uno y habilitar el modo perfecto de cargador. La curva de carga predeterminada es de 3 etapas (Figura 3) para las habituales baterías de plomo-ácido selladas con una tensión de carga de refuerzo de 57,6V y una tensión de carga flotante de 55,2V. El voltaje y la corriente de carga se pueden ajustar de forma fácil a 36 ~ 60V y tres,5 ~ 17,5A respectivamente para otros tipos de baterías de plomo-ácido.

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Figura 3. Programa de carga inteligente (HEP-mil-48, carga de 3 etapas)

Simplemente seleccionando el modo de carga de dos etapas, las HEP-1000 asimismo se pueden utilizar para cargar baterías de litio con exactamente el mismo rango de ajuste. Para cargar una batería LiFePO4 de 20Ah con una tensión máxima de carga de 56V, las opciones “CV” y “CC”, que se muestran en la Figura 4, se pueden configurar en 56V y 17,5A para una carga más rápida. El usuario también podría reducir la corriente de carga para eludir que se produzca un aumento de temperatura y una bajada de tensión bajo para eludir la posibilidad de sobrecarga.

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Figura 4. Programa de carga inteligente (HEP-1000-48, carga de dos etapas)

Conclusiones

Como conclusión, los cargadores programables de MEAN WELL se pueden usar para adaptarse a la personalización de las curvas de carga que requieren las baterías de plomo-ácido o bien de litio. Ajustar la tensión y la corriente de carga dependiendo de la temperatura conservando la batería, optimando su capacidad y alargando su vida útil.