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

Autor: Anke GE / Centro de servicio técnico

Traducción: Departamento de Marketing de Electrónica Olfer

La batería, como una de las soluciones de almacenamiento de energía más accesibles, ha ido ganando popularidad en los últimos años. Hoy en día, las baterías no solo se pueden usar en dispositivos electrónicos personales, automóviles y sistemas de suministro de energía ininterrumpida (UPS), sino también en vehículos eléctricos y almacenamiento de energía renovable. Sin embargo, las diferentes características de los diferentes tipos de baterías plantean desafíos técnicos para que los consumidores e incluso los ingenieros seleccionen baterías y cargadores. Este artículo discutirá las diferencias entre dos de los tipos de baterías más populares: la batería de plomo-ácido y la batería de litio, así como cómo seleccionar un cargador adecuado.

Características de las baterías de plomo-ácido y litio

Las baterías de plomo-ácido, como una de las más populares, tienen una larga historia. Algunas de las ventajas son la alta tolerancia al voltaje de carga, alta capacidad de sobre corriente, amplia temperatura de funcionamiento y bajo precio. A menudo se encuentran en aplicaciones móviles como automóviles y carretillas elevadoras, así como en sistemas de respaldo. Los inconvenientes de las baterías de plomo-ácido son la alta tasa de auto descarga y los ciclos de carga / descarga relativamente cortos; por lo tanto, no es adecuado para aplicaciones de almacenamiento de energía.

A diferencia del plomo-ácido, la alta tasa de carga / descarga, la baja tasa de auto descarga y la alta densidad de energía de las baterías de litio las convierten en una mejor opción para almacenar energía a más largo plazo. Dependiendo del metal utilizado en el cátodo de las baterías de litio, existe una variedad con diferentes rendimientos. El óxido de litio y cobalto (LCO) tiene una alta densidad de energía y es ideal para la electrónica personal. El fosfato de litio y hierro (LiFePO4) tiene una vida útil más larga y una estabilidad térmica relativamente buena, lo que lo convierte en una mejor opción para soluciones de almacenamiento de energía. La limitación de las baterías de litio es que la fuga térmica podría hacer que la batería se incendie. Por lo tanto, las baterías de litio requieren una carga / descarga más controlada.

Algoritmo de carga de batería

El voltaje nominal de una sola celda de plomo-ácido es de aproximadamente 1,8-2,3V con una corriente de carga máxima recomendada de 0.3C. La mayoría de las baterías comercializadas tienen muchas celdas en serie y en paralelo para formar una batería de gran capacidad a tensiones más prácticas como 12V, 24V y 48V. Tenga en cuenta que "12V", "24V" o "48V" se utilizan a menudo de forma imprecisa como una indicación del rango de tensión. El voltaje real cambiaría constantemente en función de la capacidad restante. Por ejemplo, el voltaje de circuito abierto de una batería de plomo-ácido AGM de ‘12V’ típica está entre 10,8V (30% de capacidad de la batería) y 13,8V (100% de capacidad).

Debido a la alta tasa de auto disipación de las baterías de plomo-ácido, a menudo se recomienda un método de carga de 3 etapas. Un ciclo de carga típico comienza en la etapa de corriente constante ("etapa 1" de la Figura 1) en la que el cargador limita su corriente de salida a su capacidad máxima y aumenta lentamente su tensión de salida. Una vez que el voltaje de la batería alcanza la tensión máxima de carga, el cargador cambia a etapa de tensión constante ("etapa 2" de la Figura 1). El cargador comienza a emitir su máximo voltaje nominal constantemente, monitorizando su corriente de salida. Finalmente, el cargador cambia a etapa de carga flotante ("etapa 3" de la Figura 1) después de que la corriente de carga caiga por debajo del 10% (aproximadamente) de la corriente nominal. En esta etapa, el cargador reduciría su tensión de salida para evitar la sobrecarga. Aunque la batería en este punto está cerca de estar completamente cargada, aún consumiría energía constantemente del cargador para compensar su auto disipación.

