Baterías de plomo: distintos tipos
danielperez.webcindario.com  Ing. Daniel Pérez LW1ECP  danyperez1 { arrroba } yahoo.com.ar


(Mayo 2017, texto en revisión y ampliación)

Piensas alimentar tu circuito con una batería de auto, pero no va a estar en un auto? Sigue leyendo!

Un artículo más sobre baterías de plomo-ácido en la web y van... Con éste intento hacer un resumen del material que leí, cubriendo cada tema del modo más claro posible.

Y en otro capítulo del sitio veremos cómo aplicarlo para prolongar la vida de aparatos domésticos, los que incorporan baterías de plomo cargadas desde la red.

Para principiantes: una batería NO es un capacitor grandote.
- Éste almacena energía en forma de campo eléctrico; la batería, en forma de energía química.
- Tanto una batería como un electrolítico poseen un electrolito, pero en la batería es para la reacción química, mientras que en el elco mantiene el óxido dieléctrico.
- Al aplicar una corriente constante a un capacitor, su tensión varía en forma lineal con el tiempo. En una batería, en cambio, la tensión permanece aproximadamente constante durante la carga o descarga (en ésta, hasta que empieza a caer rápidamente).
Otro tema: el significado que le damos a "batería" en esta nota sería estrictamente "acumulador", algo que puede acumular y luego descargarse. Aunque no se respeta, "batería" y "pila" por diccionario significarían CONJUNTOS de CELDAS individuales. Para colmo, en inglés suelen usar "battery" también para las celdas no recargables (p. ej. "alkaline battery").
 

Cuando tomo corriente desde una batería pasan dos cosas:

1- La carga almacenada disminuye *gradualmente* a medida que pasa el tiempo mientras consumo.

2- La tensión en bornes baja *inmediatamente* debido a la resistencia interna.

Según el uso que le demos a la batería nos puede importar más uno u otro efecto. Veamos:


Las especificaciones mínimas de una batería son la tensión y la capacidad (no confundir con capacitancia). Ésta se mide en "amper hora". Atención, no es "amper/hora", es el producto de la corriente que se le extrae, por las horas que dura esa extracción antes de caer mucho la tensión. O sea, una batería que tiene escrito 60Ah sería capaz de entregar 3A durante 20h. 20h es un plazo común en las especificaciones. Entonces, se le podría extraer 6A durante 10h, 12A durante 5h, etc? No es exactamente así. El producto de los amperes por las horas deja de ser aproximadamente constante cuanto más rápida sea la descarga. La especificación de capacidad es para tener una idea de cuánto durará en condiciones realistas, no esperemos poder sacarle 600A durante 6 minutos. Además, al recargarla hay que ponerle un 20 o 30% más de los Ah que se le extrajeron.
 

Pero hay otra especificación, en las baterías para autos a combustión, que es la CCA (corriente de arranque en frío). Según la norma, una batería de 12V que en la etiqueta diga p. ej. '300A CCA' significa que se le puede extraer 300A durante 30s a una temperatura de -18C sin que su tensión baje a menos de 7,2V. Es una exigencia terrible: que la temperatura sea tan baja, que el motor de arranque necesite 300A (pero se conforma con que le lleguen 7,2V) y que tarde medio minuto en arrancar! Pero hacer pasar 300A por 30s equivale a consumir tan sólo 2,5Ah. Es apenas el 5% de la capacidad típica (55 o 65Ah). Una batería con alta R interna podría tener abundantes amper hora acumulados, pero la tensión se vendrá aún más abajo en esas circunstancias (sólo durante el consumo) y el motor de arranque no girará adecuadamente. Por eso en una batería para auto a combustión los amperes de CCA son mucho más importante que los Ah.


