Cargador de batería

Un cargador sencillo funciona suministrando una fuente de alimentación de CC constante o pulsada a la batería que se está cargando. Normalmente, un cargador sencillo no modifica su salida en función del tiempo de carga ni del nivel de carga de la batería. Esta sencillez implica que un cargador sencillo sea económico, pero tiene sus desventajas. Por lo general, un cargador sencillo bien diseñado tarda más en cargar una batería porque está configurado para usar una velocidad de carga más baja (es decir, más segura). Aun así, muchas baterías que se dejan conectadas a un cargador sencillo durante demasiado tiempo se debilitan o se dañan por sobrecarga. Estos cargadores también varían en que pueden suministrar un voltaje constante o una corriente constante a la batería.

Los cargadores de baterías simples alimentados por CA suelen tener una corriente y un voltaje de rizado mucho mayores que otros tipos de cargadores de baterías debido a su diseño y fabricación económicos. Generalmente, cuando la corriente de rizado se encuentra dentro del nivel recomendado por el fabricante de la batería, el voltaje de rizado también estará dentro de dicho nivel. La corriente de rizado máxima para una batería VRLA  típica de 12 V y 100  Ah es de 5 amperios. Siempre que la corriente de rizado no sea excesiva (más de 3 a 4 veces el nivel recomendado por el fabricante de la batería), la vida útil esperada de una batería VRLA cargada con rizado estará dentro del 3 % de la vida útil de una batería cargada con CC constante. ^{[ 10 ]}

Los cargadores rápidos utilizan circuitos de control para cargar rápidamente las baterías sin dañar ninguna de sus celdas. Estos circuitos pueden estar integrados en la batería (generalmente para cada celda), en la unidad de carga externa o distribuidos entre ambas. La mayoría de estos cargadores incorporan un ventilador para mantener la temperatura de las celdas en niveles seguros. Además, la mayoría de los cargadores rápidos pueden funcionar como cargadores nocturnos estándar si se utilizan con baterías Ni-MH convencionales que no cuentan con circuitos de control especiales.

Para acelerar el tiempo de carga y proporcionar una carga continua, un cargador inteligente intenta detectar el estado de carga y la condición de la batería y aplica un esquema de carga de tres etapas. La siguiente descripción asume una batería de tracción de plomo-ácido sellada a 25 °C (77 °F) . La primera etapa se denomina "absorción masiva"; la corriente de carga se mantiene alta y constante y está limitada por la capacidad del cargador. Cuando el voltaje de la batería alcanza su voltaje de desgasificación (2,22 voltios por celda), el cargador cambia a la segunda etapa y el voltaje se mantiene constante (2,40 voltios por celda). La corriente suministrada disminuye al voltaje mantenido, y cuando la corriente alcanza menos de 0,005C, el cargador entra en su tercera etapa y la salida del cargador se mantiene constante en 2,25 voltios por celda. En la tercera etapa, la corriente de carga es muy pequeña, 0,005C, y a este voltaje la batería puede mantenerse completamente cargada y compensar la autodescarga.  

Los cargadores de baterías inductivos utilizan la inducción electromagnética para cargar las baterías. Una estación de carga envía energía electromagnética mediante acoplamiento inductivo a un dispositivo eléctrico, que almacena la energía en las baterías. Esto se logra sin necesidad de contactos metálicos entre el cargador y la batería. Los cargadores de baterías inductivos se utilizan comúnmente en cepillos de dientes eléctricos y otros dispositivos de baño. Al no haber contactos eléctricos expuestos, no existe riesgo de electrocución. Actualmente, también se utilizan para cargar teléfonos inalámbricos.

Un cargador inteligente puede responder al estado de la batería y modificar sus parámetros de carga en consecuencia, mientras que los cargadores convencionales aplican un voltaje constante, posiblemente a través de una resistencia fija. No debe confundirse con una batería inteligente que contiene un chip y se comunica digitalmente con un cargador inteligente sobre su estado. Una batería inteligente requiere un cargador inteligente. Algunos cargadores inteligentes también pueden cargar baterías convencionales, que carecen de componentes electrónicos internos.

