Cargador de Baterias de Plomo Acido

Se suele confundir a los cargadores de baterias con rectificadores de corriente alterna. Un cargador no solo rectifica para obtener una tension continua que suminstrar a la bateria, sino que ademas controla la tension y corriente que deja pasar.

cargador baterias plomo acidoUn rectificador es un equipo no necesariamente preparado para todas las necesidades de carga que requiere una batería. En cambio un cargador es un equipo que incluye a un rectificador pero con circuitos adicionales, de automatización y control, especialmente diseñados para adaptarse a la carga de una batería. Demos un ejemplo para que se entienda mejor esto: un rectificador entrega una tensión fija, como 24, 48 o 110V de tensión continua. En cambio, un cargador puede entregar una tensión de mantenimiento de 27.2, 54.5 o 125V y, además, otras tensiones más elevadas para cargar la batería.

En lo que respecta a las especificaciones, vamos a distinguir dos tipos: en primer lugar nos referiremos a las que tienen que ver con las cuestiones básicas que se requieren para el buen mantenimiento de una batería. El parámetro más importante es, sin duda, la regulación estática de la tensión de salida. Se entiende por este término, a la variación que experimenta la tensión de salida cuando la corriente de carga varía entre 0 y 100% (regulación de carga) y la red entre +/- 10% ó -15%/+10% ó cualquier otro porcentaje que se requiera según las características de la red del lugar (regulación de línea).

La regulación de la tensión de salida es muy importante para mantener estabilizada la tensión de flote o mantenimiento de una batería estacionaria. Si la regulación no es buena, y la tensión baja o sube según el consumo o el estado de la red, la consecuencia será una batería cuya autodescarga no estará correctamente compensada (tenderá a sulfatarse), o cuya gasificación será excesiva (si es de electrolito líquido habrá que reponer el agua evaporada con mayor frecuencia y si es sellada tenderá a secarse con varias consecuencias para la duración del producto).

¿Qué porcentaje de regulación podemos pedirle a un buen cargador?

Lo primero que diremos es que depende del tipo de batería. Si se trata de una batería de electrolito líquido, una regulación de +/- 1% es suficiente para mantener la vida del producto. Pero, si se trata de una batería sellada, la regulación debe de +/- 0,5% o mejor.

Cuando hablamos de ese porcentaje de regulación, estamos suponiendo que las variaciones de red y carga pueden producirse en forma simultánea y en el sentido más desfavorable (la carga en su valor máximo y la red en su menor valor). Este tipo de regulación se denomina estática porque no se considera el transitorio durante el cual el lazo de control “ve” la variación y reacciona para compensarla.

La regulación dinámica, representada por el porcentaje de variación de la tensión de salida cuando se aplica un escalón de carga y/o una brusca variación de la red, no tiene una gran importancia para los sistemas cuya carga está directamente en paralelo con la batería, ya que esta hace las veces de un gran condensador y dichos transitorios pasan desapercibidos para el consumo. No obstante, la mencionamos porque en algunos equipos puede aparecer especificada y, en algunas aplicaciones podría tener mayor importancia. Como es de imaginarse, los valores de regulación dinámica pueden exceder ampliamente a los de la regulación estática (pueden llegar a duplicarla o triplicarla) pero aquí importa no solo este valor sino el tiempo durante el cual la tensión de salida se mantiene afuera de la “ventana” de regulación estática. Cuanto mayor el tiempo, menor será el valor de apartamiento que puede admitirse. Los tiempos que se admiten varían mucho según la tecnología del cargador.

Los valores de regulación mencionados más arriba son fácilmente alcanzables cuando se emplea la tecnología y los criterios de diseño adecuados. Una regulación de 1% se puede obtener en equipos con control de fase por tiristores. En cambio, con esta tecnología el valor más ajustado de 0,5% que requieren las baterías selladas aumenta los costos y, actualmente, se tiende a utilizar la tecnología de switching en alta frecuencia. Esta tecnología también brinda una mejor regulación dinámica y otras ventajas que se mencionarán más adelante.

El segundo parámetro que mencionaremos en esta nota es el ripple o rizado superpuesto a la tensión continua de salida. Para quienes no están familiarizados con este término, diremos que se trata de una tensión alterna que queda como residuo de la rectificación de la tensión alterna de la red. ¿Qué frecuencia tiene esta tensión alterna? Cuando la rectificación es del tipo denominado “onda completa”, la frecuencia fundamental es de 100 Hz para una alimentación monofásica y 300 Hz para una trifásica. Y decimos frecuencia fundamental porque, en realidad, este residuo de tensión alterna que se superpone sobre la tensión continua de salida, está compuesto por una serie de armónicas, siendo la fundamental la de mayor amplitud.

