Cargadores de baterías y métodos de carga

Cargadores de baterías y métodos de carga

Hay más baterías que acaban dañadas por malas técnicas de carga que todas las otras causas combinadas.

Sistemas de carga
 
El cargador tiene tres funciones principales:
 
  • Obtención de la carga en la batería (carga)
  • Optimizar la velocidad de carga (Estabilización)
  • Saber cuándo parar (Terminar)
El sistema de tarificación es una combinación de los métodos de carga y terminación.
Carga por finalización
Cuando una batería está completamente cargada, la corriente de carga debe ser disipada de alguna manera. El resultado es la generación de calor y de gases dos cosas que son perjudiciales para las baterías. El principal de un cargador bueno es su capacidad de detectar cuando la reconstitución los productos químicos activos es completa y para detener el proceso de carga antes de que se produzca algún daño, mantenimiento en todo momento la temperatura de la batería dentro de sus límites de seguridad. La detección de este punto de corte y la terminación de la carga es fundamental para preservar la vida de la batería. Esto nos marca un límite predeterminado superior de tensión y que ya se ha alcanzado, a menudo llamado la tensión de terminación. Esto es particularmente importante con cargadores rápidos donde el peligro de sobrecarga es mayor.
Carga segura
Si por alguna razón existe un riesgo de sobrecarga de la batería, ya sea a partir de los errores en la determinación del punto de corte o de abuso vendrá acompañado de un aumento de la temperatura. Las condiciones internas de fallo dentro de temperaturas ambientales o la batería altas también puede ser debido a que una batería vaya más allá de sus límites de seguridad. Las altas temperaturas aceleran la muerte de las baterías y el control de la temperatura de la batería es una buena manera de detectar señales de causas de una gran variedad de problemas. La señal de temperatura, o un fusible, se puede utilizar para apagar o desconectar el cargador cuando aparecen los signos de peligro para evitar dañar la batería. Esta simple precaución de seguridad adicional es particularmente importante para las baterías de alta potencia donde las consecuencias del error pueden ser graves y costosas.
Tiempo de carga
Durante una carga rápida es posible bombear la energía eléctrica a la batería más rápido de lo normal pero el proceso químico interno puede reaccionar, con resultados perjudiciales.
La reacción química no puede tener lugar instantáneamente y no habrá un grado de reacción en la mayor parte del electrolito entre los electrodos con el electrolito más cercano a los electrodos de conversión o “cargado” antes de que el electrolito situado más lejos. Esto es particularmente notable en las baterías de alta capacidad, que contienen un gran volumen de electrolito.
De hecho, hay al menos tres procesos clave implicados en las conversiones químicas de las baterías. Una de ellas es la “transferencia de carga”, que es la reacción química real que tiene lugar en la interfase del electrodo con el electrolito y este producto de forma relativamente rápida. El segundo es el “transporte de masas” o proceso de “difusión” en la que los materiales transformados en el proceso de transferencia de carga se mueven desde la superficie del electrodo, dando paso a otros materiales para conseguir que el electrodo participe en el proceso de transformación. Este es un proceso relativamente lento, que continúa hasta que todos los materiales se han transformado.
El proceso de carga también puede estar sujeto a otros efectos significativos como el electrodo de acogida donde el tiempo de reacción también se tener en cuenta, el “proceso de intercalación” por el que las baterías de litio se cargan y donde los iones de litio se inserta en la red cristalina de. Ver también litio plating debido a excesivas tasas de carga o de carga a bajas temperaturas. Todos estos procesos son también dependientes de la temperatura.
Además puede haber otros efectos parásitos o colaterales, tal como la pasivación de los electrodos, la formación de cristales y la acumulación de gas, que afectan a los tiempos de carga y la eficiencia, pero éstas pueden ser relativamente leves o infrecuentes, o pueden existir sólo durante las condiciones de abuso.
Por tanto el proceso de carga de la batería tiene al menos tres constantes de tiempo característicos asociados con la consecución de una conversión completa de los productos químicos activos que dependen tanto de los productos químicos empleados como en la construcción de la batería. La constante de tiempo asociada con la transferencia de carga podría ser un minuto o menos, mientras que el tiempo de transporte de masa constante puede ser tan alto como varias horas y más en una batería de alta capacidad. Esta es una de las razones por las que las baterías pueden entregar o aceptar corrientes de pulsos muy altos, pero mucho más bajas corrientes continuas. (Otro factor importante es la disipación de calor involucrado).
Estos fenómenos son no lineales y aplican tanto al proceso de descarga como la carga. Hay, pues, un límite a la tasa de aceptación de carga de la batería. Si continuamos bombeando energía a la batería más rápido los productos químicos pueden reaccionar a la carga y causar condiciones locales de sobrecarga incluyendo la polarización, el calentamiento, así como reacciones químicas no deseadas, cerca de los electrodos y por tanto dañar la batería. La carga rápida como una rápida descarga quizás sean necesarias para permitir “periodos de descanso” durante el proceso de carga para las acciones químicas para propagar a lo largo de la mayor parte de la masa de sustancia química en la batería ya estabilizarse en niveles progresivos de carga.
Un fenómeno similar, aunque no absolutamente equivalente, es el vertido de cerveza en un vaso. Verter muy rápidamente da como resultado una gran cantidad de espuma y una pequeña cantidad de cerveza en el fondo del vaso. Verter lentamente por las paredes del vaso o, alternativamente, dejando que la cerveza caiga hasta que la espuma se dispersa permite que el vaso se llene completamente.
Histéresis
Las constantes de tiempo y los fenómenos mencionados anteriormente pueden dar lugar a la histéresis en la batería. Durante la carga de la reacciónquímica se queda corta de la aplicación de la tensión de carga y de manera similar, cuando se aplica una carga a la batería para que se descargue. Existe un retraso antes de que la corriente total se pueda enviar a través de la carga. Como con histéresis magnética, se pierde energía durante el ciclo de carga y descarga debido al efecto de histéresis química.
El diagrama adjunto muestra el efecto de histéresis en una batería de litio. Permitiendo períodos cortos de sedimentación o de descanso durante los procesos de carga de descarga para adaptarse a los tiempos de reacción química tenderá a reducir, pero no elimina la diferencia de tensión debido a la histéresis.
El voltaje verdadero de la batería, en cualquier estado de carga (SOC) cuando se encuentra en “reposo”, estará entre las curvas de carga y de descarga. Durante la carga, la medida del voltaje de la batería durante el período de descanso se desplaza lentamente hacia abajo, hacia la condición de reposo, y se estabiliza la transformación química en las baterías. Igualmente durante la descarga, la tensión de las celdas medidas durante un período de descanso se desplazará hacia arriba.
La carga rápida también causa un aumento del calentamiento Joule de la celda debido a las corrientes más altas implicadas y la temperatura más alta que a su vez causa un aumento en la tasa de los procesos de conversión química.