Un cargador de batería , recargador o simplemente cargador , [1] [2] es un dispositivo que almacena energía en una batería eléctrica al hacer pasar corriente a través de ella. El protocolo de carga (cuánto voltaje , corriente, durante cuánto tiempo y qué hacer cuando se completa la carga) depende del tamaño y el tipo de batería que se está cargando. Algunos tipos de baterías tienen una alta tolerancia a la sobrecarga después de que la batería se haya cargado por completo y se pueden recargar conectándolas a una fuente de voltaje constante o una fuente de corriente constante , según el tipo de batería.
Los cargadores simples de este tipo deben desconectarse manualmente al final del ciclo de carga. Otros tipos de baterías utilizan un temporizador para desconectarse cuando la carga debe estar completa. Otros tipos de baterías no pueden soportar la sobrecarga, dañarse (capacidad reducida, vida útil reducida), sobrecalentarse o incluso explotar. El cargador puede tener circuitos de detección de temperatura o voltaje y un controlador de microprocesador para ajustar de forma segura la corriente y el voltaje de carga, determinar el estado de carga y cortar al final de la carga. Los cargadores pueden elevar el voltaje de salida proporcionalmente con la corriente para compensar la impedancia en los cables. [3]
Un cargador de goteo proporciona una cantidad relativamente pequeña de corriente, solo la suficiente para contrarrestar la autodescarga de una batería que está inactiva durante mucho tiempo. Algunos tipos de baterías no pueden tolerar la carga de goteo; intentar hacerlo puede resultar en daños. Las baterías de iones de litio no pueden soportar la carga de goteo indefinida. [4] Los cargadores de batería lentos pueden tardar varias horas en completar una carga. Los cargadores de alta velocidad pueden restaurar la mayor parte de la capacidad mucho más rápido, pero los cargadores de alta velocidad pueden ser más de lo que algunos tipos de baterías pueden tolerar. Estas baterías requieren un monitoreo activo de la batería para protegerla de cualquier uso abusivo. [5] Los vehículos eléctricos idealmente necesitan cargadores de alta velocidad. Para el acceso público, la instalación de dichos cargadores y el soporte de distribución para ellos es un problema en la adopción propuesta de automóviles eléctricos.
Las tasas de carga y descarga se expresan a menudo como C o C-rate , que es una medida de la velocidad a la que se carga o descarga una batería en relación con su capacidad. La C-rate se define como la corriente de carga o descarga dividida por la capacidad de la batería para almacenar una carga eléctrica. Aunque rara vez se indica de forma explícita, la unidad de la C-rate es h −1 , equivalente a indicar la capacidad de la batería para almacenar una carga eléctrica en la unidad hora multiplicada por la corriente en la misma unidad que la corriente de carga o descarga. La C-rate nunca es negativa, por lo que si describe un proceso de carga o descarga depende del contexto. [6]
Por ejemplo, para una batería con una capacidad de 500 mAh, una tasa de descarga de 5000 mA (es decir, 5 A) corresponde a una tasa C de 10C, lo que significa que dicha corriente puede descargar 10 baterías de este tipo en una hora. Del mismo modo, para la misma batería, una corriente de carga de 250 mA corresponde a una tasa C de C/2, lo que significa que esta corriente aumentará el estado de carga de esta batería en un 50% en una hora. [7]
El paso de corriente a través de las baterías genera calor interno, aproximadamente proporcional a la corriente involucrada (el estado de carga actual de una batería, su condición/historial, etc. también son factores). Si el proceso de carga es endotérmico (que en el caso de las baterías de Ni-Cd , mientras que la carga de baterías de níquel-hidruro metálico es exotérmica), el proceso de carga inicialmente enfría la batería, pero cuando alcanza la carga completa, el efecto de enfriamiento se detiene y la celda se calienta. Detectar un aumento de temperatura de 10 °C (18 °F) es una forma de determinar cuándo detener la carga. [8] Las celdas de batería que se han construido para permitir tasas de C más altas de lo habitual deben prever un mayor calentamiento.
