ELECTRONICA - PROYECTOS

BATERIAS RECARGABLES NI-CD, NI-MH Y PB-ACIDO

1. INTRODUCCIÓN

2 METODOS DE CARGA DE BATERIAS NI-CD, NI-MH Y PLOMO-ACIDO

2.1 METODOS CARGA DE BATERIAS DE NIQUEL CADMIO (NI-CD)
2.1.1 CARGA NORMAL
2.1.2 CARGA RAPIDA
2.1.3 CARGA ACELERADA
2.2 METODOS DE CARGA DE BATERIAS NIQUEL METAL (NI-MH)
2.2.1 CARGA NORMAL
2.2.2 CARGA RAPIDA
2.2.3 CARGA ACELERADA
2.3 METODOS DE CARGA DE BATERÍAS SLA(SEALED LEAD-ACID) PLOMO-ÁCIDO.
2.3.1 VOLTAJE CONSTANTE
2.3.2 VOLTAJE CONSTANTE Y CORRIENTE CONSTANTE
2.3.3 CARGA RAPIDA

3. CARGA DE BATERIAS DE NIQUEL CADMIO Y NIQUEL METAL

3.1 CARGA NORMAL
3.2 CARGA RAPIDA
3.3 CARGA ACELERADA
3.4 GOTEO O SOSTENIMIENTO DE CARGA
3.5 MEDIDA DE LA RATA DE CARGA
3.6 SENCILLO SISTEMA DE CARGA
3.6.1 CONSIDERACIONES PARA LA CONSTRUCCION
3.6.2 SELECCIÓN DEL TRANSFORMADOR
3.6.3 RECTIFICADOR O PUENTE DE DIODOS

4. PROBLEMAS DE LOS PAQUETES DE BATERIAS NI-CD Y NI-MH

5. RECICLADO DE BATERIAS NI-CD Y NI-MH

6. RECOMENDACIONES PARA EL CUIDADO DE LAS BATERÍAS NI-CD Y NI-MH




1. INTRODUCCION

Dentro de todo equipo electrónico portátil, debe existir una fuente de poder o de alimentación. En gran mayoría de los casos, esta fuente de poder esta constituida por un paquete de baterías; en algunos casos recargables en otras baterías comunes o alcalinas.

Este documento pretende orientar a los interesados en el conocimiento del mantenimiento, carga y reciclado de baterías recargables del tipo níquel cadmio, uno de los tipos mas utilizados cuando de paquetes recargables se trata.

2 METODOS DE CARGA DE BATERIAS NI-CD, NI-MH Y PLOMO-ACIDO

2.1 CARGA DE BATERÍAS DE NI-CD (NÍQUEL CADMIO)

2.1.1 CARGA NORMAL ESTÁNDAR:

Por lo general las baterías Ni-Cd pueden cargarse aplicándoles una corriente constante de C/10 (Capacidad en mAh de la batería dividido 10) durante un periodo de 12 a 15 horas.

2.1.2 CARGA RÁPIDA (6 A 8 HORAS):

No todas las baterías de Ni-Cd (Níquel Cadmio) pueden cargarse con esta rata de corriente. Verifique en la etiqueta de la batería o con el fabricante si la batería soporta este tipo de carga. Para una carga rápida, se aplica a la batería una corriente equivalente a C/5 (Capacidad en mAh de la batería dividido entre 5 ó 0.2xC ) por un periodo de 6 a 8 horas. Para evitar sobrecarga de la batería, este tipo de carga debe complementarse con un temporizador que corte la carga en el tiempo recomendado.

2.1.3 CARGA SÚPER RÁPIDA (1 A 2 HORAS):

Solo algunas baterías de Ni-Cd (Níquel Cadmio) están construidas para soportar este tipo de carga Verifique en la etiqueta de la batería o con el fabricante si la batería soporta este tipo de carga. Los cargadores diseñados para este tipo de carga, son los mas complejos y costosos, pues estos posen además de una fuente de corriente constante, circuitos especialmente diseñados para detectar el rV (Delta de Voltaje) y el tiempo de carga. Recomendado por los fabricantes. Para realizar cargas en tiempos entre 1 o 2 horas, se aplica a la batería una corriente entre 0.5C a 1C ( C/2 a C) hasta que es detectado un descenso en el voltaje ( rV negativo ver gráfico Comportamiento del voltaje Durante la carga). Después de detectar el descenso en voltaje de las celdas, automáticamente se reduce la corriente a un valor mínimo necesario para el sostenimiento de la carga (0.05 a 0.033 C).

