Una batería de automóvil , o batería de automóvil , es una batería recargable que se utiliza para arrancar un vehículo de motor . Su objetivo principal es proporcionar una corriente eléctrica al motor de arranque eléctrico, que a su vez arranca el motor de combustión interna de propulsión química que realmente impulsa el vehículo. Una vez que el motor está en marcha, la batería sigue suministrando energía a los sistemas eléctricos del automóvil y el alternador carga la batería a medida que aumentan o disminuyen las demandas.
Normalmente, el arranque utiliza menos del tres por ciento de la capacidad de la batería. Por esta razón, las baterías de automóviles están diseñadas para entregar la máxima corriente durante un corto período de tiempo. Por este motivo, a veces se las denomina "baterías SLI" para el arranque, la iluminación y el encendido. Las baterías SLI no están diseñadas para una descarga profunda y una descarga completa puede reducir la vida útil de la batería. [1]
Además de arrancar el motor, una batería SLI suministra la energía adicional necesaria cuando los requisitos eléctricos del vehículo exceden el suministro del sistema de carga. También es un estabilizador que nivela los picos de voltaje potencialmente dañinos . [2] Mientras el motor está funcionando, la mayor parte de la energía la proporciona el alternador, que incluye un regulador de voltaje para mantener la salida entre 13,5 y 14,5 V. [3] Las baterías SLI modernas son del tipo plomo-ácido y utilizan seis baterías conectadas en serie. celdas para proporcionar un sistema nominal de 12 voltios (en la mayoría de los vehículos de pasajeros y camiones livianos), o doce celdas para un sistema de 24 voltios en camiones pesados o equipos de movimiento de tierras, por ejemplo. [4]
Pueden producirse explosiones de gas en el electrodo negativo, donde se puede acumular gas hidrógeno debido a las rejillas de ventilación de la batería bloqueadas o a un entorno mal ventilado, combinado con una fuente de ignición. [5] Las explosiones durante el arranque del motor generalmente están asociadas con postes de batería corroídos o sucios. [5] Un estudio de 1993 realizado por la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras de EE. UU . dijo que el 31% de las lesiones por explosión de baterías de vehículos ocurrieron mientras se cargaba la batería. [6] Los siguientes escenarios más comunes fueron mientras se trabajaba en las conexiones de cables, mientras se arrancaba, generalmente al no conectarse a la batería agotada antes de la fuente de carga y al no conectarse al chasis del vehículo en lugar de directamente al poste de la batería con conexión a tierra. y mientras revisa los niveles de líquido. [5] [6] Cerca de dos tercios de los heridos sufrieron quemaduras químicas y casi tres cuartos sufrieron lesiones oculares, entre otras posibles lesiones. [6]
Los vehículos eléctricos (EV) funcionan con una batería de vehículo eléctrico de alto voltaje , pero normalmente también tienen una batería de automóvil, por lo que pueden utilizar accesorios automotrices estándar que están diseñados para funcionar con 12 V. A menudo se les conoce como auxiliares. baterías.
A diferencia de los vehículos convencionales con motor de combustión interna , los vehículos eléctricos no cargan la batería auxiliar con un alternador; en cambio, utilizan un convertidor de CC a CC para reducir el alto voltaje al voltaje de carga flotante requerido (normalmente alrededor de 14 V). . [7]
Además, un vehículo eléctrico no tiene motor de arranque, por lo que sólo necesita una cantidad limitada de potencia y energía de su batería auxiliar. Como tal, Tesla introdujo en 2021 una batería auxiliar de iones de litio que almacena sólo 99 Wh de energía. [8]
Los primeros coches no tenían baterías, ya que sus sistemas eléctricos eran limitados. La energía eléctrica para el encendido era proporcionada por un magneto , el motor se arrancaba con una manivela , los faros funcionaban con gasolina y se utilizaba una campana o bocina en lugar de una bocina eléctrica. Las baterías de automóvil se empezaron a utilizar ampliamente alrededor de 1920, cuando los automóviles se equiparon con motores de arranque eléctricos . [9]
Los primeros sistemas de arranque y carga fueron diseñados para ser sistemas de 6 voltios y tierra positiva , con el chasis del vehículo conectado directamente al terminal positivo de la batería. [10] Hoy en día, casi todos los vehículos de carretera tienen un sistema de tierra negativo. [11] El terminal negativo de la batería está conectado al chasis del automóvil .
