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Entendiendo las Baterías Lipo

Introducción

Esta guía, escrita a lo largo de los años, tiene un único objetivo: aportar a los aficionados neófitos y experimentados una guía sobre las baterías LiPo con un enfoque en la seguridad.

Las baterías de polímero de litio (también conocidas como “LiPo”) son un tipo de batería que ahora se utiliza en muchos dispositivos electrónicos de consumo. Han ido ganando popularidad en la industria del Radiocontrol  en los últimos años y ahora son la opción más popular para cualquiera que busque tiempos de funcionamiento prolongados y alta potencia.

Las baterías LiPo ofrecen una amplia gama de beneficios, pero cada usuario debe decidir si los beneficios superan los inconvenientes. Para más y más personas, lo hacen. En nuestra opinión, no hay nada que temer de las baterías LiPo, siempre y cuando siga las reglas y trate las baterías con el respeto que merecen.

Esta guía fue escrita después de muchas horas de trabajo. Es tan preciso como hemos podido hacerla, sin ser realmente un ingeniero químico (aunque al escribir este artículo, consultamos con uno).

Dicho esto, esta guía no debe tomarse como definitiva. Es un documento vivo y, a medida que cambia el conocimiento común sobre las baterías LiPo, también lo hará esta guía. Primero hablemos de las diferencias entre las baterías LiPo y sus contrapartes de níquel-cadmio (NiCd) e hidruro metálico de níquel (NiMh).

Ventajas e Inconvenientes

 

Ventajas

LiPo

NiMh

Son más ligeras y se pueden fabricar en casi cualquier tamaño o forma.

Capacidades mucho más altas, lo que les permite retener mucha más energía. Velocidades de descarga mucho más altas, lo que significa que tienen más fuerza.

Mayor vida útil que los LiPos, generalmente en el rango de los 1000 ciclos

Mucho menos sensibles y, por lo general, no presenta riesgo de incendio.

Se requieren cargadores y rutinas más simples para su uso.

Inconvenientes

LiPo

NiMh

Vida útil mucho más corta; Los LiPos tienen un promedio de solo 150 a 250 ciclos.

La química sensible puede provocar un incendio si se perfora la batería.

Necesita un cuidado especial para cargar, descargar y almacenar

Mucho más pesado y de tamaño limitado.

Capacidad promedio más baja y menos eficiente en general.

Tasas de descarga más bajas; carecen de “push” inicial.

 ¿Qué significan los números?

 La forma en que definimos cualquier batería es a través de un sistema de clasificación. Esto nos permite comparar las propiedades de una batería y ayudarnos a determinar qué paquete de baterías es adecuado para la necesidad que tenemos entre manos. Hay tres clasificaciones principales que debe tener en cuenta en una batería LiPo.

Voltaje / Número de celdas

La celda LiPo tiene un voltaje nominal de 3.7V. Para la batería de 7,4 V anterior, eso significa que hay dos celdas en serie (lo que significa que el voltaje se suma).

Esta es la razón por la que a veces escucharás a la gente hablar sobre un paquete de baterías "2S": significa que hay 2 celdas en la serie. Entonces, un paquete de dos celdas (2S) es de 7.4V, un paquete de tres celdas (3S) es de 11.1V, y así sucesivamente.

Nota: El voltaje nominal es el voltaje de reposo predeterminado de un paquete de baterías. Así es como la industria de las baterías ha decidido nombrar y comparar las baterías. Sin embargo, no es el voltaje de carga completo de la celda. Las baterías LiPo están completamente cargadas cuando alcanzan los 4.2v / celda, y su carga mínima segura, como veremos en detalle más adelante, es de 3.0v / celda. 3.7v está prácticamente en el medio, y esa es la carga nominal de la celda.

Básicamente, el voltaje de un paquete de baterías determinará cuán rápido va a ir tu coche / avión.  El voltaje influye directamente en las RPM del motor eléctrico (los motores sin escobillas se clasifican en kV, lo que significa 'RPM por voltio').

Entonces, si tiene un motor sin escobillas (brushless) con una clasificación de 3500 kV, ese motor girará 3500 RPM por cada voltio que le aplique. En una batería LiPo 2S, ese motor girará alrededor de 25,900 RPM. En un 3S, girará a la friolera de 38,850 RPM. Entonces, cuanto más voltaje tenga, más rápido irá.