2.2 CARGA DE BATERÍAS DE NI-MH (NÍQUEL METAL HYDRIDE)

La baterías de Ni-Mh (Níquel Metal Hydride) son mas sensibles a alas sobrecargas, a su vez la carga genera en ellas aumentos mas rápidos en la temperatura lo cual también la deteriora. Las baterías de Ni-Mh (Níquel Metal Hydride) pueden cargarse rápidamente en periodos de 1 hora con ratas de carga de 1C, sin embargo para evitar el deterioro de las baterías, debe utilizarse para ello equipos cargadores especialmente diseñados que protejan la batería las sobrecargas y los excesos de temperatura.

2.2.1 CARGA LENTA

Cargar baterías con una corriente constante a una rata de C/10 con una terminación de carga delimitada por tiempo (12 Horas) , es un método conveniente para cargar completamente las baterías de Ni-Mh (Níquel Metal Hydride) . La carga deberá detenerse después 12 horas para una batería completamente descargada. Sí la batería no esta completamente descargada, la aplicación de 12 horas de carga , sobrecargará la batería. 2.2.2 CARGA RÁPIDA (4 HORAS)

Una batería Ni-Mh (Níquel Metal Hydride) puede ser cargada con eficiencia y seguridad utilizando corrientes superiores alas descritas anteriormente. Es necesario sin embargo un control de carga para terminar la carga antes de que la batería alcance los limites de temperatura recomendados por el fabricante. Una batería completamente descargada puede cargarse con una rata de C/3 con un temporizador que corte la carga en 3.6 horas. La temperatura de las baterías no puede exceder los 55 ºC por celda.

2.2.3 CARGA SÚPER RÁPIDA (1 HORA)

Para lograr cargar completamente una baterías Ni-Mh en 1 hora sin sobrecargarla y sin que esta sufra deterioro por la temperatura, es necesario que el sistema de carga este equipado con sistemas de terminación de carga combinados (Temperatura dT/dt, Voltaje rV, Tiempo).

Los fabricantes recomiendan hacer la carga en tres pasos:

1. Cargar con una rata de carga de 1C hasta detectar un incremento en la temperatura por celda de 1 ºC por minuto.
2. Aplicar una rata de carga de C/10 terminada por temporizador en ½ hora.
3. Aplicar una corriente de sostenimiento de C/300 por el tiempo que se requiera.

2.3 CARGA DE BATERÍAS SLA(SEALED LEAD-ACID) PLOMO-ÁCIDO

Las baterías de plomo-ácido requieran para su carga un tratamiento diferente a las baterías de Ni-Cd y Ni-Mh, la principal diferencia es que para las de plomo-ácido se utilizan voltajes fijos a cambio de corrientes fijas.

2.3.1 VOLTAJE CONSTANTE

La carga de baterías de Plomo-Ácido se logra aplicando a la batería un voltaje constantes de 2.45 voltios por celda (Ej. Para una batería SLA de 12 voltios, que tiene 6 celdas serán 14.6V), con una temperatura ambiente de 20 a 25 ºC. La carga es tara completa cuando la corriente sigue siendo estable por 3 horas.

2.3.2 VOLTAJE CONSTANTE Y CORRIENTE CONSTANTE

En este método se carga la batería controlando la corriente a 0.4C y el voltaje a 2.45 voltios por celda (Ej. Para una batería SLA de 6 voltios, que tiene 3 celdas serán 7.35V), con una temperatura ambiente de 20 a 25; por un tiempo entre 6 a 12 horas dependiendo de estado de descarga de la batería.

2.3.3 CARGA RÁPIDA

Cuando se carga rápidamente una batería SLA, se requieren altas corrientes de carga por un corto tiempo para restablecer la energía que ha sido descargada. Medidas adecuadas como el control de la corriente de carga son requeridas para prevenir la sobrecarga cuando la carga es completa.

