Conocimiento de Cargadores y Baterías de Almacenamiento de Vehículos Eléctricos

Clasificación de cargadores:

Los cargadores se pueden clasificar en dos tipos principales según incorporen un transformador de frecuencia de red (50 Hz). Los cargadores de triciclos de carga suelen emplear transformadores con frecuencia de red, lo que da como resultado unidades más grandes y pesadas que consumen más energía pero ofrecen confiabilidad y asequibilidad. Las bicicletas y motocicletas eléctricas, por el contrario, utilizan los llamados cargadores de alimentación de modo conmutado, que son más eficientes energéticamente y rentables pero propensos a fallar.
El procedimiento correcto para los cargadores de modo conmutado es: durante la carga, conecte primero la batería y luego la red eléctrica; una vez cargada por completo, desconecte la red eléctrica antes de quitar el enchufe de la batería. Quitar el enchufe de la batería durante la carga, especialmente cuando la corriente de carga es alta (indicada por una luz roja), puede dañar gravemente el cargador.
Los cargadores de modo conmutado comunes se subdividen en tipos de medio puente y de pulso único. Los cargadores de un solo pulso se clasifican en diseños delanteros o traseros. Los diseños de medio puente, aunque de mayor costo, ofrecen un rendimiento superior y se emplean con frecuencia en cargadores que incorporan pulsos negativos. Los tipos Flyback, al ser más económicos, tienen una cuota de mercado importante.

Respecto a los cargadores de pulso negativo
Las baterías de plomo-ácido tienen una historia que abarca más de un siglo. Inicialmente, la práctica mundial se adhirió en gran medida a las opiniones y procedimientos operativos tradicionales: se creía que cargar y descargar a una velocidad de 0,1 °C (donde C denota la capacidad de la batería) prolongaba la vida útil. Para abordar los desafíos de la carga rápida, el Sr. Max de los Estados Unidos publicó los resultados de su investigación a nivel mundial en 1967. Esto implicó cargar con corrientes de pulso superiores a 1 °C, intercaladas con intervalos de descarga durante las pausas de carga. La descarga facilita la reducción de la polarización, reduce la temperatura del electrolito y mejora la capacidad de aceptación de carga de la placa.
Alrededor de 1969, científicos chinos desarrollaron con éxito múltiples marcas de cargadores rápidos basadas en los tres principios del Sr. Max. El ciclo de carga se desarrolló de la siguiente manera: carga por pulsos de alta corriente → interrupción del circuito de carga → descarga breve de la batería → detención de la descarga → restablecimiento del circuito de carga → carga por pulsos de alta corriente...
Alrededor del año 2000, este principio se adaptó a los cargadores de vehículos eléctricos. Durante la carga, el circuito permaneció ininterrumpido, empleando un cortocircuito de baja resistencia para descargar momentáneamente la batería. Como el circuito de carga permaneció activo durante el cortocircuito, se conectó en serie un inductor dentro de él. Normalmente, el cortocircuito dura 3–5 milisegundos en un segundo (1 segundo = 1000 milisegundos). Como la corriente dentro de la inductancia no puede cambiar abruptamente, la breve duración del cortocircuito protege la sección de conversión de energía del cargador. Si la dirección de la corriente de carga se denomina positiva, la descarga naturalmente se vuelve negativa. En consecuencia, la industria de los vehículos eléctricos acuñó el término ‘cargador de pulso negativo’, afirmando que podría prolongar la vida útil de la batería, etc.