Capacidad

La capacidad de una batería es básicamente una medida de cuánta energía puede almacenar la batería. Piensa en ello como el tamaño de tu tanque de combustible. La unidad de medida aquí es miliamperios hora (mAh). Esto indica cuánto drenaje se puede poner en la batería para descargarla en una hora. Dado que generalmente discutimos el drenaje de un sistema de motor en amperios (A), aquí está la conversión: 1000 mAh = 1 amperio hora (1 Ah)

Básicamente significa que la capacidad determina cuánto tiempo puede funcionar antes de tener que recargar. Cuanto mayor sea el número, mayor será el tiempo de uso.

Tasa de descarga "C"

El voltaje y la capacidad tienen un impacto directo en ciertos aspectos del vehículo, ya sea la velocidad o el tiempo de funcionamiento. Esto los hace fáciles de entender. La calificación de descarga (C) es un poco más difícil de entender, y esto ha llevado a que sea el aspecto más exagerado e incomprendido de las baterías LiPo.

La clasificación C es simplemente una medida de cómo de rápido se puede descargar la batería de manera segura y sin dañarla. Una de las cosas que lo complica es que no es un número independiente; también requiere que conozca la capacidad de la batería para determinar finalmente el consumo de amperios seguro (la "C" en la clasificación C en realidad significa capacidad). Una vez que conozca la capacidad, es prácticamente un problema matemático plug-and-play. Usando la batería anterior, esta es la forma en que averigua el consumo de amperaje continuo máximo seguro:

50C = 50 x capacidad (en amperios)

Cálculo de la clasificación C de nuestra batería de ejemplo: 50 x 5 = 250A

 El número resultante es la carga máxima sostenida que puede colocar con seguridad en la batería. Ir más alto resultará, en el mejor de los casos, en la degradación prematura de la. En el peor de los casos, podría estallar en llamas. Entonces, nuestra batería de ejemplo puede soportar una carga continua máxima de 250A.

Hoy en día, la mayoría de las baterías tienen dos clasificaciones C: una clasificación continua (que hemos estado discutiendo) y una clasificación de ráfaga. La clasificación Burst funciona de la misma manera, excepto que solo se aplica en ráfagas de 10 segundos, no de forma continua. Por ejemplo, el índice de ráfaga entraría en juego cuando se acelera un vehículo, pero no cuando se mantiene una velocidad constante en una recta. La calificación de ráfaga es casi siempre más alta que la calificación continua. Las baterías generalmente se comparan utilizando la clasificación continua, no la clasificación de ráfaga.

Cuidado y tratamiento adecuados:

Batería y balanceador

Es importante utilizar un cargador compatible con LiPo. Las baterías LiPo requieren cuidados especializados. Cargan usando un sistema llamado cobro CC / CV. Significa corriente constante / voltaje constante. Básicamente, el cargador mantendrá la corriente, o tasa de carga, constante hasta que la batería alcance su voltaje máximo (4.2v por celda en un paquete de baterías). Entonces mantendrá ese voltaje, mientras reduce la corriente. Por otro lado, las baterías de NiMH y NiCd se cargan mejor con un método de carga por pulsos. Cargar una batería LiPo de esta manera puede tener efectos dañinos, por lo que es importante tener un cargador compatible con LiPo.

La segunda razón por la que necesita un cargador compatible con LiPo es el equilibrio. Equilibrio es un término que usamos para describir el acto de igualar el voltaje de cada celda en un paquete de baterías. Equilibramos las baterías LiPo para asegurarnos de que cada celda descargue la misma cantidad. Esto ayuda con el rendimiento de la batería. También es crucial por razones de seguridad.

La mayoría de las baterías LiPo deben cargarse con bastante lentitud, en comparación con las baterías NiMH o NiCd. Si bien habitualmente cargaríamos una batería NiMH de 3000 mAh a cuatro o cinco amperios, una batería LiPo de la misma capacidad debe cargarse a no más de tres amperios. Así como la clasificación C de una batería determina cuál es la descarga continua segura de la batería, también existe una clasificación C para la carga. Para la gran mayoría de LiPos, la tasa de carga es de 1C.

La ecuación funciona de la misma manera que la clasificación de descarga anterior, donde 1000 mAh = 1 A. Entonces, para una batería de 3000 mAh, querríamos cargar a 3 A, para una LiPo de 5000 mAh, deberíamos configurar el cargador en 5 A, y para un paquete de 4500 mAh, 4.5 A es la tasa de carga correcta.

