Cargador de baterías Microtex Neos
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Cargador de baterías - carga de una batería de plomo-ácido

Una batería puede definirse como un dispositivo electroquímico que puede convertir la energía química de sus materiales activos en energía eléctrica. Si la reacción que lleva a esa conversión de una forma de energía en otra es reversible, entonces tenemos una célula recargable o secundaria o de almacenamiento. Estas células pueden recargarse repetidamente después de cada descarga para invertir el sentido de la reacción. Para que una batería cumpla la vida útil prevista, debe recibir una carga adecuada siempre que sea necesario.

Las células con reacciones irreversibles se denominan células primarias.
Una batería de plomo-ácido está formada por electrodos positivos y negativos separados por películas aislantes llamadas separadores. Como electrolito se utiliza una solución diluida de ácido sulfúrico. El material activo positivo es el dióxido de plomo (PbO2) y el material activo negativo es el plomo.
Antes de profundizar en los detalles del cargador de baterías, es necesario comprender brevemente algunas cuestiones relacionadas con la batería.

El amperio es la unidad de la corriente (que se define como un flujo continuo de electrones). Cuando un culombio (o un amperio-segundo) pasa por un punto en un segundo, la corriente se define como 1 amperio.

Latensión puede considerarse como la fuerza que impulsa a los electrones a fluir en un conductor electrónico y la unidad es el voltio. Cuando 1 amperio-segundo tiene 1 julio de energía, decimos que tiene 1 voltio de diferencia de potencial eléctrico.

Estos dos términos pueden compararse con el depósito de agua superior de un edificio. Cuanto mayor sea la altura del depósito de agua, mayor será la fuerza con la que fluirá el agua. Del mismo modo, cuanto mayor sea el diámetro de la tubería que transporta el agua desde el depósito hasta los puntos del usuario, mayor será el volumen de agua que reciba el usuario. El agua que fluye en la tubería puede compararse con la velocidad a la que fluye el agua.

Elamperio hora (Ah) es la cantidad de electricidad, y es un producto de la corriente y el tiempo.
1 Ah = 1 A *1 hora.
Losvatios (W) son la potencia, y son el producto de la corriente y los voltios. Las unidades superiores son kW (= 1000 W).

megavatios, MW (=1000 kW) y gigavatios, GW (mil millones de W (1.000.000.000 de vatios).1 W = 1 A * 1 V= VA.

Laenergía (Wh) es la cantidad de potencia suministrada en una unidad de tiempo. Las unidades superiores son los kWh (= 1000 Wh)

megavatios-hora, MWh (= 1000 kWh) y gigavatios-hora, GWh (=(mil millones de Wh (1.000.000.000 de vatios-hora).

Las unidades de GW se utilizan para referirse a la producción de las grandes centrales eléctricas. GWh se utiliza para referirse a la capacidad de producción de las grandes industrias de baterías para vehículos eléctricos (VE) y los sistemas de almacenamiento de baterías de gran capacidad Wh = 1 W* 1 h = 1 Wh
En el lenguaje de las baterías, se puede decir que una batería posee 1200 Wh (o 1,2 kWh) si su tensión es de 12 y su capacidad en Ah es de 100.
12 V * 100 Ah = 1200 Wh o 1,2 kWh.

La potencia suministrada por unidad de masa de una batería se denomina potencia específica y la unidad es W por kg.
Potenciaespecífica= W/kg y kW/kg.
Del mismo modo, la energía suministrada por unidad de masa de una batería se denomina energía específica y la unidad es Wh por kg.
Energía específica = Wh / kg y kWh / kg. (También escrito como Wh kg-1)
Del mismo modo, la potencia suministrada por unidad de volumen de una batería se denomina densidad de potencia y la unidad es W por litro.
Densidad de potencia = W / litro y kW / litro.
La energía suministrada por unidad de volumen de una batería se denomina densidad energética y la unidad es Wh por litro.
1 W = 1 J por segundo

Densidad energética = Wh / litro y kWh / litro. (También escrito como W L-1 o W l-1)

La reacción de descarga-carga de una célula de plomo-ácido es

Pb (NP) + PbO2 (PP) + 2H2SO4 Descarga ⇔ Carga PbSO4 (PP) + PbSO4 (NP) + 2H2O (Cerca de PP)

Nota: NP = placa negativa= ánodo durante la descarga=donante de electrones durante la descarga. PP = placa positiva = cátodo durante la descarga = aceptador de electrones durante la descarga

Los papeles de los electrodos se invertirán durante una carga; el ánodo se comportará como cátodo y viceversa. El aceptor de electrones ahora liberará electrones y el donante los recibirá.

El término energía libre termodinámica es una medida del trabajo que se puede extraer de un sistema. En el caso de la célula galvánica, el trabajo eléctrico se realiza a través del movimiento de partículas cargadas debido a la interacción química entre los reactivos para producir los resultantes (productos).

Por lo tanto, la energía se da en términos de Δ
G
el cambio en la energía libre de Gibb, que representa la cantidad máxima de energía química que puede extraerse de los procesos de conversión de energía.

Si
E
es la emf (fuerza electromotriz o voltaje o potencial) de la célula y el proceso, que está teniendo lugar (es decir una descarga de una célula de plomo-ácido), se asocia a un paso de
n
Hoy en día (
F
) por mol de reactivos de un electrodo al otro, entonces el trabajo eléctrico realizado por la célula viene dado por
nFE
. El aumento correspondiente de la energía libre es igual al trabajo eléctrico realizado en el sistema. Por lo tanto,

ΔG = nFE o

ΔG = -nFE o

-ΔG° = nFE°

(en condiciones estándar; E° se refiere al potencial estándar del electrodo o a la tensión estándar de la célula).

Ecuación de Gibbs

(¿Qué se entiende por condiciones estándar?: 25°C o Celsius (298,1°K o Kelvin), 1 bar de presión, y la actividad (que puede tomarse aproximadamente como el valor de la concentración) de la especie reaccionante, Pb2+, es uno).

Esta ecuación se denomina
ecuación de Gibbs.

Laecuación de Gibbs relaciona la tensión de la célula con el cambio de energía libre (DG). Si la reacción se produce de forma espontánea (por ejemplo, una descarga de una pila de plomo), ΔG es negativa (se libera energía) y la emf es positiva, es decir, una carga de nF fluirá espontáneamente en la dirección que se supone en la reacción de la pila.

Por otro lado, si ΔG es positivo, permite que el sistema realice el fenómeno de la electrólisis (es decir, durante una carga de la célula de plomo-ácido).

CEM de una célula

La emf de la célula es una
propiedad termodinámica intensiva
es decir, independiente tanto de la masa de los reactivos como del tamaño de la célula. La propiedad intensiva (a diferencia de la
propiedad extensiva
) no depende de la masa de los reactivos y, por tanto, del tamaño de la pila. Tanto si tienes unos miligramos como unos kilogramos de los materiales, el sistema mostrará la misma tensión y no se puede aumentar aumentando la masa del material. El potencial individual del electrodo es una propiedad electroquímica inherente a ese material del electrodo, y no se puede cambiar su valor en condiciones similares.

Ejemplos de propiedad intensiva son el voltaje de los electrodos y las células; por otro lado, la
propiedad extensiva
depende de la cantidad de sustancia, por ejemplo, la masa, el volumen, la energía, el amperio hora y el vatio hora. Así, 4,5 gramos de material activo de dióxido de plomo en una célula de plomo-ácido proporcionarán teóricamente un amperio-hora (Ah), pero si tiene 45 gramos, proporcionará diez veces más Ah. Por lo tanto, se trata de una propiedad extensiva, ya que en ambos casos el potencial del electrodo será el mismo, es decir, 1,69 V. Se pueden exponer argumentos similares para los materiales activos de plomo y ácido sulfúrico.

El potencial de célula estándar (E°) está relacionado con el cambio de energía libre estándar (DG°) como se ha indicado anteriormente.

La emf de una célula de plomo-ácido se puede determinar a partir de la expresión

ΣΔGº ƒ de productos – ΣΔGº ƒ de reactivos

Donde ΔG°ƒ se refiere a la energía libre estándar de formación de la especie reaccionante.

Energía libre de formación estándar

Tabla 1

Energía libre de formación estándar, ΔG°ƒ de las especies químicas que participan en la reacción celular

(Hans Bode, Lead-Acid Batteries, John Wiley, Nueva York, 1977, Apéndice IV, p. 366.)

Reactantes/Productos Valor numérico (k cal mole-1 )
PbO2 -52.34
Pb 0
H2SO4 -177.34
PbSO4 -193.8
H2O -56.69

La reacción global se escribe como

Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O E° = 2,04 V.

ΔG° = ΣΔGº ƒ de productos – ΣΔGº ƒ de reactivos

Sustituyendo los valores respectivos de (que obtenemos de los libros de texto estándar, por ejemplo, [1. Hans Bode, Lead-Acid Batteries, John Wiley, Nueva York, 1977, Apéndice IV, p. 366].

= [2(-193.89) + 2(-56.69)] [0 (-52.34) + 2(-177.34)]

= -94,14 kcal mol

1

= -94,14 kcal mol

1 × 4,184 kJ mol

1 (para convertir las kcal en kJ multiplicar por 4,184 )

= -393,88 kJ por mol

E° = -ΔG°/nF

= (-393.88 × 1000)/2 × 96485

= 2,04 V para una célula de plomo-ácido

La tensión estándar de una célula de plomo es de 2,04 V

y la reacción global o total de una célula de plomo-ácido se escribe como

Pb + PbO2 + 2H2SO4 Descarga⇔Carga PbSO4 (PP) + PbSO4 (NP) + 2H2O (Cerca de PP)

Antes de entrar en los detalles de la carga y la descarga de una pila de plomo-ácido, debemos conocer algunos términos utilizados en Electroquímica.

Ya conocemos el significado de las condiciones estándar.

Cuando perturbamos la reacción de la célula (ya sea en el sentido de avance o en el de retroceso), decimos que la célula se encuentra en una condición perturbada y no en condiciones de equilibrio.

Siempre que un sistema electroquímico esté perturbado, habrá una diferencia con respecto al potencial estándar. Así, si una célula de plomo-ácido es forzada en la dirección de descarga, la tensión de la célula disminuye en un determinado valor, que depende de la magnitud de la corriente. Cuanto mayor sea el valor actual, mayor será la desviación del valor estándar.

Ahora la tensión de la célula será

EDisch = E° – δV.

El valor deEDisch será inferior al de E°.

Por el contrario, si la célula es forzada en la dirección inversa (es decir, en el modo de carga), la tensión de la célula aumentará en un determinado valor que, de nuevo, depende de la magnitud de la corriente.

ECh = E° + δV.

El valor de δV se llama
sobretensión o sobrepotencial
y se denota por el
símbolo η
.

El valor de δV será negativo para una reacción de descarga y positivo para una reacción de carga.

Este fenómeno de disminución o aumento de la tensión de la célula se denomina
polarización
y se dice que los electrodos están en estado de polarización.

Por lo tanto, reescribimos las ecuaciones como sigue:

EDisch = E° – η.

ECh = E° + η.

Así se ve que durante una descarga

EDisch < E° y

Durante una carga

ECh > E°.

¿Cuáles son las razones de esta desviación de la tensión?

Esta desviación puede deberse a varias causas:

  1. Pérdidas por resistencias internas (IR) (ηohmic)
  2. Polarización de activación debida a la transferencia de carga en los dos electrodos durante el inicio del proceso ηt.
  3. Polarización de la concentración debido al agotamiento del electrolito y otras especies participantes (ηc).

Las pérdidas debidas a la polarización IR pueden mitigarse utilizando colectores de corriente de electrodos y electrolitos con mejores conductividades. Un separador con una resistencia más baja también ayudará.

La polarización de activación está relacionada con la transferencia de portadores de carga a través de los límites de fase del electrodo y este proceso se designa como reacción de transferencia. La sobretensión de transferencia debida a las reacciones de transferencia de carga en los dos electrodos puede reducirse en gran medida en los electrodos de las baterías al tener una estructura porosa compatible. Esta última aumenta la superficie interna real (superficie BET, que incluye las áreas de los poros, las grietas y las fisuras) frente a la superficie aparente obtenida por la multiplicación de las dimensiones, longitud y anchura) disponible para las reacciones.

Densidad de corriente

Esto, a su vez, reduce la densidad de corriente (es decir, los amperios por centímetro cuadrado). Así, una placa con una porosidad agregada del 40 % producirá mayores pérdidas por polarización de activación que una con una porosidad del 50 %.

Polarización de la concentración (ηc) será mayor si los productos de la reacción (sulfato de plomo y moléculas de agua, en el caso de una célula de plomo-ácido) no se transfieren fuera de las superficies de los electrodos para dar paso a nuevos reactivos (por ejemplo, iones de plomo de ambos electrodos e iones de sulfato del electrolito en el caso de una célula de plomo-ácido). ηc será más pronunciada hacia el final de una reacción de descarga. Dentro de una célula, el transporte de iones se realiza por difusión y por migración.

La difusión está causada por las diferencias de concentración, mientras que la migración está causada por las fuerzas del campo eléctrico.

