Las celdas de plomo-ácido y NiCd utilizan umbrales de voltaje fundamentalmente diferentes: las celdas de plomo-ácido tienen aproximadamente 2.0 V nominales, mientras que las celdas NiCd tienen aproximadamente 1.2 V nominales. Los ajustes habituales para plomo-ácido incluyen 2.2-2.25 V/celda para la carga de flotación, alrededor de 2.4 V/celda para la gasificación y 1.7-1.9 V/celda para el corte de descarga. Los ajustes para NiCd son inferiores: 1.38-1.40 V/celda para la carga de flotación, 1.6-1.7 V/celda para la gasificación y 0.85-1.1 V/celda para el corte de descarga.
Configure los probadores y cargadores de baterías utilizando umbrales específicos por química y por celda; después, escale esos límites al paquete conectado en serie. Aplicar valores de voltaje de plomo-ácido a celdas NiCd, o viceversa, puede provocar un corte prematuro, sobrecarga, gasificación, pérdida de capacidad o condiciones térmicas y de presión inseguras.
Por qué es importante el voltaje por celda
El voltaje nominal establece la referencia del sistema
Una celda de plomo-ácido tiene un voltaje nominal de aproximadamente 2.0 V/celda. Por lo tanto, una batería de plomo-ácido típica de 12 V contiene seis celdas conectadas en serie.
Una celda NiCd tiene un voltaje nominal de aproximadamente 1.2 V/celda. Una batería NiCd nominal de 12 V requiere aproximadamente diez celdas conectadas en serie.
El mismo voltaje a nivel de paquete no implica el mismo número de celdas ni el mismo comportamiento de carga. Los sistemas de prueba deben identificar la química y el número de celdas en serie antes de calcular los límites de voltaje.
Los umbrales del paquete deben escalarse cuidadosamente
Para una batería conectada en serie, el umbral del paquete es aproximadamente el umbral por celda multiplicado por el número de celdas.
Por ejemplo, una batería de plomo-ácido de seis celdas con un ajuste de flotación de 2.23 V/celda requeriría un ajuste del paquete de aproximadamente 13.38 V. Una batería NiCd de diez celdas con un ajuste de flotación de 1.40 V/celda requeriría aproximadamente 14.0 V.
Este cálculo establece el punto de partida, pero el control a nivel de paquete también debe tener en cuenta el desequilibrio entre celdas, la temperatura, la precisión de medición y los límites especificados por el fabricante de la batería.
Umbrales de voltaje característicos
Perfil de voltaje de las baterías de plomo-ácido
| Punto de funcionamiento | Umbral típico de plomo-ácido |
|---|---|
| Voltaje nominal | 2.0 V/celda |
| Voltaje de carga de flotación | 2.2-2.25 V/celda |
| Voltaje de gasificación | Aproximadamente 2.4 V/celda |
| Pico de fin de carga | 2.6-2.7 V/celda |
| Corte de descarga | 1.7-1.9 V/celda |
Las baterías de plomo-ácido funcionan con el nivel de voltaje más alto de las dos químicas. Su perfil de carga debe distinguir entre el funcionamiento continuo de flotación y la carga de mayor voltaje destinada a completar o restaurar la carga.
Un probador que permita que el voltaje de la celda se aproxime a 2.6-2.7 V/celda debe tratarlo como una condición de fin de carga que requiere una supervisión estricta de la corriente, el tiempo y la temperatura.
Perfil de voltaje de las baterías NiCd
| Punto de funcionamiento | Umbral típico de NiCd |
|---|---|
| Voltaje nominal | 1.2 V/celda |
| Voltaje de carga de flotación | 1.38-1.40 V/celda |
| Voltaje de gasificación | 1.6-1.7 V/celda |
| Pico de fin de carga | 1.65-1.85 V/celda |
| Corte de descarga | 0.85-1.1 V/celda |
Las celdas NiCd tienen un voltaje nominal inferior y un voltaje absoluto de carga menor que las celdas de plomo-ácido. Sin embargo, el aumento de voltaje por encima del valor nominal durante la carga es proporcionalmente mayor.