Las baterías de plomo más conocidas son las de los autos, que acabamos de mencionar. Pero antes de intentar usarlas para otras aplicaciones, es imprescindible saber cómo se clasifican las baterías según el uso para el que se diseñaron:
1- Baterías "de arranque": son las comunes en los autos con motor a combustión, su principal necesidad es para mover el motor eléctrico ("burro") que arranca al motor principal. Una vez que arrancó, al menos en teoría ya no hace falta, se puede desconectar y el mismo motor a través de su generador produce la electricidad necesaria para seguir funcionando (bujías, sistemas electrónicos que lo controlan). Están diseñadas para poder entregar la enorme corriente del motor de arranque durante algunos segundos sin que su tensión se venga demasiado abajo. Están hechas con muchas placas delgadas para tener mucha superficie de electrodo y así minimizar su resistencia interna. Sin embargo, una batería así diseñada sufre si se la descarga mucho, aunque sea lentamente, porque entonces el ácido empieza a atacar a las placas (sulfatación). Una vez que se la descargó mucho o poco hay que recargarla al 100% lo antes posible.

2- Baterías "estacionarias": aguantan descargas profundas EN EMERGENCIAS. Son las ideales para luces de emergencia y UPS, que es probable que deban usarse hasta que se descargaron por completo, pero ello no ocurre todos los días.
3- Baterías "ciclo profundo" (deep cycle); aguantan descargas profundas REPETITIVAS. Es el caso de los vehículos eléctricos e instalaciones solares.

4- Baterías "náuticas": deben poder arrancar un motor a combustión, pero ADEMÁS deben poder alimentar la embarcación estando el motor detenido.

Esta clasificación al igual que las imágenes son sólo orientativas, es posible que un fabricante liste las baterías náuticas dentro de las ciclo profundo.


Y qué pasa si uso una batería de auto para mi luz de emergencia? Los libros dicen que al descargarla mucho sufrirá más que una estacionaria. Sin embargo, las estacionarias son más caras, y podríamos arriesgarnos a que su mayor costo compense aproximadamente la menor vida de las comunes (opinable).
Y si la uso para mover un vehículo de golf o un autoelevador eléctrico? Ahí sí que se justifica conómicamente una batería deep cycle, una común aguantará pocas recargas antes de arruinarse.

Secuencia recomendada para cargar una batería de plomo que se usa para ciclo de carga y descarga diariamente
(veremos números más adelante):

1- Estando descargada, aplicarle la CORRIENTE INICIAL LÍMITE constante, o limitada resistivamente.
2- La tensión resultante sobre la batería irá subiendo a medida que se modifica su química.
3- Cuando llega al valor TENSIÓN PARA USO CÍCLICO (A FONDO) (cycle use) (equalization) dejarle aplicado ese valor constantemente.
4- La batería irá tomando cada vez menos corriente.
5- Cuando baja al valor de CORRIENTE DE CONMUTACIÓN (lo que indica que llegó al 100% de carga)...
6- ...disminuir la tensión aplicada al valor TENSIÓN DE FLOTE (standby) y dejarla allí. Mantenerla "a flote" compensa la pequeña autodescarga interna. También se lo llama cargar por goteo (trickle).
Salvo por esa limitación de la corriente inicial, este método es conocido como carga por tensión constante.
Si bien es un tema de electricidad básica, conviene dejar en claro que es imposible aplicar simultáneamente la tensión que se quiere y la corriente que se quiere a una cosa, en este caso una batería. Si se le aplica una tensión constante, la corriente que circule depende de cuánto de cargada esté. Y si le hago circular una corriente constante, nuevamente será el estado de la batería lo que diga cuánta caída de tensión va a mostrar.
 