La difusión puede producirse en la masa del electrolito o en el separador: como los iones se generan en un electrodo y se consumen en el otro, los iones tienen que moverse entre los electrodos.

También se produce en los electrodos porosos a medida que avanza la reacción electroquímica. Los productos de la reacción pueden moverse dentro de la masa activa hasta su ubicación final por difusión.

La parte de la corriente total que transportan las especies iónicas particulares (partículas cargadas) por migración es una función de su número de transferencia. En un electrolito binario, disociado en cationes y aniones los números de transferencia están relacionados por la ecuación

ɩC + ɩA= 1,

donde ɩC + ɩA denotan el número de transporte de cationes y aniones.

Los números de transferencia dependen de la concentración de los iones y de la temperatura. En las soluciones salinas binarias son casi cercanas a 0,5. Así, ambas especies iónicas comparten por igual la conductividad iónica.

Se producen desviaciones significativas en ácidos fuertes y álcalis debido a la mayor movilidad iónica de los protones (H+) y los iones hidroxilo (OH-). A continuación se indican los valores del electrolito de la batería, el ácido sulfúrico (disociado en H+ y HSO2-4) y el hidróxido de potasio (disociado en K+ y OH-). 4

ιH+ = 0,9; ɩHSO4
2-
= 0,1; ιK+ = 0,22; ιOH-= 0,78

El número de transferencia es una medida de cuánto influye en la concentración del ion concreto la migración debida al flujo de corriente. Un valor menor indica una menor influencia en los procesos de migración y un valor mayor indica una mayor influencia en el proceso de migración.

2. D. Berndt, en Battery Technology Handbook, Ed. H.A. Kiehne, segunda edición, 2003, Marcel Dekker, Inc., Nueva York, cuadro 1.2.
3. J S Newman. Sistemas electroquímicos. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, 1991, p 255.
4. S U Falk, A J Salkind. Pilas alcalinas de almacenamiento. Nueva York: John Wiley & Sons, 1969, p 598

Para que quede claro, debemos entender cómo se produce la reacción de descarga. Tan pronto como los terminales de la batería se conectan al aparato consumidor, los electrones comienzan a fluir desde la placa negativa al terminal positivo a través del circuito externo. En el interior de la célula, el deber de las partículas cargadas es ocuparse del flujo de corriente. Las partículas cargadas son protones (H+) e iones bisulfato (HSO¯4 ).

Durante una descarga, los iones HSO¯4 negativos (en este caso, iones de bisulfato del electrolito ácido sulfúrico que se disocian como H+ y HSO¯4 ) se desplazan hacia la placa negativa. Estos iones negativos se combinan con el material activo, Pb, produciendo, sulfato de plomo, PbSO4. La reacción también produce un ion de hidrógeno cargado positivamente llamado protón) que se aleja. Los dos electrones liberados como resultado de la reacción anódica del material activo de plomo, llegan al terminal positivo a través del circuito externo.

Reacción de placa negativa o media celda negativa: Pb + HSO¯4 ⇄ Pb2+ + SO42- +H+ + 2e- E°= -0,35 V

Los iones bivalentes de plomo y los iones de sulfato se combinan inmediatamente para formar sulfato de plomo y se depositan en la placa negativa como sulfato de plomo.

Hasta ahora, hemos visto la imagen de las reacciones de la placa negativa.

Ahora veamos lo que ocurre simultáneamente en la placa positiva.

Los electrones de la placa negativa, tras alcanzar el terminal positivo, reaccionan con el marcial activo positivo, PbO2, para formar sulfato de plomo y dos moléculas de agua.

Reacción de placa positiva o media celda positiva: PbO2 + 3H+ + HSO¯4 + 2e- ⇄ Pb2+ + SO4 2- + 2H2O E° = 1,69 V

Los iones bivalentes de plomo (Pb2+) y los iones de sulfato ( ) se combinan inmediatamente para formar sulfato de plomo y se depositan en la placa positiva como sulfato de plomo.

Mecanismo de disolución-deposición o disolución-precipitación

Este tipo de reacción, en la que el plomo y el dióxido de plomo se disuelven como iones de plomo y se depositan inmediatamente como sulfato de plomo en los respectivos electrodos, se produce a través de un
mecanismo de disolución-deposición o disolución-precipitación.

Ahora, combinando las dos reacciones de media celda, tenemos

Placa negativa o reacción de media celda negativa: Pb + HSO¯4 ⇄ Pb2+ + SO42- +H+ + 2e-

Reacción de placa positiva o media celda positiva: PbO2 + 3H+ + HSO¯4 + 2e- ⇄ Pb2+ + SO42- + 2H2O

En general o la reacción total: Pb + PbO2 + 2H2SO4 Descarga⇔Carga 2PbSO4 + 2H2O

Esta teoría de la reacción fue propuesta por Gladstone y Tribe en 1881, pero la pila de plomo-ácido fue inventada en 1859 por Raymond Gaston Planté, físico francés.

J.H. Gladstone y A. Tribe, Chemistry of the Planté and Fauré Accumulators,
Nature
, 25 (1881) 221 & 461.

J.H. Gladstone y A. Tribe, Chemistry of the Planté and Fauré Accumulators, Nature, 26 (1882) 251, 342 & 602; 27 (1883) 583

La reacción de descarga procederá hasta que aproximadamente la mitad de los materiales activos se conviertan en sulfato de plomo para una tasa de descarga lenta, como las tasas de 20 o 10 horas. En ese momento, la resistividad de los materiales activos habría aumentado hasta un valor tal que una nueva descarga provocaría una caída muy rápida de la tensión de la célula. Normalmente, la tensión de la célula no puede ser inferior a 1,75 V por célula.

Las descargas profundas más allá del 80% de la profundidad de descarga (DOD) dificultarán la recarga posterior.

En cuanto el plomo se disuelve como iones de plomo durante la reacción de descarga, se combina con los iones de sulfato y se deposita en la placa negativa. Los iones de plomo o la molécula de sulfato de plomo no se alejan de la placa negativa. Esto se debe a que la solubilidad del sulfato de plomo en soluciones diluidas de ácido sulfúrico es muy baja. Es del orden de más de 1 mg por litro, la deposición de iones de plomo bivalente a sulfato de plomo será más rápida en los lugares donde hay altas concentraciones de electrolito. A medida que avanza la descarga, la solubilidad del sulfato de plomo en el electrolito aumenta hasta 4 mg por litro.

Esto es así porque el ácido se vuelve más diluido debido a la descarga posterior y en tales ácidos diluidos, la solubilidad del sulfato de plomo es mayor, hasta 4 mg por litro.
El sulfato de plomo así depositado seguirá creciendo hasta alcanzar diversos tamaños de cristales tanto en la superficie como en las grietas y hendiduras. . La película tendrá una estructura discontinua. Durante un proceso de descarga lenta, esta forma discontinua de la estructura del sulfato de plomo ayuda a las porciones internas de los materiales activos a participar en la reacción, ya que proporciona una estructura abierta que facilita la entrada de iones. Por lo tanto, el proceso de descarga puede proceder en el interior de la placa.

Por el contrario, a altas tasas de descarga, la superficie está bloqueada por el producto de la descarga, PbSO4, que forma una estructura continua sin ninguna ruptura. Así, las reacciones posteriores en el interior de las placas se ven obstaculizadas y por eso no podemos obtener la capacidad esperada a velocidades de descarga más altas.

Carga de baterías de plomo-ácido

Durante una reacción de carga, se produce el fenómeno inverso, el flujo de corriente se invierte y se produce la oxidación
en el electrodo positivo y la reducción en el electrodo negativo.

Cuadro 2

Características de los dos electrodos durante la carga y la descarga

Electrodo Descargando Cargando
Placa negativa Plomo poroso (esponjoso)
Ánodo
Cede 2 electrones
Pb -2e- → Pb2+
La tensión disminuye (se vuelve menos positiva).
Convertido en PbSO4
~ 40 % Pb + ~60% PbSO4
Cátodo
Absorbe 2 electrones
El Pb2+ en el PbSO4 toma 2 electrones
La tensión disminuye (se vuelve más negativa)
Recuperado a Pb metal
H2 evolucionado durante la sobrecarga
Placa positiva Dióxido de plomo poroso
Cátodo
Absorbe 2 electrones
Pb4+ (de PbO2) + 2e- → Pb2+
La tensión disminuye (se vuelve menos positiva).
Convertido en PbSO4
~ 50 % PbO2 + ~50% PbSO4
Ánodo
Libera 2 electrones
El Pb2+ en el PbSO4 se convierte en PbO2
Reconvertido a PbO2
Aumento de la tensión
O2 evolucionado durante la sobrecarga

Figura 1
Valores de cambio de potencial de la célula de plomo-ácido durante las reacciones de carga y descarga
La tensión de la célula es una combinación de dos valores en cualquier fase del funcionamiento de una célula galvánica
Así,
Tensión de la célula = Potencial del electrodo positivo – Potencial del electrodo negativo
Por lo tanto,
Tensión de circuito abierto de la célula de plomo o tensión de equilibrio = 1,69 – (-0,35) = 2,04 V
Al final o cerca del final de una descarga, la tensión de la célula, EDisch = 1,50 – (- 0,20) = 1,70 V
Al final o cerca del final de una carga, la tensión de la célula, ECh = 2,05 – (-0,65) = 2,70 V

Change-value-of-potential.jpg

Cargador de baterías - Coeficiente de carga

Las baterías recargables necesitan ser cargadas para recuperar los Ah gastados en la descarga anterior.

La cantidad de Ah necesaria para llevar la batería al estado anterior de carga completa en comparación con la salida anterior será de un 10 a un 15 % más. Esta relación entre la entrada de carga y la salida anterior se denomina coeficiente de carga

Coeficiente de carga = Ah de entrada / Ah de salida anteriores = ~ 1,1 a 1,2.

Es decir, hay que poner entre un 10 y un 20 % más de Ah para compensar las reacciones secundarias, que están constituidas por las reacciones de sobrecarga de la división del agua y las reacciones de corrosión de la red. Además, una pequeña parte se perderá debido a la resistencia interna.

Cargador de baterías - Eficiencia de carga de la batería de plomo

Eficiencia en amperios hora

(Rendimiento enamperios-hora o coulombiano y rendimiento en energía o vatios-hora)

De los argumentos anteriores se desprende que hay que definir lo que se denomina «eficiencia de carga».

Eficiencia en amperios hora

La norma india IS 1651 describe el procedimiento de prueba de la siguiente manera:

  1. Una batería completamente cargada se someterá a una descarga a un ritmo de diez horas hasta una tensión final de 1,85 voltios por celda.
  2. Se calculará la salida exacta de Ah.
  3. La batería se recarga ahora con el mismo número de amperios-hora a la misma corriente.
  4. La batería se somete ahora a una segunda descarga como la anterior.
  5. La eficacia Ah (culombiana) = ηAh = Ah entregados durante la segunda descarga / La entrada de Ah.

Eficiencia energética o de vatios-hora

El rendimiento en vatios-hora se calculará multiplicando el rendimiento en amperios-hora obtenido como se ha descrito anteriormente por la relación de la tensión media de descarga y recarga.

Eficiencia energética o de vatios hora = ηWh = ηAh * (Tensión media de descarga / Tensión media de carga)

La eficiencia de carga en amperios-hora (o coulombiana ) de la célula de plomo-ácido en el caso de una entrada igual al 100% de la descarga anterior al mismo ritmo es casi igual al 95% y la eficiencia energética o en vatios-hora es de alrededor del 85-90%. Las normas indias (IS 1651) también especifican un rendimiento mínimo de amperios-hora del 90% y un rendimiento mínimo de vatios-hora del 75%.

La eficacia de la carga está limitada por la placa positiva y no por la negativa. Cuando aproximadamente tres cuartas partes del sulfato de plomo del electrodo positivo se han convertido de nuevo en dióxido de plomo y el agua no puede difundirse con suficiente rapidez en la estructura porosa de la placa interior, se producen reacciones secundarias como la evolución del oxígeno. Durante cierto tiempo, la corriente de carga se distribuye entre el proceso primario de conversión de PbSO4 en PbO2 y las reacciones secundarias de sobrecarga. Si la carga se prolonga lo suficiente como para que casi todo el sulfato de plomo se haya convertido en dióxido de plomo, toda la corriente de carga se destina a las reacciones secundarias.

Tensión de carga de un cargador de baterías

Como se ha explicado anteriormente

ECh > E°.

Por lo tanto, tenemos que suministrar un voltaje un poco más alto para facilitar esta reacción. Normalmente, un buen cargador estará diseñado con una fuente de tensión suficientemente alta para la carga. Es una buena regla general que para una célula de 2 V hay que proporcionar al menos 3 V para que la célula pueda alcanzar la carga completa al llegar a una tensión de 2,7 V por célula. Pero hay que tener en cuenta las pérdidas en el cable, etc.

Por lo tanto, para una batería de 12 V, el cargador debe proporcionar al menos 18 a 20 V.

Si esta tensión se reduce a menos de 15 V., la batería no puede alcanzar el estado de carga completa.

Durante una recarga: 2PbSO4 + 2H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4
El sulfato de plomo en ambos electrodos se disuelve como iones de plomo y se deposita inmediatamente como plomo en la placa negativa y como PbO2 en el electrodo positivo.

