Electronica General

Reparar una batería de bicicleta

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En efecto ,progresivamente toda batería ,sea de la tecnologia que sea  termina perdiendo capacidad hasta el punto que llega el momento en que tenemos que desecharla porque no es eficiente ni practico contar con esta , sobre todo  si esta tiene que suministrar potencia a un medio de movilidad personal y  esta no cumpla con su cometido.

En este post vamos   a  ver que podemos hacer  con   una batería de nicd de 24V 8000maH  que ha perdido por completo su capacidad , y que necesitariamos por tanto repararla o  reemplazarla 

Veamos en primer lugar que tecnologías están disponibles   de baterías  para luego tras  analizar  como esta compuesta ,  sospesar  un remplazo o reparación de esta  teniendo siempre en cuenta   ventajas y desventajas del uso  de un tipo de batería u  otro

 

Baterías de Nicd

Las baterías de NiCd (níquel-cadmio ) son  batería recargables cuyo uso se extendió hace bastantes años en el el ámbito   doméstico e industrial , por ejemplo en los primeros  robots de limpieza, pero  que hoy han quedado prácticamente  en desuso

Este  tipo de batería  cada vez se usa menos primero a cambio de la tecnología de  de NiMH , debido a :

      • Alto coste  por célula
      • Efecto memoria
      • El alto precio del cadmio en su composición
      • El uso del Cd  representa un peligro para el medio ambiente
      • Densidad energética 50–150 W·h/L
      • Durabilidad (ciclos): 2000 ciclos

Sin embargo las baterías de Nicd  poseen algunas ventajas:

    • Sobre el NiMH, como por ejemplo los ciclos (1 ciclo = 1 carga y descarga) de carga, que oscilan entre los 1000 y 1500 ciclos (+ vida).
    • En condiciones estándar, dan un potencial de 1,25 V (tensión de trabajo nominal 1,2 V).
Resumiendo:
Voltaje de célula nominal: 1.2 V
Eficiencia carga/descarga: 70–90 %
Durabilidad (ciclos): 2000 ciclos
Densidad energética: 50–150 W·h/L
Potencia específica: 150 W/kg
Energía específica: 40–70 W·h/kg
Velocidad de autodescarga (%/mes): 10 %/mes

 

Baterías de NiMh

Las baterías de níquel-metal hidruro o de níquel-hidruro metálico (Ni-MH)  utilizan un ánodo de oxihidróxido de níquel (NiOOH), como en la batería de níquel cadmio, pero cuyo cátodo es de una aleación de hidruro metálico.

Cada pila de Ni-MH puede proporcionar un voltaje de 1,2 voltios y una capacidad entre 0,8 y 2,9 amperio-hora.

Esta tecnologia tiene varias ventajas:

      • Posee una mayor capacidad de carga (entre dos y tres veces más que la de una pila de NiCd del mismo tamaño y peso)
      • ​ Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria, en el que en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada), imposibilitando el uso de toda su energía.
      • Su densidad de energía llega hasta los 100 Wh/kg, y los ciclos de carga de estas pilas oscilan entre las 500 y 2000 cargas.
      • Menor precio al no contener Cd
      • Mas respetuosas con el medio ambiente al no contener Cd

Estas baterías son superiores  a las de niCd pero aun adolecen de  una mayor tasa de autodescarga que las de NiCd (un 30% mensual frente a un 20%), lo cual relega a estas últimas a usos caracterizados por largos periodos entre consumos (como  mandos a distancia,  luces de emergencia, etc), mientras que son desplazadas por las de NiMH para consumos continuos.

Resumiendo: 

Eficiencia carga/descarga: 66%​
Voltaje de célula nominal: 1.2 V
Durabilidad (ciclos): 500–2000​ ciclos
Energía específica: 60–120 W·h/kg
Potencia específica: 250–1,000 W/kg
 

No obstante, en 2005 se desarrolló una variante de baja autodescarga (low self-discharge, LSD) para estas pbaterias : LSD-NiMH , las cuales presentan una tasa de autodescarga mucho menor, lo que permite almacenarlas durante largos períodos de tiempo sin dañar la batería por desuso y pudiendo utilizarse de forma inmediata cuando sea requerido.

