El tipo de batería elegido para la mayoría de los productos electrónicos que funcionan con baterías es la batería de iones de litio. Descubre lo que se necesita para cargarlos correctamente.
El Li-ion es la batería más utilizada en productos de electrónica de consumo. De los otros tipos que se usaban anteriormente, las baterías NiCad para su uso en equipos electrónicos se han prohibido en la UE, por lo que la demanda general de esos tipos ha disminuido.
Las baterías NiMH todavía se utilizan, pero su menor densidad de energía y relación costo-beneficio las hacen poco atractivas.
Funcionamiento y construcción de baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio se consideran baterías secundarias, lo que significa que son recargables. El tipo más común consiste en un ánodo hecho de una capa de grafito recubierta sobre un sustrato de cobre, o colector de corriente, y un cátodo de recubrimiento de óxido de cobalto de litio sobre un sustrato de aluminio.
El separador es típicamente una película delgada de polietileno o polipropileno que separa eléctricamente los dos electrodos, pero permite el transporte de iones de litio a través de él. Esta disposición se muestra en la figura 1.
También se utilizan otros tipos de materiales de ánodos y cátodos, los cátodos más comunes suelen prestar sus nombres a la descripción del tipo de batería.
Por lo tanto, las células de cátodo de óxido de cobalto y litio se conocen como células LCO. Los tipos de óxido de cobalto, manganeso, níquel y litio se conocen como tipos NMC, y las células con cátodos de fosfato de hierro y litio se conocen como células LFP.
Figura 1 – Componentes principales de una celda de iones de litio típica
En una celda de iones de litio real, estas capas generalmente se enrollan juntas, y el electrolito, mientras que es líquido, apenas es suficiente para mojar los electrodos, y no hay líquido que se deslice alrededor del interior.
Esta disposición se muestra en la figura 2, que representa la construcción interna real de una celda prismática o rectangular de metal. Otros tipos de cajas populares son cilíndricas y de bolsa (comúnmente conocidas como células de polímero).
No se muestran en esta figura las lengüetas metálicas que están unidas a cada colector de corriente. Estas pestañas son las conexiones eléctricas a la batería, esencialmente los terminales de la batería.
Figura 2: La construcción interna típica de una celda de iones de litio prismática
Cargar una celda de iones de litio implica el uso de una fuente de energía externa para conducir iones de litio cargados positivamente desde el cátodo al electrodo de ánodo. Por lo tanto, el cátodo se carga negativamente y el ánodo se carga positivamente.
Externamente, la carga implica el movimiento de electrones desde el lado del ánodo hasta la fuente de carga, y el mismo número de electrones que se empujan hacia el cátodo. Esta es la dirección opuesta al flujo interno de los iones de litio.
Durante la descarga, se conecta una carga externa a través de los terminales de la batería. Los iones de litio que se almacenaron en el ánodo vuelven al cátodo. Externamente, esto implica el movimiento de electrones del cátodo al ánodo. Por lo tanto, una corriente eléctrica fluye a través de la carga.
Brevemente, lo que está sucediendo dentro de la celda durante la carga, por ejemplo, es que en el lado del cátodo, el óxido de cobalto de litio abandona algunos de sus iones de litio, convirtiéndose en un compuesto con menos litio que aún es químicamente estable.
En el lado del ánodo, estos iones de litio se incrustan, o se intercalan, en los espacios intersticiales de la red molecular de grafito.
Se deben considerar varios problemas durante la carga y descarga. Internamente, los iones de litio tienen que cruzar varias interfaces durante la carga y descarga. Por ejemplo, durante la carga, los iones de litio tienen que transportarse de la mayor parte del cátodo a la interfaz del cátodo al electrolito.
Desde allí tiene que moverse a través del electrolito, a través del separador a la interfaz entre el electrolito y el ánodo. Finalmente, tiene que difundirse desde esta interfaz a la mayor parte del material del ánodo.
La tarifa de transporte de carga a través de cada uno de estos diferentes medios se rige por su movilidad iónica. Esto, a su vez, se ve afectado por factores como la temperatura y la concentración de iones.
Lo que esto significa en la práctica es que se deben tomar precauciones durante la carga y descarga para garantizar que no se superen estas limitaciones.
Consideraciones de carga de baterías de iones de litio
La carga de baterías de iones de litio requiere un algoritmo de carga especial. Esto se lleva a cabo en varias etapas que se describen a continuación:
Carga por goteo (precarga)
Si el nivel de carga de la batería es muy bajo, se carga a una tasa de corriente constante reducida que normalmente es de alrededor de 1/10 de la tasa de carga completa que se describe a continuación.
