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    Conceptos básicos en las baterías LiPo: Tensión,capacidad, descarga y conexion de elementos

    Ya hemos publicado en ocasiones anteriores artículos que tratan de explicar algunas de las dudas más comunes de los usuarios en relación a las baterías LIPO. En esta ocasión, vamos a tratar de reagrupar en este artículo los conceptos básicos más frecuentes con los que uno tiene que estar familiarizado cuando se está manipulando constantemente este tipo de elementos, como son conceptos eléctricos como voltaje, capacidad, y también cómo afectan las conexiones que se pueden realizar entre elementos.

    NOMENCLATURA

    Lo primero que debemos conocer es la nomenclatura que se utiliza en baterías LiPo. La forma de denominar a estas baterías es con un número que indica el número de elementos o celdas de que consta y una letra que indica el tipo de conexión de dichos elementos (S para serie y P para paralelo).
    Ejemplos:
    3S1P o 3S : Pack de 3 celdas en serie
    3S2P: Pack de 3 celdas en serie conectadas en paralelo a otro conjunto de 3 celdas en serie

    Si cojemos por ejemplo las Baterias Lipo de Vant Battery, podemos ver que disponen de modelos 2S 7,4v, 3S 11,1v y 4S 14,8v.


    VOLTAJE


    Vamos a empezar por un parámetro imprescindible, es el voltaje o también denominado “tensión”. Una tensión se puede definir como una diferencia de potencial (o diferencia del nivel de energía) entre dos puntos que provoca que haya un movimiento de electrones, que es lo que comúnmente conocemos como “corriente eléctrica” o intensidad. Si no existe un voltaje, la corriente es cero (no hay circulación o corriente eléctrica).
    Dependiendo de cómo conectemos las celdas que componen la batería tendremos más o menos nivel de tensión. Las celdas se pueden conectar de dos formas, en serie o en paralelo.
    Cada elemento o celda tiene un voltaje de 3.7V de valor nominal, vamos a ver cómo varía este valor dependiendo del tipo de conexión que realicemos.




    Conexión en serie

    Cuando conectamos en serie un número “N” de celdas, por todas ellas circula la misma intensidad. Como todas las celdas son además iguales, la caída en bornes del conjunto o pack será la suma de N tensiones iguales. De forma que podemos decir, que el conectar N celdas iguales en serie, es igual a multiplicar por N el valor de la tensión de una celda.

    Por ejemplo, si tenemos una Lipo 3S1P, que según hemos visto, quiere decir que tenemos 3 Celdas en serie; la tensión en bornes del pack será de 3*3.7V = 11,1Voltios.

    Conexión en paralelo

    Las celdas también se pueden conectar en paralelo. Lo que ocurre en la conexión en paralelo de varias celdas, es que los extremos de cada celda están conectados eléctricamente a un mismo punto eléctrico, es decir, todos los extremos positivos de las celdas son como un mismo punto eléctrico y los negativos también, por lo que la tensión entre ambos extremos del conjunto de celdas en paralelo, es la misma que la de una sola celda.
    Por ejemplo, si tenemos tres celdas con conexión en paralelo, la tensión en bornes del pack será de 3.7V (lo mismo que si tenemos 1 celda).

    Además, la corriente eléctrica que circula por cada elemento de las conexiones en paralelo no es la que circula por todos, sino que cada elemento es recorrido por una intensidad determinada. No obstante, en el caso de las baterías los elementos a conectar en paralelo deben ser iguales, y por lo tanto, en este caso las intensidades que recorren cada uno de los elementos tendrán además el mismo valor.

    CAPACIDAD

    La capacidad es un parámetro que nos indica la cantidad de energía que puede llegar a almacenar nuestra batería, y se mide en miliamperios hora (mAh). Al igual que ocurre con los niveles de tensión, también se puede jugar con los tipos de conexiones para hacer que un paquete con cierto número de celdas tenga mayor o menor capacidad.

    Conexión en serie

    Se puede demostrar matemáticamente con las expresiones de electrotecnia básica, que cuando conectamos varias celdas en serie, a efectos de capacidad el conjunto mantiene la misma que una sola celda.
    Por ejemplo una celda de 2200mAh, si la unimos en serie a otras dos celdas de 2200mAh, el conjunto presentará una capacidad total de 2200mAh.