Requerimientos básicos de un cargador rápido para baterías SLA son:

• Suficiente capacidad de corriente
• La corriente de carga debe ser automáticamente controlada para prevenir sobrecarga aún cuando en cargas prolongadas.
• La temperatura ambiente no debe se superior a 40 ºC ni inferior a 0 ºC. Debe garantizarse un ciclo de vida (Carga/descarga) seguro. De acuerdo a las recomendaciones del fabricante.

3 CARGA DE BATERÍAS DE NIQUEL CADMIO Y NIQUEL METAL

Para recargar una batería, es necesario hacer fluir una cantidad de energía a través de ella ( Flujo de corriente). Esta cantidad de flujo de energía es lo que llamamos rata de carga, la cual se mide en miliampers (mA) y de la que depende el tiempo necesario para lograr la carga completa de la batería.

La rata de carga es de vital importancia durante la carga de la batería, pues un exceso de ella pueda dañar , deteriorar o disminuir la vida útil de la batería.

Recordando que, básicamente existen cuatro métodos o ratas de carga para baterías de NI-CD y NI-MH

• Carga larga o normal
• Carga rápida
• Carga acelerada
• Carga de goteo

3.1 CARGA LARGA O NORMAL

En ingles conocida como (Overnight) con este método una batería recargada alcanza su 100% de carga entre 14 a 16 horas. La rata de carga esta determinada por la formula C/10, donde C corresponde a la capacidad de la batería en miliampers hora. Ejemplo: Para cargar una paquete de batería de 600 mAh, la rata de carga para carga normal será de 60 mA, Para una batería de 700 mAh, será de 70 etc. Este método de carga es el mas usado y además el mas seguro, pues las baterías de NI-CD pueden permanecer bajo esta rata de carga durante largos periodos; días e inclusive semanas sin sufrir daños.

3.2 CARGA RÁPIDA

En ingles (QUICK) . Una batería de NI-CD descargada, puede alcanzar su carga máxima en 4 o 6 horas, la rata de carga esta determinada por C/3, es decir, la capacidad especificada de la batería dividido por 3. No es recomendable dejar las baterías a esta rata de carga por mas de 6 horas, pues esto puede generar una sobrecarga de la batería. Muchas baterías de NI-CD pueden aceptar este tipo de carga, pero este no es muy recomendable, porque disminuye el tiempo de vida útil de la batería.

3.3 CARGA ACELERADA

En ingles "FAST ". Con una carga acelerada se logra el 100 % de la carga de la batería en 15 minutos o menos. La rata de carga la determina la formula 3C o tres veces la capacidad especificada de la batería. Muchas baterías de NI-CD hoy en día aceptan este tipo de carga, sin embargo, esta solo debe realizarse utilizando cargadores especializados porque el tiempo de carga es muy critico para prevenir la sobrecarga y deterioro de la batería.

3.4 CARGA DE GOTEO

En ingles (TRICKE o FLOAT) Esta rata de carga proporciona a la batería la energía perdida durante el tiempo en que este sin uso. La rata de carga se define como C/50 (capacidad especificada dividida por 50). Las baterías de NI-CD pueden permanecer bajo esta rata de carga durante un tiempo indefinido, sin que estas sufran daños y sosteniendo siempre el 100% de la carga. El uso de esta rata de carga es solo para sostener la carga de la batería, mas no para cargarla. Antes de usar este método, se debe cargar por completo la batería, preferiblemente con carga normal (16 horas). Nota: Las celdas de batería de níquel cadmio y níquel metal deben cargarse siempre en serie y nunca en paralelo.

3.5 MEDIDA DE LA RATA DE CARGA:

La rata de carga de una batería, es en realidad la cantidad de corriente que circulara a través de ella durante el periodo de carga. Es pues esto que para medirla es necesario abrir el circuito entre el cargador y la batería, para hacer que esta corriente circule por el instrumento de medida (Mili Amperímetro)como se ilustra en la siguiente gráfica.