 

Baterías de Ion litio

Las batería de iones de litio, también denominadas baterías Li-Ion emplean como electrolito una sal de litio que consigue los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo.

Las propiedades de las baterías de Li-ion, :

      • Elevada densidad de energía debido a la ligereza de sus componentes,
      • Elevada capacidad energética
      •  Resistencia a la descarga,
      •  Poco efecto memoria ​
      •  Capacidad para funcionar con un elevado número de ciclos de regeneración,

Este tipo de tecnlogia    ha permitido diseñar acumuladores ligeros, de pequeño tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados a las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo como por ejemplo a la movilidad personal .

Sin embargo, su rápida degradación y sensibilidad a las elevadas temperaturas, que pueden resultar en su destrucción por inflamación o incluso explosión, requieren, en su configuración como producto de consumo, la inclusión de dispositivos adicionales de seguridad  así como comtroladores  de carga  específicos, resultando en un coste superior que ha limitado la extensión de su uso a otras aplicaciones.

 

Baterías  de Gel de Pb

La  baterías  de plomo, también denominadas batería de ácido-plomo son  un tipo de batería a húmeda muy común en vehículos  como batería de arranque, aunque también se utilizan como batería de tracción de vehículos eléctricos como por ejemplo carretillas ,  vehículos de transporte ,etc. Suelen proporcionar una tensión de 6 V, 12 V u otro múltiplo de 2, ya que la tensión que suministra cada celda es de 2 V pudiendo  suministrar unas intensidades de corriente relativamente grandes, aunque no obstante  adolecen de un peso mayor respecto a otros tipos de baterías ( y por lo tanto una densidad energética menor)

Aunque su utilización y forma más conocida es la batería de automóvil, este acumulador tiene muchas aplicaciones, como por ejemplo en energía solar.

La  evolución de las baterías de Pb  son las  baterías de gel , que se componen de un electrolito gelidificado (de ahí su nombre) con lo cual nunca puede haber ningún tipo de derrame si se volcase la batería por accidente, como si podría ocurrir con una batería de ácido-plomo convencional  (por tanto gracias a ello, se pueden colocar en cualquier posición y orientación). Al igual que las AGM, las baterías de gel vienen en un envase sellado que no requiere de mantenimiento ya que el gas de su interior se recombina evitándose la pérdida de agua.
 

Una batería de gel tiene una vida útil de 12 años, superior a los 8-9 años de las baterías AGM y mucho mayor que las clásicas baterías  monoblock, la cual es de 4-5 años,con lo cual una batería de gel es una buena inversión para aquellas personas que no quieren realizar un desembolso económico tan grande como para poner baterías estacionarias (opzs, topzs, ropzs, opzv…) 

 
Esta mayor vida útil se consigue gracias al grosor de sus placas y a la alta densidad de su material activo en forma de gel que permite obtener un mejor rendimiento que otras baterías pues al disponer de unas mejores placas y rejillas favorece una mejor resistencia a la corrosión y un funcionamiento óptimo con el paso de los años.

Las baterías en formato gel ofrecen   las siguientes  ventajas:

      • Permite un elevado número de ciclos de carga y descarga durante mucho tiempo
      • Permite descargas profundas hasta el 80% sin afectar a su vida útil.
      • Autodescarga muy baja, lo cual  supone una gran ventaja donde no haya un control diario de su funcionamiento.
      • Buena tolerancia a las altas y bajas temperaturas ya que gracias a la densidad de su electrolito, dispone de una buena resistencia a congelarse y soportará temperaturas mucho más bajas que baterías como las AGM, smonoblock o las estacionarias OPZS. 