Respecto a los cargadores de tres etapas
En los últimos años, los vehículos eléctricos han adoptado ampliamente los llamados cargadores de tres etapas. La primera etapa se denomina etapa de corriente constante, la segunda etapa de voltaje constante y la tercera etapa de goteo. Desde una perspectiva de ingeniería electrónica, estos se describen con mayor precisión como:
- Primera etapa: Etapa limitadora de corriente de carga
- Segunda etapa: Etapa de alto voltaje constante
- Tercera etapa: Etapa de bajo voltaje constante Durante la transición entre la segunda y la tercera etapa, las luces indicadoras del panel cambian en consecuencia. La mayoría de los cargadores muestran una luz roja durante la primera y segunda etapa y cambian a verde durante la tercera etapa. Esta transición entre etapas está determinada por la corriente de carga: superar un determinado umbral activa la primera y la segunda etapa, mientras que caer por debajo de él activa la tercera etapa. Esta corriente umbral se denomina corriente de transición o corriente de conmutación.
Los primeros cargadores, incluidos los suministrados con vehículos de marca, aunque presentaban cambios en los indicadores, eran en realidad cargadores de voltaje constante y corriente limitada en lugar de verdaderas unidades de tres etapas. Normalmente, mantenían un único valor de voltaje estable de alrededor de 44,2 V, lo que era adecuado para las baterías de sulfato de alta gravedad específica de la época.
Respecto a los tres parámetros clave de los cargadores de tres etapas
El primer parámetro crítico es el bajo valor de voltaje constante durante la fase de goteo. El segundo es el alto valor de voltaje constante durante la segunda fase. La tercera es la corriente de transición. Estos tres parámetros están influenciados por la cantidad de baterías, su capacidad (Ah), temperatura y tipo de batería. Para facilitar la referencia, ilustraremos el uso del cargador de tres etapas más común para bicicletas eléctricas (tres baterías de 12 V y 10 Ah en serie):
En primer lugar, el valor de voltaje constante bajo durante la fase de goteo, con un voltaje de referencia de aproximadamente 42,5 V. Un valor más alto provoca la deshidratación de la batería, aumentando el riesgo de sobrecalentamiento y deformación; un valor más bajo dificulta la carga completa. En las regiones del sur, este valor debería ser inferior a 41,5 V; en el caso de las baterías de gel, debería ser inferior a 41,5 V, y ligeramente inferior aún en las zonas del sur. Este parámetro es relativamente estricto y no debe exceder el valor de referencia.
A continuación, considere el alto valor de voltaje constante en la segunda etapa, con un voltaje de referencia de aproximadamente 44,5 V. Un valor más alto facilita una carga completa y rápida, pero puede provocar la deshidratación de la batería, ya que la corriente no disminuye lo suficiente en la fase de carga posterior, lo que provoca sobrecalentamiento y deformación de la batería. Un valor más bajo dificulta una carga completa rápida pero facilita la transición a la etapa de goteo. Si bien no está tan estrictamente regulado como el primer valor, aún así no debería ser excesivamente alto.

Finalmente, en cuanto a la corriente de conversión, el valor de referencia es de aproximadamente 300mA. Un valor más alto beneficia la longevidad de la batería al reducir la deformación térmica, aunque dificulta la carga rápida. Un valor más bajo (para profanos) facilita la carga pero, debido a la carga prolongada de alto voltaje, puede causar deshidratación de la batería, lo que lleva a una deformación térmica. En particular, cuando las células individuales funcionan mal, si la corriente de carga no se puede reducir por debajo del umbral de corriente, puede dañar células que de otro modo estarían sanas. El rango de referencia especificado permite desviaciones de ±50 mA o incluso ±100 mA, pero no debe caer por debajo de 200 mA.
Actualmente, hay disponibles en el mercado numerosos cargadores flyback de bajo costo que presentan altos valores de voltaje constante de 46,5 V, bajos valores de voltaje constante de 41,5 V y corrientes de transición superiores a 500 mA.
Para un cargador que maneja cuatro baterías de 12 V (48 V en total), los dos primeros parámetros se calculan dividiendo los valores de referencia de voltaje antes mencionados por tres y multiplicándolos por cuatro. El voltaje constante alto es de aproximadamente 59,5 V y el voltaje constante bajo es de aproximadamente 56,5 V.
Si la capacidad de la batería supera los 10 Ah, el tercer parámetro (valor actual) debe aumentarse adecuadamente. Por ejemplo, una batería de 17 Ah puede requerir hasta 500 mA.

Mecanismos de falla de la batería: agotamiento de agua; sulfatación; ablandamiento del ánodo; y desprendimiento de material activo del ánodo.