La corriente de salida de un cargador inteligente depende del estado de la batería. Un cargador inteligente puede monitorizar el voltaje, la temperatura o el tiempo de carga de la batería para determinar la corriente de carga óptima o finalizar la carga. En el caso de las baterías de Ni-Cd y Ni-MH , el voltaje aumenta lentamente durante el proceso de carga hasta que la batería está completamente cargada. Posteriormente, el voltaje disminuye debido al aumento de la temperatura, lo que indica al cargador inteligente que la batería está completamente cargada. Estos cargadores suelen denominarse cargadores ΔV, "delta-V" o, a veces, "delta peak", lo que indica que monitorizan la variación de voltaje.

Esto puede provocar que incluso un cargador inteligente no detecte que las baterías ya están completamente cargadas y continúe cargándolas, lo que puede resultar en una sobrecarga. Muchos cargadores inteligentes emplean diversos sistemas de desconexión para evitar la sobrecarga. Un cargador inteligente típico carga rápidamente una batería hasta aproximadamente el 85 % de su capacidad máxima en menos de una hora, y luego pasa a la carga lenta, que tarda varias horas en cargar la batería por completo. ^{[ 11 ]}

Varias empresas han comenzado a fabricar dispositivos que cargan baterías utilizando la energía del movimiento humano, como al caminar. Un ejemplo, fabricado por Tremont Electric, consiste en un imán sujeto entre dos resortes que puede cargar una batería al mover el dispositivo hacia arriba y hacia abajo. Estos productos aún no han alcanzado un éxito comercial significativo. ^{[ 12 ]}

Se ha creado un cargador de teléfonos móviles accionado por pedales e integrado en escritorios para su instalación en espacios públicos, como aeropuertos, estaciones de tren y universidades. Se han instalado en varios países de diversos continentes. ^{[ 13 ]}

Algunos cargadores utilizan tecnología de pulsos , en la que se aplica una serie de pulsos eléctricos a la batería . Los pulsos de CC tienen un tiempo de subida , ancho de pulso, frecuencia de repetición ( frecuencia ) y amplitud estrictamente controlados . Esta tecnología funciona con baterías de cualquier tamaño y tipo, incluidas las de automoción y las reguladas por válvula . ^{[ 14 ]} Con la carga por pulsos, se aplican altos voltajes instantáneos sin sobrecalentar la batería. En una batería de plomo-ácido , esto descompone los cristales de sulfato de plomo, extendiendo así considerablemente la vida útil de la batería. ^{[ 15 ]}

Existen varios tipos de cargadores de pulsos patentados, ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} mientras que otros son de código abierto . Algunos cargadores utilizan pulsos para verificar el estado actual de la batería al conectarlos por primera vez, luego utilizan carga de corriente constante durante la carga rápida y, posteriormente, utilizan el modo de pulsos para la carga lenta. ^{[ 19 ]} Algunos cargadores utilizan "carga de pulso negativo", también llamada "carga de reflejo" o "carga de descarga". Estos cargadores utilizan pulsos de corriente tanto positivos como breves pulsos negativos. No existe evidencia significativa de que la carga de pulso negativo sea más efectiva que la carga de pulso convencional.

Los cargadores solares convierten la energía lumínica en corriente continua de bajo voltaje . Generalmente son portátiles , pero también pueden ser de instalación fija. Los cargadores solares de instalación fija también se conocen como paneles solares . Estos suelen conectarse a la red eléctrica mediante circuitos de control e interfaz, mientras que los cargadores solares portátiles se utilizan fuera de la red (por ejemplo, en coches , barcos o autocaravanas ).

Aunque los cargadores solares portátiles obtienen energía únicamente del sol, pueden cargar en condiciones de poca luz, como al atardecer. Suelen utilizarse para la carga lenta , aunque algunos pueden recargar las baterías por completo.