 

Una vez conocidas las tecnologías disponibles, analizaremos una batería real de una bicicleta eléctrica con  batería agotada de tecnologia Nimh   para   ver que podemos hacer para volver a usar el dispositivo alimentada  por esta.

 

Desmontaje de una batería de bicicleta elctrica

Veamos  que se esconde tras una carcasa de  una batería convencional  de una vieja bicicleta City Mover

En primer lugar desmontaremos  la carcasa  cuidando de no cruzar  ni romper ningún hilo

Tras abrir la carcasa  toca  separar el bloque de baterías  del resto  de componentes 

Como vemos separando el bloque de baterías  solo hay dos conectores ( el de carga  y el salida hacia la bicicleta) , el panel de medida   y el interruptor  

Bien centrémonos  en el bloque de batería de 24v 800maH  de tecnologia NiMh

Una vez levantados los  aislantes que cubren las 20  células de Nimh, las cuales  están conectadas en serie  ,   configuración que nos da una salida  de  1.2×20=24v 

 

Es interesante  observar  la presencia de un fusible de protección en serie de 10Amp  de los usados en automoción

También en serie con el circuito  encontramos un controlador de temperatura del motor SENSATA YS11A95A-C7 7A 250V serie YS11

Por ultimo hay una pequeña NTC conectada entre masa  y un pin de salida hacia el cargador

¿ Tiene solución esta batería?  Pues  si tiene unos cuantos años   esta batería   y la medida  con un voltÍmetro de cada  celda  de forma individual no llega a los 0.8-0.9V a lo sumo ( recordemos debería ser de 1.2v) ,  tenemos que  pensar   que las celdas han acabado su vida útil  y necesitaran ser reemplazadas..,   pero por lo contaminante  del Cd  usado en su composición  y  el   alto precio que tenemos que pagar por ellas  creemos no es una opción a  considerar

Bien ¿que opciones podemos evaluar?

OPCION 1

Pues una opción es   una batería de Litio  de un voltaje  y capacidad similar .En concreto para el ejemplo que estamos viendo   las especificaciones de la batería elegida son las siguientes:

        • Tensión nominal: 24V
        • Voltaje de salida: 16.5-25.2 V
        • Capacidad de la batería: 10Ah
        • Dimensiones: 68x100x112mm
        • Peso total: 2kgr
        • Circuito interno de la protección
        • Peso de la batería: cerca de 1825g
        • Embalaje: PVC azul
        • Celdas de la batería dentro: Células grandes modelo 18650.
        • Ciclos de vida: Más de 1000 veces
        • Descarga de la batería :La corriente de pico máxima: 36A/Corriente máxima de funcionamiento: 18A

La mejora en cuanto a  dimensiones y peso suelen ser considerables , tal y como se puede ver en la siguiente imagen donde aparecen ambas baterías  , donde se aprecian prácticamente  que por una tercera parte doblamos la capacidad con una batería de Litio:

IMG_20170714_230525[1]

Con esta solución ,  ahorraremos mucho peso debido a la mayor densidad energética, pero a cambio la vida de la batería  no es  tan  alta como la solución 2  que vamos a ver   que  ademas es de un pecio significativamente menor

OPCION 2

El problema de las baterías  de litio de la opción 1 ,  es su  relativo alto  coste ( entre 100 €y 250€  según  donde se compre  )  y la  relativa baja durabilidad  de estas baterias.

Otra  opción mas económica es usar baterías de Gel  pues este tipo de batería es de  menor coste (unos 14.99€ cada bateria en su version de 7ah  que es la capacidad mas similar)    y ofrece un rendimiento alto con una durabilidad mucho mayor.

El electrolito de ácido sulfúrico se encuentra absorbido por los separadores y placas y  éstas a su vez inmovilizadas. Están diseñados utilizando la tecnología de recombinación de gas que elimina la necesidad para la adición regular de agua mediante el control de la evolución de hidrógeno y oxígeno durante la carga.