Pero las altas clasificaciones C son atractivas para los usuarios finales porque estas baterías se pueden cargar más rápidamente y producen una mayor salida de corriente en uso. Las altas clasificaciones C generalmente requieren que el cargador controle cuidadosamente los parámetros de la batería, como el voltaje y la temperatura de los terminales, para evitar la sobrecarga y, por lo tanto, dañar las celdas. [6] Estas altas tasas de carga solo son posibles con algunos tipos de baterías. Otras se dañarán o posiblemente se sobrecalentarán o se incendiarán. Algunas baterías incluso pueden explotar. [9] Por ejemplo, una batería de plomo-ácido SLI (arranque, iluminación, ignición) de un automóvil conlleva varios riesgos de explosión . Un tipo más nuevo de cargador se conoce como cargador de estado sólido. Esto supera las limitaciones de las baterías líquidas .
Un cargador simple funciona suministrando una fuente de alimentación de CC constante o CC pulsada a una batería que se está cargando. Un cargador simple normalmente no altera su salida en función del tiempo de carga o la carga de la batería. Esta simplicidad significa que un cargador simple es económico, pero tiene desventajas. Por lo general, un cargador simple cuidadosamente diseñado tarda más en cargar una batería porque está configurado para utilizar una tasa de carga más baja (es decir, más segura). Aun así, muchas baterías que se dejan en un cargador simple durante demasiado tiempo se debilitarán o destruirán debido a la sobrecarga. Estos cargadores también varían en el sentido de que pueden suministrar un voltaje constante o una corriente constante a la batería.
Los cargadores de batería simples alimentados por CA suelen tener una corriente de ondulación y un voltaje de ondulación mucho más altos que otros tipos de cargadores de batería porque están diseñados y construidos de manera económica. Generalmente, cuando la corriente de ondulación está dentro del nivel recomendado por el fabricante de la batería, el voltaje de ondulación también estará dentro del nivel recomendado. La corriente de ondulación máxima para una batería VRLA típica de 12 V 100 Ah es de 5 amperios. Siempre que la corriente de ondulación no sea excesiva (más de 3 a 4 veces el nivel recomendado por el fabricante de la batería), la vida útil esperada de una batería VRLA cargada por ondulación estará dentro del 3% de la vida útil de una batería cargada con CC constante. [10]
Los cargadores rápidos utilizan circuitos de control para cargar rápidamente las baterías sin dañar ninguna de las celdas de la batería. Los circuitos de control pueden estar integrados en la batería (generalmente para cada celda) o en la unidad de carga externa, o dividirse entre ambas. La mayoría de estos cargadores tienen un ventilador de refrigeración para ayudar a mantener la temperatura de las celdas a niveles seguros. La mayoría de los cargadores rápidos también pueden actuar como cargadores nocturnos estándar si se utilizan con celdas Ni-MH estándar que no tienen circuitos de control especiales.
Para acelerar el tiempo de carga y proporcionar una carga continua, un cargador inteligente intenta detectar el estado de carga y la condición de la batería y aplica un esquema de carga de tres etapas. La siguiente descripción supone una batería de tracción de plomo-ácido sellada a 25 °C (77 °F). La primera etapa se conoce como "absorción masiva"; la corriente de carga se mantiene alta y constante y está limitada por la capacidad del cargador. Cuando el voltaje de la batería alcanza su voltaje de desgasificación (2,22 voltios por celda), el cargador cambia a la segunda etapa y el voltaje se mantiene constante (2,40 voltios por celda). La corriente suministrada disminuye al voltaje mantenido y, cuando la corriente llega a menos de 0,005 °C, el cargador ingresa a su tercera etapa y la salida del cargador se mantiene constante a 2,25 voltios por celda. En la tercera etapa, la corriente de carga es muy pequeña, 0,005 °C, y a este voltaje la batería se puede mantener a plena carga y compensar la autodescarga.