En la placa positiva

PbSO4 + 2H2O → PbO2 + 4H+ +SO4 ²- + 2e-

Los electrones viajan a la placa negativa para seguir reaccionando

En la placa negativa

PbSO4 + 2e- → Pb +SO4 ²-

Como los iones de sulfato se reproducen en ambas placas, se combinan con los protones para formar ácido sulfúrico y así la gravedad específica del electrolito aumenta.

Gasificación de la batería

Hasta ahora sólo hemos visto las reacciones útiles durante el proceso de carga. Pero hay algunas reacciones colaterales o secundarias que se producen en los períodos de sobrecarga. Las dos principales reacciones secundarias o colaterales son:

  1. Electrólisis del agua y
  2. Corrosión de las rejillas positivas

Estas reacciones pueden representarse como sigue:

Electrólisis del agua

2H2O → O2 ↑ + 2H2 ↑ (En las dos placas de las pilas de plomo-ácido con exceso de agua y electrolito)

El oxígeno de la placa positiva y el hidrógeno de las placas negativas evolucionan y se expulsan a la atmósfera a través de los orificios del tapón de ventilación.

Pero en una célula de batería de plomo-ácido regulada por válvula (VRLA), el oxígeno evoluciona, pero no el hidrógeno. El oxígeno que se desprende de esta manera tampoco se puede ventilar, sino que se difunde a través de los huecos disponibles en el separador de estera de vidrio absorbente (AGM) y reacciona con el material activo negativo para regenerar las moléculas de agua. Este es el paso que hace posible que la célula VRLA prospere sin necesidad de rellenarla con agua.

2H2O → O2 + 4H+ + 4e – En la placa positiva de las celdas de electrolito o VRLA con hambre.

Corrosión de las rejillas positivas de una batería de plomo-ácido

En ambos tipos de pilas de plomo-ácido la corrosión de la rejilla positiva se produce de la misma manera:

Corrosión en rejilla: Pb + 2H2O → PbO2 + 4H+ + 4e-

Si un electrodo de platino platinizado se convierte en cátodo, el hidrógeno se desprende casi en la reversibilidad

potencial de hidrógeno de la solución. Con otros electrodos, por ejemplo de plomo, se requiere un potencial más negativo

para que se produzca esta reacción.

Hasta que la tensión de la célula alcanza un valor de 2,3 V, el gaseado es insignificante. Pero el gaseado comienza a 2,4 V por célula. Más allá de 2,4 V, el gaseado es mayor y, por tanto, la eficiencia de la carga se verá reducida. A 2,5 V, la gasificación será abundante y la temperatura del electrolito de la batería comenzará a aumentar. Ahora hay suficiente gasificación para proporcionar agitación del electrolito y la gravedad específica comienza a igualarse. Cuando la batería está en reposo, la gravedad específica del electrolito será un poco más alta en el nivel inferior que en el superior. Esto se agrava si las células son más altas.

La batería de plomo-ácido puede cargarse a cualquier ritmo que no provoque un exceso de gases, una temperatura elevada y una tensión muy alta en los bornes. Una batería totalmente descargada puede absorber una alta tasa de carga al principio de la carga sin que se produzca una gasificación y un aumento apreciable de la tensión y la temperatura.

En algún momento del proceso de carga, cuando casi todo el sulfato de plomo se ha convertido en dióxido de plomo en el platillo positivo, las reacciones secundarias toman predominio. Se trata de la reacción de electrólisis del agua y de la corrosión de la red positiva, como se ha indicado anteriormente.

Esta corrosión positiva de la rejilla comienza desde la fase de formación (o en el caso de la formación de tarros) desde la primera carga. Esta corrosión es el aspecto más perjudicial para la vida de la batería de plomo. Dado que la corrosión de la rejilla positiva se produce cada vez que la célula entra en la región de sobrecarga, una parte de la estructura de la rejilla se convierte en dióxido de plomo, por lo que el peso de la rejilla disminuye un poco en cada período de corrosión. En última instancia, se llegará a una etapa en la que los electrones de los sitios de reacción en las rejillas no podrán viajar a la barra colectora, debido a la no disponibilidad de una estructura de rejilla continua

Como consecuencia, una parte del material activo no puede participar en el proceso de producción de energía y la capacidad disminuye, lo que lleva al final de la vida útil de la batería.

Los fabricantes de pilas de plomo intentan mitigar este problema mediante la inclusión de elementos de aleación que aumentan la resistencia a la corrosión de las aleaciones de plomo. Algunos de estos componentes de aleación son el arsénico (As) y la plata (Ag) en porcentajes fraccionados. Por regla general, la cantidad de As estará en torno al 0,2% y la de Ag entre el 0,03 y el 0,05% en las aleaciones positivas.

Cargador de baterías - significado de la aceptación actual

La aceptación de la corriente viene dictada por el diseño de la célula. Por ejemplo, una batería de Ah similar montada con un mayor número de placas (es decir, las placas serán más finas), puede aceptar una mayor corriente de carga debido a la mayor superficie. Para conocer los procedimientos detallados de medición de las eficiencias de carga de las placas individuales, se remite a los lectores a un artículo de K. Peters. [8]

La aceptación de carga de la placa negativa es mayor que la de la placa positiva (véase la figura 1), lo que se debe principalmente a su estructura más gruesa, abierta y porosa, que admite fácilmente la difusión del ácido en el interior de la placa. El positivo comienza a sobrecargarse a partir del 70-80% de SOC, dependiendo de varios factores de diseño. Algunos factores internos de diseño paramétrico son la estructura de los poros, la superficie real, etc. Otros parámetros externos son la corriente de carga en amperios, la temperatura del electrolito, etc.

La aceptación de carga de la placa negativa es mayor y entra en la región de sobrecarga en un periodo comparativamente más tardío, el 90% del SOC [8. K. Peters, A.I. Harrison, W.H. Durant, Power Sources 2. Research and Development in Non-mechanical Electrochemical Power Sources, Pergamon Press, New York, USA, 1970, pp. 1-16.]

[9. A.M. Hardman, Journal of Power Sources Vol. 23, Año 1988, página, 128].

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Sin embargo, en algún momento comienzan las reacciones secundarias en el electrodo negativo, principalmente la reducción del ion hidrógeno (protón) a gas hidrógeno por simple transferencia de electrones (que ocurre a potenciales muy inferiores a -350 mV que es el potencial reversible de la placa negativa, valor E°.), a unos -0,6 a 0,95 V:

2H+ + 2e- → H2 ↑

Una de esas impurezas importantes que se acumulan en la placa negativa es el antimonio (Sb), que se deposita debido al fenómeno denominado antimigración en las celdas que contienen una cantidad relativamente mayor de antimonio en las rejillas. Aunque el antimonio es un componente esencial de la aleación de la rejilla para la mayoría de las células de plomo-ácido, tiene un impacto negativo en el rendimiento de la célula.

Durante la fase de corrosión de la carga (hacia el final de la carga de cada ciclo), la rejilla positiva sufre un ataque anódico y el antimonio pasa a la solución en forma de iones Sb5+, una parte de los cuales es absorbida por el material activo positivo, donde favorece la autodescarga debido a la formación de células locales. El resto del antimonio así disuelto se deposita como Sb3+ en la superficie del cátodo (la superficie negativa de la placa) («migración de antimonio») y, debido a su menor potencial de sobrehidratación que el plomo, provoca una evolución prematura del hidrógeno. Más tarde, durante los periodos de evolución de gas abundante, el antimonio puede, en condiciones favorables, liberarse en cierta medida como gas estibina (SbH3), cuando se combina con protones.

En condiciones favorables, también puede producirse una reacción similar con el arsénico (As) liberando arsina (AsH3), que es un gas venenoso. Por lo tanto, este componente de aleación se evita naturalmente cuando las células se utilizan en entornos cerrados, como un submarino.

Termodinámicamente, esto ocurre a un potencial más bajo que la reacción de carga primaria pero, al igual que con la generación de oxígeno en el electrodo positivo, el sobrepotencial para la generación de hidrógeno en el electrodo de plomo es relativamente grande (alrededor de -0,650 V) y, por lo tanto, la recarga puede completarse en gran medida antes de que comience la evolución del hidrógeno en su totalidad.

Estos gases se expulsan de la célula a través de los orificios del tapón de ventilación. Ambas placas se ven afectadas por los efectos de las impurezas en el sobrepotencial, por lo que no es posible una recarga perfectamente eficaz de ambas placas. Por ejemplo, si se combina el potencial de reacción de la evolución del oxígeno con el de la evolución del hidrógeno, tenemos

1,95 + (-0,95) = 2,9 V para una abundante evolución de gas.

Otro punto a tener en cuenta es que, según las leyes fundamentales, el agua debería descomponerse a 1,23 V y el oxígeno debería evolucionar en un electrodo positivo a este potencial. Pero este no es el caso en una célula práctica. Si esto ocurre, la estabilidad de la propia célula de plomo-ácido será una cuestión. El potencial positivo estándar de la placa (E° = 1,69 V) es aproximadamente 0,46V por encima de la tensión a la que debería descomponerse el agua (1,23V). La razón es, de nuevo, la sobretensión. Es decir, el voltaje para la evolución del oxígeno en el dióxido de plomo en una solución de ácido sulfúrico está muy por encima del valor E° de la placa positiva a 1,95V.

Así, la reacción de evolución del oxígeno sobre el dióxido de plomo en la solución de ácido sulfúrico está inhibida, siendo 0,26 V (1,95-1,69 = 0,26) por encima del valor E° de la placa positiva y unos 0,72 V por encima del potencial de descomposición del agua (1,95-1,23 = 0,72V) y, por tanto, el oxígeno no evoluciona hasta que se alcanza el valor de sobretensión en una solución estrictamente pura.

Del mismo modo, la evolución del hidrógeno sobre el plomo en una solución de ácido sulfúrico está fuertemente inhibida debido al sobrepotencial del hidrógeno sobre el plomo. Este valor de sobrepotencial es aproximadamente 0,6 V más negativo y está por debajo del potencial de electrodo estándar del plomo en solución de ácido sulfúrico, E° = -0,35V. Por lo tanto, la reacción de evolución del hidrógeno no impedirá la carga completa de la placa negativa hasta que el valor del electrodo alcance -0,95V en una solución estrictamente pura. Esta es la razón por la que la placa negativa tiene una mayor eficiencia de carga que la placa positiva.

Pero, en una célula práctica, esta etapa se alcanza mucho antes de esta tensión. De hecho, este 2,9 V no se realiza en absoluto en una celda práctica, porque las reacciones debidas a las impurezas toman predominio y así la evolución completa del gas en volumen (H2 : O2 = 2:1) se alcanza alrededor de 2,6 V. Sin embargo, si la tensión de carga impresionada es excesivamente alta, entonces se puede alcanzar este valor de 2,9 V, en particular, las baterías de aleación sin Sb pueden alcanzar un valor de 2,8 V y con células antimoniales el valor será inferior en 0,2 V, digamos 2,6 V.

A medida que se avanza en el ciclo, el valor de gaseado se reducirá mucho en el caso de las células antimoniales, mientras que la otra célula está casi libre de este efecto. Esta drástica reducción se debe al fenómeno denominado «migración del antimonio», como se ha explicado anteriormente.

Naturalmente, la diferencia de voltaje entre las baterías nuevas y las cicladas aumenta de 250 mV a 400 mV. Esto hará que los materiales activos no puedan aceptar carga y que casi toda la corriente genere hidrógeno y oxígeno. La figura 3 ilustra este aspecto [10. Hans Tuphorn, Capítulo 17, Figura 17.2 en Battery Technology Handbook, Ed. H.A. Kiehne, Segunda edición, 2003, Marcel Dekker, Inc., Nueva York.]

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¿Cómo funciona un cargador de baterías de 12v?

Para cargar una batería, el cable de salida positivo se conecta al terminal positivo de la batería y el negativo al terminal negativo. A continuación, el cargador se conecta a la red eléctrica a través de una vía adecuada.

La entrada de corriente alterna se convierte en corriente continua mediante un circuito rectificador que tiene un transformador reductor para convertir a la tensión necesaria. Un rectificador convierte el flujo de corriente alterna (CA) bidireccional en flujo unidireccional. Así, mantiene una polaridad constante a través de la carga. Se utiliza una configuración de puente rectificador para rectificar la corriente alterna de bajo voltaje escalonado en corriente continua y se suaviza aún más mediante un condensador electrolítico de alto valor (circuito de filtrado).

Esta corriente continua filtrada se introduce en un circuito electrónico que regula la tensión hasta un nivel constante y se aplica a la batería que requiere una carga,

El cargador tiene indicadores de corriente (amperímetro), de tensión (voltímetro) y también, en casos especiales, un temporizador y un amperímetro.

La batería se carga según las instrucciones del fabricante

Procedimiento de carga de la batería - Cargador de batería

La batería que deba cargarse se limpiará a fondo en el exterior y los bornes, después de eliminar el producto de la corrosión, si lo hubiera, recibirán una fina capa de vaselina blanca. También se comprobará el nivel de electrolitos. No es necesario rellenar en este momento a menos que el nivel esté por debajo de la altura de los separadores.