La batería está completamente sellada y hermética y por lo tanto es libre de mantenimiento, permitiendo ser utilizada en cualquier posición. En el caso que accidentalmente la batería sea sobrecargada produciendo hidrógeno y oxígeno, unas válvulas especiales unidireccionales permiten que los gases salgan al exterior evitando la sobrepresión en su interior.

Resumiendo estas  son las características principales de esta bateria: 

      •  Tecnología AGM para una eficiente recombinación de los gases, hasta el 99% y libres de mantenimiento o de añadir agua
      •  Sin restricciones para el transporte aéreo, cumplimiento con la IATA/ICAO provisión especial A67
      •  Puede ser montado en cualquier posición
      •  Plomo diseñado por ordenador con rejilla de aleación de calcio-estaño para una alta densidad de energía
      • Larga vida de servicio, tanto en aplicaciones en flotación como cíclicas
      • Libres de mantenimiento
      •  Baja auto-descarga

Bien ,si elegimos esta opción de dos baterias en serie  de gel de 12v 7aH     por  unos 30€  el conjunto podemos  sustituir la vieja batería de NiCd  , teniendo ademas la posibilidad de mejorar la capacidad   y por tanto la autonomía del vehículo  por ejemplo usando de 12v de  gel  pero 10Ah o de 12H

 

En realidad el montaje no puede ser mas sencillo :

1-Uniremos  las dos baterías por uno de los costados  para lo cual simplemente podemos  usar cinta de doble cara  de buena calidad (  o pegarlo con un adhesivo)

2-Colocaremos dos baterias en serie  de gel de 12v 7aH      de   modo que  las  conexiones  de ambas  baterías  queden  a un mismo lado 

3-Conectaremos  en serie ambas baterías (es decir el polo + de una batería  con el negativo  de la otra  con  un cable  en el que interconectaremos un portafusible).

3-Es importante no olvidar el fusible en serie con el circuito pues esto nos evitara problemas  posteriores.

4-Finalmente conectaremos  en el polo +  de una batería   y el polo negativo a un conector  macho por ejemplo (reciclado de un alimentador de un viejo router de ADSL). Mucho cuidado de no confundir el polo positivo   y el polo negativo  a la hora de  soldar los hilos al conector.

5-Conectaremos un conector  hembra en la bicicleta  ( por ejemplo reciclando el conector  externo de un viejo router de ADSL). Mucho cuidado de no confundir el polo positivo   y el polo negativo  a la hora de  soldar los hilos al conector.

6-Colocaremos  las baterías  en el hueco de la bicicleta . enchufaremos ambos conectores y  !a probar la bicicleta!

 

 

 

Ha llegado el sustituto de los fusibles y es un componente de toda la vida

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Seguro que querido lector  se han cuestionado porque  en algún circuito  comercial   en la serigrafía  marcaba un componente como   un fusible  pero en su  lugar se ha colocado  una resistencia de muy bajo valor (ente 0.5 y 10 Ohms)   y de baja disipación ( 1/4 Watio  o  menos)  ocupando  el mismo  lugar del fusible.

Lo primero que se nos ocurre,es contradictorio , pero en cierta forma tiene sentido, pues una resistencia muy baja realmente actúa  casi como un fusible común, siendo ademas también muy  fácil de sustituir  (si va soldado ) , pero,  ademas, existen 2 motivos  de peso para usar resistencias como fusibles, en equipos electrónicos:

        • En primer lugar  motivos intrínsecos al propio  diseño en las nuevas fuentes de alimentación 
        • En segundo lugar  , y no menos importante,por la  economía de medios

Veamos   mas  detalladamente de lo que estamos hablando:

Razones basada en el nuevo diseño de fuentes de baja potencia 

En las  nuevas fuentes «no aisladas de baja potencia»  cuyo diseño estudiamos en un post anterior , se de la circunstancia de que en el momento de conectarlas  al suministro eléctrico de c.a.   tienden a generar un alto flujo de corriente por fracciones de segundo, comportándose casi como un corto-circuito, circunstancia  que puede quemar  perfectamente los fusibles convencionales  razón por la que justificaría  usar resistencias como fusibles «especiales».