Los cargadores de batería inductivos utilizan la inducción electromagnética para cargar las baterías. Una estación de carga envía energía electromagnética a través de un acoplamiento inductivo a un dispositivo eléctrico, que almacena la energía en las baterías. Esto se logra sin la necesidad de contactos metálicos entre el cargador y la batería. Los cargadores de batería inductivos se utilizan comúnmente en cepillos de dientes eléctricos y otros dispositivos que se utilizan en los baños. Como no hay contactos eléctricos abiertos, no hay riesgo de electrocución. Hoy en día se utilizan para cargar teléfonos inalámbricos.
Un cargador inteligente puede responder al estado de una batería y modificar sus parámetros de carga en consecuencia, mientras que los cargadores "tontos" aplican un voltaje constante, posiblemente a través de una resistencia fija. No debe confundirse con una batería inteligente que contiene un chip de computadora y se comunica digitalmente con un cargador inteligente sobre el estado de la batería. Una batería inteligente requiere un cargador inteligente. Algunos cargadores inteligentes también pueden cargar baterías "tontas", que carecen de componentes electrónicos internos.
La corriente de salida de un cargador inteligente depende del estado de la batería. Un cargador inteligente puede controlar el voltaje, la temperatura o el tiempo de carga de la batería para determinar la corriente de carga óptima o finalizar la carga. En el caso de las baterías de Ni-Cd y Ni-MH , el voltaje de la batería aumenta lentamente durante el proceso de carga, hasta que la batería está completamente cargada. Después de eso, el voltaje disminuye debido al aumento de la temperatura, lo que indica a un cargador inteligente que la batería está completamente cargada. Estos cargadores suelen etiquetarse como cargadores ΔV, "delta-V" o, a veces, "delta peak", lo que indica que controlan los cambios de voltaje.
Esto puede provocar que incluso un cargador inteligente no detecte que las baterías ya están completamente cargadas y continúe cargándose, lo que puede provocar una sobrecarga. Muchos cargadores inteligentes emplean una variedad de sistemas de corte para evitar la sobrecarga. Un cargador inteligente típico carga rápidamente una batería hasta aproximadamente el 85% de su capacidad máxima en menos de una hora, y luego cambia a carga lenta, que tarda varias horas en llenar la batería hasta su capacidad máxima. [11]
Varias empresas han comenzado a fabricar dispositivos que cargan baterías utilizando la energía del movimiento humano, como el caminar. Un ejemplo, fabricado por Tremont Electric, consiste en un imán sujeto entre dos resortes que puede cargar una batería a medida que el dispositivo se mueve hacia arriba y hacia abajo. Estos productos aún no han logrado un éxito comercial significativo. [12]
Se ha creado un cargador de pedales para teléfonos móviles que se instala en los escritorios y que se instala en espacios públicos, como aeropuertos, estaciones de tren y universidades. Se han instalado en varios países de varios continentes. [13]
Algunos cargadores utilizan tecnología de pulsos , en la que se alimenta una serie de pulsos eléctricos a la batería . Los pulsos de CC tienen un tiempo de subida , un ancho de pulso, una frecuencia de repetición de pulsos y una amplitud estrictamente controlados . Esta tecnología funciona con cualquier tamaño y tipo de batería, incluidas las de automoción y las reguladas por válvulas . [14] Con la carga por pulsos, se aplican altos voltajes instantáneos sin sobrecalentar la batería. En una batería de plomo-ácido , esto descompone los cristales de sulfato de plomo, lo que prolonga en gran medida la vida útil de la batería. [15]
Existen varios tipos de cargadores de pulsos patentados, [16] [17] [18] mientras que otros son hardware de código abierto . Algunos cargadores utilizan pulsos para verificar el estado actual de la batería cuando se conecta el cargador por primera vez, luego utilizan la carga de corriente constante durante la carga rápida y luego utilizan el modo de pulso para cargarla lentamente. [19] Algunos cargadores utilizan "carga de pulso negativo", también llamada "carga refleja" o "carga de eructo". Estos cargadores utilizan pulsos de corriente negativos tanto positivos como breves. No hay evidencia significativa de que la carga de pulso negativo sea más efectiva que la carga de pulso común.