La tensión alterna superpuesta es perjudicial para cualquier batería porque produce calentamiento y su amplitud debe limitarse. Su valor debe estar en el orden del 1% de la tensión de continua, con un 2% como valor máximo.

Otra consideración a tener en cuenta es en qué condición se debe medir. Muchos fabricantes especifican el ripple en condición de batería conectada. Sin embargo esto es inaceptable dado que será la propia batería la que lo reciba y provoque el efecto de filtrado. En un buen cargador de baterías, el ripple debe medirse en la condición de “sin batería conectada”. De esta manera, estaremos seguros que a la batería le llega la alimentación que le corresponde para conservar su vida útil.

Está claro que lograr un ripple bajo sin batería conectada obliga a colocar un filtro de tipo inductor-capacitor luego de la etapa de rectificación, pero no hay otra forma de lograrlo con cargadores convencionales, esto es, del tipo controlado por tiristores operando a frecuencia de red. En los cargadores más modernos, de tecnología switching, la alta frecuencia a la que trabajan logra que estos componentes sean sensiblemente más pequeños y de menor costo.

La diferencia entre ambas tecnologías (rectificación con tiristores trabajando a frecuencia de red y rectificación con switching o conmutación en alta frecuencia) es tan notable como la que se aprecia en las fotografías que mostramos más abajo. Ambos cargadores son de la misma potencia, 48V-100A, poco más de 5KVA. Sin embargo, se puede apreciar la diferencia de tamaño (e imaginar la de peso).

En la fotografía de abajo, se puede ver el tamaño de los componentes ferromagnéticos. El equipo de switching, al trabajar en alta frecuencia (100 Khz y superior) logra una drástica reducción en el tamaño de estos componentes que, además, deben realizarse mediante cerámicas magnéticas (ferrite). Los tiristores fueron desarrollados por General Electric, entre otras compañías, y los equipos con estos componentes alcanzaron su auge en la década del 70. Los equipos de switching comenzaron a desarrollarse en la década del ’80 y todavía están evolucionando.

cargador de bateria

Rendimiento y el Factor de Potencia

Estos dos parámetros a los que, anteriormente, no se les otorgaba ninguna importancia pero que, en los tiempos que corren, han pasado a ser elementos fundamentales para evaluar la calidad de un equipo. Se entiende por rendimiento a la relación entre la potencia de salida (en tensión continua) y la de entrada (en tensión alterna). Como decíamos, en la época actual, donde el ahorro de energía tiene una gran importancia, en equipos de baja potencia (Pin < 1KVA) debe pedirse un rendimiento mínimo de 75 a 80%, con tecnología convencional y de 85 a 90% si se trata de switching en alta frecuencia. En los grandes rectificadores, de potencias superiores a 10KVA, el rendimiento debe alcanzar valores de 85%, con tecnología convencional, y tan altos como 90% en switching. De otra manera, pensemos que la cantidad de energía desperdiciada sería muy importante.

En lo que respecta al factor de potencia, comencemos diciendo que se trata de la relación entre la potencia activa y la potencia aparente que ingresa al equipo desde la red. Este factor es cada vez más tenido en cuenta por los usuarios debido a las penalidades que imponen las compañías de luz. En los equipos tiristorizados, la forma de mejorar el factor de potencia es agregando inductores y capacitores de corrección en la entrada (tener en cuenta que la mejora es hasta un límite de 0,85, aproximadamente, debido a la presencia de potencia de distorsión, que no puede ser compensada por estos componentes) y, en los más modernos de switching, deben contar con una etapa de preregulación con un corrector activo (con lo que se logra que el factor de potencia sea de 0,99).

Más Información sobre las Baterías de Plomo Ácido

¿Como Cargar una Bateria Sellada?

Una batería que no se carga correctamente, se degrada químicamente de distintas formas y su desempeño comienza a verse afectado. Si la práctica de cargarla inadecuadamente se prolonga a lo largo de varios ciclos de carga y descarga, el fin de la vida útil se acercará de manera inexorable.

como cargar bateria sellada

Una batería que no se carga correctamente, se degrada químicamente de distintas formas y su desempeño comienza a verse afectado. Si la práctica de cargarla inadecuadamente se prolonga a lo largo de varios ciclos de carga y descarga, el fin de la vida útil se acercará de manera inexorable.