Hudson Motor Car Company fue la primera en utilizar una batería estandarizada en 1918 cuando comenzaron a utilizar baterías del Battery Council International . BCI es la organización que establece los estándares dimensionales para las baterías. [12]
Los coches utilizaban sistemas eléctricos y baterías de 6 V hasta mediados de los años cincuenta. El cambio de 6 a 12 V se produjo cuando los motores más grandes con relaciones de compresión más altas requerían más energía eléctrica para arrancar. [13] Los coches más pequeños, que requerían menos energía para arrancar, se quedaron con 6 V más tiempo, por ejemplo el Volkswagen Beetle a mediados de los años 1960 y el Citroën 2CV en 1970. La batería sellada, que no requería recarga, se inventó en 1971. [9]
En la década de 1990 se propuso un estándar de sistema eléctrico de 42 V. Su objetivo era permitir accesorios eléctricos más potentes y mazos de cables de automóviles más ligeros. La disponibilidad de motores de mayor eficiencia, nuevas técnicas de cableado y controles digitales, y el enfoque en sistemas de vehículos híbridos que utilizan arrancadores/generadores de alto voltaje han eliminado en gran medida la necesidad de cambiar los principales voltajes automotrices. [14]
En 2023 Tesla inició las entregas de su Cybertruck que utiliza un sistema eléctrico de 48 voltios , reduciendo el 70% del cableado del vehículo. [15]
La batería de un automóvil es un ejemplo de batería de celdas húmedas , con seis celdas. Cada celda de una batería de almacenamiento de plomo consta de placas alternas hechas de una rejilla de aleación de plomo llena de placas de esponja de plomo ( cátodo ) [16] o recubiertas con dióxido de plomo ( ánodo ). [16] Cada celda está llena de una solución de ácido sulfúrico , que es el electrolito. Inicialmente, cada celda tenía un tapón de llenado, a través del cual se podía ver el nivel de electrolito y que permitía agregar agua a la celda. La tapa de llenado tenía un pequeño orificio de ventilación que permitía que el gas hidrógeno generado durante la carga escapara de la celda.
Las celdas están conectadas mediante correas cortas y pesadas desde las placas positivas de una celda a las placas negativas de la celda adyacente. Un par de terminales pesados, recubiertos con plomo para resistir la corrosión, están montados en la parte superior, a veces lateral, de la batería. Las primeras baterías de automóvil utilizaban carcasas de goma dura y separadores de placas de madera. Las unidades modernas utilizan cajas de plástico y láminas tejidas para evitar que las placas de una celda se toquen y produzcan cortocircuitos.
En el pasado, las baterías de los automóviles requerían inspección y mantenimiento regulares para reemplazar el agua que se descomponía durante el funcionamiento de la batería. Las baterías de "bajo mantenimiento" (a veces llamadas "mantenimiento cero") utilizan una aleación diferente para los elementos de la placa, lo que reduce la cantidad de agua descompuesta durante la carga. Es posible que una batería moderna no requiera agua adicional durante su vida útil; Algunos tipos eliminan los tapones de llenado individuales para cada celda. Una debilidad de estas baterías es que son muy intolerantes a la descarga profunda, como cuando la batería del coche se agota por completo al dejar las luces encendidas. Esto recubre los electrodos de placa de plomo con depósitos de sulfato de plomo y puede reducir la vida útil de la batería en un tercio o más.
Las baterías VRLA , también conocidas como baterías de estera de vidrio absorbido (AGM), son más tolerantes a las descargas profundas pero son más caras. [17] Las baterías VRLA no permiten la adición de agua a la celda. Cada una de las celdas tiene una válvula de liberación de presión automática, para proteger la carcasa contra roturas en caso de sobrecarga severa o falla interna. Una batería VRLA no puede derramar su electrolito, lo que la hace particularmente útil en vehículos como motocicletas.
Las baterías suelen estar formadas por seis celdas galvánicas en circuitos en serie . Cada celda proporciona 2,1 voltios para un total de 12,6 voltios con carga completa. [18] Durante la descarga, en el terminal negativo (plomo) una reacción química libera electrones al circuito externo, y en el terminal positivo (óxido de plomo) otra reacción química absorbe electrones del circuito externo. Esto impulsa los electrones a través del cable del circuito externo (un conductor eléctrico ) para producir una corriente eléctrica ( electricidad ). A medida que la batería se descarga , el ácido del electrolito reacciona con los materiales de las placas, cambiando su superficie a sulfato de plomo . Cuando se recarga la batería , la reacción química se invierte: el sulfato de plomo se transforma en dióxido de plomo. Una vez que las placas hayan sido restauradas a su estado original, se podrá repetir el proceso.
Algunos vehículos utilizan otras baterías de arranque. Para ahorrar peso, el Porsche 911 GT3 RS 2010 tiene una batería de iones de litio como opción; [19] A partir de 2018, todos los híbridos convencionales Kia Niro también cuentan con uno. [20] Los vehículos pesados pueden tener dos baterías en serie para un sistema de 24 V o pueden tener grupos de baterías en serie-paralelo que suministren 24 V. [21]
Las baterías se agrupan por tamaño físico, tipo y ubicación de los terminales y estilo de montaje. [17]
El amperio hora (Ah o A·h) es una unidad relacionada con la capacidad de almacenamiento de energía de la batería. Esta calificación es requerida por ley en Europa.