El cargador destinado a cargar la batería deberá tener las especificaciones adecuadas, como la tensión y la corriente de salida. Por ejemplo, una batería de 12 V necesita una tensión C de salida de al menos 18 V. La corriente necesaria depende de la capacidad de la batería y del tiempo en el que ésta debe cargarse. Normalmente, una batería se cargará a una décima de amperio de la capacidad en Ah de la misma. Así, una batería de 100 ah requerirá al menos 10 amperios de salida para una carga normal. Si se va a cargar rápidamente, se necesitarán 15 amperios de salida.

Para una batería totalmente descargada se requiere una entrada de aproximadamente el 110 % de la capacidad. Pero, si la batería ya está parcialmente cargada, deberíamos conocer el SOC. Sea como sea, la tensión y la gravedad específica son los dos parámetros importantes que hay que controlar para determinar el estado de carga. El valor de la gravedad específica debe leerse en la etiqueta de la pila. Una batería completamente cargada suele alcanzar los 16,5 V y más, si está en buen estado. Si se trata de una batería vieja, no se puede alcanzar fácilmente esta tensión.

Esto se debe principalmente a las reacciones secundarias, como la evolución del gas debido a la electrólisis del agua en el electrolito y los efectos de calentamiento debido a las resistencias ya acumuladas por el sulfato de plomo acumulado.

La batería se coloca sobre un material aislante como una lámina de goma o un banco de madera. El cable del cargador debe tener una capacidad de transporte de corriente adecuada. Normalmente, un cable de cobre cuadrado de 1 mm puede transportar 3 amperios de corriente continua (CC) de forma segura. Después de asegurarse de que el cargador está en la posición de apagado, los cables del cargador se conectarán a los terminales respectivos, es decir, positivo con positivo y negativo con negativo. El voltaje, la gravedad específica y las lecturas de temperatura se registrarán en una hoja de registro, cuyo modelo se ofrece a continuación:

Plantilla de registro de carga de la batería

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Las lecturas se registrarán cada hora.

Las lecturas de cadmio indicarán si una placa concreta ha alcanzado la carga completa o no. El electrodo de referencia de cadmio es una varilla de cadmio aislada con un hilo de cobre soldado en el extremo superior. El extremo inferior se sumergirá en el electrolito, de modo que sólo toque el líquido, y no debe entrar en contacto con las placas u otras partes de plomo del interior.

Para una placa positiva totalmente cargada, la lectura del cadmio será de 2,4 V y más y para la placa negativa, de 0,2 V y menos.

Tabla 4

Reacciones en la célula de plomo-ácido y las correspondientes lecturas de potencial de cadmio

Lecturas de potencial de cadmio

Reacciones Valores potenciales Lecturas de cadmio
Potencial de evolución del oxígeno 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4e- 1,95 a 2,00 V 2.00 - (-0.4) = 2.4 V
Potencial estándar del electrodo de la placa positiva PbO2/PbSO4/H2SO4 1.69 V [1.69 - (-0.4) = 2.09 V]
Fin de la descarga de la placa positiva 1,40 a 1,5 V 1.40 - (-0.4) = 1.8 V
1.50 - (-0.4) = 1.9 V
Potencial estándar del electrodo de hidrógeno (SHE) 2H+ + 2e- → H2 0.00 V 0.00 V
Fin de la descarga de la placa negativa -0,15, -0,20, -0,25 V (Para diferentes densidades de corriente) -0.15 - (-0.4) = 0.25 V -0.20 - (-0.4) = 0.20 V -0.25 - (-0.4) = 0.15 V
Potencial estándar del electrodo de la placa negativa Pb/PbSO4/H2SO4 -0.35 V [-0.35 - (-0.4) = 0.05 V]
Valor E° del electrodo de referencia de cadmio Cd/Cd2+ -0.40 V -0.40 V
Potencial de evolución del hidrógeno. 2H+ + 2e- →H2 (Para una célula comercial) -0.60 V -0.60 - (-0.4) = -0.20
Potencial de evolución del hidrógeno 2H+ + 2e- →H2 Para una célula experimental pura -0.95 V -0.95 - (-0.4) = -0.55

Principio de funcionamiento de un cargador de baterías

Al final de la carga, una batería de 12 V puede alcanzar una tensión en bornes de 16,5 y más. Después de mantener la tensión en los terminales a este nivel durante una hora, se puede terminar la carga. Cuando la batería se acerca a los 16 años. 0 V, se puede añadir agua aprobada, si es necesario.

Cerca del final de la carga, se observará una fuerte gasificación de la batería. No se deben acercar llamas abiertas a la sala de carga. Los gases evolucionan en la proporción de su combinación, es decir, hidrógeno 2 partes y oxígeno 1 parte. Por lo tanto, si se permite que estos gases se acumulen en la zona de carga sin una ventilación adecuada, es probable que una chispa o una llama abierta encienda los gases y se combinen con violencia explosiva, dañando la batería y sus alrededores y también hiriendo a las personas cercanas.

El límite inferior de la mezcla explosiva de hidrógeno en el aire es del 4,1%, pero, por razones de seguridad, el hidrógeno no debe superar el 2% en volumen. El límite superior es el 74%. La explosión fuerte se produce con violencia cuando la mezcla contiene una proporción estequiométrica de estos gases (2 partes de hidrógeno por 1 de oxígeno). Esta condición se obtiene en el interior de una batería de sobrecarga con tapones de ventilación firmemente atornillados a la tapa. Por lo tanto, se aconseja mantener los tapones de ventilación sin apretar sobre los orificios de ventilación y no atornillar con fuerza.

Diferentes métodos de carga de baterías y diferentes tipos de cargadores de baterías

Aunque existen varios métodos para cargar las pilas de plomo-ácido, todos ellos tienen el objetivo común de convertir los productos de la reacción, es decir, el sulfato de plomo en ambas placas, en los respectivos materiales activos, PbO2 en el electrodo positivo y Pb en el electrodo negativo.

2 PbSO4 + 2 H2O → PbO2 + Pb + 2 H2SO4

Hay una serie de variantes en los regímenes de cobro. Pero en todos estos métodos, sólo se utilizan dos principios básicos: los métodos de carga de corriente constante y de tensión constante. Los diversos métodos disponibles combinan estos dos principios para lograr sus objetivos.

La selección del método de carga adecuado depende del tipo, diseño y condiciones de servicio y del tiempo disponible para la carga. Todos estos métodos de carga utilizan muchos métodos para controlar y terminar el proceso de carga.

Estos métodos pueden clasificarse en los siguientes:

Cuadro 5

Clasificación de los métodos de diferentes cargadores de baterías y métodos de carga de baterías

Diferentes métodos de carga de la batería

Métodos basados en la corriente constante (CC) Métodos basados en la tensión constante (CV o CP) Métodos combinados Carga de la cinta Métodos especiales
Método de carga CC de un solo paso Método de tensión constante Método CC-CV Método de carga cónica de un solo paso 1. Carga inicial
2. Carga de ecualización
3. Oportunidad de cobrar
4. Carga controlada por gas
5. Carga por goteo
6. Carga de la batería
7. Carga por pulsos
8. Carga rápida o veloz
Método de carga de CC en dos pasos Método de corriente limitada o CV modificado Método de carga cónica en dos pasos

Método de carga de un solo paso basado en la corriente constante (método CC) Cargador de baterías

Cuando se requiere que la recarga se termine en poco tiempo y cuando el usuario quiere conocer la entrada en términos de Ah, se puede emplear el método de carga de corriente constante. Se prefiere la carga de corriente constante cuando se conoce la salida anterior, de modo que un 5-10% de sobrecarga puede ser eficaz para devolver la batería al 100% de SOC. Esto también garantizará que se dé la entrada correcta para que la vida de la batería no se vea afectada negativamente por una sobrecarga indebida. El tiempo de recarga normal para este método es de 15 a 20 horas.

En este método, la corriente se mantiene constante durante todo el periodo de carga.

Se recomienda una corriente de carga del 5 al 10 % de la capacidad de 20 horas.

Para compensar el aumento de la contrafase de la batería durante la carga, hay que mantener constante la corriente de carga, ya sea variando la resistencia en serie utilizada o aumentando la tensión del transformador. Normalmente, la resistencia en serie se varía para mantener la corriente constante.

Este método es el más sencillo y menos costoso de cargar. Pero tiene la desventaja de una menor eficiencia de carga. Esto se debe a que parte de la energía se disipa en la resistencia y también en parte a la corriente utilizada para dividir el agua una vez que la batería alcanza los 2,5 V por celda. La batería comienza a desprender gases a medida que la batería se carga hasta un 70 a 75% de carga. Este método de carga siempre da lugar a una ligera sobrecarga y a una vigorosa gasificación, especialmente al final de la carga.

En la figura 5 se muestra una imagen generalizada del método de carga a corriente constante. Las características de carga se indican en la figura 6

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Método de carga de corriente constante en dos pasos Cargador de batería

En el método de carga de corriente constante en dos etapas se utilizan dos velocidades de carga, la de inicio y la de finalización. La tasa de finalización suele ser la mitad de la tasa inicial. La tasa de acabado se inicia cuando la batería empieza a desprender gases. Este es el método preferido para la carga de baterías en banco. La característica de carga puede verse en la figura 7 [11. P G Balakrishnan, Lead Storage Batteries, Scitech Publications (India) Pvt. Ltd., Chennai, 2011, página 12.8].

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Métodos de carga de tensión constante o potencial Cargador de baterías

El método de carga de tensión o potencial constante (CV o CP) emplea una tensión de la fuente que se mantiene a un nivel constante durante todo el período de carga. Normalmente, esta tensión estará entre 2,25 y 2,4 V por célula.

Este método es el recomendado para cargar pilas y baterías de plomo-ácido reguladas por válvula (VRLA). No hay que preocuparse por la profundidad de descarga (DOD) de la descarga anterior cuando se carga una batería VRLA por el método CV. Las baterías VRLA pueden cargarse sin efectos perjudiciales utilizando la tensión de carga CV recomendada por el fabricante. Casi todos los fabricantes de VRLAB recomiendan una corriente de arranque de 0,25 a 0,30 C amperios.

Es decir, para una batería de 100 Ah, se puede seleccionar una corriente inicial de 25 a 30 amperios. La corriente más alta se utiliza para cargar baterías muy descargadas, mientras que la más baja para una batería normalmente descargada. El efecto de una tensión de carga más baja es que el aumento de la temperatura será menor en comparación con una batería cargada, con una corriente más alta, pero el tiempo necesario para una carga completa será mayor.

Al final de la carga, la tensión de la batería alcanza la paridad con la tensión impresa y la corriente de carga disminuye hasta un valor muy bajo. Universalmente, la corriente al final puede alcanzar un valor de 2 a 4 mA por cada Ah de la capacidad de la batería. Entre 2,25 y 2,3 V por celda, no se observa ninguna evolución del gas en las baterías fabricadas correctamente. Sin embargo, el gaseado será evidente a 2,4 V por célula. El volumen de gas desprendido a 2,4 V por célula es de unos 1000 ml en 40-50 minutos para 6V/1500 Ah VRLAB

Según la cláusula 6.1.a. de la Norma Industrial Japonesa, JIS 8702-1:1998, la duración de la carga será de aproximadamente 16 horas o hasta que la corriente no varíe en más del 10 % de la corriente de 20 horas (I20) amperios en dos horas consecutivas [JIS 8702-1:1998]. Por ejemplo, si la capacidad de 20 h de una batería (independientemente de su voltaje) es de 60 Ah20, entonces la carga se habrá completado si la corriente no varía en más de 300 mA (es decir, I20 = 60 Ah /20 A = 3 A. Por lo tanto, 0,1 de I20 = 0.3A)

Los detalles de la carga CP de las baterías VR se muestran en las figuras

La eficiencia de la carga es mejor que el método de corriente constante. El demérito de este método es que requiere una tensión estabilizada en un drenaje de alta corriente, lo que es costoso. Este método se utiliza para el funcionamiento en régimen de flotación de las células estacionarias para aplicaciones de telecomunicaciones y SAI.

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Carga de potencial constante modificada - Cargador de baterías

En las aplicaciones industriales, este método se utiliza cuando el circuito de carga es una parte integral del sistema. Algunos ejemplos son los automóviles, el UPS, etc. En el circuito se incluye una resistencia en serie para limitar la corriente, cuyo valor se mantiene hasta alcanzar una tensión preestablecida. A partir de entonces, la tensión se mantiene constante hasta que la batería tenga que cumplir su función de suministrar corriente de arranque, energía de emergencia, etc.

La elección de la resistencia fija en serie depende del número de elementos de las baterías y de su capacidad en amperios-hora, así como de la duración disponible para la carga. La tensión aplicada se mantiene constante entre 2,6 y 2,65 voltios por célula.

A medida que la carga avanza, la corriente de carga comienza a descender desde un valor inicial. Cuando la tensión aumenta gradualmente hasta los 2,35 a 2,40 voltios por célula, la tensión de gasificación tiende a aumentar rápidamente y, por tanto, la corriente de carga disminuye a un ritmo más rápido.

