Todo lo que debes saber para cargar baterías de litio de forma correcta.

 

Recarga como todo un experto cualquier tipo de batería de iones de litio sin importar su capacidad, forma y tamaño.

Para no dañar o reducir el tiempo de vida útil de una batería de iones de litio, es de suma importancia entender muy bien el proceso de recarga y método a usar, pues a diferencia de otros tipos como las de plomo o Nikel-cadmio, estas son mucho más delicadas y peligrosas, dañándose fácilmente o volviéndose inestables si dicho proceso de recarga no es preciso y completo.  Te invito a conocer todo lo relacionado a este tema con información indispensable si piensas tomarte en serio el asunto de recargar baterías de litio de forma correcta.  

COMO CARGAR UNA BATERIA DE LITIO PERFECTAMENTE SIN IMPORTAR FORMA, TAMAÑO O CAPACIDAD.

En internet rondan cientos de diagramas electrónico con circuitos caseros para recarga  baterías de litio. Y otros tantos con diseños comerciales que pueden comprar ya armados que usan modernos chip especiales para tal fin. Debe saber gran mayoría de esos circuitos cortan la carga  cuando el voltaje en la batería llega a los 4.2 volts, asumiendo una carga completa. Por desgracia eso es un proceso incompleto. Si los que comparten esos circuitos revisaran las hojas técnicas de las baterías, descubriría que ese método de “carga” con tope de 4.2 Volts solo cumple una parte del proceso dejando a las baterías con una carga parcial de entre el 60% y 80%... mas no al 100%. 

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Esto último es "aceptable" y a veces hasta recomendado en situaciones especiales como aplicaciones industriales donde se trata de prolongar la vida útil de las costosas baterías que se usan ahí, a costa de una carga parcial, pero ese método de carga parcial no es una regla general a seguir para todos los casos; mas bien una excepción. Aplicarlo en todas las baterías es algo incorrecto que se repite y comparte sin verificar, volviéndose información a medias (cosa común en internet) cuyo único beneficio es "alargar" un poco mas el tiempo de vida útil que de por si es bajo en este tipo de baterías, pues apenas duran unos 500 ciclos de carga-recarga en marcas de buena calidad; Si usas una batería solo con un 60-80% de su capacidad, se agota rápidamente obligándonos a recargarlas constantemente. Y si si usamos el mismo método de carga parcial, acabamos con esos 500 ciclos en muy corto tiempo, lo cual pone en contra dicho eso de "prolongar la vida útil". Este fenómeno y sus consecuencias lo podemos ver, por ejemplo, en las baterías de los smartphone donde casi todos los diseños usan dicho método de "recarga rápida".

Entonces: ¿Cuál es el proceso correcto para recargar una batería de litio y que diseño de circuito para armar o comercial debo usar? Pues aquí lo aprenderás. Pero vamos por partes: Primero debemos conocer los parámetros que influyen directamente en el proceso de carga, para después explicar el ciclo completo y más adelante escoger o armar un circuito cargador que cumpla todos los requisitos importantes para una carga al 100%. Comencemos… 

PARAMETROS FUNDAMENTALES PARA LA CARGAR BATERIAS DE LITIO.

Para todos los tipos de baterías Litio actuales, existen cinco factores que se toman en cuenta al momento de recargarlas:

• Tasa de carga (XC). 
• Ciclo de Corriente constante (CC).
• Ciclo de Voltaje constante (CV).
• Temperatura de la batería en el proceso de recarga (Bt).
• Tiempo máximo de recarga.

Todos los circuitos que se tomen en serio el asunto de recargar este tipo de baterías, deben considerar  estos factores con ese orden de importancia. Por su puesto todos los fabricantes de dichas baterías ponen valores de dichos factores en sus hojas técnicas (Datasheet) para que el usuario pueda escoger o diseñar el cargador correcto. En la imagen siguiente pueden ver un ejemplo de una datasheet correspondiente a una clásica batería cilíndrica del tipo 18650, donde se muestras los datos para su recarga correcta.

Hoja técnica de una batería de litio 18650. Dentro de la marca roja los datos para su recarga.

 Vamos a explicar estos parámetros más afondo…

TASA DE RECARGA (XC).

Es el porcentaje de corriente máxima (en Amperes) que los fabricantes recomiendan para recargar cada batería.  Se abrevia solo con la letra “C” acompañada de un número o fracción de este. Por ejemplo: “1C” o “0.5C”. 