Los cargadores solares convierten la energía de la luz en corriente continua de bajo voltaje . Por lo general, son portátiles, pero también pueden tener un montaje fijo. Los cargadores solares de montaje fijo también se conocen como paneles solares . Estos suelen estar conectados a la red eléctrica a través de circuitos de control e interfaz, mientras que los cargadores solares portátiles se utilizan fuera de la red (es decir, en automóviles , barcos o vehículos recreativos ).
Aunque los cargadores solares portátiles obtienen energía únicamente del sol, pueden cargarse en condiciones de poca luz, como al atardecer. Los cargadores solares portátiles suelen utilizarse para la carga lenta , aunque algunos pueden recargar completamente las baterías.
La salida de un cargador con temporizador se termina después de un intervalo de tiempo predeterminado. Los cargadores con temporizador fueron el tipo más común para las celdas de Ni-Cd de alta capacidad a fines de la década de 1990 para cargar celdas de Ni-Cd de consumo de baja capacidad. A menudo, se podía comprar un cargador con temporizador y un juego de baterías como un paquete y el tiempo de carga se configuraba específicamente para esas baterías. Si se cargaban baterías de menor capacidad, se sobrecargarían, y si se cargaban con temporizador baterías de mayor capacidad, no alcanzarían su capacidad máxima. Los cargadores con temporizador también tenían el inconveniente de que cargar baterías que no estaban completamente descargadas daba como resultado una sobrecarga.
Un cargador de mantenimiento suele ser de baja corriente (normalmente entre 5 y 1500 mA). Se utilizan generalmente para cargar baterías de pequeña capacidad (2 a 30 Ah). También se utilizan para mantener baterías de mayor capacidad (> 30 Ah) en automóviles y embarcaciones. En aplicaciones más grandes, la corriente del cargador de batería solo es suficiente para proporcionar corriente de mantenimiento. Según la tecnología del cargador de mantenimiento, puede dejarse conectado a la batería indefinidamente. Algunos tipos de baterías no son adecuados para la carga de mantenimiento. Por ejemplo, la mayoría de las baterías de iones de litio no se pueden cargar de forma segura y pueden provocar un incendio o una explosión.
Los cargadores más sofisticados se utilizan en aplicaciones críticas (por ejemplo, baterías militares o de aviación). Estos sistemas de "carga inteligente" automáticos de alta resistencia se pueden programar con ciclos de carga complejos especificados por el fabricante de la batería. Los mejores son universales (es decir, pueden cargar todo tipo de baterías) e incluyen funciones automáticas de prueba y análisis de capacidad.
Dado que la especificación Universal Serial Bus proporciona una alimentación de cinco voltios, es posible utilizar un cable USB para conectar un dispositivo a una fuente de alimentación. Los productos basados en este enfoque incluyen cargadores para teléfonos celulares , reproductores de audio digitales portátiles y tabletas . Pueden ser dispositivos periféricos USB totalmente compatibles o cargadores simples no controlados.Otro tipo de cargador USB llamado "batería USB (recargable)" se instala en la caja de las baterías estándar (AA de 1,5 V, C, D y bloque de 9 V) junto con una batería recargable de iones de litio, un convertidor de voltaje y un conector USB.
Se utiliza para cargar una batería con otra batería, sin convertir CC a CA.
Dado que un cargador de batería está diseñado para conectarse a una batería, es posible que no tenga regulación de voltaje ni filtrado de la salida de voltaje de CC; es más económico fabricarlos de esa manera. Los cargadores de batería equipados con regulación de voltaje y filtrado a veces se denominan eliminadores de batería .