La carga de potencial constante modificada es habitual en las baterías de ciclo profundo, como las de tracción. Las fábricas normalmente emplean un perfil de tiempo de descarga-carga fijo, como el funcionamiento de 6 horas de la carretilla elevadora hasta una profundidad de descarga (DOD) del 80% y una recarga de 8 horas. El cargador se ajusta a la tensión de gaseado y la corriente de arranque se limita a 15 ó 20 A por cada 100 Ah. La corriente comienza a disminuir a tensión constante hasta alcanzar la tasa de acabado de 4,5 a 5 A por 100 Ah, que se mantiene hasta el final de la carga. El tiempo total de carga se controla mediante un temporizador.

Hay cargadores de baterías que tienen las disposiciones para mantener las baterías conectadas a él incluso después de la finalización de la carga para mantener las baterías en condiciones de carga completa. Esto se consigue proporcionando breves periodos de carga de refresco cada 6 horas para mantener su estado

Los detalles se recogen en la figura 12 [12. Número especial sobre las baterías de plomo-ácido, J. Power Sources 2(1) (1977/1978) 96-98].

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Métodos combinados (métodos CC-CV) - Cargador de baterías

En este método se combinan la carga de corriente constante y la de potencial constante. Este método también se conoce como método de carga (IU) (I de corriente y U de tensión). En el periodo inicial de carga, la batería se carga en modo de corriente constante hasta que la batería alcanza la tensión de gaseo y entonces se cambia a modo de potencial constante. Este método elimina el efecto nocivo del método de carga de corriente constante al final de la carga.

Las características de carga de este método se muestran en la figura 11 de la derecha.

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Carga de la cinta - Cargador de baterías

El significado de «taper» es inclinarse hacia abajo. Como el término indica claramente, se permite que la corriente se reduzca de un valor más alto a uno más bajo, fijando la tensión de carga inicial en unos 2,1 V por célula y terminando en 2,6 V por célula. La relación de los valores de corriente a estas tensiones se denomina valor de conicidad.

Así, un cargador con una salida de 50 A a 2,1 V por célula y 25 A a 2,6 V por célula, se describe como que tiene una característica de conicidad de 2:l.

Existen métodos de carga cónica de un paso y de dos pasos

Carga cónica de un paso - Cargador de baterías

En este tipo de carga, la corriente pasa de un valor inicial más alto a uno más bajo de finalización, que suele ser de entre el 4 y el 5% de la capacidad de 20 horas de la batería. El gaseado es un fenómeno necesario ya que ayuda a igualar el gradiente de densidad del electrolito. es decir, neutraliza el fenómeno de la estratificación. Por lo tanto, la tasa de acabado se fija en un valor lo suficientemente alto como para permitir que se produzca este proceso y que, al mismo tiempo, no corroa indebidamente las rejillas positivas. En este caso, la tensión de salida del cargador se ajusta a unos 2,7 voltios por célula inicialmente y se hace bajar a unos 2,1 a 2,2 voltios por célula al final del periodo de carga.

La corriente de carga se reduce lentamente hasta que se alcanza la tensión de gaseado (unos 2,4 V por célula) (SOC = 75 a 80 %) y después se reduce más rápidamente. Normalmente, la relación de conicidad se fija en 2:1 o en 1,7 a 1. El tiempo que se tarda en completar la carga es de unas 12 horas. El periodo de carga tras alcanzar la tensión de gaseo se controla incorporando un dispositivo de temporización que comienza a funcionar cuando se alcanza la tensión de gaseo.

El periodo de carga puede reducirse a 8 ó 10 horas, pero hay que aumentar la corriente de arranque, lo que no puede hacerse sin tener en cuenta los aspectos económicos y la asequibilidad del consumidor.

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Las características de carga de la carga cónica de un solo paso se muestran en la figura 12

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Carga cónica en dos pasos - Cargador de baterías

Este método de carga es similar al de la carga cónica de un solo paso, excepto por el hecho de que el tiempo total de carga se reduce a unas 8 o 10 horas. Como la batería es capaz de aceptar la carga a un ritmo más rápido cuando está profundamente descargada, se emplea una corriente alta en el primer paso hasta que la batería alcanza la fase de gaseado. Cerca del 70 al 80% de los amperios-hora que se devuelven a la batería se entregan a ésta en el primer paso a un ritmo más rápido y los amperios-hora restantes se alimentan en el segundo paso.

Las características de carga de una batería de 12 V y 500 Ah mediante carga cónica de un solo paso se muestran en la Figura 13

Los métodos de carga cónicos son más populares para cargar las baterías de tracción que normalmente están muy descargadas. Los operadores de flotas de vehículos eléctricos, por ejemplo las furgonetas de reparto de correos o los vehículos de reparto de leche, necesitan un sofisticado cargador de baterías para obtener el mejor rendimiento posible de las mismas y proteger la gran inversión de dinero que suponen.

Carga inicial

Una batería de plomo-ácido nueva necesita ser activada y este proceso de carga por primera vez se llama carga de llenado inicial. La batería se llena con la cantidad necesaria de electrolito y se carga completamente antes de ser enviada. Normalmente, esta carga inicial se realiza mediante el método de carga de corriente constante a una corriente baja durante un largo período hasta que la batería alcanza una tensión de 16,5 V o más para estar completamente cargada.

Hoy en día, este proceso se ha vuelto redundante, ya que disponemos de baterías cargadas de fábrica y listas para usar o de baterías cargadas en seco que sólo requieren la adición de electrolito.

Cargo de igualación

Igualar la carga Las diferencias entre celdas son un hecho que hay que aceptar. No hay dos células que sean iguales en todos los aspectos. Las diferencias en el peso del material activo, las pequeñas variaciones en la gravedad específica del electrolito, la porosidad de los electrodos, etc. son algunas de las diferencias. Por estas razones, cada célula de una batería tiene sus propias características; cada una requiere una cantidad de carga ligeramente diferente. Igualar la carga de vez en cuando aleja el fin de la vida útil de la batería. Las baterías de automóvil de 12 V flotan a 14,4 V. Una batería completamente cargada requiere niveles de tensión de 16,5 V, que nunca se dan en servicio a bordo del vehículo.

Por lo tanto, la carga de ecualización (también llamada carga de banco) es necesaria para prolongar la vida de una batería de automóvil. Así, una batería que recibe una carga periódica en el banco cada seis meses puede sobrevivir a las baterías que no reciben la carga en el banco, al menos entre 10 y 12 meses. La frecuencia y el alcance de las cargas de ecualización deben discutirse con el fabricante de la batería. Con los cargadores preprogramados, a veces se dispone de una «carga de ecualización» a través de un interruptor que proporciona una corriente baja continua utilizada para estabilizar la tensión y la densidad relativa del electrolito de las células.

Del mismo modo, las baterías de la fuente de alimentación de emergencia del SAI y las baterías de las carretillas elevadoras también requieren estas cargas de ecualización. Una batería utilizada en un inversor se carga sólo hasta 13,8 a 14,4 V. Como ya se ha dicho, esto no es suficiente para igualar el desequilibrio entre las celdas de una batería. Estas baterías, si reciben cargas periódicas de ecualización, sobrevivirán más tiempo.

Las baterías deben recibir una carga de ecualización cada seis meses. Pero las baterías de tracción utilizadas en las carretillas elevadoras deben recibir una carga de ecualización una vez cada seis u once ciclos, dependiendo de si las baterías son nuevas o viejas. Las baterías más nuevas pueden recibir una carga de ecualización cada 11 ciclos y las más antiguas cada6 ciclos. Si las baterías reciben regularmente cargas completas a diario, la frecuencia de las cargas de ecualización puede reducirse a los ciclos10 y20. Una carga de ecualización se terminará cuando las celdas no muestren más aumento en las lecturas de voltaje y gravedad específica durante un período de 2 a 3 horas.

Lea un artículo detallado sobre
Carga de ecualización aquí.

Cobro de la oportunidad

Cuando un vehículo eléctrico de carretera o todoterreno se utiliza de forma intensiva, enchufar un cargador durante las pausas y otros breves periodos de descanso también puede ayudar a ampliar el turno de trabajo efectivo del vehículo y, por tanto, a reducir el tiempo de inactividad de los VE. La carga de oportunidad es el término que se da a esta carga parcial durante la hora de la comida o el periodo de descanso.

Estas cargas de oportunidad tienden a reducir la vida de las baterías. La batería cuenta una carga y una descarga posterior como un ciclo superficial. En la medida de lo posible, deben evitarse los gastos de oportunidad. La carga normal proporciona de 15 a 20 A por cada 100Ah de capacidad, mientras que las cargas de oportunidad proporcionan corrientes ligeramente superiores de 25 A por cada 100Ah de capacidad. Esto provoca una mayor temperatura y acelera la corrosión de las rejillas positivas. Y por lo tanto la vida se reducirá.

Carga controlada por gas

La conductividad térmica del hidrógeno gaseoso desprendido se utiliza para controlar la corriente de carga. El gas hidrógeno, un muy buen refrigerante, se utiliza para enfriar un elemento calentado. El cambio de resistencia de la resistencia se utiliza para regular la corriente. También se puede utilizar un termistor para regular la corriente. A veces, el efecto de calentamiento debido a la recombinación del hidrógeno gaseoso y el oxígeno gaseoso evolucionado en la célula sobre el catalizador adecuado se utiliza para accionar un interruptor térmico para regular la corriente.

Carga por goteo

En una carga continua, el cargador iguala las pérdidas por autodescarga y descarga intermitente. Una carga de mantenimiento compensa la autodescarga. Los dos modos de funcionamiento se caracterizan por tensiones constantes en los terminales:

Carga de mantenimiento 2,20 a 2,25 V por célula

Carga continua 2,25 a 2,35 V por célula

Dependiendo de la edad y el estado de la batería, puede ser necesaria una densidad de corriente de 40 a 100 mA/100 Ah de capacidad nominal durante la carga de mantenimiento (carga de goteo).

La corriente de carga continua depende en gran medida del perfil de carga. Las baterías con carga de mantenimiento deben recargarse después de cada apagón. Lo mismo ocurre con las baterías en carga continua después de cargas imprevistas.

Carga de la batería

Se recurre a la carga de refuerzo cuando se requiere utilizar una batería descargada en caso de emergencia cuando no hay otra batería disponible y el SOC no es suficiente para el trabajo de emergencia. Así, una batería de plomo puede cargarse a altas corrientes en función del tiempo disponible y del SOC de la batería. Dado que los cargadores rápidos están disponibles hoy en día, la recarga de impulso es familiar hoy en día. Normalmente, este tipo de cargadores boost comienzan a cargar a 100A y se reducen a 80A. Lo más importante es que la temperatura no supere los 48-50oC.

Carga por pulsos

¿Qué es la carga de corriente pulsada?

La carga se realiza durante una duración muy corta, es decir, el tiempo de conexión actual en milisegundos (ms), y le sigue un periodo de inactividad (tiempo de desconexión en ms). A veces, una descarga también puede preceder a la carga de impulsos.

Se ha aplicado una técnica de corriente pulsada para la carga rápida de células de plomo-ácido de automóviles. Se ha llegado a las siguientes conclusiones:

  • La técnica de la corriente pulsada puede ejercer efectos muy ventajosos.
  • Mejora la tasa de recarga.
  • Tiene un beneficio en el rendimiento de la vida útil de las baterías de plomo/ácido, especialmente cuando se utiliza un tiempo de encendido de más de 100 ms.
  • Además, esta técnica también puede rejuvenecer las células que han sido sometidas a ciclos de carga de corriente constante.
  • El tiempo de recarga puede reducirse en un orden de magnitud, es decir, de ~10 horas a ~1 hora
  • La vida útil puede multiplicarse por tres o cuatro.
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  • La aplicación de la carga de corriente pulsada a una batería ciclada (capacidad = 80% valor inicial) puede evocar una recuperación de la capacidad de la batería.
  • La pérdida prematura de capacidad se produce tanto en las células de Pb-Sb como en las de Pb-Ca-Sn a altas tasas de descarga con carga de corriente constante.

Para más detalles, los lectores pueden consultar el artículo de Lam y otros citado anteriormente.

Las células submarinas han sido objeto de una carga por impulsos [14. Melvyn James, Jock Grummett, Martin Rowan y Jeremy Newman, Journal of Power Sources 162 (2006) 878-883 879]. Los autores han llegado a la conclusión de que

  1. La capacidad puede mejorarse con la carga por impulsos. Esta mejora de la capacidad

fue dramática para las células más nuevas, relativamente nuevas. Sin embargo, en el caso de las células más antiguas (de 4 a 5 años de antigüedad) se necesitaron 15 o más ciclos de carga de impulsos antes de obtener mejoras en la capacidad.

  • Las células más antiguas habían sufrido una grave sulfatación, que tarda más ciclos en descomponerse.
  • Algunas sulfataciones son imposibles de revertir.
  • El uso de la carga por impulsos también indicó que la carga de gasificación podía reducirse sustancialmente.
  • La evolución del gas se reduce al aumentar la frecuencia de los impulsos. Esto es más pronunciado con la evolución del oxígeno, que es un factor importante para las baterías de submarinos que sufren de corrosión de la placa positiva, ya que el oxígeno se desprende de la placa positiva durante la carga de gas.
  • Tras la aplicación de la carga por impulsos a una célula, los efectos beneficiosos permanecen aunque se reanuden las rutinas de carga convencionales.