Precisamente estas  fuentes de alimentación no aisladas de baja potencia  de las que ya hemos hablado en este blog  son las que se usan  intensivamente por sus dimensiones  y bajo pecio en cargadores de teléfonos móviles, rectancias, fuentes conmutadas de baja potencia y fuentes de iluminación LED, etc . 

 

Todas estas nuevas fuentes de alimentación como se ve en el diseño anterior,  ya no usan el voluminoso y caro transformador , usando en su lugar a la entrada de corriente alterna condensadores en corriente alterna, razón por la que se  las conoce como “no aisladas” porque usan y rectifican la tensión alterna  procedente de la red de suministro a corriente continua  directamente, razón por lo que  todos sus componentes deben soportar esos grandes valores de voltaje :220-380v AC.

 

Como esta tensión se aplica a un puente de diodos  y de ahí a un condensador, precisamente por causa de estos condensadores electrolíticos que se usan a la salida del puente de diodos  filtrando las AC , como  manejan altos valores de tensión; arriba de 140v y hasta 360v , debemos saber que cuando estos condensadores electrolíticos están descargados completamente, tienen una resistencia interna muy baja , lo cual hace  que  se comporten como como si estuvieran en «corto circuito»  en el momento de arranque , lo cual debido a la  gran intensidad en algunos casos podría  fundir un fusible convencional , intensidad que por cierto  sera mayor   cuanto  mas grande sea el voltaje que maneje el condensador ( y en las fuentes no aisladas, los condensadores son de 160 volts como mínimo  hasta 450 volts )

 

Un componente que actué como «amortiguador»  que impida el corto circuito por esos breves instantes  mientras el condensador se carga y alcanza el umbral para dejar de consumir mucha corriente, y al mismo tiempo permita pasar la tensión necesaria, para que el todo el circuito funcione estable,lo  cumple precisamente  las resistencias de bajo valor , si bien en en fuentes conmutadas de voltaje de potencias altas y medias,  se usa también las NTC.

Pasar por alto el corto circuito temporal, en un condensador descargado, e instalar solo un fusible, lo fundirá tarde o temprano debido a un «falso positivo»,  abriendo el circuito e impidiendo el flujo de corriente completamente, aun estando todos los componentes en buen estado .

Ademas sin el uso de esta resistencia,  el condensador se degradará mas rápido, así que esta mas que justificado  el eso de estas resistencias.

Algunos argumentarían que se puede poner un fusible antes de esta resistencia «anti corto circuito», como en la versión con fuentes de voltaje conmutadas de mayor potencia, pero  bien calculada, la resistencia actuará de ambas maneras.

Para terminar ,no  obstante puede ser justificado  la configuración “fusible-resistencia amortiguadora” en circuitos de media potencia  ( no  en fuentes de baja potencia donde  si se podría fundir)  ,pues  en fuentes de alimentación no aisladas de grandes potencias, usar un fusible y resistencias en los condensadores electrolíticos  filtraran los  altos voltajes protegiendo así el circuito   por lo que   según los diseños  y la corriente que pueda circular la solución puede venir  de la asociación de ambos componentes 

 

Economía y reducción de costos de producción.

Para los fabricantes de equipos que requieran este tipo de fuentes no aisladas con condensadores de voltajes altos y potencias bajas, u otro tipo de circuitos donde sea factible el uso de una resistencia en lugar de un fusible, les resulta muy beneficioso minimizar costos  (por pequeños que sean) ademas sin sacrificar la calidad por lo que  prefieren perfeccionar y mejorar estas resistencia-fusible ya que  su uso esta cada vez mas demandado resultando un 40% o 50% mas económico montar resistencias  en lugar usar  fusibles.

