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Baterías para alimentación de robots
Generalidades
por Eduardo J. Carletti

Introducción

No pretendo hacer un informe exhaustivo sobre todas las clases de baterías que se podrían utilizar en un sistema móvil con alto consumo como un robot. Me dedico más bien a delinear un panorama de las que, a mi entender, me resultan las más útiles en la actualidad (convengamos que, en algún caso, hay tipos de batería que están en este trabajo por razones comparativas). En todos los casos son del tipo recargable.

Una batería es un elemento eléctrico que transforma energía química en energía eléctrica, y viceversa. A esta transformación se la denomina proceso electroquímico.

Se componen de un conjunto de elementos individuales (o celdas) conectados en serie, cada uno de los cuales tiene, si está cargado, un voltaje nominal, que oscila entre 1,2 y 3,6 V.

En el mercado se comercializan elementos con diversas capacidades, que se expresan en el cuerpo de la batería como 500 mAh, 1700 mAh, 3300 mAh, etc. Una batería de 1000 mAh es capaz de entregar una corriente de 1000 mA (1A) durante una hora, ó 10 A durante la décima parte de una hora (en teoría, porque muchas baterías no soportan un régimen tan alto de descarga), etc.

Baterías de Plomo-ácido

Las baterías plomo-ácido, como las que se utilizan en los autos, poseen seis celdas con un voltaje nominal de 2,1 V cada una. Cuando están cargadas, las celdas están formadas por electrodos de plomo metálico (Pb) y óxido de plomo (PbO2) sumergidos en un electrolito de alrededor de 37 % de ácido sulfúrico (H2SO4) disuelto en agua.

Cuando la batería está descargada, los dos electrodos se convierten en sulfato de plomo y el electrolito se convierte en agua (por esta razón las baterías de plomo descargadas se pueden congelar más fácil). Los diseños modernos tienen un electrolito gelificado.

Baterías de gel

Una batería de gel es una batería de plomo-ácido con un electrolito gelificado. Las celdas de una batería de gel están selladas, lo que hace que la batería no tenga problemas con su orientación física, como pasa con las baterías normales de plomo-ácido, que deben colocarse en una única posición para que no se vuelque el líquido del electrolito. Se debe tener un cuidado especial al cargar baterías selladas, porque el proceso de carga puede desprender gases. Esto quiere decir que en lugar de cargarla con un voltaje constante (de 13,6 V para una batería de 12 V) uno debe comenzar con una corriente constante si la batería está descargada, y sólo en la última parte de la carga, cuando la resistencia interna alcanza un determinado valor, se pasa al método de voltaje constante, hasta que la batería alcanza su voltaje definitivo de 13,6 V.

Baterías de Niquel-Cadmio (Ni-Cd)

Una batería recargable de Ni-CD (o NiCd) está formada por una placa positiva de hidróxido de níquel y una placa negativa de hidróxido de cadmio. Ambas placas están separadas por un electrolito, compuesto por una solución acuosa de potasio cáustico, contenida dentro de un tejido poroso.

La tensión de una batería medida en voltios (V), sin circulación de corriente, es diferente a la que se obtiene cuando ésta es sometida a un consumo, es decir, cuando se toma la medición en una situación de trabajo. Para el caso de un elemento recargable de Ni-Cd la tensión entre los bornes sin carga conectada tiene un valor de alrededor de 1,45 V. Pero con una carga que consume energía esta tensión disminuye a un valor de aproximadamente 1,25 V.

Efecto inversión de polaridad: Una batería de Ni-Cd no debe ser descargada por debajo de su tensión mínima, que es de 1,1 V por elemento, ya que se corre el peligro de que se produzca una inversión de polaridad en uno o varios de sus elementos. Esto ocurre con frecuencia cuando las baterías se descargan por debajo de su valor mínimo. La inversión de polaridad se produce a causa de un cambio químico, que causa daño en el interior de los elementos y que en general no es reversible.

Efecto memoria: El efecto memoria de una batería de Ni-Cd se produce como consecuencia de sobrecargas repetidas y/o descargas parciales. El fenómeno reduce la capacidad de las baterías con cargas incompletas. Se produce porque se crean unos cristales en el interior, a causa de una reacción química indebida. Para prevenirlo basta con que cada tanto se haga una carga completa.

Hay cargadores en el mercado que efectúan una ecualización en las baterías, haciendo una carga muy lenta, para cargar la batería hasta su máxima carga real.

Las baterías que tienen efecto memoria son las de Ni-Cd y las de Ni/MH (aunque menos que en la anterior). Las baterías que no tienen efecto memoria son las de plomo y ácido (las de los coches) y las baterías de iones de litio.

Batería de níquel e hidruro metálico (Ni/MH)

Una batería de níquel e hidruro metálico (o Ni/MH) es un tipo de batería recargable similar a una de níquel-cadmio (Ni-Cd) pero que no contiene cadmio, un metal caro y dañino para el medioambiente.

Las baterías de níquel e hidruro metálico tienden a tener una mayor capacidad que las Ni-Cd y sufren bastante menos el efecto memoria.