Hay dos tipos principales de cargadores utilizados para vehículos:
Los cargadores para baterías de automóviles tienen distintas capacidades. Los cargadores con una capacidad nominal de hasta dos amperios se pueden utilizar para mantener la carga de las baterías de vehículos estacionados o para baterías pequeñas en tractores de jardín o equipos similares. Un automovilista puede tener un cargador con una capacidad nominal de unos pocos amperios a diez o quince amperios para el mantenimiento de las baterías de automóviles o para recargar una batería de vehículo que se haya descargado accidentalmente. Las estaciones de servicio y los talleres comerciales tendrán un cargador grande para cargar completamente una batería en una o dos horas; a menudo, estos cargadores pueden generar brevemente los cientos de amperios necesarios para poner en marcha el motor de arranque de un motor de combustión interna.
Los cargadores de baterías para vehículos eléctricos (ECS) vienen en una variedad de marcas y características. Estos cargadores varían de 1 kW a 7,5 kW de tasa de carga máxima. Algunos utilizan curvas de carga de algoritmos, otros utilizan voltaje constante, corriente constante. Algunos son programables por el usuario final a través de un puerto CAN , algunos tienen diales para voltaje y amperaje máximos, algunos están preestablecidos para voltaje, amperios-hora y química específicos del paquete de baterías. Los precios varían de $400 a $4,500. Una batería de 10 amperios-hora podría tardar 15 horas en alcanzar un estado de carga completa desde un estado de descarga completa con un cargador de 1 amperio, ya que requeriría aproximadamente 1,5 veces la capacidad de la batería. Las estaciones de carga de vehículos eléctricos públicos proporcionan 6 kW (potencia de host de 208 a 240 V CA desde un circuito de 40 amperios). 6 kW recargarán un vehículo eléctrico aproximadamente seis veces más rápido que 1 kW de carga durante la noche. La carga rápida da como resultado tiempos de recarga aún más rápidos y solo está limitada por la energía de CA disponible, el tipo de batería y el tipo de sistema de carga. [20]
Los cargadores de vehículos eléctricos a bordo (cambian la alimentación de CA a alimentación de CC para recargar el paquete del vehículo eléctrico) pueden ser:
Los cargadores con corrección del factor de potencia (PFC) pueden aproximarse más a la corriente máxima que el enchufe puede suministrar, acortando el tiempo de carga.
Project Better Place estaba implementando una red de estaciones de carga y subsidiando los costos de las baterías de los vehículos mediante arrendamientos y créditos hasta que se declaró en quiebra en mayo de 2013.
Los investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) han desarrollado un sistema de transporte eléctrico, llamado Vehículo Eléctrico Online (OLEV), donde los vehículos obtienen sus necesidades de energía de cables debajo de la superficie de la carretera a través de carga inductiva , se coloca una fuente de energía debajo de la superficie de la carretera y la energía se capta de forma inalámbrica en el propio vehículo. [21]
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La mayoría de los cargadores de teléfonos móviles no son realmente cargadores, sino solo adaptadores de corriente que proporcionan una fuente de energía para el circuito de carga que casi siempre se encuentra dentro del teléfono móvil. Los más antiguos son notoriamente diversos, ya que tienen una amplia variedad de estilos y voltajes de conectores de CC , la mayoría de los cuales no son compatibles con teléfonos de otros fabricantes o incluso con diferentes modelos de teléfonos de un mismo fabricante.
Algunos modelos de gama alta cuentan con múltiples puertos y están equipados con una pantalla que indica la corriente de salida . [22] Algunos admiten protocolos de comunicación para parámetros de carga como Qualcomm Quick Charge o MediaTek Pump Express . Los cargadores para tomas de corriente auxiliares de 12 V para automóviles pueden admitir voltajes de entrada de hasta 24 o 32 V CC para garantizar la compatibilidad y, a veces, están equipados con una pantalla para monitorear la corriente o el voltaje del sistema eléctrico del vehículo. [23]
China, la Unión Europea y otros países están elaborando un estándar nacional para cargadores de teléfonos móviles que utilizan el estándar USB . [24] En junio de 2009, 10 de los mayores fabricantes de teléfonos móviles del mundo firmaron un Memorando de Entendimiento para desarrollar especificaciones y dar soporte a una fuente de alimentación externa común (EPS) equipada con microUSB para todos los teléfonos móviles habilitados para datos vendidos en la UE. [25] El 22 de octubre de 2009, la Unión Internacional de Telecomunicaciones anunció que microUSB sería el estándar para un cargador universal para teléfonos móviles. [26]
Las instalaciones de suministro de energía ininterrumpida para telecomunicaciones, energía eléctrica y computadoras pueden contar con bancos de baterías de reserva de gran tamaño (instalados en salas de baterías ) para mantener cargas críticas durante varias horas durante interrupciones de la red eléctrica primaria. Dichos cargadores están instalados de forma permanente y equipados con compensación de temperatura, alarmas de supervisión para diversas fallas del sistema y, a menudo, fuentes de alimentación independientes redundantes y sistemas rectificadores redundantes.