Respecto a la naturaleza de estas resistencias de bajo valor aunque para la mayoría de los casos y fabricantes de circuitos, una resistencia común de carbón de bajo valor óhmico es mas que suficiente, algunas veces se requieren diseños de resistencias especialmente pensadas para esta función de fusible, componentes conocidos  como: «FUSISTORES»

Fusistores

   Un tipo de protección interesante de fusistor (fusible + resistor)  se encuentra en algunos aparatos de consumo como televisores, fuentes de alimentación , etc , consiste en colocar una resistencia  de bajo valor (que como hemos visto no cambia la corriente en el circuito) en serie con las principales líneas de alimentación.

Cuando la corriente supera un cierto valor, esta resistencia se sobrecalienta y el calor generado por el terminal que se propaga fundiendo el material de soldadura que tiene un sistema de resorte, como se muestra abajo. 

Hay fabricantes que ofrecen el conjunto  resistencia+fusible encapsulado a  un bajo costo como alternativa a las soluciones tradicionales para aplicaciones que requieren protección contra sobretensiones.

Existen  tres  combinaciones de serie de resistencias / fusibles de resistencia fusible:

  • FRN :Resistencias de metal / carbono, son en esencia  resistencias fusible bobinada
  • FKN :resistencias fusibles recubiertas de cemento. Ideales para aplicaciones de suministro de energía en telecomunicaciones, militares y mercados industriales que requieren un reemplazo para las resistencias de composición de carbono dentro del diseño del circuito
  • FSQ :robustas resistencias con recubrimiento de cemento y bobinado de alambre

Este tipo de componente es usada en  aplicaciones de Telecomunicaciones,electrodomésticos ,protección contra impulsos de arranque,protección contra rayos,protección de entrada para pequeñas fuentes de alimentación y cargadores de baterías,etc

En resumen  ,tanto en fuentes aisladas con características especiales, así como en otros circuitos que las requieren  debemos ser muy cuidadosos  con estas resistencias especiales , pues hay fabricantes de equipos electrónicos que usan fusistores  singulares  de este tipo y si son remplazarlas con una común de carbón, puede poner en riesgo el circuito

 

 

 Shunt

Existen otro tipo deuso de las  resistencias  de muy bajo valor óhmico y  que se pueden encontar en muchos circuitos electrónicos complejos  (especialmente en electronica de potencia) ,  y que muchas veces,  a ojos de inexpertos, aparentan estar ahí para actuar como fusibles.

 

Pero lo cierto es  que esto no es verdad  pues se colocan en circuitos complejos y grandes, básicamente  para que puedan ser usados para  mediciones de corriente y voltaje y no para actuar  como fusibles, pues las características de las resistencias Shunt, impide que se dañen o fundan ante una tensión o corriente alta, lo cual es completamente contrario al de una resistencia fusible .

 

Como vemos  en la imagen anterior , aunque parezcan otra cosa, simplemente este shunt  no es mas que  una  resistencia que se usa para medir corriente .Los tornillos grandes son para conectar los cables principales de alimentación del circuito (quedando en serie con el circuito a alimentar) y los tornillos pequeños son para conectar los hilos que van al  equipo de medida o circuito de control  correspondiente.

 

Precisamente debido a la complejidad, sofisticación , tamaño ultra reducido, costo y difícil manipulación o desarme de muchos circuitos actuales, es muy práctico poder revisar y dar diagnósticos exactos a dichos circuitos y equipos.,y para hacer algo fácil esta labor, los diseñadores e ingenieros agregan estas resistencias SHUNT, y de este modo puedan tomarse mediciones muy precisas que con algunos cálculos,  se conoce certeramente si en el circuito existe flujo de corriente adecuado, valores de voltajes correctos o si de plano ese circuito no está siendo alimentado,pero recuerden: este tipo de resistencias no actúan como fusibles.pues como todos los componentes electrónicos ,( aunque  en raras ocasiones)  puedan dañarse su función principal es ayudar a verificar y obtener mediciones precisas en equipos de alta complejidad y difícil maleabilidad por tamaños ultra reducidos o todo  lo  contrario de  demasiado grandes.