Recuperación de sobrecarga. Si la vida útil de la batería no es una preocupación principal, este método de recuperación produce resultados inmediatos. Los ciclos profundos de descarga y recarga pueden aumentar la capacidad de la batería, un hecho reconocido mundialmente. Sin embargo, esto puede comprometer la vida útil de la batería. Numerosas publicaciones en este sitio se centran únicamente en cómo la sobrecarga puede convertir el óxido de plomo α de la superficie en óxido de plomo β en la placa positiva, aumentando así la capacidad. El uso de este enfoque durante la reparación corre el riesgo de provocar una pérdida irreversible de capacidad. Algunas baterías devueltas a los fabricantes para su reacondicionamiento han sido tratadas mediante estos métodos.
Basándome en mi práctica personal, creo que una sobredescarga eficaz y una restauración de la sobrecarga pueden producir excelentes resultados cuando se limita estrictamente la corriente y la duración, estableciendo paralelismos con el proceso de formación de placas durante la fabricación. La clave está en el discernimiento, no en aplicar la carga inversa de manera uniforme en todos los casos. Pensemos en un caso reciente: mientras visitaba la tienda de mi conocido Lao San, me encontré con cuatro baterías de 17 Ah recientemente retiradas de una motocicleta eléctrica. Tenían la intención de venderlos (por 120 yuanes) a un coleccionista de baterías usadas. Desaconsejé su eliminación, sugiriendo que la reparación era factible, y los devolví para su evaluación. A continuación se presenta un breve resumen:
Ejemplo tres: Las cuatro baterías mencionadas anteriormente fueron fabricadas en Changxing, Zhejiang, aunque no por Tianneng. Como estaban recién retirados, no se realizaron pruebas ni cargas adicionales. Los voltajes de circuito abierto fueron los siguientes: Unidad 1: 13,42 V; Unidad 2: 13,36 V; Unidad 3: 13,18 V; Unidad 4: 12,4 V. Evidentemente tenían pocos electrolitos. Después de abrir la carcasa, cada celda de las primeras tres baterías recibió 6 ml más 4 ml adicionales de electrolito, mientras que la celda 4 recibió 6 ml más 2 ml adicionales. Después de descansar durante dos horas, la carga comenzó inicialmente a 10 A, se redujo a 3 A después de dos minutos y luego cambió a un modo reductor después de media hora. La producción de gas comenzó gradualmente. Las celdas 1–3 exhibieron una producción de gas relativamente consistente en todos los compartimentos, mientras que la celda 4 mostró una producción de gas en cinco compartimentos aproximadamente al mismo tiempo. Sin embargo, una vez iniciada la producción de gas, los compartimentos cercanos al ánodo todavía no producían cantidades significativas de gas. La carga cesó. Las pruebas de capacidad revelaron que las celdas 1–3 se acercaron a la nueva condición, mientras que la celda 4 produjo solo 1,5 Ah. Agregue 4 mililitros de agua a cada celda de las celdas 1–3, luego cargue en pasos hasta que todas las celdas produzcan gas. Cargue la celda 4 por separado durante una hora y luego descárguela a 5A. Tensión del terminal del monitor: tardó 20 minutos en bajar de 13,2 V a 10,5 V, y menos de 5 minutos en llegar a 8,32 V. Continúe descargando a 5A, manteniendo alrededor de 8,15 V durante una hora antes de detener la prueba. ¿Por qué detenerse? Surgió la conclusión: la celda adyacente al ánodo estaba defectuosa, con una capacidad de aproximadamente 1,5 Ah. Una breve explicación teórica: la caída de 20 minutos de 13,2 V a 10,5 V demostró que la celda defectuosa (ya significativamente por debajo de 1,7 V) poseía una capacidad inferior a 1,5 Ah. Continuando con la descarga de 5A, la celda defectuosa cayó a 0V. Las cinco células sanas restantes (10 V) cargaron de forma inversa la célula defectuosa. Cuando la celda defectuosa alcanzó casi 2 V en carga inversa, se estabilizó durante un período prolongado. El voltaje del terminal de la batería era igual a la suma de las cinco celdas sanas menos el voltaje inverso de la celda defectuosa: 10 V - 2 V = 8 V. No es necesaria una descarga adicional, ya que dañaría las cinco celdas buenas. Para identificar la celda defectuosa: estas baterías tienen puertos de llenado de electrolito significativamente más pequeños que las unidades de 10 Ah. Utilizando una herramienta casera revestida de plomo, se puede determinar la celda defectuosa en cuestión de segundos. En este caso, cinco celdas exhibieron evolución de gas, mientras que la celda cercana al ánodo no. Las pruebas confirmaron que esta celda estaba defectuosa, con separación celular parcial. El tratamiento aislado restauró esta célula a una capacidad de 10 Ah. La reparación ya está completa. Las células 1–3 exhiben una capacidad casi nueva, mientras que la célula 4 alcanza los 10Ah (las cinco células funcionales coinciden colectivamente con la capacidad casi nueva de las células 1–3).