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Se asume como 1C a una recarga donde se usará el mismo valor de corriente máxima, comparando con la corriente (mAh) que la batería puede entregar. Y 0.5C como una recarga que se debe realizar a la mitad de la corriente que la batería puede entregar. El siguiente ejemplo pondrá en claro esto:

• Si se recarga una batería de 2500mAh con 2500mA (2.5 Amperes) entonces la tasa de recarga es 1C.
• SI se recarga la misma batería de 2500mAh pero con 1250mA (la mitad de 2500mAh) entonces la tasa de carga es de 0.5C
• Si se recarga la batería de 2500mAh con 1510mA la tasa de recarga es de 0.6C
• SI se recarga la batería de 2500mAh con 1750mA entonces la tasa de carga es de 0.7C

Estoy seguro que con eso queda muy claro el significado de la tasa de recarga, Si aun así algo no se entiende, les comparto una tabla donde se puede apreciar la tasa de recarga correspondiente de acuerdo al valor de las baterías más comunes. 

Tabla con valores de carga en amperios correspondientes a la capacidad en mAh de baterías de litio.

Aunque no es una regla oficial, con el tiempo y la experiencia descubrirán que todos los fabricantes recomiendan recargar sus baterías de litio con una tasa de 0.7C y 0.5C.  Asumiendo que esta última garantiza una vida útil más larga pues evita el sobre calentamiento en el proceso de recarga. Escoger un circuito cargador que pueda ajustar la corriente a la tasa de recarga correcta para cada caso, es una ventaja increíble para una larga vida de las baterías. Pero por desgracia, la inmensa mayoría de los circuitos armables y comerciales disponibles en internet no toman en cuenta esto.

 

Nota:

¡Así es! Al igual que otros tipos de baterías, el factor más importante al momento de recargar una de iones de litio es censar y controlar la corriente (amperes) que se usará, limitando el voltaje. Es un  error el asunto de solo centrarse en el valor de voltaje máximo de carga que, aunque importante, no es el factor clave para estos casos.  Por desgracia, como ya mencioné, la inmensa mayoría de los circuitos comerciales, diagramas para armar y videos en internet se enfocan en el voltaje, ignorando completamente lo más importante el control de la corriente de carga.

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CORRIENTE CONSTANTE (CC)

Es el valor en amperes o mili amperes máximos que deben circular por la batería mientras esta se recarga antes y después de alcanza los 4.2 voltios. El cargador debe  monitorear y ajustar siempre esta corriente evitando que rebase el máximo recomendado por el fabricante (por ejemplo: 0.7C o 0.5C) pues la batería podría dañarse por sobrecalentamiento y en casos extremos explotar. 

VOLTAJE CONSTANTE (CV)

Es el valor de voltaje que se debe monitorear y limitar en una batería  en todos los ciclo de carga.  Y para la gran mayoría de tipos, formas y capacidades en las de litio, es de 4.20 Volts, con una tolerancia de +/- 0.05V.  O sea: de 4.15 y hasta 4.25 Volts.

TEMPERATURA DE LA BATERIA (Bt).

Es el valor máximo de temperatura en grados centígrados que la batería debe generar mientras se recarga. Si una batería de litio se calienta a más de 35 °C mientras se encuentra en el ciclo de CC y este dura un tiempo prolongado sin pasar a VC, se asume que es inestable o está dañada y debe interrumpirse el proceso pues existe el riesgo de incendio.

TIEMPO MAXIMO DE RECARGA.

Para la mayoría de tipos de baterías de litio, el tiempo nominal en que se cumple todo el proceso de recarga es de entre 3 y 4 horas máximo. Esto depende también de la condición de carga que tenga cada caso de batería: Muy descargada, tarda el máximo, poco descargada tarda menos. Asumimos esas 4 horas máximo con una batería completamente descargada, usando el cargador correcto.

Por su puesto que si se recarga una batería a 0.1C  o menos, el tiempo de recarga podría tardar hasta 36 horas.  Pero usar estos parámetros de carga en este tipo de baterías resulta absurdo por su naturaleza de diseño, pues se pueden alcanzar los mismos resultados sin degradar la batería o acortar su tiempo de vida con cargas de 0.5C.  De igual forma: Aumentar la corriente de carga a más de 1C con el fin de disminuir el tiempo para la recarga tampoco ayuda. Pues en realidad los tiempos son casi los mismos; lo que si se logra es degradar más rápido la batería a causa de la reacción química y el calor que se genera.