Si el instrumento a utilizar es análogo (de aguja), la polaridad de conexión es importante, asegúrese de que este correcta. Nota: Si el instrumento (miliamperímero), a pesar de estar bien conectado, indica corriente negativa, esto indica que la corriente esta circulando de la batería hacia el cargador y por tanto no se esta cargando sino que al contrario se esta perdiendo carga. Revise el cargador.

3.6 UN SENCILLO CARGADOR:

El circuito que se muestra a continuación consiste en un sencillo sistema para la carga de baterías de níquel cadmio que suministra una corriente constante al paquete y que considero de fácil construcción.

3.6.1 CONSIDERACIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN:

Resistencia Rs: De esta resistencia depende la rata de carga del sistema, para calcularla utilice la formula 1.25 / Corriente deseada en amperios, por ejemplo, para una rata de carga de 250 mA

Rs=1.25 / .250 = 5.0 ohms ( 1 Amp = 1000 mA).

Aproximando al valor comercial más cercano, tenemos que Rs = 4.7 ohms. Calculando Iout:

Iout=1.25/Rs Iout=1.25/4.7 = 265 mA ( 1 Amp = 1000 mA).

Con la corriente desead y el valor de la resistencia Rs calculado podremos conocer la caída de voltaje sobre la resistencia Rs así:

VRs = Corriente deseada X Rs

En nuestro ejemplo:

VRs = 0.265 X 4.7 = 1.245 Voltios

Esto significa que para obtener la corriente deseada del sistema, debemos tener un mínimo voltaje de fuente de:

Vminfte = Voltaje de batería + VRs

Para nuestro ejemplo suponiendo que la batería que queremos cargar es de 4.8 v

Vminfte = 4.8 + 1.245 = 6.04 Voltios

Calculemos ahora la potencia de la resistencia que usaremos:

PRs = VRs X Corriente deseada

PRs = 1.245 X 0.25 = 0.329 watts

Por tanto una resistencia de ½ de watt (0.5 watts) será segura para nuestro sistema. Si la potencia disipada por la resistencia es superior a la potencia nominal de la resistencia, esta sufrirá calentamiento y probablemente su ruptura.

3.6.2 SELECCIÓN DEL TRANSFORMADOR:

EL transformador deberá tener un voltaje secundario superior al voltaje mínimo de fuente (Vminfte) que acabamos de calcular. Unos 3 voltios por encima de este valor estará bien. El voltaje primario dependerá del que disponga en la zona donde se usara el cargador normalmente (110 o 220 voltios)

3.6.3 RECTIFICADOR O PUENTE DE DIODOS:

Debe tenerse en cuenta que la corriente que este soporte sea superior a la corriente de carga. Ejemplo para un cargador con una rata de carga de unos 500 mA yo usaría diodos de 1 Amperio como mínimo por seguridad .
Esquema de ayuda para el montaje:

4. PROBLEMAS DE LOS PAQUETES DE BATERÍAS NI-CD Y NI-MH:

No siempre que un paquete de batería deja de funcionar correctamente, hay que remplazarlo por completo, por lo general, el problema lo ocasiona una o algunas de sus celdas. Un deterioro real es cuando alguno o varios de sus elementos se ven dañados irreversiblemente (un corto circuito interno) y estamos obligados a sustituirlos. Un deterioro aparente es cuando los elementos se ven sometidos acondiciones de trabajo extremas, caras y descargas muy rápidas, calentamiento de los elementos, cortocircuitos, largos periodos de almacenaje sin carga, entre otros, y estos elementos ven reducido su rendimiento, llegando a simular su deterioro completo.

El más común es el efecto memoria en el cual la batería nunca llega a cargarse por completo aunque esté en el cargador más tiempo del recomendado para su carga completa y este efecto es debido a que los ciclos de carga y descarga no se realizan completos.

El caso más común es cuando necesitamos usar la batería todos los días y la ponemos en carga unos momentos antes de usarla con una rata de carga rápida, y una vez que la usamos, esta no llega a descargarse por completo. El resultado es que la batería toma como límite el nivel mínimo de carga que tuvo al dejarla de usar y al recargarla, esta no adquiere más carga que la tomó como límite. El efecto memoria ocurre cuando en cada elemento se han producido internamente unos hilillos de material metálico a modo de conductores (debido a efectos químicos) que van cortocircuitando parcialmente a las celdas de la batería evitando que se cargue totalmente y es por lo que la batería disminuye su rendimiento notablemente. Una manera de restaurar el rendimiento de la batería es eliminando esos hilillos por medio de un proceso de reciclaje, el cual logra la regeneración de las baterías.

