Una batería de litio oceanográfica de alta capacidad es un tipo de batería utilizada por los oceanógrafos. Los oceanógrafos físicos utilizan paquetes de baterías de litio de alta capacidad para implementaciones a largo plazo para extender la duración de las implementaciones y recopilar más datos. Los oceanógrafos suelen trabajar en lugares lejanos y de difícil acceso. El costo de llegar a estos sitios remotos, a menudo por barco, puede dominar el costo de una investigación. Esto motiva a los oceanógrafos a ampliar la duración de sus despliegues para poder visitarlos con menos frecuencia. Esto significa, entre otras cosas, aumentar la capacidad de sus baterías.
Cuando es posible, los oceanógrafos utilizan pilas alcalinas porque son económicas y fáciles de conseguir. Sin embargo, cuando las pilas alcalinas no proporcionan una capacidad suficiente, los oceanógrafos recurren a paquetes de baterías de litio, que pueden suministrar tres veces más capacidad. Los paquetes de baterías basados en la química del cloruro de tionilo de litio cuestan más que los paquetes de baterías alcalinas, pero proporcionan aproximadamente tres veces la densidad de energía con aproximadamente el 60% del peso (ambos en volumen). Las baterías de litio también tienen otras ventajas. Producen una cantidad insignificante de gas, y el gas que se produce está contenido en recipientes metálicos herméticamente cerrados. El voltaje durante la vida útil del paquete varía considerablemente menos que el voltaje de un paquete alcalino. Las celdas de litio de baja corriente también tienen una autodescarga relativamente baja, perdiendo menos del 10% de su capacidad en 10 años.
Los paquetes de baterías oceanográficas de Doppler Ltd. utilizan celdas primarias de cloruro de tionilo de litio de baja corriente TL6930 [1] de Tadiran combinadas con pequeñas celdas recargables llamadas condensadores de capa híbrida (HLC). [2] Las celdas de litio de baja corriente no pueden suministrar las corrientes necesarias para muchas aplicaciones, pero almacenan más energía que las celdas de alta corriente. Las celdas de alta corriente utilizan electrodos enrollados en espiral, [3] es decir, electrodos construidos en láminas envueltas en espiral dentro de la celda. La gran superficie de las láminas aumenta la corriente que puede suministrar la celda. Las celdas de baja corriente utilizan electrodos de bobina, [3] un diseño más simple que consiste en un ánodo interno, una capa externa de litio metálico y un electrolito entre los dos. Este diseño es menos costoso de fabricar y almacena más energía.
Las celdas TL6930 funcionan bien en temperaturas oceánicas típicas (0-40 °C) y para implementaciones oceánicas típicas (1 mes - 2 años). A una temperatura de 5 a 10 °C, un TL6930 contiene aproximadamente tres veces la energía de una pila alcalina del mismo tamaño. La mayor parte de esa diferencia se debe al mayor voltaje de la celda de litio (nominalmente 3,8 VCC frente a 1,5 VCC). La figura 1 proporciona un ejemplo de cómo el voltaje en estas celdas varía con el tiempo, suponiendo que ambas celdas suministran la misma potencia continua. La pila de litio dura 3 veces más que una pila alcalina y mantiene un voltaje más constante durante su vida. Las pilas de litio primarias también tienen varias veces la capacidad de las pilas de litio recargables .
La mayoría de los instrumentos oceanográficos utilizan poca energía la mayor parte del tiempo y requieren corrientes elevadas sólo durante períodos cortos. Algunos ejemplos son los sistemas de instrumentos que telemetrizan datos a través de Iridium y módems acústicos (por ejemplo, de Benthos [4] o Link-Quest [5] ). Los ADCP también requieren pulsos cortos de alta corriente para soportar transmisiones acústicas de alta potencia. Los HLC son la clave que permite que los paquetes de baterías de litio de baja corriente suministren pulsos cortos de alta corriente. Los HLC son en realidad celdas de litio recargables que se comportan como enormes condensadores en un rango de voltaje estrecho (Fig. 2).