Método para comprobar la sulfatación sin abrir la tapa
A continuación se muestra un método para determinar la sulfatación sin abrir la batería: Cargue la batería utilizando una fuente de corriente constante ajustable configurada a aproximadamente 0,05 °C. Tenga en cuenta que la sulfatación está indicada por las siguientes condiciones. Tomando como ejemplo una batería de 12 V: el voltaje inicial supera los 15 V (una mayor desviación indica una sulfatación más severa) y, a medida que aumenta el tiempo de carga, el voltaje disminuye, acercándose a los 15 V. Si se cambia a carga de voltaje constante, la corriente mostrará una tendencia creciente. Esto se basa en mi experiencia práctica, mientras que la literatura estándar normalmente sólo menciona síntomas como generación excesiva de calor, evolución prematura de gases y capacidad reducida. He demostrado este método de diagnóstico in situ a varios estudiantes universitarios visitantes especializados en este campo, comparando baterías de plomo-ácido con distintos grados de sulfatación. La fuente de corriente constante ajustable es mi diseño de 1978, el ‘Cargador multifuncional New Star’, incluido en el apéndice de mi libro de texto Instalación de televisión en blanco y negro. Originalmente utilizaba un transformador de 36 V con componentes lineales discretos, pero luego se actualizó a un diseño lineal de circuito integrado con corriente constante controlada por interruptor electrónico.

Evaluación de la pérdida de agua sin abrir la carcasa

Para determinar la pérdida de agua sin abrir la tapa se requieren dos condiciones simultáneas: 1) El voltaje de circuito abierto de una batería de 12 V supera los 13,2 V. 2) Capacidad reducida. Incluso los alumnos de primaria pueden comprender estos principios. La teoría subyacente involucra dos puntos clave: 1) El voltaje de circuito abierto se correlaciona con la concentración de ácido sulfúrico; la pérdida de agua aumenta la concentración de ácido, elevando el voltaje terminal. 2) La pérdida de agua reduce el nivel de electrolito, reduciendo la cantidad de material reactivo y disminuyendo la capacidad. Aclaración adicional sobre las condiciones: Los valores antes mencionados se refieren a la tensión de circuito abierto de una batería de vehículo eléctrico de 12 V media hora después de la carga. Para las baterías de automóviles, los valores deberían ser más bajos. Incluso en el caso de las baterías de vehículos eléctricos, la marca importa—, por ejemplo, las baterías Panasonic tienen valores más bajos debido a su menor gravedad específica de ácido sulfúrico en comparación con las baterías Zhejiang Changxing. También establece que no se debe ser dogmático: por ejemplo, una batería con un voltaje aparentemente estándar pero baja capacidad normalmente tiene cinco celdas que carecen de agua y una celda está parcialmente separada.

Normas irreparables
Estándares irreparables (para baterías con uso normal y sulfatación de plomo):
1.  Irreparable si presenta deformación externa, agrietamiento o fuga.
2.  Irreparable si presenta avería interna, daño mecánico o placas sobrecargadas que se vuelven negras como el carbón; síntomas característicos: el voltaje aumenta rápidamente durante la carga y cae significativamente después de reposar.
3.  Irreparable si presenta una CEL (luz de error celular) deficiente, falla de una sola celda o autodescarga interna. (En el caso de baterías extraíbles en carretillas elevadoras, se pueden reemplazar celdas individuales y restaurar la batería)