A continuación se muestra un programa típico de carga por impulsos:

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La aplicación de la carga por impulsos puede ayudar a evitar que la sulfatación se acumule con el tiempo. Puede ser capaz de reducir la acumulación de sulfatación en las células con una carga y un mantenimiento adecuados si se utiliza la carga por pulsos desde el principio. Una acumulación de sulfatación que ya se ha producido no puede revertirse con este método. Si las células se igualan constantemente o se sobrecargan, esto daña las células, reduciendo su capacidad y vida. Microtex recomienda probar la gravedad específica de sus baterías con regularidad para saber cuánto durarán, identificar cualquier célula débil o que falle, y confirmar su estado de carga. En caso de acumulación de sulfatación o de desequilibrio de la carga, se pueden seguir los siguientes pasos.

Carga rápida o veloz - Cargador de batería

Hace veinticinco años, se creía que las baterías de plomo-ácido no debían cargarse a altas velocidades porque el material activo positivo se dañaría irremediablemente. Se creía que la carga rápida daría lugar a niveles excesivos de corrosión en la red y gaseado, lo que provocaría un fallo rápido y temprano de las baterías VRLA.

La carga rápida está demostrando que no sólo ahorra tiempo y energía, sino que también elimina los gases y reduce el mantenimiento. La carga rápida fue propuesta por primera vez por Kordesch en el año 1972 para las pilas de Ni-Cd selladas, [17. K. Kordesch, J. Electrochem. Soc., 113 (1972) 1053] fue desarrollada posteriormente en 1993 por Norvik Technologies en Canadá para las pilas VRLA.

Su Minitcharger™ demostró que la recarga de baterías de Ni-Cd muy descargadas podía conseguirse en 5 o 10 minutos [18. J.K. Nor, Patente estadounidense 5.202.617(1993)].

En la primera parte de la década de 1990, Valeriote, Nor y Ettel, de Cominco (Canadá), hicieron avanzar esta tecnología hasta las baterías convencionales de plomo-ácido [19. E.M. Valeriote, J. Nor, V.A. Ettel, Proc. Fifth International Lead-Acid Battery Seminar, Vienna, VA, USA, 17-19 April 1991, pp 93-122].. En el año 1994, Valeriote, Chang y Jochim demostraron que el proceso también era adecuado para las baterías VRLA de placa fina [M. Valeriote, T.G. Chang, D.M. Jochim, Proc. de laConferencia Anual de Baterías sobre Aplicaciones y Avances, Long Beach, CA, EE.UU., enero de 1994, pp. 33-38].

Desde principios de los años noventa, esta técnica se aplica a las baterías de tracción de todo tipo [20. K. Nor y J.L. Vogt, Proc. 13th Annual Battery Conference on Application and Advances, 13-16 de enero de 1998, Long Beach, CA, 191-197].

En 1994 se estudiaron los efectos de la carga muy rápida en los siguientes dos tipos de baterías híbridas de plomo/ácido de ciclo profundo utilizando un MinitchargerÔ (Norvik Traction Inc., Canadá) [21. T.G. Chang, E.M. Valeriote y D.M. Jochim, J. Power Sources 48 (1994) 163-175].

  • Las baterías híbridas inundadas (denominadas «AP» en este trabajo) tenían rejillas positivas fabricadas con una aleación antimonial del 4,7% y rejillas negativas del tipo expandido fabricadas con una aleación de alto calcio y bajo estaño (Pb- 0,1 wt.% Ca-0,3wt.% Sn). El peso de la PAM era de ~800 g, y el de la NAM de ~ 540 g en cada célula. Era del tipo de descarga profunda y tenía una capacidad de 80 Ah20, 54,4 Ah5 y 50,9 Ah3)
  • Se fabricaron baterías reguladas por válvula con rejillas positivas fundidas por gravedad a partir de una aleación con bajo contenido de antimonio (Pb -1,5wt. % Sb-0,3wt. % Sn (esta batería se denomina «ST» en este trabajo). La configuración era 5P + 6N. Las rejillas negativas se fundieron con una aleación de Pb-O.12wt.%Ca-O.4wt.%. Estas baterías estaban destinadas a aplicaciones de ciclo profundo. Las capacidades de las baterías eran de 54,5 Ah5 y 52,5 Ah3

Se ha comprobado que se pueden conseguir tasas de recarga de 5 minutos/50% y de 15 minutos/80%, en el caso de una batería inundada, con un aumento de temperatura bastante aceptable. Tras una profundidad de descarga del 80%, la fuente de calor dominante fue la óhmica durante el primer 40% de la carga devuelta a tasas muy altas, 300 A (5 a 6 C3 amperios). Las temperaturas se distribuyeron de forma no uniforme dentro de la batería. Después de esto, la polarización no óhmica se volvió progresivamente más importante. Para la batería híbrida de recombinación, el ciclo de oxígeno es una fuente sustancial de calor durante las últimas etapas de la carga, especialmente en comparación con las baterías no antimoniales que se han investigado anteriormente [21 T.G. Chang, E.M. Valeriote y D.M. Jochim, J. Power Sources 48 (1994) 163-175].

Carga rápida de baterías inundadas y VRLA

Tabla 6.

[21. T.G. Chang, E.M. Valeriote y D.M. Jochim, J. Power Sources 48 (1994) 163-175].

Batería de agua Batería regulada por válvula
Tasas de recarga de 5 minutos/50% y de 15 minutos/80%.
Aumento de la temperatura Aceptable Aceptable
Fuente de calor Óhmico (hasta el 40 % de la carga) El ciclo del oxígeno es una fuente importante de calor durante las últimas etapas de la carga
Cargando cargado a una tensión constante sin resistencia de 2,45 V/célula (14,7 V/batería) cargado a una tensión constante sin resistencia de 2,45 V/célula (14,7 V/batería)
Actual 250 a 300 A (5 a 6 amperios C3) 250 a 300 A (5 a 6 amperios C3)
En los 3 minutos iniciales 1 V más alto que el VRB
Reducción actual Empezó a bajar del nivel de 300 A después de 3 minutos de carga Empezó a bajar del nivel de 300 A después de 3 minutos de carga
Temperatura Calentamiento óhmico más elevado y una tasa de aumento de la temperatura mucho mayor; comenzó a disminuir después de 4 min. La corriente comenzó a disminuir sólo después de 4 minutos de carga, y fue superior a la del tipo inundado durante el resto del período de carga.
Cuando la corriente para la batería VR disminuyó, la tasa de aumento de la temperatura se hizo mayor. Al cabo de 6 minutos, aunque la temperatura seguía subiendo, el ritmo de aumento comenzó a disminuir. La temperatura empezó a descender lentamente sólo después de unos 20 minutos de carga; con el mismo voltaje constante sin resistencia, la batería VR aceptó una corriente más alta, lo que generó aún más calor. La energía gastada en el ciclo del oxígeno se convierte completamente (100%) en calor, en comparación con el 40% aproximadamente de la descomposición del agua.

Figura 17. Carga: Vref=2,45 V/célula; Corriente, I, =3OO A máx.; DOD = 80%. [21. T.G. Chang, E.M. Valeriote y D.M. Jochim, J. Power Sources 48 (1994) 163-175].

Comparación de la carga rápida de baterías inundadas y VRLA.

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Tabla 7. Duración de la batería con MinitCharger®.

[22. K. Tomantschger, E.V. Valeriote, J.S. Klarchuk, T.G. Chang, M.J. Dewar, V. Ferrone, y D.M. Jochim, Proc. 13

Conferencia anual de baterías sobre aplicacionesy Avances, 13-16 de enero de 1998, Long Beach, CA, 173-178].

Tipo de batería Duración del ciclo de la batería
Cargador de baterías convencional MinitCharger®. Fuente
Pilas de Ni-Cd, tipo A 500 1400 INCO(1989)
Pilas de Ni-Cd, tipo B 450 1900 INCO(1996)
Pilas de Ni-MH, tipo A 400 1600 INCO (1996)
Pilas de Ni-MH, tipo B 1500 Más de 4000 INCO (1996)
Batería de tracción de plomo, tipo VRLA 250 1500 COMINCO (1997)

Chang y Jochim también han obtenido resultados similares. Sometieron las baterías VRLA de 12V (del tipo enrollado en espiral) a pruebas de ciclos de carga convencional y de carga rápida [21. T.G. Chang, E.M. Valeriote y D.M. Jochim, J. Power Sources 48 (1994) 163-175. 23. Chang, T.G., Jochim, D.M., J. Power Sources, 91 (2000) 177-192]. La duración del ciclo fue de 250 ciclos para el régimen de carga convencional y de 1000 ciclos para el régimen de carga rápida.

La carga muy rápida ha tenido un gran éxito y se ha traducido en una mayor vida útil. Una encuesta ha demostrado que el equipo de investigación de Cominco [ 22. K. Tomantschger, E.V. Valeriote, J.S. Klarchuk, T.G. Chang, M.J. Dewar, V. Ferrone y D.M. Jochim, Proc. 13th Annual Battery Conference on Application and Advances, January 13-16, 1998, Long Beach, CA, 173-178.] realizó una encuesta y el equipo descubrió que treinta variedades de baterías de plomo-ácido disponibles en el mercado son capaces de recargarse al 50% en 5 minutos, al 80% en 15 minutos y al 100% en 30 minutos. En este sentido, el rendimiento de VRLAB es mejor que el de las baterías SLI inundadas.

Los materiales activos con carga positiva convencionales se caracterizan por tener partículas más grandes y numerosos poros grandes. En las placas de carga rápida no se observaron partículas grandes, poros o vacíos. Las placas cargadas de forma convencional presentaban 2m2/g de superficie de PAM y las cargadas a alta corriente presentaban un valor de superficie de 3m2/g incluso después de 900 ciclos [22. K. Tomantschger, E.V. Valeriote, J.S. Klarchuk, T.G. Chang, M.J. Dewar, V. Ferrone y D.M. Jochim, Proc. 13th Annual Battery Conference on Application and Advances, 13-16 de enero de 1998, Long Beach, CA, 173-178].

En este último caso, la PAM se expandió lentamente y, por consiguiente, se ejerció menos presión sobre el separador y la placa negativa, lo que redujo el riesgo de cortocircuitos en los separadores y la densificación de la NAM. El efecto dramático de la carga rápida es que al someter a la prueba de ciclo de vida a las baterías VR LAB de 12V/50Ah enrolladas en espiral (cuando se prueban bajo los regímenes de carga de 10h y 15 minutos) las baterías cargadas convencionalmente podrían dar sólo 250 ciclos (hasta el 80% de la capacidad inicial) mientras que las que están bajo el régimen de carga rápida podrían dar unas cuatro veces más ciclos.

Imágenes SEM de PAM y NAM de placas convencionales y de carga rápida

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Un resultado similar se ha obtenido en los trabajos de P. T. Moseley [Journal of Power Sources 73 _1998. 122-126] Proyecto ALABC-CSIRO nº. AMC-009). La carga de las baterías VRLA a alta velocidad restablece el material activo positivo en una forma de alta superficie caracterizada por un hábito de aguja y cuando la batería se recarga a tasas más bajas el material activo positivo forma partículas más grandes.

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Diagrama del cargador de baterías

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¿Cuánto tiempo se puede dejar un cargador de baterías en una batería?

Esto depende de dos factores:

  1. ¿Si el cargador está vivo o no?
  2. ¿Existe una disposición para dar carga de refresco intermitente en el cargador?

Si el cargador está apagado, probablemente no haya ningún inconveniente en dejar la batería conectada al cargador, siempre que no haya un mal funcionamiento de alguna parte de la carga, como una conexión incorrecta de los cables de CA que conducen a los cargadores.

Sin embargo, si el cargador está encendido, es preferible desconectar la batería para que los efectos nocivos de la sobrecarga no reduzcan la vida útil de la misma.

En caso de que haya una disposición para dar carga de refresco intermitente en el cargador, se puede dejar la batería conectada al cargador. Esto ayudará a mantener la batería en una condición de carga completa y se puede utilizar en cualquier momento que se requiera la batería.

¿Cómo funciona un cargador de baterías de coche?

El sistema eléctrico del automóvil consta de los siguientes componentes:

El sistema de arranque, alumbrado y encendido (sistema SLI) tiene componentes/equipos mecánicos y eléctricos que funcionan al unísono para arrancar el motor y mantener el vehículo en buen estado de funcionamiento.

Los principales componentes son:

  1. Interruptor de encendido
  2. La batería de 12V o 24 V.
  3. Motor de arranque de CC de alto par (o motor de arranque) con componentes asociados
  4. Disposición del alternador-rectificador
  5. Controladores o reguladores de tensión (relés de desconexión y conexión)

Cuando el conductor acciona el interruptor de encendido, fluye una fuerte corriente desde la batería hasta el motor de arranque a través de un circuito de control y el motor de arranque puede hacer girar las ruedas y así el vehículo comienza a moverse.

El propósito de un motor de arranque es ayudar al motor a alcanzar cierta velocidad para que pueda funcionar. Por lo tanto, el motor de arranque ayuda a que el motor alcance la velocidad prevista para hacer funcionar el coche. Una vez hecho esto, el motor de arranque ya no es útil y por lo tanto se apaga.

