Cargador de batería programable para baterías de plomo-ácido y litio
INTRODUCCIÓN
La batería, como una de las soluciones de almacenamiento de energía más accesibles, ha ganado 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 presentan desafíos técnicos para los consumidores e incluso para los ingenieros a la hora de seleccionar baterías y cargadores. Este artículo discutirá las diferencias entre dos de los tipos de batería más populares: plomo ácido y batería de litio, así como también cómo seleccionar un cargador adecuado.
CARACTERÍSTICAS DE LAS BATERÍAS DE PLOMO ÁCIDO Y LITIO
Las baterías de plomo-ácido como uno de los tipos de química de batería más populares tenían una larga historia. Algunas de las ventajas son la alta tolerancia del voltaje de carga, la alta capacidad de sobre corriente, la amplia temperatura de funcionamiento y el bajo precio. A menudo se encuentra en aplicaciones móviles como automóviles y montacargas, así como también 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 mejores candidatas para almacenar energía a largo plazo. Dependiendo del metal utilizado en el cátodo de las baterías de litio, existe una variedad 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 vida útil más larga y una estabilidad térmica relativamente buena, lo que lo convierte en una mejor opción para las soluciones de almacenamiento de energía. La limitación de las baterías de litio es que la fuga térmica podría hacer que la batería se incendiara. Por lo tanto, las baterías de litio requieren una carga/descarga más deliberada.
ALGORITMO DE CARGA DE BATERÍA
El voltaje nominal de una sola celda de plomo-ácido 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 para formar una batería de gran capacidad a voltajes más prácticos como 12 V, 24 V y 48 V. Tenga en cuenta que ’12 V’, ’24 V o ’48 V’ a menudo se usan libremente como una indicación del rango de voltaje. 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 típica de ’12 V’ 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 auto disipación de las baterías de plomo-ácido, a menudo se recomienda el 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 clasificación máxima y aumenta lentamente su voltaje de salida. Una vez que el voltaje de la batería alcance el voltaje máximo de carga, el cargador cambiará a una etapa de voltaje constante (‘etapa 2’ de la Figura 1). El cargador comienza a emitir su voltaje nominal máximo constantemente y monitorea su corriente de salida. Finalmente, el cargador cambia a la etapa de carga flotante (‘etapa 3’ de la Figura 1) después de que la corriente de carga cae por debajo del 10 % de la corriente nominal. En esta etapa, el cargador reduciría su voltaje de salida para evitar la sobrecarga. Aunque la batería en este punto está cerca de estar completamente cargada,
Las baterías de litio pueden tener voltajes nominales de 3,2 V a 4,4 V 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 un voltaje nominal y una corriente de carga diferentes. 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 de carga. Por lo tanto, las baterías de litio a menudo se cargan con un método de carga de 2 etapas (Figura 2) sin la etapa de carga flotante.
El desequilibrio de las celdas es una preocupación para un gran banco de baterías de litio. Debido a las tolerancias de fabricación, la resistencia en serie equivalente (ESR) de las celdas de litio no se puede igualar perfectamente. Las diferencias entre las celdas hacen que las celdas del mismo banco se carguen con un voltaje o corriente diferente. Las celdas con ESR bajo 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 causar 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 celdas más llenas usando 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 control de carga para cada celda, algunos bancos de baterías de litio con BMS de equilibrio activo solo requieren fuentes de alimentación de AC/DC de voltaje constante como cargador.
SOLUCIÓN DE CARGA DE BATERÍA INTELIGENTE MEAN WELL
Como se mencionó anteriormente, las baterías de diferente química y de diferentes fabricantes pueden tener diferentes características. También se recomienda (obligatorio para las baterías de litio) optimizar la curva de carga de las baterías para garantizar la fiabilidad, la longevidad y la seguridad. Los cargadores programables MEAN WELL con el programador de cargador inteligente SBP-001 ofrecen flexibilidad y una interfaz fácil de usar para ajustar la curva de carga.
Usando la serie HEP-1000 lanzada recientemente como ejemplo. La configuración predeterminada de HEP-1000-48 es una fuente de alimentación de voltaje constante de 48 V y un máximo de 1008 W. Los usuarios pueden conectar 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 baterías de plomo-ácido selladas típicas con un voltaje de carga de refuerzo de 57,6 V y un voltaje de carga flotante de 55,2 V. El voltaje y la corriente de carga se pueden ajustar fácilmente a 36 ~ 60 V y 3,5 ~ 17,5 A, respectivamente, para otros tipos de baterías de plomo-ácido.
Simplemente seleccionando el modo de carga de 2 etapas, HEP-1000 también se puede usar para cargar baterías de litio con el mismo rango de ajuste. Para cargar una batería LiFePO4 de 20 Ah con un voltaje de carga máximo de 56 V, la opción ‘CV’ y ‘CC’ que se muestra en la Figura 4 se puede configurar en 56 V y 17,5 A para una carga más rápida. El usuario también puede reducir la corriente de carga para evitar que la corriente alta cause un aumento de la temperatura y un voltaje más bajo para evitar la posibilidad de sobrecarga.
CONCLUSIÓN
En conclusión, los cargadores programables 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 el voltaje y la corriente de carga en función de la temperatura y la edad de la batería también podría preservar la batería y optimizar su capacidad.