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Ahora que ya entendemos cada uno de los parámetros importantes para cargar una batería de litio. Explicare el proceso de carga completo que un circuito cargador debe realizar para alcanzar una recarga plena y al 100%.

PASO A PASO DEL PROCESO DE CARGA EN UNA BATERIA DE LITIO.

Este procedimiento especifica los casos de recarga para baterías de una celda. Es decir: Baterías que proporcionen 3.7 Volts como las usadas en Smartphones, algunas tablets y dispositivos independientes como las baterías cilíndricas 18650. Para los módulos multiceldas o bancos de baterías que proporcionan 7.4 Volts o más, se debe considera que están formados por celdas independientes de 3.7V conectadas en serie y/o serie paralelo. Este proceso también es válido para esos casos si se tiene en cuenta aplicarlo por cada una de las celdas que conforman en modulo y no el conjunto.

1er. PASO:  AJUSTANDO LA TASA DE RECARGA.

Toda recarga debe comenzar obteniendo la tasa de carga (xC) recomendada por el fabricante de la batería y ajustando el cargador en cada caso (o usando un cargador con tasa de recarga fija para un tipo de baterías en partícula). Si no se conoce o no está especificada la tasa de recarga, asumimos que se debe cargar a 0.5C. Es recomendable usar un cargador que proporcione los medios para ajustarse a diferentes valores de tasas de carga.  

Ya mencione mas arriba un  método muy simple para obtener la tasa de carga de cualquier batería de litio, En la imagen siguiente pongo tres ejemplos con baterías comerciales reales para obtener el valor en amperes que corresponden a cada tasa de carga. 

Ejemplos con casos reales de como obtener los amperios correctos de la tasa de caga, si no se cuenta con hoja de datos de la batería.

2do PASO: CICLO DE CORRIENTE CONSTANTE.

Una vez ajustado el cargador con la tasa de recarga adecuada y la batería conectada, el primer ciclo que comienza  es el de carga con corriente constante (CC). El circuito de carga debe garantizar dos cosas en esta fase:

1. No debe sobrepasar nunca los 4.2 Volts en esta etapa.
2. Debe proporcionar y mantener toda la corriente necesaria acorde a la tasa de carga de la batería pero nunca excederla.

En este ciclo, Inevitablemente el voltaje se reducirá de los 4.2v hasta quizá  3.3v o menos, dependiendo de qué tan descargada este la batería; eso es normal. Igual de normal es que la corriente que circule por la batería en este ciclo sea muy grande. El circuito cargador debe limitar el flujo máximo de corriente al especificado con la tasa de recarga (0.5C, 0.7C) y mantenerlo así durante todo el proceso.  Con el paso del tiempo, una o dos horas, la batería alcanzar de nuevo los 4.2v y la corriente disminuye considerablemente, hasta un 60% de la tasa de recarga. Al llegar a este punto se asume que acaba el ciclo de corriente constante; la batería esta recargada entre el 60 y 80% y  se puede asumir que está lista para usarse, pero no completamente cargada.

3.- TEMPERATURA DE LA BATERIA.

El ciclo de CC es el más estresante para batería como para el cargado, ambos disipan calor por los valores de corriente que circulan en ellos. Pero el aumento de temperatura que se debe vigilar continuamente es el de la batería, aunque casi siempre es insignificante en módulos "sanos". Aun así, la mayoría de estas soporta incrementos de 10°C  y en algunos casos hasta 20°C mientras están recargándose;  Unos 35°C en total tomando como base la temperatura ambiente de 25°C. Si alguna batería excede este valor, se debe reducir el flujo de corriente que circula por ella o interrumpir el proceso de carga, pues es muy probable que este dañada o inestable. El circuito cargador debe tener los medios para revisar la temperatura de la batería e interrumpir el proceso si es necesario. 

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4o. PASO: CICLO DE VOLTAJE CONSTANTE (CV).

Una vez que el ciclo de corriente constante (CC) termina y la batería alcanza los 4.2 volts, comienza el ciclo de “carga de saturación” o de voltaje constante (CV).  En este punto la corriente de carga disminuye porque la resistencia interna de la batería aumenta mientras mas cargada esté, pero no debe detenerse hasta que dicho flujo de corriente disminuye hasta alcanzar del 10%  al 3% de amperes con relación a la capacidad en mAh que puede entregar la batería (1C). Se considera una batería de litio 100% cargada, cuando la corriente de recarga que circula en ella llega a ese porcentaje.