En el cargador automático de baterías, se incorpora un circuito sensor de tensión para detectar la tensión de la batería que se está cargando. El cargador se desconecta automáticamente cuando la tensión de la batería alcanza el nivel óptimo requerido.

La corriente fluye a lo largo de un único cable desde el terminal positivo de la batería hasta el componente que se alimenta, y de vuelta a la batería a través de la carrocería metálica del coche (que está hecha la tierra, el terminal negativo de la batería está conectado a la carrocería del coche). El cuerpo está conectado al terminal de tierra (terminal negativo) de la batería mediante un cable grueso.

La corriente suministrada por la batería al motor de arranque es de 3 a 4 veces la capacidad de la batería, de 150 a 400 amperios). Es decir, la batería suministra una corriente de 3C a 4C amperios al motor de arranque. Por lo tanto, el cable que transporta esta corriente debe estar adecuadamente diseñado para la menor caída de tensión. Las dos funciones principales del sistema de encendido de un automóvil son producir suficiente voltaje para que pueda crear fácilmente una chispa para quemar la mezcla de aire y combustible y, en segundo lugar, ejercer el control sobre la sincronización de la chispa y transmitirla al cilindro apto. Un sistema de encendido de automóvil típico produce un voltaje de entre 20000 voltios y 50000 voltios a partir de una fuente de 12 voltios.

El tamaño de la batería varía según la capacidad del coche. Así, para un coche pequeño como el Maruti 800 o el Alto, se utiliza una batería de 12V/33 Ah, mientras que para un camión Tata o Benz se utiliza una batería de 12V o 24 V/180 Ah.

El sistema de carga de un automóvil suele generar una tensión de entre 13,5 y 14,4 voltios cuando el motor está funcionando. Produce corriente eléctrica para el funcionamiento de las luces del automóvil, los equipos de música, la calefacción y el sistema eléctrico del motor. Hace tiempo, los generadores de corriente continua se utilizaban en los automóviles. A principios de los años 60, el sistema alternador-rectificador sustituyó al generador de corriente continua por sus ventajas sobre el otro. Pero con los avances en electricidad y electrónica, todos los coches utilizan una disposición de alternador-rectificador (se genera CA y se convierte en CC).

En los motores de encendido por chispa, se necesita un dispositivo para encender la mezcla de aire comprimido y combustible al final de la carrera de compresión. El sistema de encendido cumple este requisito. Es una parte del sistema eléctrico que transporta la corriente eléctrica a la tensión requerida a la bujía que genera chispa en el momento correcto. Consta de una batería, un interruptor, una bobina de encendido del distribuidor, bujías y el cableado necesario.

Un motor de encendido por compresión, es decir, un motor diésel, no requiere ningún sistema de encendido, ya que, el autoencendido de la mezcla de combustible y aire tiene lugar cuando el diésel se inyecta en el aire comprimido a alta temperatura al final de la carrera de compresión.

Para evitar que la batería se agote, los fabricantes emplean un regulador de voltaje/corte. Conecta/desconecta el generador de la batería.

Cuando la salida del generador es inferior a la tensión de la batería, entonces desconecta el generador de la batería. En cambio, cuando la potencia es mayor, conecta el generador de nuevo a la batería. Así, se evita que la batería se descargue a bajas velocidades del motor. Cuando la tensión en los bornes de la batería alcanza entre 14,0 y 14,4 V, el relé de desconexión desconecta la batería del circuito de carga.

¿Puedo arrancar el coche con el cargador de batería conectado?

Si no se puede arrancar el vehículo con la batería existente, se puede suministrar la tensión continua adecuada desde un cargador, conectando los cables del cargador como si fueran los terminales de otra batería similar. Esto es igual que arrancar un vehículo con un jump-start. Hay que tomar las debidas precauciones antes de realizar este trabajo. Hay que buscar la ayuda de un profesional.

¿Cuáles son los mejores cargadores según la aplicación?

Cargador de baterías invertido

Los inversores son dispositivos eléctricos/electrónicos que convierten la corriente continua de las baterías en corriente alterna para abastecer las necesidades de los hogares o pequeños establecimientos. El rectificador realiza la función inversa. Es decir, el rectificador convierte la CA en CC. La corriente continua es el tipo de corriente eléctrica necesaria para cargar la batería y hacer funcionar algunos aparatos.

Los inversores domésticos suelen tener una o dos baterías de 12 V en función de las necesidades energéticas de cada vivienda.

El sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) es un dispositivo similar, pero el tiempo que transcurre entre el fallo de la red eléctrica y la reanudación por parte del SAI es inmediato (retardo cero), mientras que en un inversor el retardo es de 10-20 milisegundos. En algunas unidades de producción y en los bancos, este retraso provocará enormes pérdidas y una situación embarazosa para los clientes y los banqueros. Por ejemplo, en un ordenador de sobremesa doméstico, la pantalla se apaga cuando se conecta a un inversor, mientras que no se siente el apagón en el caso de un SAI.

Como bien sabemos, si las baterías se cargan a tensiones superiores a 14,4 V por cada batería de 12 V, de las mismas emanarán odiosos humos malolientes y un indeseado olor a huevo podrido, además de la formación de productos de corrosión alrededor de los terminales y conectores, por lo que estas baterías no pueden alcanzar tensiones de carga superiores a unos 14,0 V y el valor de ajuste preferido es de 13,8 V. Debido a la reducción de la tensión de carga, también se reduce la pérdida de agua por electrólisis, lo que da lugar a largos intervalos entre dos recargas con agua aprobada. Y una rectificación de onda completa con filtros es un buen complemento.

Cargador de baterías para coches

El sistema eléctrico del automóvil se encarga de la carga de la batería SLI de a bordo. Como se ha comentado en el apartado de carga modificada de potencial constante, el sistema tiene una resistencia incluida en serie para mantener la corriente de arranque inicial dentro del límite permitido. La tensión máxima de carga es de 14,0 a 14,4 V para una batería de 12 V. La batería SLI, al ser una batería de ciclo superficial, se carga siempre que la tensión baja a un nivel predeterminado.

Para la carga, la batería está conectada al estator del alternador a través de un dispositivo electrónico llamado diodo, que permite un flujo de sólo en una dirección, es decir, la corriente del estator a la batería y no en la dirección inversa cuando el alternador está parado.

Por lo tanto, evita la descarga no deseada del paquete de baterías.

El relé de corte actúa como disyuntor entre el sistema de carga y la batería cuando el alternador no genera corriente. Evita la descarga de la batería en caso de que el generador no funcione o funcione a velocidades muy bajas.

La adición periódica de agua es un requisito de mantenimiento en las versiones anteriores de las baterías. Pero, las baterías avanzadas tienen bajos niveles de gaseo y la adición de agua es casi eliminada, o una vez en 12 a 18 meses.

Cargador de baterías para aplicaciones fijas

Una batería estacionaria es la fuente de alimentación de emergencia en varias instalaciones, en las que la interrupción del suministro de energía, incluso durante una fracción de segundo, no es tolerable. Las grandes instalaciones de baterías a las que se recurre sólo durante un tiempo muy breve para suministrar energía se denominan fuentes de alimentación estacionarias o de reserva o de emergencia. Se utilizan en los servicios públicos, en los equipos de conmutación y en otros entornos industriales. Estas baterías se utilizan para suministrar energía durante el periodo inicial hasta que puedan poner en marcha un generador para que éste pueda asumir la función.

Aunque hay varios tipos de baterías de plomo-ácido (baterías de placa plana, baterías Planté, baterías de placa cónica, etc.) y baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) disponibles para esta aplicación, la mayoría de los usuarios prefieren las baterías estacionarias tubulares de tipo inundado, en particular, el tipo OPzS, para este propósito.

La característica más importante de un banco de baterías estacionario es el suministro inmediato de energía de la batería en caso de fallo de la red eléctrica normal. Por ello, la batería debe estar siempre en condiciones de estar completamente cargada. Por lo tanto, el sistema de carga adquiere importancia. Su fiabilidad es muy importante.

Estas baterías se cargan por flotación en modo de potencial constante. Vienen en grupos de voltaje de 24, 48, 72, 120 y 130 V. La capacidad puede variar desde 40 Ah hasta algunos miles de amperios hora.

De 6 a 50 amperios DC. Se incluyen alarmas integradas para alta tensión de CC, baja tensión de CC, fallo de tierra positivo y negativo, y fin de descarga. El cargador de baterías industrial tiene controles digitales y una pantalla LCD. Se incluyen varias características de seguridad, como la protección de los cables en todos los terminales de campo y la protección total de la entrada de CA y la salida de CC

Pautas sencillas para comprar un cargador de baterías

A continuación se indican las pautas para seleccionar un cargador de baterías:

  • Conozca el voltaje de la batería que va a cargar. En el caso de una pila de plomo, se necesitan 3 voltios por cada pila para una carga satisfactoria y normal. Así, para una batería de 12 V, compra un cargador con una salida de 20 V de corriente continua en los bornes.
  • En cuanto a los detalles de los amperios (es decir, la corriente): a partir de la etiqueta de la batería, averigua la capacidad de la misma. Si la capacidad es de 100 Ah a un ritmo de 10 horas, entonces una salida de corriente del 10% es suficiente. Por lo tanto, se sugiere un cargador de 10 A. Pero también puedes optar por un cargador de 15 A; entonces el coste será mayor. La ventaja es que la batería se puede cargar en un tiempo menor. Las baterías pueden absorber corrientes más altas en los períodos iniciales. Así, puedes cargarlo a 15 A durante el primer 50 % de entrada y luego reducir la corriente al 10 %. normal %.
  • El cargador puede estar equipado con un voltímetro y un amperímetro digitales o analógicos. Una instalación adicional sería un medidor digital de Ah. Además, se puede añadir una protección contra la inversión de la polaridad. Esto protegerá tanto la batería como el cargador.
  • Un rectificador de onda completa con filtros es bueno para obtener una mayor duración de las baterías. Un cargador de este tipo producirá pocas ondulaciones de CA y, por tanto, la corrosión de las rejillas positivas y el aumento de la temperatura del electrolito durante la carga serán menores.
  • En resumen, para una batería de 12 V/100 Ah, un cargador de 20V/10 amperios con medidores digitales y filtros con rectificación de onda completa y protección contra polaridad inversa es una buena compra.

Cargador de baterías para trenes

[Referencias: Manual sobre la unidad de rectificador electrónico cum regulador (ERRU) de 25 kW/4,5kW de los entrenadores SG TL &AC,) septiembre de 2019. «Servicios generales: Train Lighting», por Institution of Railway Electrical Engineers (IREE), Gobierno de la India, Ministerio de Ferrocarriles, septiembre de 2010].

Vaya donde vaya, la electricidad es necesaria y los vagones de tren no están exentos de hacer funcionar las luces y los ventiladores. En el caso de los autocares con aire acondicionado, se necesita una buena cantidad de electricidad para hacer funcionar las unidades de aire acondicionado instaladas en el interior del autocar.

Uno de los métodos convencionales para generar electricidad es el uso de alternadores accionados por los ejes de los vagones de ferrocarril con una batería de suficiente capacidad de amperios-hora conectada en paralelo para alimentar la energía al vagón en condiciones de baja tensión. Este tipo de entrenadores se denominan «autogeneradores» (SG).

En estos autocares SG, se utilizan inicialmente unidades rectificadoras y reguladoras (RRU) controladas por un amplificador magnético para convertir la salida de CA del alternador en CC y regular/controlar la tensión de CC generada mediante la regulación de la corriente de campo del alternador. Esto también evita el flujo inverso de la corriente de la batería al alternador durante los períodos de no generación.

Esta corriente continua rectificada y regulada se utiliza para hacer funcionar los distintos equipos y accesorios eléctricos del autocar y para cargar las baterías.

Las baterías de plomo de 110 V / 120 Ah10 de capacidad están dispuestas a partir de unidades monobloque de 3 celdas en los vagones de gálibo ancho (B.G.) en cajas bajo techo. En cada uno de los extremos de la pared se han colocado cuatro números de cajas de terminales de alimentación de emergencia para el vagón B.G. y un número para el vagón M.G. para interconectar el vagón con el vagón adyacente para recibir energía, en caso de que falle la generación.

Una caja de bornes de emergencia se encuentra en el centro de cada lado del bastidor para facilitar la carga de la batería desde una fuente externa. (Por ejemplo, cuando el tren está parado en los andenes de los cruces ferroviarios). Para los autocares BG AC se utilizan alternadores sin escobillas de 18 kW / 25 kW. En los coches AC-2 Tier /AC-3 Tier / Chair Cars se utilizan dos alternadores de este tipo y en el First AC coach sólo se utiliza un alternador. Baterías de 800 / 1100 Ah de capacidad a 10 h de potencia se utilizan en I AC / AC-2 Tier / AC-3 Tier/coche silla de B.G. Coaches.