¿Qué significa “que no se carga correctamente”?

Nos referimos tanto al hecho de cargarla más o menos de lo necesario. En el primer caso, la sobrecarga conduce a una degradación prematura de las rejillas y la materia activa de las placas. En el segundo caso, la sulfatación producida durante la descarga no llega a revertirse por completo, haciendo de la misma algo permanente. En los dos casos, la batería pierde su capacidad para entregar corriente.

Hasta aquí, todo lo que hemos dicho es válido para cualquier batería y, en el caso de las de plomo–ácido, tanto para las de electrolito líquido como inmovilizado (normalmente llamadas baterias selladas).

¿Pero qué es lo que ha ocurrido en el caso de estas últimas?

En un comienzo, cuando su empleo comenzó a generalizarse debido a las grandes ventajas que tenían frente a las baterías de electrolito líquido, se difundió la información de que solo debían mantenerse a tensión de flote y que, luego de una descarga, esta tensión no debía modificarse, llevándola a un valor más alto (tensión de recarga). Hablando en términos prácticos, se decía que el rectificador de carga debía estar ajustado a una tensión de, por ejemplo, 2,27 V por cada celda (o sea, 13,62 V en el caso de los monoblocks de 12V).

Lo que no se aclaró debidamente es que lo anterior solo es válido para las aplicaciones llamadas estacionarias, es decir, aquellas en las que el rectificador se encuentra alimentando al consumo y la batería durante la mayor parte del tiempo de servicio, digamos más del 95% de ese tiempo. Otra forma de decir lo anterior sería señalar que la batería se descargará muy pocas veces a lo largo de su vida útil.

Sin embargo, ¿qué ocurre cuando una batería de este tipo se emplea en una aplicación donde se ve sometida a reiterados ciclos de carga y descarga? Podría tratarse de una aplicación de tracción (carros de golf, triciclos o bicicletas eléctricas), de una aplicación de energía solar o, sencillamente, de una aplicación donde se supuso que la red sería muy buena y luego resulta que se corta más de la cuenta.

En estos casos, según se puede ver en los manuales de varios fabricantes, es lícito incrementar la tensión de carga hasta 2,4 V por cada celda (o 14,4V en el caso de un monoblock de 12V). En otras palabras, se mantiene el procedimiento de carga (tensión constante con corriente limitada) pero la tensión puede incrementarse hasta el mismo valor que se emplea en cualquier batería líquida.

¿Por qué puede hacerse esto sin el riesgo de que la batería se dañe a pesar de ser sellada?

Sencillamente por el hecho de que estamos hablando de un tiempo de carga limitado a unas horas. La batería no permanecerá con el cargador “eternamente” conectado, como en el caso de las aplicaciones estacionarias, sino que, al cabo de su carga, volverá a descargarse.

curva carga tiempo capacidad bateria

Los tiempos de carga pueden acortarse si se incrementa la corriente a la que limita el cargador. Las curvas presentadas en el número anterior correspondían a la corriente típica de 0,1C. Pero este valor puede duplicarse sin que se ocasionen daños a las baterías.

En el gráfico de abajo se ve que al incrementar la corriente límite del cargador de 0,1C a 0,2C se logra una reducción significativa del tiempo de carga. En ambos casos se ha supuesto que la descarga fue completa. Se puede observar que el tiempo para completar la carga se reduce en no menos de seis horas. En ambos casos, la capacidad devuelta es un 105% de la nominal, aproximadamente.

Valores superiores a 0,25 ºC pueden provocar calentamientos excesivos y no se recomiendan. Y no debe dejarse de lado que incrementar la corriente de carga también hace que el cargador sea de mayor potencia y, por lo tanto, más caro.

Los fabricantes de estos productos recomiendan, como mencionamos, el procedimiento de tensión constante con corriente limitada dado que, aún sin atención del usuario, no ocasiona daños en las baterías.

El procedimiento de cargar a corriente constante está totalmente desaconsejado y solo puede utilizarse bajo control de personal especializado dado que puede llevar las baterías a tensiones muy elevadas, provocando un excesiva gasificación. La gasificación es un fenómeno relacionado con la electrólisis del agua que forma parte del electrólito de la batería. Comienza a observarse a una tensión de 2,2 VPC, incrementándose de manera importante por encima de 2,3 VPC. Esto no es contradictorio con la tensión que se recomienda para aplicaciones de ciclado que, según vimos, es de 2,4 VPC. ¿Por qué? Porque las baterías en aplicaciones de este tipo permanecerán un corto tiempo conectadas al cargador y antes de las 24 horas volverán a la situación de descarga.