La salida de un cargador con temporizador finaliza después de un intervalo de tiempo predeterminado. Los cargadores con temporizador eran el tipo más común para cargar celdas de Ni-Cd de baja capacidad para el consumidor a finales de la década de 1990. A menudo, se podía comprar un cargador con temporizador y un juego de baterías como un paquete, y el tiempo de carga se configuraba específicamente para esas baterías. Si se cargaban baterías de menor capacidad, se sobrecargaban, y si se cargaban baterías de mayor capacidad con el temporizador, no alcanzaban su capacidad máxima. Los cargadores con temporizador también tenían el inconveniente de que cargar baterías que no estaban completamente descargadas resultaba en una sobrecarga. ^{[ 20 ]}

Un cargador de mantenimiento suele tener una corriente baja (normalmente entre 5 y 1500  mA). Generalmente se utiliza para cargar baterías de baja capacidad (2-30  Ah). También se usa para mantener la carga de baterías de mayor capacidad (> 30  Ah) en automóviles y embarcaciones. En aplicaciones de mayor tamaño, la corriente del cargador solo es suficiente para proporcionar la carga de mantenimiento. Dependiendo de la tecnología del cargador, este puede permanecer conectado a la batería indefinidamente. Algunos tipos de baterías no son aptos para la carga de mantenimiento. Por ejemplo, la mayoría de las baterías de iones de litio no se pueden cargar de forma segura mediante este método, ya que podría provocar un incendio o una explosión.

Carga de CC (batería) desde una fuente de CC sin conversión a CA. Los cargadores CC-CC modernos suelen incluir un aislador y un convertidor CC-CC . Algunos también pueden tener BMS (que incluye balanceo ), ser bidireccionales (arrancar la batería principal del coche desde la batería secundaria) y control inalámbrico (Bluetooth, WiFi, NFC, 5G). ^{[ 21 ]}

Los cargadores más sofisticados se utilizan en aplicaciones críticas (por ejemplo, baterías militares o de aviación). Estos sistemas de carga automática de alta resistencia, con tecnología inteligente, pueden programarse con ciclos de carga complejos especificados por el fabricante de la batería. Los mejores son universales (es decir, pueden cargar todo tipo de baterías) e incluyen funciones automáticas de análisis y comprobación de capacidad.

Dado que la especificación del bus serie universal (USB) proporciona alimentación de cinco voltios, es posible utilizar un cable USB para conectar un dispositivo a la corriente. Entre los productos que utilizan este método se incluyen cargadores para teléfonos móviles , reproductores de audio digital portátiles y tabletas . Pueden ser periféricos USB totalmente compatibles o simples cargadores sin control. Otro tipo de cargador USB, denominado "batería USB recargable", se instala en la carcasa de pilas estándar (  AA de 1,5 V, C, D y  de 9 V) junto con una batería recargable de iones de litio, un convertidor de voltaje y un conector USB.

Existen dos tipos principales de cargadores que se utilizan para vehículos:

• Para recargar la batería de arranque de un vehículo de combustible , donde se utiliza un cargador modular; normalmente un cargador de 3 etapas .
• Para recargar la batería de un vehículo eléctrico (VE); consulte Estación de carga .

Los cargadores para baterías de coche vienen en diferentes potencias. Los cargadores de hasta dos amperios se pueden usar para mantener la carga de baterías de vehículos estacionados o para baterías pequeñas de tractores de jardín o equipos similares. Un conductor puede tener un cargador de entre unos pocos amperios y diez o quince amperios para el mantenimiento de las baterías del automóvil o para recargar una batería de vehículo que se haya descargado accidentalmente. Las estaciones de servicio y los talleres mecánicos suelen tener un cargador grande que carga completamente una batería en una o dos horas; a menudo, estos cargadores pueden proporcionar brevemente los cientos de amperios necesarios para arrancar el motor de un motor de combustión interna.

Los cargadores de baterías para vehículos eléctricos (ECS) vienen en una variedad de marcas y características. Estos cargadores varían de 1  kW a 22  kW de velocidad de carga máxima. Algunos usan curvas de carga algorítmicas, otros usan voltaje y corriente constantes. Algunos son programables por el usuario final a través de un puerto CAN , algunos tienen diales para voltaje y amperaje máximos, y otros vienen preconfigurados para un voltaje, amperaje-hora y química específicos del paquete de baterías. Los precios oscilan entre $400 y $4,500. Una batería de 10 amperios-hora podría tardar 15 horas en alcanzar un estado de carga completa desde una condición de descarga total con un cargador de 1 amperio, ya que requeriría aproximadamente 1.5 veces la capacidad de la batería. Las estaciones de carga públicas para vehículos eléctricos a menudo proporcionan 6  kW (potencia de la estación de 208 a 240  V CA a partir de un circuito de 40 amperios). 6  kW recargarán un vehículo eléctrico aproximadamente seis veces más rápido que  la carga nocturna de 1 kW. La carga rápida resulta en tiempos de recarga aún más rápidos y solo está limitada por la potencia de CA disponible, el tipo de batería y el tipo de sistema de carga. ^{[ 22 ]}