Aunque el primer tren de la India recorrió 34 km con 400 personas el16 de abril de 1883 desde Bori Bunder (ahora rebautizado como CST de Mumbai) hasta Thane, el sistema de iluminación del tren (TL) a través de una dinamo accionada por un eje fue pionero en M/s. J. Stone & Co. no llegó a los Ferrocarriles Indios hasta 1930. Los alternadores dinámicos / sin escobillas accionados desde el eje mediante correas planas / en «V», suministran la carga cuando el tren está en movimiento y cargan las baterías. Las baterías suministran la carga cuando el tren está parado en los andenes y otros lugares.

En la actualidad se utilizan los siguientes sistemas de iluminación de trenes

1) Sistema accionado por eje que funciona con una alimentación de 110 V DC.

2) Generación intermedia con 415 V, generación trifásica de AC 110 V utilización.

3) Fin en la generación con generación trifásica de 415 V y utilización de CA de 110 V

4) Fin en la generación con generación trifásica de 750 V y utilización de CA de 110 V

Todos los autocares que se están construyendo tienen sólo un sistema de 110 V. Los autocares que funcionan con sistemas de 24 V ya se han convertido a un sistema de 110 V.

A continuación se indican los valores nominales en los bornes de salida de CC de la ERRU para diferentes potencias del alternador:

(i) 25 kW, 130V, 193A

(ii) 4,5 kW 128,5V 35A

La ERRU está montada en el bastidor inferior del autocar y está diseñada para funcionar satisfactoriamente a una temperatura que oscila entre los -5 y los 55 grados C y con una humedad relativa del 98%. También está diseñado para trabajar en una zona muy polvorienta, para soportar las vibraciones de servicio y los golpes de maniobra.

La transmisión de potencia se realiza mediante correas trapezoidales. Un total de 12 números (6 en cada lado) y 4 números (sólo en un lado) de tamaño C-122 se proporcionan en los alternadores AC y TL respectivamente. (sólo un lado) de tamaño C-122 se proporcionan en los alternadores AC y TL respectivamente. La velocidad del alternador varía de 0 a 2500 RPM. El diámetro de la rueda del vagón es de 915 mm cuando es nueva y de 813 mm cuando está totalmente desgastada, se considerará el diámetro de la rueda nueva para hacer los cálculos de la velocidad del tren en km/h correspondientes a la velocidad de conexión y a la velocidad mínima para el pleno rendimiento (MFO) del alternador.

A continuación se indican las características de salida de la unidad de rectificador electrónico y regulador (ERRU) (tanto de 25 kW como de 4,5 kW):

La tensión de salida de CC en vacío es de 135 V como máximo, que se puede ajustar en 128 ± 0,5 V, 97 A (para baterías de 1100 y 650 Ah) y 128 ± 0,5, 19 A para baterías de120 Ah ) a 1500 rpm (a medio camino entre las velocidades mínima y máxima), siendo la regulación de la tensión de ± 2 %, el rendimiento del 95% (mínimo). La ondulación de la tensión se mantiene dentro del 2 %. La variación de carga es de 10 A a 193 A a velocidades de 400 rpm a 2500 rpm (para baterías de 1100 y 650 Ah ) y de 350 RPM a 2500 rpm (baterías de 120 Ah).

Para las baterías de mayor capacidad, la tensión a una sobrecarga del 15% es de 120 V (mínimo) a 222 A, estando la corriente limitada a 230 A (máximo). Para una batería de 120 Ah, la tensión en la sobrecarga de 40 A se fija en 115 V (mínimo).

El límite de corriente de carga de la batería es de 220 A para la batería de 1100 Ah, 130 A para la batería de 650 Ah y 24 A para la batería de 120 Ah (máximo). Los dos últimos parámetros pueden ajustarse desde el Controlador Universal de Tensión (UVC), así como desde el Panel de Indicación del Autocar (CIP).

En el caso de la EERU de 4,5 kW, la variación de carga será de 1 A a 37,5 A entre 350 RPM y 2500 rpm. La tensión a la sobrecarga de 40 A es de 115 V (mínimo), estando la corriente limitada a 43 A (máximo).

Podemos ver que la corriente de carga es de 1100/220 = 5; 650/130= 5 y 120/24 = 5. Es decir, la corriente de carga está limitada para todas estas baterías es de C/5 amperios, siendo la tensión máxima de 128 V. (es decir, un 16 % por encima del OCV del banco de baterías).

Para más detalles sobre los diagramas de bloques para el entrenador general, el cableado será como el siguiente diagrama y el diagrama de bloques del sistema Alternador-ERRU, el enlace dado a continuación puede ser referido:

Cargador de baterías de tracción

El rendimiento y la vida útil de las baterías de las carretillas elevadoras dependen del cargador de baterías de tracción y de los métodos de carga empleados. El cargador de baterías de la carretilla elevadora debe seleccionarse de acuerdo con la tensión y los Ah de las baterías.

Un buen cargador de baterías para carretillas elevadoras

    • Debería limitar el aumento de la temperatura durante la carga
    • Sin sobrecarga indebida, el cargador debe dejar de suministrar corriente a la batería en el momento adecuado
    • Debe tener la posibilidad de carga de ecualización (es decir, carga a corrientes más altas).
    • En caso de situaciones de peligro, se debe prever un dispositivo de apagado automático.
    • Debe ser programable mediante un microprocesador o un PC.
    • En algunos cargadores, también se proporciona agitación de aire a través de finos tubos de aire en las celdas.

El rango de tensión de carga varía entre 24 V y 96 V.

La corriente depende de la capacidad de la batería, que oscila entre 250 Ah y 4000 Ah

Métodos de carga de la batería de tracción

Carga cónica de un solo paso: El cargador comienza su trabajo a unos 16A/100Ah y la corriente se va reduciendo a medida que aumenta el voltaje de la célula. Cuando el voltaje de la célula alcanza los 2,4 V/célula, la corriente disminuye a 8 A/100 Ah y luego alcanza la tasa de acabado de 3 a 4 A/100 Ah. La carga se desconecta mediante un temporizador. Puede tardar entre 11 y 13 horas (factor de entrada de Ah 1,20) para baterías descargadas al 80 % sin agitación de aire.

La diferencia en el tiempo de carga se debe a la variación de la corriente de arranque, es decir, si la corriente de arranque es de 16 A/100 Ah, la duración es menor y si es de 12A/100Ah, la duración es mayor. Con la instalación de agitación por aire, la duración se reduce a 9 u 11 horas (factor de entrada de Ah 1,10).

Carga cónica en dos pasos (modo CC-CV-CC): Es una mejora respecto al método anterior. El cargador comienza con una corriente más alta de 32 A / 100 Ah. Cuando la tensión de la célula alcanza los 2,4 V por célula, el cargador cambia automáticamente al modo de disminución y la corriente continúa disminuyendo hasta que se alcanzan los 2,6 V por célula y la corriente pasa a una tasa de acabado de 3 a 4 A/100 Ah y continúa durante 3 a 4 horas. Puede tardar entre 8 y 9 horas (factor de entrada de Ah 1,20) para baterías descargadas al 80 % sin agitación de aire. Con la instalación de agitación por aire, la duración se reduce a 7 u 8 horas (factor de entrada Ah 1,10).

Carga de baterías VRLA gelificadas: (modo CC-CV-CC):

El cargador comienza con una corriente de 15 A / 100 Ah. Cuando la tensión de la célula alcanza los 2,35 V por célula, el cargador pasa automáticamente al modo cónico y el cargador pasa al modo CV con la misma tensión. Esto lleva un máximo de 12 horas. El paso de CV se mantiene constante mientras la corriente de carga desciende a un valor limitado de 1,4 A/ 100 Ah. La segunda fase puede durar unas horas, siendo un máximo de 4 horas. Esta duración depende de la duración de la primera fase.

Cargador de baterías de carretillas elevadoras de alta frecuencia

Los cargadores existentes suelen ser de dos tipos: ferrorresonantes y rectificadores controlados por silicio (SCR). Son más asequibles, pero también son menos eficientes.
Los cargadores de baterías que incorporan dispositivos de potencia de conmutación de alta frecuencia, por ejemplo, el MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico) y el IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) funcionan a frecuencias muy superiores a las de la línea (de unos pocos kHz a un par de cientos de kHz). En cambio, los MOSFET y los IGBT, con su capacidad de encendido y apagado total, pueden controlarse con precisión en cualquier momento para que un cargador produzca la salida deseada. Los SCR son dispositivos semicontrolados con un apagado incontrolable.

Los cargadores HF funcionan como fuentes de alimentación conmutadas, lo que significa que encienden y apagan los interruptores electrónicos a altas frecuencias (50-170 kHz).

Las ventajas de esta tecnología de alta frecuencia incluyen:

Cargador de baterías de alta frecuencia
Hasta 170 kHz de alta frecuencia Las pérdidas por conversión son menores
Mayor eficiencia de carga (del 87 al 95%) Menor coste energético (hasta un 20%) gracias al ahorro de energía
Reducción de la corriente de ondulación de CA Mayor vida útil gracias al menor aumento de la temperatura. Menores costes de mantenimiento gracias a la menor pérdida de agua
Es universalmente adaptable Las baterías inundadas, AGM y de gel pueden cargarse sin que se produzca una sobrecarga o una infracarga.
Menor tamaño, menor peso y mayor ahorro de espacio Tiene un espacio para los pies más pequeño y se puede montar fácilmente a bordo
Estos cargadores están disponibles en diferentes gamas, desde cargadores para baterías de 24 V a 80 V con una corriente de carga de 40 a 300 A.

Cargador de baterías para aplicaciones de baterías de minería subterránea

Las baterías para minería subterránea son principalmente baterías de plomo-ácido de ciclo profundo. La tensión típica oscila entre 48 y 440 V, y la capacidad oscila entre 700 Ah y 1550 Ah.

La carga de estas baterías es similar a la de las baterías de tracción. Las baterías se cargan a
2,6 V inicialmente con una corriente de 21 A a 17 A por 100 Ah y finalmente 4,5 A por 100 Ah como tasa de acabado. La carga puede completarse en 6 a 8 horas.

Las baterías cumplen con la norma IS 5154:2013 Parte 1 (IEC 60254-2006)

Cargador de baterías marinas

Las baterías para aplicaciones marinas pueden clasificarse en dos tipos. Las baterías de arranque tienen placas más finas y son capaces de suministrar grandes ráfagas de energía durante poco tiempo. El otro tipo es una batería de ciclo profundo que se utiliza para otras aplicaciones marinas, como los accesorios electrónicos, el motor de arrastre y los aparatos eléctricos y electrónicos de a bordo. Además, las baterías de doble función funcionan tanto como baterías SLI como baterías de ciclo profundo. Se utilizan cargadores específicos para baterías específicas. El modo CC-CV debe utilizarse en las baterías de plomo VR.

También hay cargadores que pueden cargar hasta cuatro baterías simultáneamente. Se pueden cargar todos los tipos de baterías marinas, baterías VR (tanto AGM como gelificadas), así como baterías inundadas de bajo mantenimiento.

Dado que las baterías y los cargadores se utilizan en las embarcaciones, deben permanecer secos y tener una amplia ventilación. También deben ser resistentes al agua, a los golpes y a las vibraciones y, si es necesario, completamente sellados. Además, debes asegurarte de que los cargadores tienen una función de protección contra la polaridad inversa y son a prueba de chispas.

Cargador de baterías para aplicaciones solares

Debido a las variaciones de la irradiación solar, la producción de los paneles SPV fluctúa. Por ello, se conecta un rastreador digital del punto de máxima potencia (MPPT) entre el panel SPV y la batería para garantizar un proceso de carga sin preocupaciones. Un MPPT es un convertidor electrónico de CC a CC diseñado para optimizar la correspondencia entre el conjunto solar (paneles fotovoltaicos) y el banco de baterías. Detecta la salida de corriente continua de los paneles solares, la convierte en corriente alterna de alta frecuencia y la reduce a un voltaje y una corriente de corriente continua diferentes para adaptarse exactamente a las necesidades de energía de las baterías. A continuación se explica el beneficio de tener un MPPT.

La mayoría de los paneles fotovoltaicos se construyen para una salida de 16 a 18 voltios, aunque la tensión nominal del panel fotovoltaico sea de 12 V. Pero una batería de 12 V nominales puede tener un rango de tensión real de 11,5 a 12,5 V (OCV) en función del estado de carga (SOC). En condiciones de carga, hay que suministrar un componente de tensión adicional a la batería. En los reguladores de carga normales, la potencia extra producida por el panel SPV se disipa en forma de calor, mientras que un MPPT detecta las necesidades de la batería y proporciona una mayor potencia si el panel SPV produce una mayor potencia. De este modo, se evitan el despilfarro, la infracarga y la sobrecarga mediante el uso de un MPPT.

La temperatura afecta al rendimiento del panel SPV. Cuando la temperatura aumenta, la eficiencia del panel SPV disminuye. (Nota: Cuando el panel SPV se expone a una temperatura más alta, la corriente producida por el panel SPV aumentará, mientras que la tensión disminuirá. Como la disminución de la tensión es más rápida que el aumento de la corriente, la eficiencia del panel SPV disminuye). Por el contrario, a temperaturas más bajas, la eficiencia aumenta. A temperaturas inferiores a 25°C (que es la temperatura de las condiciones estándar de ensayo (STC)), la eficiencia aumenta. Pero la eficiencia se equilibrará a largo plazo.

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