Los cargadores para plantas de baterías estacionarias pueden tener una regulación y filtración de voltaje adecuadas y una capacidad de corriente suficiente para permitir que la batería se desconecte para realizar tareas de mantenimiento, mientras el cargador alimenta la carga del sistema de corriente continua (CC). La capacidad del cargador se especifica para mantener la carga del sistema y recargar una batería completamente descargada en, por ejemplo, 8 horas u otros intervalos.
Un cargador diseñado correctamente puede permitir que las baterías alcancen su ciclo de vida completo. El exceso de corriente de carga, la sobrecarga prolongada o la inversión de celdas en un paquete de celdas múltiples provocan daños en las celdas y limitan la expectativa de vida de una batería.
La mayoría de los teléfonos móviles , ordenadores portátiles y tabletas modernos , y la mayoría de los vehículos eléctricos utilizan baterías de iones de litio . [27] Estas baterías duran más si se cargan con frecuencia; la descarga completa de las celdas degradará su capacidad con relativa rapidez, pero la mayoría de estas baterías se utilizan en equipos que pueden detectar la proximidad de la descarga completa y descontinuar el uso del equipo. [6] Cuando se almacenan después de la carga, las celdas de la batería de litio se degradan más mientras están completamente cargadas que si solo están cargadas entre el 40 y el 50 %. Al igual que con todos los tipos de baterías, la degradación también ocurre más rápido a temperaturas más altas.
La degradación de las baterías de iones de litio se debe a un aumento de la resistencia interna de la batería, a menudo debido a la oxidación de las celdas . Esto reduce la eficiencia de la batería, lo que da como resultado una menor corriente neta disponible para ser extraída de la batería. [6] Sin embargo, si las celdas de iones de litio se descargan por debajo de un cierto voltaje, se produce una reacción química que las hace peligrosas si se recargan, por lo que muchas de estas baterías en los bienes de consumo ahora tienen un "fusible electrónico" que las desactiva permanentemente si el voltaje cae por debajo de un nivel establecido. El circuito del fusible electrónico extrae una pequeña cantidad de corriente de la batería, lo que significa que si una batería de computadora portátil se deja durante mucho tiempo sin cargarla, y con un estado de carga inicial muy bajo , la batería puede destruirse permanentemente.
Los vehículos de motor, como barcos, vehículos recreativos, vehículos todo terreno, motocicletas, automóviles, camiones, etc., han utilizado baterías de plomo-ácido . Estas baterías emplean un electrolito de ácido sulfúrico y, por lo general, se pueden cargar y descargar sin exhibir efecto memoria, aunque con el tiempo se producirá sulfatación (una reacción química en la batería que deposita una capa de sulfatos sobre el plomo). Por lo general, las baterías sulfatadas simplemente se reemplazan por baterías nuevas y las antiguas se reciclan. Las baterías de plomo-ácido tendrán una vida útil sustancialmente más larga cuando se utiliza un cargador de mantenimiento para "cargar en flotación" la batería. Esto evita que la batería esté alguna vez por debajo del 100 % de carga, lo que evita la formación de sulfato. Se debe utilizar un voltaje de flotación compensado por temperatura adecuado para lograr los mejores resultados.
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