La clasificación de amperios hora generalmente se define como el producto de (la corriente que una batería puede proporcionar durante 20 horas a una velocidad constante, a 80 grados F (26,6 °C), mientras que el voltaje cae a un corte de 10,5 voltios) por 20 horas. En teoría, a 80 grados F, una batería de 100 Ah debería poder proporcionar continuamente 5 amperios durante 20 horas manteniendo un voltaje de al menos 10,5 voltios. Es importante darse cuenta de que la relación entre la capacidad de Ah y la tasa de descarga no es lineal; A medida que aumenta la tasa de descarga, la capacidad disminuye. Una batería con una clasificación de 100 Ah generalmente no podrá mantener un voltaje superior a 10,5 voltios durante 10 horas mientras se descarga a una velocidad constante de 10 amperios. La capacidad también disminuye con la temperatura.
El tamaño del grupo Battery Council International (BCI) especifica las dimensiones físicas de una batería, como largo, ancho y alto. Estos grupos están determinados por la organización. [25] [26]
El exceso de calor es una de las principales causas de fallas de las baterías, como cuando el electrolito se evapora debido a las altas temperaturas, lo que disminuye la superficie efectiva de las placas expuestas al electrolito y provoca la sulfatación. Las tasas de corrosión de la red aumentan con la temperatura. [27] [28] Además, las bajas temperaturas pueden provocar fallos en la batería. [29]
Si la batería se descarga hasta el punto en que no puede arrancar el motor, se puede arrancar el motor mediante puente a través de una fuente de energía externa. Una vez en marcha, el motor puede recargar la batería, si el alternador y el sistema de carga no están dañados. [30]
La corrosión en los terminales de la batería puede impedir que un automóvil arranque debido a la resistencia eléctrica , lo que puede evitarse mediante la aplicación adecuada de grasa dieléctrica . [31] [32]
La sulfatación ocurre cuando los electrodos se recubren con una capa dura de sulfato de plomo, lo que debilita la batería. La sulfatación puede ocurrir cuando la batería no está completamente cargada y permanece descargada. [33] Las baterías sulfatadas deben cargarse lentamente para evitar daños. [34]
Las baterías SLI (arranque, iluminación y encendido) no están diseñadas para descargas profundas y su vida útil se reduce cuando se someten a esta. [35]
Las baterías de arranque tienen placas diseñadas para una mayor superficie y, por lo tanto, una alta capacidad de corriente instantánea, mientras que las baterías marinas (híbridas) y de ciclo profundo tendrán placas más gruesas y más espacio en la parte inferior de las placas para que el material gastado de las placas se acumule antes de provocar un cortocircuito en la celda.
Las baterías de automóviles que utilizan placas de plomo-antimonio requieren un llenado regular con agua pura para reemplazar el agua perdida debido a la electrólisis y la evaporación. Al cambiar el elemento de aleación por calcio, los diseños más recientes han reducido la tasa de pérdida de agua. Las baterías de automóviles modernas tienen requisitos de mantenimiento reducidos y es posible que no incluyan tapones para agregar agua a las celdas. Estas baterías incluyen electrolito adicional encima de las placas para permitir pérdidas durante la vida útil de la batería.
Algunos fabricantes de baterías incluyen un hidrómetro incorporado para mostrar el estado de carga de la batería.
El principal mecanismo de desgaste es el desprendimiento de material activo de las placas de la batería, que se acumula en la parte inferior de las celdas y que eventualmente puede provocar un cortocircuito en las placas. Esto se puede reducir sustancialmente encerrando un juego de placas en bolsas separadoras de plástico, hechas de un material permeable. Esto permite que el electrolito y los iones pasen pero evita que la acumulación de lodo forme puentes entre las placas. El lodo se compone en gran parte de sulfato de plomo, que se produce en ambos electrodos.
El reciclaje de baterías de automóviles reduce la necesidad de recursos necesarios para la fabricación de baterías nuevas, desvía el plomo tóxico de los vertederos y previene el riesgo de una eliminación inadecuada. Una vez que una batería de plomo-ácido deja de mantener carga, se considera una batería de plomo-ácido usada (BAPU), que se clasifica como residuo peligroso según el Convenio de Basilea . La batería de coche de 12 voltios es el producto más reciclado del mundo, según la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos . Sólo en Estados Unidos se reemplazan alrededor de 100 millones de baterías de automóviles al año, y el 99 por ciento de ellas se entregan para reciclaje. [36] Sin embargo, el reciclaje puede realizarse incorrectamente en entornos no regulados. Como parte del comercio mundial de residuos , las BAPU se envían desde países industrializados a países en desarrollo para su desmontaje y recuperación de su contenido. Alrededor del 97 por ciento del plomo se puede recuperar. Pure Earth estima que más de 12 millones de personas en los países en desarrollo se ven afectadas por la contaminación por plomo procedente del procesamiento de BAPU. [37]
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