Hasta aquí, los conceptos que hemos visto se refieren a la carga normal durante la operación de la batería.

Sin embargo, existe otra situación en la que una batería requiere carga: cuando ha estado almacenada durante un período superior a los seis meses o, también, cuando al ponerla en servicio existe la posibilidad de que deba entregar su energía antes de haber permanecido conectada al equipo de carga durante al menos 24 horas. Esta carga se denomina de refresco y su objeto es devolver a la batería la carga perdida debido a su propia auto-descarga.

Las baterías selladas se construyen utilizando aleaciones de plomo-calcio por lo que su auto-descarga es muy inferior a la de las antiguas baterías con aleación de plomo antimonio. Un valor típico de auto-descarga para estos productos es 3% a una temperatura 20 ºC en el depósito donde se encuentren almacenadas. Las temperaturas mayores incrementan esta tasa de autodescarga.

¿Cómo se realiza una carga de refresco en una batería sellada?

De la misma manera como se procede a cargar la batería después de una descarga normal: aplicando tensión constante (la recomendada es de 2,4VPC) con corriente limitada a los valores ya mencionados y durante un tiempo que depende del tiempo de almacenamiento. Consultando el manual de la serie CP de baterías Vision, encontramos la siguiente información:

  • Hasta 6 meses de su fecha de fabricación (o si se la ha retirado de servicio y permaneció almacenada durante ese tiempo), el tiempo de carga debe ser de 20 hora.
  • Entre 6 y 12 meses de la fecha de fabricación (o si se la ha retirado de servicio y permaneció almacenada durante ese tiempo), el tiempo de carga debe ser de 24 horas.

La fecha de fabricación se encuentra grabada en la tapa del monoblock mediante un código alfanumérico que varía de fabricante en fabricante.

Veamos ahora qué ocurre ante una descarga accidental de mucha profundidad (también denominada sobre-descarga). Por ejemplo, esto ocurre si el sensor de mínima tensión de un equipo no funciona bien y la descarga continúa por debajo del valor mínimo recomendado por el fabricante, por ejemplo, 1,75VPC.

Cuando una batería se descarga por completo, a) la utilización de ácido sulfúrico del electrólito es total y el electrólito ahora se compone solo de agua. Durante la recarga, esta condición puede producir dendritas metálicas que pueden penetrar el separador y ocasionar un cortocircuito en la celda.; b) la sulfatación de las placas y la resistencia interna asumen sus máximos valores.

Una batería, normalmente, puede tolerar esta situación si la misma se produce una o dos veces en el transcurso de su vida útil.

La batería se debe cargar a tensión constante de 2,27VPC, con la corriente limitada a los valores que hemos mencionado en los números anteriores, es decir, cómo máximo a 0,25C. La recarga de la batería debe realizarse durante un mínimo de 24 horas . También, puede ocurrir que, debido a la profunda sulfatación y gran resistencia interna, la batería al principio del proceso de recarga no tome corriente. Se debe tener paciencia y esperar y, salvo que la sulfatación ya sea irreversible, se observará, al cabo de unos 30 minutos, que la corriente comienza a incrementarse hasta llegar al valor máximo ajustado en el cargador.

placas sulfatadas mal carga descarga

La fotografía muestra un paquete de placas (en posición vertical), con sulfatación debido a descarga excesiva o carga inadecuada. Se observa el sulfato de plomo (en las placas retiradas, en posición horizontal). El sulfato está disuelto en el electrolito, pero termina precipitando sobre las placas y les da el aspecto blanquecino que es característico cuando está cristalizado y fuertemente adherido a la superficie. El sulfato incrementa la resistencia interna.

¿Cómo saber si la batería se ha recuperado al cargarla?

La única forma de saberlo, a ciencia cierta, es realizando una descarga a corriente constante, según alguna de las curvas que suministra el fabricante. En general, conviene elegir la curva que más se acerca a nuestra aplicación.

Si el resultado del ensayo anterior es que la batería tiene entre un 70 y un 80% de la capacidad nominal, se puede intentar realizar un nuevo ciclo de carga-descarga para ver si la recuperación es todavía mayor. El proceso puede repetirse hasta que ya no se obtenga ninguna mejora adicional en el desempeño. Con baterías que tenían poco uso antes de sufrir la sobre-descarga es frecuente que se logre una buena recuperación, a veces, de hasta el 90% de la capacidad nominal.

Más Información sobre las Baterías de Plomo Ácido