Cargador Programable para Baterías de Plomo y Litio

Introducción

La batería, una de las soluciones de almacenamiento de energía más fácilmente accesibles, ha ganado popularidad en los últimos años.
Las baterías pueden ser utilizadas en la electrónica personal, en los automóviles y en los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), en los vehículos eléctricos y en el almacenamiento de energía renovable.

Sin embargo, las características de los diferentes tipos de baterías plantean desafíos técnicos tanto a los consumidores como a los ingenieros para seleccionar baterías y cargadores.
En esta guía hablaremos de las diferencias entre dos tipos de baterías más comunes:

• Batería de plomo
• Batería de litio

y cómo seleccionar un cargador adecuado.

Características de las baterías de plomo y litio

Las baterías de plomo-ácido son uno de los tipos de química de baterías más comunes.
Las ventajas de las baterías de plomo son:

• Alta tolerancia a la tensión de carga
• Alta capacidad de sobrecorriente
• Amplia temperatura de funcionamiento
• Precio bajo

La batería de plomo se utiliza a menudo en aplicaciones de tracción como:

• automóviles
• montacargas, así como sistemas de respaldo.

Las desventajas de las baterías de plomo son:

• Alta velocidad de autodescarga
• Ciclos de carga / descarga relativamente cortos
• Tamaño y peso

Este tipo de batería no es adecuada para aplicaciones de almacenamiento de energía.

Las baterías de litio son una mejor opción para almacenar energía a largo plazo gracias a su alto ritmo de carga / descarga, bajo índice de autodescarga y alta densidad de energía.

Dependiendo del metal utilizado en el cátodo, hay diversos tipos de baterías de litio con diferentes rendimientos:

• El óxido de cobalto de litio (LCO) tiene una alta densidad de energía y es popular en la electrónica personal
• El fosfato de hierro y litio (LiFePO4) tiene una mayor duración y una excelente estabilidad térmica, lo que lo convierte en una mejor opción para soluciones de almacenamiento de energía.

La fuga térmica podría hacer que la batería se incendie, esta es una limitación de las baterías de litio.
Por lo tanto, las baterías de litio requieren una carga / descarga más cuidadosa.

Ciclo de carga de la batería

El voltaje nominal de una sola celda de plomo es de aproximadamente 1,8-2,3 V con una corriente de carga máxima recomendada de 0,3 C.

La mayoría de las baterías comercializadas tienen muchas celdas en serie y en paralelo, formando una batería con mayores voltajes como 12V, 24V y 48V.
Notar que "12V", "24V" o "48V" se utilizan a menudo de forma aproximada como indicación del rango de voltaje.
El voltaje real cambiaría constantemente según la capacidad restante.
Por ejemplo, el voltaje en circuito abierto de una batería típica de plomo-ácido AGM "12V" está entre 10,8 V (30% de la capacidad de la batería) y 13,8 V (100% de la capacidad).

Debido a la alta tasa de autodescarga de las baterías de plomo, a menudo se recomienda el método de carga de 3 etapas.

El ciclo de carga:

• Comienza en la fase de corriente constante ("fase 1" de la Figura 1) en la que el cargador limita su corriente de salida al valor máximo y aumenta lentamente su voltaje de salida
• Una vez que el voltaje de la batería alcanza el voltaje de carga máximo, el cargador pasará a una fase de voltaje constante ("fase 2" de la Figura 1)
• El cargador comienza a proporcionar constantemente su voltaje nominal máximo y a monitorear su corriente de salida
• Finalmente, el cargador pasa a la fase de carga "flotante" ("fase 3" de la Figura 1) después de que la corriente de carga haya caído por debajo del 10% aproximadamente de la corriente nominal. En esta fase, el cargador reduciría su voltaje de salida para evitar la sobrecarga.

Figura 1. Curva de carga en tres etapas

Las baterías de litio pueden tener voltajes nominales de 3.2 V a 4.4 V con una corriente de carga máxima de hasta 1 C.

A diferencia de las baterías de plomo, las baterías de litio no soportan un voltaje de carga alto y no requieren una carga flotante para mantener su estado de carga.
Por lo tanto, las baterías de litio a menudo se cargan con un método de carga de dos etapas (Figura 2) sin la fase de carga "flotante".

Figura 2. Curva de carga en dos etapas

Uno de los problemas para los grandes bancos de baterías de litio es el desbalance de las celdas.
Debido a las tolerancias de fabricación, la resistencia en serie equivalente (ESR) de las celdas de litio no puede ser perfectamente igualada.
Las diferencias entre las celdas hacen que las celdas del mismo banco puedan cargarse con un voltaje o corriente diferente.
Las celdas con baja ESR siempre se cargarán / descargarán completamente primero, por lo que esas celdas se deterioran antes.
El desequilibrio de las celdas no solo reduce la vida útil de la batería, sino que también podría causar una fuga térmica y convertirse en un peligro para la seguridad.
Para resolver este problema, los bancos de baterías de litio de gran tamaño siempre deben estar equipados con sistemas de monitoreo de carga de la batería (BMS-Battery Management System).

La función básica del BMS es:

• El monitoreo del estado de carga
• El balanceo de las celdas pasivamente o activamente.

El BMS pasivo balancea las celdas descargando las celdas más llenas utilizando resistencias de potencia.
Es robusto y relativamente fácil de diseñar, pero no eficiente y menos efectivo.
Por otro lado, el BMS activo carga las celdas individualmente para que coincidan con los estados de carga.
Debido a que el BMS activo tiene el control de carga para cada celda, algunos bancos de baterías de litio con BMS activo solo requieren fuentes de alimentación CA / CC de voltaje constante como cargadores.

Soluciones de carga inteligente de la batería

Nuestros cargadores programables, ofrecen flexibilidad y una interfaz clara para el ajuste de la curva de carga.

Tomemos como ejemplo la serie HEP-1000 de Mean Well lanzada recientemente.

La configuración predeterminada de la serie HEP-1000-48 es una fuente de alimentación de voltaje constante de 48 V y máx 1008 W.
Los clientes pueden conectar el HEP-1000-48 con el programador de cargador inteligente MEAN WELL SBP-001 y habilitar el modo cargador.

Figura 3. Programa de carga inteligente (HEP-1000-48, carga en tres etapas)

La curva de carga predeterminada es de 3 fases (Figura 3) para baterías de plomo-ácido selladas típicas con un voltaje de carga boost de 57,6 V y un voltaje de carga “floating” de 55,2 V. El voltaje y la corriente de carga pueden ajustarse fácilmente a 36 ~ 60 V y 3,5 ~ 17,5 A respectivamente para otros tipos de baterías de plomo.

Simplemente seleccionando el modo de carga de 2 fases, el HEP-1000 también puede usarse para cargar baterías de litio con el mismo rango de ajuste.
Para cargar una batería LiFePO4 de 20 Ah (Amperios-hora) con un voltaje de carga máximo de 56 V.

Las opciones "CV" (cambio continuo) y "CC" mostradas en la Figura 4 pueden ajustarse a 56 V y 17,5 A, garantizando una carga más rápida.
El cliente también podría reducir la corriente de carga para evitar el aumento de temperatura causado por corrientes elevadas y bajar el voltaje para evitar la posibilidad de sobrecarga.

Figura 4. Programa de carga inteligente (HEP-1000-48, carga en 2 fases)

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Noticia Original: Cargador Programable para Baterías de Plomo y Litio