BATERIAS CONCEPTOS BASICOS Conceptos básicos sobre las propiedades de las baterías, indicaciones técnicas, ratio de descarga, potencia y durabilidad. Juan José Gómez Tercero 08/02/2012
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Contenido 1.
INTRODUCCION .......................................................................................................................... 3
2.
CAPACIDAD DE CARGA DE UNA BATERIA (C) ............................................................................. 3
3.
TENSION (V)................................................................................................................................ 3
4.
INTENSIDAD DE CARGA (A) ........................................................................................................ 4
5.
INTENSIDAD MAXIMA DE DESCARGA (A) ................................................................................... 5
6.
RATIO DE DESCARGA .................................................................................................................. 5
7.
DURACION DE LA CARGA ........................................................................................................... 6
8.
POTENCIA ................................................................................................................................... 6
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1. INTRODUCCION Existen dos datos básicos y fundamentales que nos van a identificar una batería: 9 9
La tensión. La capacidad.
Y otros tres datos relacionados con el uso y prestaciones que se le puede exigir y que nos aportarán información sobre el tiempo de carga, la intensidad máxima que podemos exigir y la duración de la carga. Estos datos vienen normalmente dados por el fabricante con los siguientes conceptos: 9 9 9
Intensidad de carga. Intensidad máxima de descarga. Ratio de descarga.
2. CAPACIDAD DE UNA BATERIA (C) La capacidad de una batería se mide en Culombios (C) y expresa la cantidad de carga eléctrica que puede acumular. 1 C (Culombio) = 6,24 1018 eEsto es, podríamos asimilar la batería como una caja que almacena electrones. Comúnmente se expresa la carga en Amperios por hora (A.h), cuya equivalencia en Culombios podemos determinar fácilmente sabiendo que el amperio es la unidad de intensidad eléctrica, definida como la carga que circula por un conductor en la unidad de tiempo, esto es, un Culombio por segundo. 1 A (Amperio) = Al multiplicar Amperios por tiempo, el resultado serán Culombios, o sea, carga eléctrica. Solo nos queda hacer coherentes las unidades antes de multiplicar: =1∙
∙ ℎ =1
∙ 3.600
= 3.600
Una pila de 2.500 mA.h tiene una capacidad de: 2.500
∙ ℎ = 2,5
∙ ℎ = 2,5
∙ 3.600
= 9.000
3. TENSION (V) Otro dato importante es la tensión de la batería, la cual se mide en voltios (V). Las tensiones características de las celdas voltaicas más comunes son: ¾ ¾ ¾
Níquel-Cadmio (NiCd): Níquel-Metal hidruro (NiMh): Litio-ión (Li-ion):
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1,5 V. 1,2 V. 3,7 V.
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Combinaciones en serie de varias celdas voltaicas darán tensiones múltiplos de las anteriores. Por ejemplo, dos celdas en serie de NiCd ofrecerán una tensión de 3V, y tres de Li-ión 11,1V.
4. INTENSIDAD DE CARGA (A) Es la intensidad de carga recomendada por el fabricante y viene dada en Amperios (A) o miliamperios (mA). Nos puede dar una idea del tiempo de carga puesto que nos está diciendo los culombios por segundo que se están “introduciendo” en la batería. Por tanto, si dividimos la capacidad de la batería entre la intensidad de carga, nos dará el tiempo de carga: =
=
=
∙ℎ
∙
3.600 1ℎ
=
Los cargadores inteligentes suelen controlar la intensidad de carga para evitar un calentamiento excesivo de las baterías, disminuyendo la intensidad hacia el final del ciclo, por lo que en tales casos, esta ecuación no se cumple necesariamente. A veces la intensidad de carga se expresa referenciada a la capacidad (por ejemplo 0,5C). Si bien no es una definición coherente con las unidades, comercialmente se suele utilizar cuando se da la capacidad en Amperios por hora (Ah). Así pues, el coeficiente que precede a C afecta solo a los amperios. En una pila recargable que nos indica las siguientes propiedades: C=2.200 mAh. Intensidad de carga = 0,5C. Tensión = 1,2 V. Está diciendo que la intensidad de carga es de 1.100 mA y el tiempo mínimo de carga será de 2 h.