5. RECICLADO DE BATERÍAS DE NÍQUEL CADMIO Y NIQUEL METAL

Reciclar una batería recargable consiste en descargarla hasta un voltaje predeterminado con una corriente fija de descarga, tomando el tiempo que este proceso tarde. No debe descargarse la batería a menos de este voltaje predeterminado (1.1V por celda), porque esto causaría una inversión de polaridad en la batería o en algunas de sus celdas. En las baterías de níquel cadmio, este voltaje predeterminado es de 1.1 voltios por celda. Ejemplo para una batería de NI-CD de 9.6 voltios de 8 celdas, el voltaje será de 8.8 voltios total. El reciclado de las baterías, no solo permite chequear el correcto funcionamiento de las mismas sino que también es de gran ayuda reciclar periódicamente las baterías para mantener su capacidad al máximo. Este proceso puede eliminar corto circuitos internos en las celdas, y borrar cualquier efecto de memoria que estas puedan haber adquirido.

Es posible reciclar baterías manualmente, pero hay que tener en la cuenta que permanentemente se deben monitorear 3 parámetros, voltaje, corriente y tiempo de descarga, todos ellos son críticos para el correcto aprovechamiento del proceso. Lo más recomendable es utilizar aparatos automáticos diseñados especialmente para ello. Para esto tendremos que hacer fluir por el elemento en cuestión una corriente muy superior a la corriente de carga de tal manera que con esta sobrecarga provocaremos un calentamiento y fusión de los hilillos Esta sobrecorriente no tiene que permanecer mucho tiempo, ya que podemos destruir la batería. Es suficiente con una fuente de alimentación capaz de suministrar el doble de la tensión de la batería o el paquete de baterías, por ejemplo, si tenemos una batería de Ni-Cd o Ni-Mh de 1.2 volts con una capacidad de 600 mAh, con un voltaje de 2.4 volts y una capacidad de 600 mAh será suficiente, esta fuente puede ser un paquete compuesto de 2 baterías en serie de similares características a la de la batería que se intenta regenerar.

El siguiente diagrama muestra el circuito básico para regenerar baterías de Ni-Cd o Ni-Mh
Donde BT1 y BT2 son baterias o paquetes de baterias de las mismas caracteristicas que BTR que es la bateria o paquete de baterias que se intentan regenerar. El procedimiento para la regeneracion es el siguiente:

1. Mantener SW1 y SW2 desconectados
2. Conectar las baterías BT1, BT2 y BTR respetando las polaridades marcadas en la figura
3. Descargar completamente BTR activando solamente SW2 (0.8 a 0.9 volts por elemento)
4. Una vez descargada, desactivar SW2
5. Activar SW1 durante 10 segundos
6. Repetir los pasos del 3 al 5 de 2 a 3 veces más
7. Por ultimo descargar completamente la batería BTR y posteriormente cargarla normalmente en nuestro recargador

Si después de repetir el procedimiento antes mencionado 4 o 5 veces, el elemento no se ha regenerado, es que está dañado irreversiblemente y tendremos que sustituirlo.

Es recomendable hacer la operación de regeneración después de 50 cargas de los elementos o cuando estos permanecen descargados durante algún tiempo sin utilizarlos.

6. RECOMENDACIONES PARA EL CUIDADO DE LAS BATERÍAS DE NÍQUEL CADMIO Y NIQUEL-METAL:

He aquí algunos consejos para conservar sus baterías:

1. No exponga sus baterías a temperaturas extremas. El exceso de calor o de frío puede ser fatal para las baterías.
2. Cuando no estén en uso, guarde las baterías completamente cargadas, esto evitara la formación de corto circuitos en las celdas.
3. Tenga cuidado de no sobrecargar las baterías, esto puede ocurrir por exceso en el tiempo o la rata de carga.
4. Inspeccione periódicamente los paquetes de baterías en busca de sulfatos, malas soldaduras o deterioro de cables.

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