La mayoría de los paquetes de baterías alcalinas utilizados por los oceanógrafos están construidos con cadenas de celdas. Un paquete de baterías alcalinas típico a menudo consta de varias cadenas de celdas alcalinas, todas conectadas en paralelo para aumentar la capacidad total. Los paquetes PulsesPlus adoptan el enfoque opuesto. Los paquetes se construyen en "ramas" de celdas primarias paralelas, y cada rama carga uno o más HLC. El HLC genera la mayor parte de la corriente cuando se requieren corrientes altas, luego los HLC se recargan lentamente con una corriente baja desde las celdas primarias. La baja corriente de la celda le permite trabajar de manera más eficiente. La corriente alta disipa energía en forma de calor dentro de las celdas de baja corriente y tiene otros efectos perjudiciales. Estos reducen la energía disponible para alimentar la instrumentación. La combinación de las celdas de litio primarias con HLC permite que el paquete entregue más energía almacenada al sistema de instrumentos.
La figura 3 muestra un esquema típico de Pulses Plus. El pack incluye diodos en cada rama para minimizar la posibilidad de carga inversa de las celdas. Los PTC, o termistores de coeficiente de temperatura positivo, actúan como fusibles reajustables . Los PTC comienzan a calentarse con una corriente de disparo. El calor aumenta su resistencia, lo que produce aún más calor, y el PTC rápidamente se "dispara" y corta la mayor parte de la corriente. El PTC rara vez se dispara en un paquete ADCP típico, porque el circuito de seguridad es la protección principal contra cortocircuitos (definido como cualquier corriente superior a aproximadamente 8 A). El circuito de seguridad también apaga el paquete antes de que su voltaje caiga por debajo de un umbral. Si se permitiera que el paquete se descargara por completo, una rama podría descargarse antes que las demás, lo que podría provocar que las células restantes cargaran la rama descargada. Cualquier intento de cargar una celda de litio es potencialmente peligroso y apagar el paquete aproximadamente al 75-80% de su voltaje inicial evita que esto suceda. A este voltaje, sólo queda alrededor del 3% de la capacidad, pero la capacidad restante aún permite años para desechar el paquete antes de que se descargue por completo.
Debido a que los oceanógrafos gastan mucho tiempo y dinero en despliegues a largo plazo y luego esperan a ver los resultados, los oceanógrafos invierten esfuerzos extraordinarios antes de los despliegues para garantizar el éxito de sus experimentos. Una de sus preocupaciones es la falla de la batería. [6] Las baterías Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) de Doppler Ltd [7] proporcionan un ejemplo de paquetes de baterías de litio que un oceanógrafo puede probar antes de su despliegue. Estos paquetes de baterías se utilizan comúnmente en RD Instruments [8] Workhorse Sentinel [9] y Long Ranger [10] y en AWAC de Nortek [11] . [12] Estos paquetes de litio, basados en la tecnología PulsesPlus [13] de Tadiran, están diseñados de forma considerablemente diferente a los típicos paquetes de baterías alcalinas.
Además de sus funciones de seguridad, el circuito de seguridad también proporciona una autoprueba que confirma el estado del paquete antes de su despliegue. Si no hay una ventana con un LED detrás, no se debe poner en cortocircuito el paquete. Sólo los paquetes de baterías con circuitos de seguridad los apagan instantáneamente en respuesta a un cortocircuito.
La autoprueba indica que la batería y su circuito de seguridad funcionan, que el voltaje de la batería está dentro de un rango aceptable, que la batería puede suministrar un pulso de corriente de 8 A y que la batería se protegerá contra un cortocircuito. La prueba confirma que la batería es nueva. Si se utiliza una batería nueva, se debe contactar al proveedor. En algunas circunstancias, una batería almacenada a temperatura fría podría producir un resultado de prueba que indique que ha sido utilizada, aunque mantenga su capacidad original completa.
Algunos instrumentos tienen limitadores de corriente en sus entradas. El ejemplo más común es el caballo de batalla de RD Instruments. Cuando falla un limitador de corriente, el instrumento consume suficiente corriente para activar la protección contra cortocircuitos de la batería y el instrumento no funciona. Cuando esto suceda, conecte el adaptador de CA (que carga el banco de condensadores interno del ADCP) y luego conecte la batería. El instrumento ahora funcionará normalmente.
El circuito de seguridad determina que un paquete ha sido utilizado cuando su voltaje cae por debajo de un umbral o si detecta un número mínimo de pulsos. Normalmente, probar un paquete no es suficiente para que se "use", pero el funcionamiento normal debería hacer que se "use" alrededor del momento en que se haya agotado el 1% de su capacidad. El circuito de seguridad hace que el paquete se "agote" cuando cae por debajo de su voltaje de fin de vida útil y se apaga. Un paquete usado seguirá funcionando normalmente, pero un paquete agotado ya no se podrá utilizar.