El grafico muestra la curva de carga de una batería de plomo en relación a distintas temperaturas. Obsérvese como la tensión aumenta rápidamente cuando la batería se acerca de su plena capacidad de acumulación de energía (carga eléctrica). Se puede también observar la diferencia de potencial (V) según la temperatura. Esa característica es utilizada por ciertos reguladores para optimizar la carga.
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5. INTENSIDAD MAXIMA DE DESCARGA (A) Nos indica la máxima intensidad que puede suministrar la batería manteniendo la tensión de referencia. Este dato bien nos lo dan directamente, en unidades de intensidad (A ó mA), bien viene referenciado a la capacidad. Se suele expresar en función de la capacidad cuando esta viene dada en Ah. Aunque resulta muy grafico, no olvidemos que también es incoherente en unidades. Por ejemplo: en una pila de litio tipo 18650, como la SANYO UR18650SY, tenemos las siguientes características: Voltaje: 3,7 V. Capacidad: C=2.200 mAh Intensidad de carga = 0,5C = 1.100 mA. Intensidad máxima de descarga = 3C. Nos está indicando que la intensidad máxima de descarga que mantiene la tensión en 3,7 V son 6.600 mA. Intensidad de descarga= 3C = 3 x 2.200 mA(h) = 6.600 mA. Pero NO nos está aportando ningún dato de cuánto tiempo puede mantener esa intensidad máxima antes de que el voltaje empiece a disminuir.
6. RATIO DE DESCARGA El ratio de descarga nos indica el tiempo que puede entregar una intensidad dada antes de que el potencial empiece a caer. Suele referirse a la intensidad máxima de descarga. Es un dato realmente importante porque en gran medida nos va a determinar la calidad de la batería, pero lamentablemente este no suele aparecer reflejado en las indicaciones. En algunas ocasiones solo se indica la intensidad máxima de descarga, perdiendo información sobre el tiempo que puede entregarla manteniendo las propiedades iniciales. No confundir ratio con duración total de la batería, pues al final del ciclo la tensión va cayendo pero puede seguir suministrando intensidad. El ratio de descarga viene expresado en unidades de tiempo y debe indicar para qué intensidad se refiere, de lo contrario también nos faltará información. Cada intensidad de descarga tiene un ratio diferente y no tiene por qué ser lineal la proporcionalidad entre los mismos, pues a mayor intensidad de descarga la batería “sufre” más y el rendimiento disminuye. Una batería de litio que nos indica las siguientes propiedades: Voltaje: 7,4 V Capacidad: 5.000 mAh Intensidad máxima de descarga: 4.000 mA. Ratio: 1h. Nos está diciendo que durante una hora puede suministrar la intensidad de 4.000 mA manteniendo las prestaciones iniciales de plena carga. A partir de la hora irá cayendo la tensión y por tanto la potencia, no pudiendo entregar las prestaciones iniciales.
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7. DURACION DE LA CARGA En una batería ideal, bastaría dividir la capacidad entre la intensidad de descarga aplicada para conocer la duración de la batería: 1ℎ ℎ ∙ = ℎ = 3.600 Esto es así, pero sabemos que al final del ciclo las prestaciones disminuyen y la batería no puede entregar la potencia que ofrecía a plana carga, por eso el dato del ratio de descarga es tan importante. Si bien, a falta de datos este cálculo nos da un límite superior de tiempo, más allá del cual no habrá ninguna luz. Como norma general debemos considerar en estos cálculos el 80% de la capacidad de la batería como máximo, bien por seguridad del suministro, bien por mantenimiento de las baterías, pues no es bueno agotar completamente las baterías recargables.
