Se representa en rojo el voltaje y en verde la intensidad de carga. Gráfico obtenido en ebikes.ca
En el gráfico adjunto mostramos el proceso de carga de una batería de 36V y 14Ah construida a partir de celdas Samsung de 3500mAh. Para ello hemos utilizado el simulador de ebikes.ca y hemos generado una carga lenta (a 2A) al 100% de la capacidad de la batería, porque eso es lo que mejor nos permiten hacer los cargadores básicos como los que tienen la mayoría de los usuarios.
Las baterías de Li Ion de nuestras bicicletas suelen ser de
cátodo de óxido de litio-manganeso y ánodo de grafito, por lo que su tensión
máxima es de 4,2V por celta (42V para esta batería), su tensión nominal (de
referencia, promedio a la lo largo del ciclo de uso) de 3,6V por celda (36V
para esta batería) y su tensión mínima de 3,0V por celda (de 30V para esta).
El proceso de carga posee dos zonas:
Zona principal.- El cargador suministra corriente constante
(en este caso de 2A pero puede ser superior, hasta 0,8C que sería óptimo para
las celdas Li Ion si el BMS pudiese balancear a esa ratio, lo cual es
improbable y que para esta batería equivaldría a unos 11A) y la tensión de cada celda va aumentando
desde los 3V hasta su tensión máxima de 4,2V.
El cargador debe poseer la suficiente precisión como para
detener esta fase exactamente en los 4,2V, pues las baterías de Litio no
admiten margen de error (máximo 0,05V por celda) al contrario que por ejemplo
las baterías de plomo-ácido que sí admiten margen.
En la imagen observamos que en esta fase habríamos cargado
el 98% de la batería y que ha durado 6,76h. Si nuestro cargador fuese de más
intensidad, la fase abarcaría menos porcentaje de carga, de modo que por
ejemplo a 8A habríamos finalizado esta etapa con un 82% de carga y habríamos
tardado 1,4h.
Zona de saturación.- Como la batería posee una resistencia
interna que aunque sea baja no es cero (inferior a los 100mΩ y con valores
típicos para baterías nuevas de unos 50mΩ) al detener la carga y cesar la
corriente, el voltaje caería por debajo de los 4,2V (por ejemplo hasta los 4,1V
si la resistencia interna es de 50mΩ), es decir, la batería no está totalmente
llena aunque pueda parecerlo.
Sin embargo no podemos seguir aplicándole la
misma corriente porque elevaría el voltaje por encima de los 4,2V por celda,
por lo que el cargador comienza a reducir paulatinamente la intensidad lo
necesario para que el voltaje se siga manteniendo en los 4,2V por celda y así
hasta que la corriente deba reducirse hasta un 3% del valor de referencia de la
batería (si es de 11Ah, hasta unos 330mA).
En nuestro caso, en esa fase la batería cargaría el 1,5% de
su capacidad y habría durado 0,3h.
Los cargadores pueden finalizan la carga manteniendo unos
minutos la corriente hasta que decaiga hasta cero, a tensión constante, lo que
en la gráfica aparece aportando un 0,1% adicional de carga, que aunque no es
significativo para nosotros posee un valor especial porque durante esa fase los
BMS pueden seguir balanceando los grupos de celdas.
Para finalizar tenemos que señalar que los cargadores para
Li Ion deben poseer enorme precisión al determinar la tensión máxima, que no
debe superar nunca los 4,2V por celda (en el caso del cátodo de óxido de litio-manganeso
o de cobalto) so pena de que se deteriore y emita gases e incluso produzca un
incendio y que las intensidades de carga utilizadas deben ser inferiores a las
óptimas para baterías de Litio en general (unos 0,8C) porque debemos dar tiempo
al BMS para que haga bien su trabajo y de paso no exponerlo a altas
intensidades que podrían deteriorarlo en algún caso si se supera su margen para
la carga.
Por último volver a señalar que estas cargas completas de la
batería, si se puede, deben ser evitadas para alargar su vida, tal y como
venimos tratando en otros artículos.
Saludos
La energía más limpia es la que no se consume.
