domingo, 27 de mayo de 2012

Batería

Mucho se ha avanzado en el desarrollo de baterías y sin embargo se sigue investigando ya que todavía distan de ser el elemento con las características que nos gustaría que tuviera. ¿Cuáles son las características esenciales de una batería?
- La tensión.
- La capacidad: la cantidad de energía que puede acumular.
- El peso.
- Intensidad de descarga.
- Tiempo de carga.

- La tensión: las distintas tecnologías existentes almacenan energía eléctrica primariamente a niveles de tensión relativamente bajos, entre 1 V y 4 V aproximadamente. Para la mayoría de usos se necesitan tensiones mayores. La solución es que construyen las baterías con varias celdas en serie de modo que la tensión total es la suma de las tensiones de todas las celdas. En los procesos de carga y descarga las tensiones van aumentando y disminuyendo respectivamente. Tener variaciones en la tensión de alimentación en principio no es bueno sin embargo tiene su pequeña ventaja y es que estas variaciones nos sirven para detectar el estado de carga de la batería y sabremos cuándo hay que terminar la carga o la descarga.

- La capacidad: es la cantidad de energía que almacena. Suele expresarse en mAh (miliamperios hora). Así, una batería de 2.600 mAh nos puede suministrar 2.600 mA durante una hora. Sabiendo el consumo medio que le vamos a solicitar podremos calcular el tiempo aproximado que nos durará. Si con esa batería estamos consumiendo 0,8 A el tiempo que nos durará será 2.600 / 800 = 3,25 horas (3 horas y 15 minutos).

- El peso: es un dato muy importante ya que una batería actualmente tiene un peso considerable para la cantidad de energía que puede almacenar. En general será una limitación en muchas aplicaciones y en particular en vehículos, ya sean terrestres y sobretodo aéreos, supone una gran limitación ya que gran parte de la energía de la batería se gasta en tener que transportar el propio peso de la batería. Y eso que podemos considerar el gran avance que han supuesto las batería de tecnología lipo (polímero de litio) que han reducido el peso considerablemente con respecto a las tecnologías existentes hasta entonces. Planteo un pequeño cálculo rápido para hacernos a la idea del gran peso de una batería para la energía que almacena. La compararemos con la energía que produce el gasoil. Aproximadamente un kg de gasoil puede producir unos 40 MJ (megajulios). El rendimiento de un motor térmico diesel puede llegar hasta un máximo de un 45%. Esto hace que de un kg de gasoil en nuestro motor aprovecharemos 40 x 0,45 = 18 MJ. Por otro lado una batería lipo de 5000 mAh y 3S pesa unos 390 g. La energía que almacena es 5 x 11,1 = 55,5 Wh. Por kg la energía almacenada será 55,5 / 0,39 = 142,3 Wh que son unos 0,5 MJ. Los motores brushless pueden tener un rendimiento del 80% lo que hace que el aprovechamiento final sea de 0,5 x 0,8 = 0,4 MJ. Si comparamos el aprovechamiento del gasoil y de una batería lipo tenemos 18 / 0,4 = 45 veces. En términos de combustible y su peso vemos que a la tecnología de almacenamiento eléctrico le falta mucho, tendrían que disminuir en 45 veces el peso de una batería. Es uno de los grandes retos tecnológicos actuales.

- Intensidad de descarga: cada batería tiene una intensidad máxima que puede suministrar que se expresa en el número de veces la intensidad nominal. Nosotros tenemos en mente que nos interesa una batería con la mayor intensidad de descarga. Pero a nivel práctico hay que tener un par de consideraciones. La primera y en general para las aplicaciones de las baterías, no todos los usos necesitan priorizar la posibilidad de una gran descarga. Hay casos en los que se necesita una descarga muy baja a base de mejorar otras características como una baja autodescarga.
    En el caso de aeromodelos hay que tener muy presente que no siempre la batería con mayor intensidad de descarga será la mejor ya que aumentar esto hace aumentar también el peso de la batería. Mi recomendación es que si se construye un aeromodelo (en nuestro caso un cuadricóptero) para vuelo acrobático por supuesto que buscaremos una batería de alta intensidad de descarga; para que no aporte excesivo peso a nuestro cuadricóptero tendremos que ajustar su capacidad y tendremos vuelos de corta duración, hablamos de 6 ó 7 minutos.
    Pero si lo que queremos es vuelos tranquilos y aumentar el tiempo de vuelo (por ejemplo para uso en fotografía o vídeo aéreo) lo que haremos es elegir una batería con la mínima intensidad de descarga para que sea más ligera. El peso ahorrado lo podremos utilizar en aumentar la capacidad de la batería. Por supuesto siempre hay que tener en cuenta que la batería sea capaz de suministrar la intensidad requerida por los motores, la suma de los cuatro en el caso de un cuadricóptero.