Notas:
a) si la batería no estaba demasiado descargada, es posible que no se den los pasos 1 y 2: al aplicarle la tensión de ciclado la corriente que circule ya será menor que la límite. 

b) para simplificar el cargador, si la batería se va a usar sólo en casos de emergencia, no frecuentes, puede evitarse el paso de la carga a fondo, y aplicar siempre la tensión de flote, es una buena opción si no se requiere una recarga rápida.
Ejemplo:

Típica batería de 6V 4,5Ah (la impresión dice 'electrolito absorbido' pero el modelo tiene la palabra GEL: 'BGEL00645'):

- 47,2 x x 7,3 x 100mm (más terminales)

- La capacidad está especificada para una descarga de 20h

- Tensión de carga para uso cíclico: 7,20...7.50V

- Tensión de carga para uso standby: 6,75...6,90V

- Corriente inicial límite: 1,35A

- No lo especifica, pero típicamente la corriente para conmutar a flote es aprox. 5% de la capacidad (0,225A para capacidad de 4,5Ah).

 

Aparte del tipo de placas (muchas finas, pocas gruesas, plomo puro o aleación o pasta de plomo) las baterías se clasifican según cómo está contenido el ácido:
- Inundadas (flooded): son las tradicionales, ácido libre, no se pueden volcar. Todas requieren reponer agua, en mayor o menor medida, aun las "libres de mantenimiento" que esconden los tapones de recarga.
- VRLA (plomo-ácido reguladas por válvula de presión), también llamadas SLA (selladas): al convertirse el agua en gases aumenta la presión y un catalizador recombina en agua la mayor parte de ellos, siempre que no se exagere la tensión de carga. Son las verdaderas libres de mantenimiento. El ácido no está libre, por lo que pueden colocarse aun cabeza abajo. Para lograrlo hay dos formas:
   - Gel: el ácido forma parte de una gelatina.
   - AGM (alfombra absorbente de fibra de vidrio): el ácido está atrapado en una esponja entre placas.
De ambas, las primeras en aparecer fueron las de gel, son más caras que las AGM y no se usan tanto, pero por costumbre se suele llamar erróneamente "de gel" a las AGM. A la hora de cargar, debe tenerse cuidado si realmente es una de gel porque exige menores tensiones de carga.

En https://en.wikipedia.org/wiki/Float_voltage dicen para la tensión de flote de cada celda:
2,18V Gel   /  2,23V Flooded  /  2,27V AGM
Además, estas tensiones son dependientes de la temperatura: 
se cita un coeficiente de aprox. -3,9 mV/celsius. O sea que para temperatura creciente un cargador compensado en temperatura va reduciendo su tensión para evitar sobrecargarla porque aumenta la actividad electroquímica. Y aumenta la tensión con baja temperatura para evitar carga insuficiente, situaciones ambas que acortan la vida.

Cómo sufren las baterías de plomo? (algunos diseños más que otros):
- Si tienen POCA CARGA, como ya se mencionó, el ácido ataca las placas, se forma sulfato de plomo sobre ellas (sulfatación), no se disuelve y es aislante, o sea que reduce el área útil de las placas, y entonces la capacidad para nuevas recargas disminuye.
- Si se las CARGA DEMASIADO, se pierde
mucha agua en forma de hidrógeno y oxígeno. Esto implica tener que reponer agua más a menudo en las inundadas. Área de placa que se secó, área que ya no acumula más. Además, una excesiva tensión de carga genera corrosión irreversible de las placas. Por último, esa mezcla de gases es explosiva, un riesgo si se producen chispas al conectar o desconectar la batería. Siempre se recomienda tener las baterías en un lugar ventilado. 
- Con TEMPERATURA MUY BAJA se puede congelar el líquido, lo que destruye la batería. Una forma de protegerla contra el congelamiento es tenerla bien cargada: esto hace que el punto de congelamiento disminuya (aguanta más grados bajo cero).
- Si está DEMASIADO QUIETA se produce una estratificación del electrolito: la concentración de ácido no es la misma arriba y abajo. Esto ocurre si se compra una batería por las dudas y se tiene mucho tiempo sin ponerla en el auto, donde el vaivén ayuda a que esté bien mezclado.

(continuará) 

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