Mientras la batería alcanza este umbral, el cargador esta monitoreando y limitando siempre un voltaje máximo de 4.2V en la batería.  Por eso se le denomina: "De voltaje constante"

Por ejemplo:

Si se recarga una batería de 1000mAh completamente descargada (3.3V), al conectarla a un circuito cargador profesional,  el voltaje de carga puede reducirse un poco pero la corriente será alta y nunca mas allá de los 500mA (0.5C).  El ciclo de corriente constante (CC) terminara cuando la batería llegue a los 4.2 Volts con alrededor de 200mA o menos. Entonces comienza el ciclo de voltaje constante  (CV) que consiste en mantiene siempre 4.2v hasta que la corriente de la batería alcanza los 100mA y hasta los 30mA (del 10% al 3% de la tasa de carga 1C), entonces la batería está completamente recargada y lista para usarse. El circuito cargador debe interrumpir la carga y/o indica de alguna forma, luz o sonido,  cuando la batería llega a este punto.

5.-INDICACION DE FIN DE CARGA.

Cuando la batería llegue al umbral del saturación completo con relación a los mAh que puede entregar (del 3% al 10% de 1C), el circuito cargador debe detectar esa condición e indicar la carga completa. Quizá con algún LED o desactivando el proceso de recarga. Si la batería está en buen estado, todo el proceso (CC –CV) tardará 4 horas aproximadamente, con una tasa de recarga de 0.5C. o unas 3 horas si se usa una tasa de 0.7C. 

Muchos cargadores solo indican cuando la batería llega al umbral de carga completa (3-10% de 1C) pero no interrumpen el flujo de corriente que puede bajar hasta un 1% de 1C. Pero eso no causa ningún problema en la salud o vida útil de la batería. Pues se considera una batería cargada cuando el flujo de corriente en ella no desmulle por largos periodos de tiempo y esta no se calienta. Aun así, no es buena idea dejar la batería recargándose por muchas horas después de que esta ya alcanzó el umbral de carga completa.

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Todo el proceso antes mencionado garantiza una carga plena y confiable en casi cualquier tipo de batería de iones de litio, salvo raras excepciones con baterías que se recargan con un voltaje de 4.1 volts y el proceso de CV debe ajustarse a ese valor.  Creo que no es muy complejo entenderlo.  Pero lo que si debe ser un poco más complejo es el circuito que se encarga de recargar las baterías.

Casi todos los diagramas de circuitos cargadores que examine  de internet, usan el método simplificado de "cargar y ejecutar" que recarga una batería de iones de litio en una hora o menos sin considerar la tasa de carga y sin pasar al ciclo de carga por saturación o CV. "Listo" aparece cuando la batería alcanza los 4.2 y ya. El estado de carga en este punto es parcial; y eso si el circuito y el usuario consideraron la tasa de recarga correcta (XC). Un nivel que puede ser suficiente para muchos usuarios pero no el óptimo y la consecuencia es una reducción en las horas de uso y vida útil que pude ofrecer. 

A estas alturas ya puedes escoger un cargador comercial que cumpla con todas estas características y ciclos de cagar completos.  Son costosos pero muchísimo mejores que conectar la batería a una fuente con apagado automático (o a veces manual) a los 4.2v. O... Se pude diseñar  y armar un circuito mas profesional.

Por suerte para todos ustedes, en el siguiente articulo les compartiré un proyecto con un circuito así; para recargar baterías de iones de litio cumpliendo los ciclos mas importantes mencionados (CC y CV)  e indica cuando la batería llega al umbral de carga plena del 3-10%, para obtener recargas al 100% de forma confiable. Además, el circuito que pienso compartirles cuenta con una gran ventaja: Se puede ajustar la corriente (tasa de recarga XC) de nuestro gusto para usarse en casi todos los tipos y valores de baterías de 1 celda. No se lo pierdan.

Prototipo de un circuito que podrán armar para recargar cualquier tipo de batería de litio. Con ajuste de corriente de carga (XC) e indicador de carga completa al 3-10% de 1C.

¡Vaya!  el articulo que les mencioné arriba ya esta disponible desde el 24 de enero del 2022.  Ve directo a el dando clic aquí y aprende a armar un circuito cargador de baterías de litio ajustable.

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