Los cargadores integrados para vehículos eléctricos (que transforman la corriente alterna en corriente continua para recargar la batería del vehículo eléctrico) pueden ser:

• Aislados: no establecen ninguna conexión física entre la red eléctrica de CA y las baterías que se están cargando. Estos suelen emplear algún tipo de conexión inductiva entre la red y el vehículo de carga. Algunos cargadores aislados pueden utilizarse en paralelo. Esto permite una mayor corriente de carga y tiempos de carga reducidos. La batería tiene una corriente máxima que no debe superarse.
• No aislado: el cargador de baterías tiene una conexión eléctrica directa al cableado de la toma de corriente alterna. Los cargadores no aislados no se pueden usar en paralelo.

Los cargadores con corrección del factor de potencia (PFC) pueden aproximarse más a la corriente máxima que puede suministrar el enchufe, lo que reduce el tiempo de carga.

estaciones de carga

El proyecto Better Place estaba desplegando una red de estaciones de carga y subvencionando los costes de las baterías de los vehículos mediante arrendamientos y créditos hasta que se declaró en bancarrota en mayo de 2013.

La mayoría de los cargadores de teléfonos móviles no son realmente cargadores, sino adaptadores de corriente que proporcionan una fuente de alimentación para el circuito de carga, que casi siempre se encuentra dentro del propio teléfono. Algunos modelos de gama alta cuentan con múltiples puertos equipados con una pantalla que indica la corriente de salida . ^{[ 24 ]} Algunos admiten protocolos de comunicación para parámetros de carga como Qualcomm Quick Charge o MediaTek Pump Express . Los cargadores para tomas de corriente auxiliares de 12  V para automóviles pueden admitir voltajes de entrada de hasta 24 o 32 V CC para garantizar la compatibilidad, y a veces están equipados con una pantalla para monitorizar la corriente o el voltaje del sistema eléctrico del vehículo. ^{[ 25 ]} 

China, la Unión Europea y otros países están creando un estándar nacional para cargadores de teléfonos móviles que utilizan el estándar USB . ^{[ 26 ]} En junio de 2009, 10 de los mayores fabricantes de teléfonos móviles del mundo firmaron un Memorando de Entendimiento para desarrollar especificaciones y dar soporte a una fuente de alimentación externa común (EPS) equipada con microUSB para todos los teléfonos móviles con capacidad de datos vendidos en la UE. ^{[ 27 ]} El 22 de octubre de 2009, la Unión Internacional de Telecomunicaciones anunció que microUSB sería el estándar para un cargador universal para teléfonos móviles. ^{[ 28 ]} En octubre de 2022 se aprobó la Directiva de Cargadores Comunes de la UE con las nuevas normas aplicables a los teléfonos móviles y a otros dispositivos, que entraron en vigor en diciembre de 2024. ^{[ 29 ]}

Las instalaciones de telecomunicaciones, energía eléctrica y sistemas de alimentación ininterrumpida ( SAI) para ordenadores pueden contar con grandes bancos de baterías de reserva (instalados en salas de baterías ) para mantener las cargas críticas durante varias horas en caso de interrupciones del suministro eléctrico principal. Estos cargadores se instalan de forma permanente y están equipados con compensación de temperatura, alarmas de supervisión para diversas fallas del sistema y, a menudo, fuentes de alimentación independientes redundantes y sistemas rectificadores redundantes.

Los cargadores para plantas de baterías estacionarias pueden contar con una regulación y filtración de voltaje adecuadas, así como con la capacidad de corriente suficiente para permitir la desconexión de la batería para mantenimiento, mientras el cargador suministra corriente continua (CC) a la carga del sistema. La capacidad del cargador se especifica para mantener la carga del sistema y recargar una batería completamente descargada en, por ejemplo, 8 horas u otros intervalos.