- Tiempo de carga: interesa que sea lo más corto posible. Pero hay que saber que cuanto más apuremos el tiempo de carga y lo hagamos a una intensidad mayor, más se acorta la vida de nuestra batería.

Con estos parámetros pasamos a concretar los que tienen las baterías lipo ampliamente usadas en la actualidad.
La tensión nominal de una celda básica es de 3,7 V. Cuando está totalmente cargada llega a 4,2 V (momento en el que hay que dejar de cargar) y al descargarse nunca hay que dejar que baje de los 3 V ya que se destruye sin opción a ser recuperada. Para tener tensiones mayores se unen en serie varias celdas y se expresa con el número de celdas seguido de una S mayúscula. Así las más usadas, una batería 3S tiene 3 celdas en serie y por tanto una tensión nominal de 3 x 3,7 = 11,1 V.
La capacidad, el peso y la intensidad de descarga son tres parámetros estrechamente relacionados. Si queremos mejorar alguno nos empeorará otro.
El tiempo de carga depende de la intensidad a la que realicemos la carga. La intensidad máxima a la que se puede cargar viene expresada mediante un número seguido de una C mayúscula. La mayoría de las lipo actuales suelen ser 2C, es decir, admiten una intensidad de carga de 2 veces la capacidad nominal. Una lipo de 2600 mAh y 2C podremos cargarla a 2 x 2,6 = 5,2 A. Sin embargo apurar esta intensidad de carga acortará la vida de nuestra batería. Yo recomiendo cargarlas a 1C.

Por último hay que extremar las precauciones con las lipo debido al riesgo potencial que tienen. En determinadas circunstancias pueden llegar incluso a explotar. Es imperativo comprar una bolsa aislante especial en la que meteremos la batería siempre que vayamos a cargarla. No me extiendo en este tema pero os recomiendo que hagáis algunas búsquedas en Google sobre las precauciones que hay que tomar con las lipo.

6 comentarios:

  1. Hola es la primera vez que veo este block pero me parece muy completo.

    yo estoy realizando un proyecto de quad con dji naza arduino, e imu fusion 3000. en el momento tengo problemas de estabilidad. parece que los motores no producen el mismo impulso con el mismo pwm yo estoy utilizando pwm sera eso ?.

    muchas gracias por tu block

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  2. respecto al anteror comentario .. estoy usando la libresia servo.h

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  3. Me alegro de que valores mi blog.
    Sobre lo que te pasa podrían ser varias cosas. La primera que yo miraría es si tienes ajustados iguales los límites de los cuatro ESC. Puedes consultar sobre esto en mi entrada ESC Parte 2.

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  4. Hola Cheyene.
    Aquí otra vez con dudas, podrías poner un esquema de conexionado sobre todo del tema de corriente para alimentar todo desde la lipo???

    Cuando conecto los esc al arduino en la entrada de 5v el arduino se queda como sin corriente y se apaga....

    Gracias de antemano ;)

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  5. La lipo alimenta los ESC y a Arduino. Y el hilo de señal de los ESC a las salidas de Arduino.
    De todos modos tienes hecho un esquema de lo que llevo hecho de placa en la entrada Programación Arduino Parte 2 en donde se ve todo el circuito incluyendo por supuesto lo que alimenta y cómo lo alimenta la lipo.

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