A recordar: 9 9
Cada intensidad de descarga tiene un ratio diferente y no tiene por qué ser lineal la proporcionalidad entre ellos. No confundir ratio con duración total de la batería, pues hacia el final del ciclo la tensión va cayendo pero puede seguir suministrando intensidad.
8. POTENCIA La potencia se expresa en vatios (W) y representa el producto de la intensidad (A) por la tensión (V) a la cual se suministra dicha intensidad: = ∙ Conocida la intensidad máxima de descarga podremos saber la potencia máxima que puede suministrar una batería, si además conocemos el ratio de descarga podremos saber durante cuánto tiempo dispondremos
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de dicha potencia. A partir del tiempo dado por el ratio de descarga, la potencia irá disminuyendo al caer la tensión y también progresivamente la intensidad que puede entregar al ir agotándose la carga.
9. AUTO DESCARGA La auto descarga caracteriza la descarga de la batería aunque no se utilice. Este valor lo indica el constructor y depende de la tecnología. La auto descarga aumenta proporcionalmente a la temperatura y al envejecimiento de la batería
10. CICLOS - LONGEVIDAD Un periodo de carga y descarga se denomina ciclo. Es un parámetro importante de una batería y los ciclos reales dependen en buena medida de la profundidad de descarga. Por ejemplo para una profundidad de descarga del 80 % el número de ciclos es de aproximadamente 200. Para un DOD del 30 % puede alcanzar más de 1000
11. DOD - DEPTH OF DISCHARGE - PROFUNDIDAD DE DESCARGA La profundidad de descarga de una batería es el ratio de energía descargada en relación a la cantidad de energía que puede almacenar. El DOD se expresa en porcentaje. Por ejemplo si una instalación con una batería de 100Ah ha consumido 40 Ah, entonces su DOD del 40%.
12. DATOS REFERENCIADOS A LA CAPACIDAD NOMINAL EFECTIVA Capacidad nominal efectiva (Cn) es la que presenta una batería en condiciones de suministrar la intensidad máxima manteniendo la tensión y prestaciones en su nivel de referencia. Si el fabricante nos facilita este dato, todos los demás están relacionados y suelen darse referenciados a dicha capacidad, expresándolos como múltiplos de esta. Ejemplo_1: Capacidad nominal efectiva: Cn=2.500 mAh. Intensidad de carga: Ic=0,2Cn Intensidad máxima de descarga: Im=2Cn. Tensión: 1,2 V. La intensidad de carga será Ic=0,2xCn=0,2x2500mA=500mA. La intensidad máxima de descarga será Im=2xCn=2x2500mA=5.000 mA. La potencia máxima que podrá suministrar será de P=1,2Vx5A=6W. El ratio de descarga será: 2.500 ℎ = = = 0,5ℎ 5.000 También lo podríamos calcular solo con las referencias a la Cn: =
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=
2∙
= 0,5ℎ
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Con los datos dados sabemos que la potencia máxima que puede suministrar son 6W durante un tiempo de media hora, a partir de este tiempo irá disminuyendo la potencia gradualmente hasta agotarse por completo la batería.
Ejemplo_2: Capacidad nominal efectiva: Cn=2.500 mAh. Intensidad de carga: Ic=0,2Cn Ratio: R=1,5 h. Tensión: 3,7 V. La intensidad de carga será Ic=0,2xCn=0,2x2500mA=500mA. El ratio de descarga será de una hora y media. La intensidad máxima de descarga será: =
=
2.500 ℎ = 1.666 1,5ℎ
La potencia máxima que podrá suministrar será de P=3,7Vx1,66A=6W. Con los datos dados sabemos que la potencia máxima que puede suministrar son 6W durante un tiempo de una hora y media, a partir de este tiempo irá disminuyendo la potencia gradualmente hasta agotarse por completo la batería.
Nota: Si nos dan el ratio de descarga referenciado a la capacidad, no es una expresión técnicamente correcta, pero a veces se utiliza y nos están dando la intensidad de descarga máxima.
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