Las baterías de níquel e hidruro metálico son más amigables con el medio ambiente. Pueden almacenar un 30% más de energía que una de Ni-Cd equivalente, y por tanto, la carga dura más tiempo.

Resultan prácticas cuando se realizan pruebas porque sus electrodos se pueden soldar sin problemas.

Se requieren cargadores específicos para Ni/MH, ya que los de Ni-Cd no sirven. En la actualidad existen modelos que cargan los dos tipos.

El término correcto que se debería utilizar en castellano para las baterías de Ni/MH es "níquel e hidruro metálico".

Baterías de Ni-Cd frente a Ni/MH

Como ventajas fundamentales, las baterías de Ni/MH tienen una mayor densidad de carga (capacidad/peso superior, aproximadamente 40%-70% más capacidad); no contienen cadmio (tóxico) y aparentemente no tienen efectos de pérdida de capacidad por mal uso o de formación de dendritas (que se forman en las baterías de Ni-Cd al producirse la inversión de la polaridad de la celda).

Las baterías de Ni/MH tienen una resistencia interna superior que limita su uso en aplicaciones de alta potencia, si bien la industria ha ido solucionando esto al ofrecer nuevos tipos que igualan en capacidad de descarga a las celdas del mismo tamaño de Ni-Cd.

Otro inconveniente es que las Ni/MH no admiten una carga tan rápida como las de Ni-Cd, bajo riesgo de deteriorarlas.

Los elementos de Ni/MH son sensibles al calor, aún más que los de Ni-Cd: un sobrecalentamiento puede producir gases internos y sobrepresiones que dan lugar a escapes de electrolito y pérdidas de estanqueidad, reduciendo la vida útil de las celdas.

También más difícil de detectar el estado de carga total en las Ni/MH, por lo que se recomienda el uso de cargadores que especifiquen su aptitud para cargar baterías de Ni/MH, evitando así sobrecalentamientos indeseados.

Las baterías de Ni-Cd poseen al menos una ventaja sobre las de Ni/MH: la cantidad de ciclos de carga y descarga, que oscilan entre los 1.000 y 1.500, contra 500 en las de Ni/MH.

Batería de iones de litio (Li-Ion)

Las baterías Li-Ion poseen una elevada densidad de energía, acumulando un carga mayor por unidad de volumen. Por esta razón tienen menor peso en relación a baterías de otro tipo de la misma capacidad. Se presentan en placas rectangulares, de poco espesor, de menos de 0,5 cm, los que las hace especialmente interesantes para integrarlas en dispositivos portátiles con poco espacio.

Presentan un alto voltaje por celda; cada unidad proporciona 3,6 voltios, lo mismo que tres celdas de Ni-Cd (1,2 V cada una). Carecen de efecto memoria. Su descarga es lineal, es decir, que durante toda la descarga el voltaje de la batería apenas varía, lo que evita la necesidad de circuitos reguladores. (Se debe tener en cuenta que esto puede ser una desventaja en algunos casos, ya que hace difícil averiguar el estado de carga de la batería.)

Tienen una baja tasa de autodescarga. Cuando guardamos una batería, ésta se descarga progresivamente aunque no se la use. En el caso de las baterías de Ni/Mh, esta autodescarga puede ser de un 20% mensual. En el caso de Li-Ion es de sólo un 6% (0.01% diario)

Es recomendable que estas baterías se mantengan en un sitio fresco (15° C) y evitar el calor. No se deben descargar del todo habitualmente. Es mejor no cargarlas cuando tienen más de un 50% de carga (según el cargador que tengamos). Cuando se vayan a almacenar mucho tiempo, se recomienda dejarlas con una carga intermedia. Si el aparato que utiliza estas baterías se puede usar enchufado a la red, y mientras funciona así carga las baterías, se debe evitar que este proceso continúe cuando la batería ya está con la carga completa, porque esa situación disminuye su capacidad. Es preciso cargarlas con un cargador específico para esta tecnología. Usar un cargador inadecuado daña la batería y puede hacer que se incendie.

La primera carga es la más importante para la duración de la batería. Debe hacerse hasta el máximo, después hay que descargarla del todo. Luego de esto, al ir realizando sucesivas cargas normales, la batería va adquiriendo más capacidad de carga hasta llegar a su maximo amperaje (aproximadamente en la décima carga).

Cuando indicamos "carga normal" nos referimos a la carga lograda cuando el cargador avisa que la ha completado. Lo normal es que se encienda un LED, deje de parpadear. Hay quienes recomiendan hacer las primeros ciclos de carga/descarga completos.

Las desventajas de estas baterías de litio son: Independientemente del uso, sólo tienen una vida útil de 3 años. Se pueden cargar entre 300 y 600 veces, menos que una batería de Ni-Cd o Ni/MH. Son más caras, pero el precio se ha ido acercando rápidamente al de las otras tecnologías. Están fabricadas con materiales inflamables (pueden explotar o incendiarse). Necesitan de un sistema electrónico para controlar en todo momento la batería y evitar los inconvenientes citados. Rendimiento muy inferior a las demás baterías de Ni-Cd o Ni/MH en bajas temperaturas, reduciéndose su duración hasta a un 25%.


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