Por lo tanto, el control de carga de las celdas NiCd no puede derivarse simplemente aplicando un porcentaje fijo al perfil de voltaje de plomo-ácido. El cargador y el sistema de prueba necesitan una lógica específica para la química en cuanto a voltaje, corriente, terminación y temperatura.
Los umbrales de corte son especialmente diferentes
El corte de descarga de las baterías de plomo-ácido suele establecerse alrededor de 1.7-1.9 V/celda, mientras que el corte de las baterías NiCd puede ser tan bajo como 0.85-1.1 V/celda.
Esta diferencia es importante durante las pruebas de capacidad. Una prueba NiCd detenida en el umbral de corte de plomo-ácido terminaría demasiado pronto y subestimaría la capacidad utilizable, mientras que descargar una celda de plomo-ácido hasta un umbral de corte típico de NiCd podría provocar una sobredescarga perjudicial.
Configuración de cargadores y sistemas de prueba
Establezca los límites por celda antes de calcular los valores del paquete
La secuencia de configuración correcta es:
- Identificar la química de la batería.
- Confirmar el número de celdas conectadas en serie.
- Seleccionar el umbral de funcionamiento pertinente por celda.
- Multiplicar por el número de celdas en serie para obtener el ajuste nominal del paquete.
- Validar el resultado comparándolo con la especificación de la batería proporcionada por el fabricante.
Este proceso evita un error de configuración común: utilizar el voltaje nominal del paquete de baterías como si fuera un voltaje universal de carga o de corte.
Separe los ajustes de flotación, gasificación y fin de carga
El voltaje de flotación está destinado a mantener la carga durante un periodo prolongado. Es inferior al voltaje en el que comienza una gasificación significativa.
El voltaje de gasificación indica una condición en la que la carga puede producir una cantidad de gas considerablemente mayor, especialmente en baterías ventiladas. El voltaje de fin de carga es una condición máxima y no debe utilizarse automáticamente como ajuste de un cargador continuo.
Por lo tanto, un perfil de prueba de batería debe definir umbrales separados para el funcionamiento normal, la finalización de la carga, la detección de gasificación y la protección de emergencia contra sobretensión.
Utilice capas de protección independientes
El límite programado del cargador no debe ser el único mecanismo de protección. Los sistemas de baterías también deben utilizar protecciones independientes contra sobretensión, subtensión, sobrecorriente, temperatura y tiempo de espera, adecuadas para el perfil de prueba.
Esto es importante porque un voltaje a nivel de paquete puede parecer aceptable mientras una celda débil o desequilibrada ya está sobrecargada o profundamente descargada. La derivación de tensión de las celdas o la supervisión individual de cada celda proporciona una visibilidad superior a la del voltaje del paquete por sí solo.
Aplique la corrección de temperatura cuando sea necesario
Los umbrales de voltaje no son independientes de la temperatura. El voltaje de carga, la corriente permitida y los límites térmicos deben ajustarse según la química, la construcción de la batería y los datos del fabricante.
La referencia complementaria identifica límites de temperatura del electrolito más altos para los sistemas de plomo-ácido, comúnmente de hasta aproximadamente 55°C, mientras que los límites de NiCd suelen ser inferiores, alrededor de 40-45°C, dependiendo de la construcción. Por lo tanto, la supervisión de la temperatura forma parte del control preciso de los límites de voltaje, no es simplemente una característica de seguridad adicional.
Comprensión de las ventajas y desventajas
Un voltaje más alto no significa un mejor rendimiento
El mayor voltaje por celda de las baterías de plomo-ácido simplifica algunos diseños de paquetes, ya que se necesitan menos celdas para obtener un voltaje nominal determinado del sistema. Esto no significa que las baterías de plomo-ácido puedan tolerar un voltaje de carga arbitrario.