Sin embargo, están apareciendo más y más baterías LiPo que anuncian capacidades de carga más rápidas, como la batería de ejemplo que teníamos anteriormente. En la batería, la etiqueta dice que tiene una "Tasa de carga de 3C". Dado que la capacidad de la batería es de 5000 mAh, o 5 amperios, eso significa que la batería se puede cargar de forma segura a un máximo de 15 amperios. Si bien es mejor establecer una tasa de carga de 1C por defecto, siempre consulte el etiquetado de la batería para determinar la tasa de carga máxima segura.

Debido al potencial de incendio al usar baterías LiPo, independientemente de la probabilidad, se deben tomar ciertas precauciones. Tenga siempre un extintor de incendios cerca; no apagará un incendio de LiPo (Loss incendios de LiPo son reacciones químicas y son muy difíciles de apagar). Pero un extintor de incendios contendrá el fuego y evitará que se propague. Un extintor de CO2 (dióxido de carbono): ayuda a eliminar el oxígeno del lugar de la quemadura y también enfría la batería y los elementos circundantes.

Otra precaución de seguridad es cargar el LiPo en un recipiente resistente al fuego. La mayoría de la gente opta por las bolsas LiPo ignífugas. Finalmente, ¡nunca cargue sus baterías LiPo sin supervisión! Si sucede algo, debe estar presente para reaccionar rápidamente. Si bien no tiene que estar siempre en la misma habitación, no es recomendable hacer otras actividades que requieran una dedicación exclusiva.

Descarga (uso de la batería)

Las baterías LiPo ofrecen mucha potencia y tiempo de uso para los aficionados al Radiocontrol, pero esa potencia y tiempo de ejecución tienen un precio. Las baterías LiPo pueden incendiarse si no se usan correctamente; son mucho más delicadas que las baterías NiMH / NiCd más antiguas. El problema proviene de la química de la batería.

Las baterías de polímero de litio contienen litio, un metal alcalino, que reacciona con el agua y se quema. Cuando se calienta, el litio también se quema cuando reacciona con el oxígeno. El proceso de uso de la batería, en las formas a veces extremas que hacemos en el mundo del R/C, hace que haya un exceso de átomos de oxígeno y un exceso de átomos de litio en cada extremo (el cátodo o ánodo) de la batería. Esto puede causar que el óxido de litio (Li2O) se acumule en el ánodo o cátodo. El óxido de litio es básicamente corrosión de litio o "óxido" de litio. El Li2O hace que aumente la resistencia interna de la batería. El resultado práctico de una mayor resistencia interna es que la batería se calentará más durante el uso.

El calor hace que se acumule el exceso de oxígeno y, finalmente, el paquete de LiPo comienza a hincharse. Este es un buen momento para dejar de usar la batería; está tratando de decirle que ha llegado al final de su vida útil. El uso posterior puede ser peligroso. Una vez que el paquete se ha hinchado, el uso continuo puede generar aún más calor. En este punto, ocurre un proceso llamado escape térmico.

El escape térmico es una reacción autosostenida que se acelera al aumentar la temperatura, liberando a su vez energía que aumenta aún más la temperatura. Básicamente, cuando comienza esta reacción, genera calor. Este calor conduce a un producto que aumenta la resistencia (más Li2O), lo que provoca más calor, y el proceso continúa hasta que la batería se abre por la presión. En este punto, la combinación de calor, oxígeno y la humedad en el aire reaccionan con el litio, lo que resulta en un incendio con mucha energía y peligroso.

Sin embargo, incluso si deja de usar la batería cuando se hincha, todavía es preciso asegurarla.

Si pinchas un LiPo que se ha hinchado y aún tiene carga, aún puede incendiarse. Esto se debe a que los lazos inestables que existen en una batería cargada buscan un estado de existencia más estable. Así es como funciona una batería; destruyes un enlace químico estable para crear un enlace químico inestable. Los vínculos inestables son más propensos a liberar su energía en la búsqueda de un vínculo más estable.

Cuando se perfora un LiPo, el litio reacciona con la humedad de la atmósfera y calienta la batería. Este calor excita los enlaces inestables, que se rompen liberando energía en forma de calor. Empieza el escape térmico, y de nuevo se produce un incendio muy caliente y peligroso.