Durante este tiempo, el voltaje de la batería aumenta, y cuando ha alcanzado un umbral determinado, la tasa de carga aumenta a la tasa de carga completa.
Tenga en cuenta que algunos cargadores dividen esta etapa de carga por goteo en dos: carga previa y carga por goteo, dependiendo de cuán bajo sea el voltaje de la batería inicialmente.
Carga de velocidad completa
Si el voltaje de la batería es inicialmente lo suficientemente alto, o si la batería se ha cargado hasta este punto, se inicia la etapa de velocidad de carga completa.
Esta es también una etapa de carga de corriente constante, y durante esta etapa, el voltaje de la batería continúa aumentando lentamente.
Carga cónica
Cuando el voltaje de la batería ha aumentado a su voltaje de carga máximo, comienza la etapa de carga cónica. En esta etapa, la tensión de carga se mantiene constante.
Esto es importante ya que las baterías de iones de litio fallarán catastróficamente si se les permite cargarse a un voltaje más alto que su voltaje máximo. Si este voltaje de carga se mantiene constante a este valor máximo, la corriente de carga disminuirá lentamente.
Corte / terminación
Cuando la corriente de carga ha disminuido a un valor lo suficientemente bajo, el cargador se desconecta de la batería. Este valor es típicamente 1/10, o 1/20, de la corriente de carga de tarifa completa.
Es importante no cargar baterías de iones de litio flotantes, ya que esto reducirá el rendimiento y la fiabilidad de la batería a largo plazo.
Mientras que en la sección anterior se describen las distintas etapas de carga, no se proporcionaron valores umbral específicos para las distintas etapas. Comenzando con el voltaje, cada tipo de batería de iones de litio tiene su propio voltaje de terminal de carga completa.
Para los tipos más comunes de LCO y NCM, eso es 4.20 V. También hay algunos con 4.35 V y 4.45 V.
Para los tipos LFP, es de 3,65 V. El umbral de carga de goteo a carga completa es de alrededor de 3,0 y 2,6 para los tipos LCO/NMC y LFP, respectivamente.
Un cargador diseñado para cargar un tipo de batería de iones de litio, como LCO, no se puede usar para cargar otro tipo, como una batería LFP.
Tenga en cuenta, sin embargo, que hay cargadores que se pueden configurar para cargar varios tipos. Por lo general, estos requieren diferentes valores de componentes en el diseño del cargador para acomodar cada tipo de baterías.
Cuando se trata de la corriente de carga, se requiere un poco de explicación. La capacidad de la batería de iones de litio se informa tradicionalmente como mAh, o miliamperios-Hora, o Ah. Esta unidad, en sí misma, no es en realidad una unidad de capacidad de almacenamiento de energía. Para llegar a una capacidad de energía real, se debe considerar el voltaje de la batería.
La Figura 3 muestra una curva de descarga típica para una batería de iones de litio de tipo LCO. Dado que el voltaje de descarga tiene una pendiente, el voltaje promedio de la batería de toda la curva de descarga se toma como el voltaje de la batería.
Este valor suele ser de 3,7 a 3,85 V para los tipos LCO y de 2,6 V para los tipos LFP. Multiplicando el valor mAh con el voltaje promedio de la batería, se obtiene el MWh, o capacidad de almacenamiento de energía, de una batería dada.
La corriente de carga de la batería se da en términos de velocidad C, donde 1C es numéricamente lo mismo que la capacidad de la batería en mA. Por lo tanto, una batería de 1000 mAh tiene un valor C de 1000 Ma. Por diversas razones, la velocidad de carga máxima permitida para una batería de iones de litio suele estar entre 0,5 C y 1 C para los tipos de LCO, y 3 C o más para los tipos de LFP.
Una batería puede, por supuesto, consistir en un mínimo de una celda, pero puede consistir en muchas celdas en una combinación de grupos conectados en serie de celdas conectadas en paralelo.
El escenario dado anteriormente se aplica a las baterías de una sola célula. En los casos en que la batería consta de varias celdas, el voltaje de carga y la corriente de carga deben escalarse para que coincidan.
Por lo tanto, la tensión de carga se multiplica por el número de celdas conectadas en serie, o grupo de celdas, y, de manera similar, la corriente de carga se multiplica por el número de celdas conectadas en paralelo en cada grupo conectado en serie.
Figura 3-Curva de descarga típica de una batería de tipo LCO
Un factor adicional muy importante que debe tenerse en cuenta al cargar baterías de iones de litio es la temperatura. Las baterías de iones de litio no se pueden cargar a temperaturas bajas o altas.