Superar el intervalo de carga normal aumenta la gasificación, la corrosión, la pérdida de agua y el estrés térmico. Las baterías de plomo-ácido reguladas por válvula dependen especialmente de una carga controlada, ya que una generación excesiva de gas puede elevar la presión interna.
Las baterías NiCd toleran la sobrecarga de forma diferente
Las celdas NiCd pueden tolerar mejor una sobrecarga controlada de baja velocidad que las celdas de plomo-ácido debido a su comportamiento de recombinación de gases, especialmente en diseños sellados. Esta tolerancia no elimina la necesidad de utilizar límites correctos de voltaje y corriente.
Las baterías NiCd aún pueden experimentar calentamiento, pérdida de electrolito, degradación de la capacidad y reducción de su vida útil cuando la carga se controla de forma deficiente. Sus mayores tasas de gasificación también generan mayores necesidades de ventilación, especialmente durante la carga de refuerzo.
El voltaje del paquete puede ocultar fallos en las celdas
Las celdas conectadas en serie no siempre comparten el voltaje de manera uniforme. Una batería con un voltaje total aceptable puede contener una celda que se sobrecarga durante la carga o que entra en inversión de polaridad durante la descarga.
Para pruebas de investigación, cualificación y alta fiabilidad, es preferible medir el voltaje de cada celda individual. Esto permite al sistema identificar desequilibrios y detener la prueba antes de que una sola celda provoque resultados de capacidad engañosos o daños.
El voltaje por sí solo no es una señal universal de terminación de carga
La terminación de la carga también puede depender de la reducción gradual de la corriente, el tiempo transcurrido, el aumento de temperatura y el método de carga previsto. Un umbral de voltaje es un parámetro de control importante, pero debe interpretarse dentro del perfil de carga completo.
Esto es especialmente relevante para las baterías NiCd, cuyo intervalo de voltaje de fin de carga puede variar según la velocidad de carga y las condiciones de funcionamiento. El método de prueba especificado debe prevalecer sobre una tabla de voltajes genérica.
Cómo aplicar esto a su proyecto
Utilice las siguientes prioridades al configurar un cargador, un ciclador de baterías o un sistema de pruebas de laboratorio:
- Si su prioridad principal es la precisión de los límites de voltaje: configure primero todos los límites en V/celda, multiplíquelos por el número de celdas en serie y verifique los valores resultantes del paquete con las especificaciones del fabricante.
- Si su prioridad principal son las pruebas de capacidad: utilice cortes de descarga específicos para cada química: aproximadamente 1.7-1.9 V/celda para plomo-ácido y 0.85-1.1 V/celda para NiCd.
- Si su prioridad principal es la configuración del cargador: mantenga separados los ajustes de carga de flotación de los límites de gasificación y fin de carga: aproximadamente 2.2-2.25 V/celda para plomo-ácido y 1.38-1.40 V/celda para el funcionamiento de flotación de NiCd.
- Si su prioridad principal es la seguridad y la fiabilidad: añada protecciones independientes a nivel de celda contra voltaje, temperatura, corriente y tiempo de espera, especialmente para paquetes conectados en serie y pruebas de carga de refuerzo.
- Si su prioridad principal es el funcionamiento a alta temperatura: aplique límites térmicos y compensación de temperatura específicos para la química y la construcción, en lugar de tratar los umbrales de voltaje como valores fijos en todas las condiciones.
Los umbrales correctos por celda proporcionan a su sistema de baterías una base fiable para una carga segura, una medición representativa de la capacidad y pruebas de vida útil repetibles.
Tabla resumen:
| Punto de funcionamiento | Plomo-ácido (V/celda) | NiCd (V/celda) |
|---|---|---|
| Voltaje nominal | 2.0 | 1.2 |
| Voltaje de carga de flotación | 2.2-2.25 | 1.38-1.40 |
| Voltaje de gasificación | ~2.4 | 1.6-1.7 |
| Pico de fin de carga | 2.6-2.7 | 1.65-1.85 |
| Corte de descarga | 1.7-1.9 | 0.85-1.1 |
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