Todo el proceso de construcción de ese óxido de litio, en un mundo perfecto, toma alrededor de 300-400 ciclos de carga / descarga para alcanzar un punto de inflexión. La vida útil típica de una batería LiPo está más cerca de los 150-250 ciclos, porque cuando calentamos las baterías durante su uso, o las descargamos a menos de 3.0 voltios por celda, o las dañamos físicamente de alguna manera, o permitimos que entre agua en el baterías, reduce la vida útil de la batería y acelera la acumulación de Li2O.

La mayoría de los fabricantes han optado por poner un corte de bajo voltaje (LVC) en sus controles de velocidad. El LVC detecta el voltaje de la batería y divide ese voltaje por el recuento de celdas de la batería. Por lo tanto, vería una LiPo 2S completamente cargada como 8.4V, o 4.2V por celda.

Una celda LiPo NUNCA debe descargarse por debajo de 3.0V

 

El LVC funciona para cortar el motor del vehículo (o, en algunos casos, pulsar el motor) para avisarle de una batería casi agotada. Utiliza el voltaje total de la batería como referencia. La mayoría de los LVC cortan alrededor de 3,2 V por celda. Para nuestra batería de ejemplo de dos celdas, eso sería 6.4V. Pero si nuestra batería no está equilibrada, es posible que el voltaje total esté por encima del umbral de corte, pero aún tener una celda por debajo de la zona de peligro de 3,0 V. Una celda podría ser de 3.9V, mientras que la otra podría ser de 2.8V. Eso es un total de 6,7 V, lo que significa que el corte no se activará. El vehículo continuaría funcionando, lo que le permitiría degradar aún más la batería. Por eso el equilibrio es tan importante.

Entonces, cuando uses tu LiPo, asegúrate de tener habilitado el corte de bajo voltaje, configurado correctamente y no sigas usándolo después de que el LVC se haya activado. Puede ser una pequeña molestia, pero vale la pena soportarlo para que sus baterías LiPo se mantengan en buen estado de salud.

Vale la pena señalar que la mayoría de los controles de velocidad de los helicópteros y algunos controles de velocidad de los aviones no tienen un corte de bajo voltaje, ya que desactivar el motor en el aire no sería una buena idea. Para este tipo de aplicaciones, es mejor configurar un temporizador conservador (algunos sistemas de radio de aviones tienen una función de temporizador incorporada) y aterrizar cuando suene el temporizador.

Almacenamiento

Hace años, solíamos hacer funcionar nuestros coches o aviones hasta que las baterías se agotaban, luego simplemente poníamos las baterías en el estante de la casa, esperando la próxima vez que pudiéramos usarlas. Los almacenamos muertos. Pero no debe hacer eso con baterías LiPo. Las baterías LiPo tampoco deben almacenarse con carga completa. Para una mayor vida útil de las baterías, los LiPos deben almacenarse a temperatura ambiente a 3.8V por celda. La mayoría de los cargadores  modernos tienen una función de almacenamiento “Storage” de LiPo que cargará las baterías hasta ese voltaje o las descargará hasta ese voltaje, lo que sea necesario.

Voltaje adecuado de almacenamiento de LiPo = 3.8V por celda

Las baterías de polímero de litio pueden dañarse si permanecen completamente cargadas durante tan solo una semana. Esto no significa que se dañarán cada vez que los deje durante más de una semana. Simplemente significa que hay cierta posibilidad. Así que no olvides poner tus LiPos a voltaje de almacenamiento cuando hayas terminado de usarlas.

También es recomendable guardarlas en un recipiente ignífugo de algún tipo. Cuando una batería LiPo permanece durante un largo período de tiempo (y no con el voltaje de almacenamiento adecuado), tiende a descargarse. Si cae por debajo de 3,0 V por celda, la gran mayoría de los cargadores LiPo no lo cargarán. A veces, las baterías con este problema se pueden rehabilitar, pero con la misma frecuencia, son una causa perdida.

Conclusión

Las baterías LiPo actuales son suficientemente seguras para la mayor parte de aficionados, pero no hay que perder de vista las siguientes directrices, que harán que podamos usarlas con seguridad y conservar su vida útil.

·      No descargar por completo la batería

·      No cargar la batería en caliente

·      No guardar las baterías LiPo descargadas o totalmente cargadas

·      No usar baterías que presenten golpes o estén hinchadas

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