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

Figura 1. Curva de carga de 3 etapas

 

Las baterías de litio pueden tener voltajes nominales de 3,2V a 4,4V con una corriente de carga máxima de hasta 1C. Incluso la misma variante química de las baterías de litio, pero de diferentes fabricantes, podría tener diferente tensión nominal y corriente de carga. A diferencia de las baterías de plomo ácido, las baterías de litio no toleran un alto voltaje de carga y no requieren carga flotante para mantener su estado. Por lo tanto, las baterías de litio a menudo se cargan en 2 etapas (Figura 2), sin la etapa flotante.

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

Figura 2. Curva de carga de 2 etapas

 

El desequilibrio de las celdas es una preocupación para muchas de las baterías de litio. Debido a las tolerancias de fabricación, la resistencia en serie equivalente (ESR) de las celdas de litio no se puede combinar perfectamente. La diferencia entre ellas hace que las celdas del mismo banco se carguen a una tensión o corriente diferente. Las celdas con ESR baja siempre se cargarán / descargarán completamente primero, por lo que esas celdas envejecerán y fallarán más rápido. El desequilibrio de las celdas no solo acorta la vida útil de la batería, sino que también podría provocar una fuga térmica y convertirse en un peligro para la seguridad. Para resolver este problema, los grandes bancos de baterías de litio siempre deben estar equipados con sistemas de gestión de baterías (BMS). La función básica de BMS es monitorear el estado de carga y equilibrar las celdas de forma pasiva o activa. El BMS pasivo equilibra las celdas descargando las más llenas mediante resistencias de potencia. Es robusto y relativamente fácil de diseñar, pero no tan 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 control de carga para cada celda, algunos bancos de baterías de litio con BMS de equilibrio activo solo requieren fuentes de alimentación de CA/CC de tensión constante como cargador.

Solución de carga de batería inteligente de MEAN WELL

Como se mencionó anteriormente, las baterías de diferentes productos químicos y de diferentes fabricantes pueden tener distintas características. También se recomienda (obligatorio para baterías de litio) tener la curva de carga optimizada para garantizar la confiabilidad, longevidad y seguridad. Los cargadores programables de MEAN WELL, con el programador de carga inteligente SBP-001, ofrecen flexibilidad y una interfaz fácil de usar para ajustar la curva de carga.

 

Como ejemplo, usaremos la nueva serie HEP-1000 y escogiendo el modelo HEP-1000-48 de tensión constante de 48V y una potencia máxima de 1008W. Los usuarios pueden conectar la HEP-1000-48 con el programador de cargador inteligente MEAN WELL SBP-001 y habilitar el modo de cargador. La curva de carga predeterminada es de 3 etapas (Figura 3) para las típicas baterías de plomo-ácido selladas con una tensión de carga de refuerzo de 57.6V y una tensión de carga flotante de 55.2V. El voltaje y la corriente de carga se pueden ajustar fácilmente a 36 ~ 60V y 3,5 ~ 17,5A respectivamente para otros tipos de baterías de plomo-ácido. 

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

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

 

Simplemente seleccionando el modo de carga de 2 etapas, las HEP-1000 también se pueden utilizar para cargar baterías de litio con el mismo rango de ajuste. Para cargar una batería LiFePO4 de 20Ah con una tensión máxima de carga de 56V, las opciones "CV" y "CC", que se muestran en la Figura 4, se pueden configurar en 56V y 17,5A para una carga más rápida. El usuario también podría reducir la corriente de carga para evitar que se produzca un aumento de temperatura y una bajada de tensión bajo para evitar la posibilidad de sobrecarga. 

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

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

 

Conclusiones

En conclusión, los cargadores programables de MEAN WELL se pueden utilizar para adaptarse a la personalización de las curvas de carga que requieren las baterías de plomo-ácido o de litio. Ajustar la tensión y la corriente de carga en función de la temperatura preservando la batería, optimizando su capacidad y alargando su vida útil.