A bajas temperaturas, los iones de litio se mueven lentamente. Esto puede hacer que los iones de litio se acumulen en la superficie del ánodo, donde eventualmente se convertirán en metal de litio. Debido a que esta formación de metal de litio toma la forma de dendritas, puede perforar el separador, causando cortocircuitos internos.
En el extremo superior del rango de temperatura, el problema es la generación de calor excesivo. La carga de la batería no es 100% eficiente y se genera calor durante la carga. Si la temperatura interna del núcleo es demasiado alta, el electrolito puede descomponerse parcialmente y convertirse en subproductos gaseosos. Esto provoca una reducción permanente de la capacidad de la batería, así como hinchazón.
El rango de temperatura típico para cargar baterías de iones de litio es de 0 ° C a 45°C para baterías de alta calidad, o de aproximadamente 8°C a 45°C para baterías más baratas. Algunas baterías también permiten cargar a temperaturas más altas, hasta aproximadamente 60°C, pero a velocidades de carga reducidas.
Todas estas consideraciones generalmente se cumplen con chips de cargador dedicados, y es muy recomendable usar dichos chips independientemente de la fuente de carga real.
Cargadores de iones de litio
Los cargadores de iones de litio se dividen en dos categorías principales: cargadores lineales y de conmutación. Ambos tipos pueden cumplir con los requisitos establecidos anteriormente con respecto a la carga adecuada de las baterías de iones de litio. Sin embargo, cada uno de ellos tiene sus ventajas y desventajas.
La ventaja de un cargador lineal es su relativa simplicidad. Sin embargo, su principal inconveniente es su ineficiencia. Por ejemplo, si la tensión de alimentación es de 5V, la tensión de la batería es de 3V y la corriente de carga es de 1A, el cargador lineal disipará 2W.
Si este cargador está integrado en un producto, habrá que disipar una gran cantidad de calor. Es por eso que los cargadores lineales se utilizan principalmente en casos en los que la corriente de carga máxima es de aproximadamente 1A.
Para baterías grandes, se prefieren los cargadores de conmutación. Pueden tener niveles de eficiencia de hasta el 90% en algunos casos. Las desventajas son su mayor costo y los requisitos de bienes raíces de circuitos algo más grandes debido al uso de inductores en su diseño.
Consideración de fuente de carga
Diferentes aplicaciones pueden requerir diferentes fuentes de carga. Por ejemplo, puede ser un adaptador de CA recto que proporciona una salida de CC o un banco de energía. También podría ser un puerto USB de un escritorio o dispositivos similares. También podría ser de un conjunto de paneles solares.
Debido a las capacidades de suministro de energía de estas diferentes fuentes, se debe considerar más el diseño del circuito real del cargador de batería, además de simplemente elegir un cargador lineal o conmutado.
El caso más sencillo es cuando la fuente de carga entrega una salida de CC regulada, como un adaptador de CA o un banco de energía. El único requisito es elegir una corriente de carga que no exceda la velocidad de carga máxima de la batería o la capacidad de suministro de energía de la fuente.
Cargar una fuente USB requiere un poco más de atención. Si el puerto USB es de tipo USB 2.0, seguirá el estándar de carga de batería USB 1.2 o BC 1.2.
Esto requiere que cualquier carga, en este caso el cargador de baterías, no tome más de 100 mA a menos que la carga se haya enumerado con la fuente. En este caso, se permite tomar 500mA a 5V.
Si el puerto USB es USB 3.1, puede seguir USB BC1.2, o se puede incorporar un circuito de controlador activo en el diseño para negociar más energía siguiendo el protocolo de entrega de alimentación USB o USB PD.
Las células solares como fuente de carga presentan otro conjunto de desafíos. Una corriente de voltaje de celda solar, o VI, es algo similar a la de un diodo regular. Un diodo regular no conducirá ninguna corriente apreciable por debajo de su valor de voltaje delantero mínimo, y luego puede pasar una corriente mucho mayor con solo un ligero aumento en el voltaje delantero.
Una célula solar, por otro lado, puede suministrar corriente hasta un cierto máximo a un voltaje relativamente plano. Más allá de ese valor de corriente, el voltaje cae bruscamente.
Por lo tanto, un cargador solar debe tener un circuito de administración de energía que module la corriente extraída de la célula solar para no causar que el voltaje de salida se reduzca demasiado.
Afortunadamente, hay chips como el TI BQ2407x, BQ24295 y otros, que pueden acomodar una de más de las fuentes anteriores.
Es muy recomendable dedicar tiempo a buscar un chip de carga adecuado en lugar de diseñar un cargador de batería desde cero.
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