    Conexión en paralelo

    La conexión en paralelo de celdas, permite en cambio aumentar la capacidad del conjunto y la capacidad de descarga; de forma que si las celdas que conectamos en paralelo son iguales, requisito que debe cumplirse, esta capacidad es igual a la capacidad de una celda por el número de celdas que hayamos conectado en paralelo.

    Por ejemplo, si tenemos una celda 2200mAh, y la conectamos en paralelo con otras dos celdas de 2200mAh, tendremos un conjunto de 6600mAh de capacidad; sería una 1S3P.

    RESUMEN Y MÁS EJEMPLOS

    De todo lo visto hasta ahora, se resume que si lo que se quiere es aumentar el nivel de tensión se deben aumentar el número de celdas conectadas en serie, y si lo que se quiere es aumentar la capacidad del conjunto, se deben aumentar el número de celdas conectadas en paralelo.

    Por ejemplo si tenemos una batería 6S1P o 6S (significa que tenemos seis celdas en serie), tendríamos una tensión de 22.2 voltios para el conjunto. Si en cambio tenemos una conexión 3S2P, tendremos igualmente 6 celdas, pero esta vez con tres celdas en serie conectadas a otra serie de 3 celdas en paralelo; en este caso, tendremos una tensión de 11.1V para el conjunto pero la capacidad será el doble de la del caso anterior.
    Con este ejemplo vemos cómo afectan las conexiones en los valores de los parámetros, para un número igual de celdas, 6 en ambos casos.

    Comentar que para realizar las conexiones bien en serie o en paralelo, se deben conectar elementos que estén equilibrados y que sean iguales. Cuando se quiera fabricar un pack que vaya a contener tanto conexiones en serie como en paralelo, empezar con las de paralelo y terminar con las de serie; de esta forma los elementos en paralelo estarán equilibrados.

    ¿QUÉ ES LA VELOCIDAD DE DESCARGA?

    La conocida velocidad de descarga, podríamos definirla como la rapidez con la que la batería se puede descargar de forma segura, es decir, la cantidad de amperios que la batería nos puede suministrar durante una hora de forma continuada, y que normalmente viene expresada en referencia a su capacidad, como 15C, 20C,etc…

    Por ejemplo si la batería es 1C y 2200mAh, quiere decir que es capaz de suministrar 2.2 amperios en una hora. Si a esta batería le pedimos el doble de intensidad ( 4.4 amperios), se descargaría en media hora, si le pedimos 8,8A se descargaría en 15 minutos y así sucesivamente. Otro ejemplo, si tenemos una Lipo de 7,4V, 5000mAh y 10C; sería capaz de darnos 10*5 amperios, es decir, 50 amperios; pero suministrando esta corriente de consumo nos duraría 6 minutos.

    Pero cuidado, a la batería no le podemos exigir la corriente que queramos aun a costa de que dure menos tiempo, tal y como estamos comentando, este parámetro facilitado por el fabricante nos delimita la intensidad máxima que le podemos pedir.

    En nuestro ejemplo de las baterias Vant Battery disponemos de descargas de 75C/150C en las baterias destinadas a competicion, aunque mucha gente las usa sin competir tambien por sus buenas prestaciones y un precio ajustado.

    ¿CUANTO DURA UNA BATERIA?

    Para saber el tiempo que dura una batería teóricamente, conocida su capacidad y su velocidad de descarga (y suponiendo que el consumo que le vamos a exigir es este valor máximo de descarga de forma continua); tenemos la siguiente relación que nos da una primera aproximación:

    Tiempo (min) = Capacidad de la batería (Amp*min) / Velocidad de descarga (Amp)

    Es decir, en el ejemplo anterior, tenemos una batería con capacidad de 5000mAh, es decir, dividiendo entre 1000 para pasar a Ah, tenemos capacidad de 5Ah. Estos 5Ah multiplicados por 60 minutos que tiene 1 hora, nos da 300A*min.

    Por otra parte, la velocidad de descarga hemos dicho que es 10C, es decir, 10*5A que es igual a 50A.
    Luego el tiempo que nos dura la batería suministrando esta corriente de consumo máxima es:
    T= 300A*min/50A= 6minutos

    Todo esto claro está, es una corriente máxima teórica que la batería es capaz de suministrar; luego está la corriente que realmente suministra la batería en cada momento en función de lo que solicitemos de ella, ya que la carga o el consumo no es constante todo el tiempo; y además sería inviable que la batería estuviera entregando de forma continua su corriente máxima en todo momento.

    Por este motivo, el tiempo calculado con la expresión anterior siempre es menor que lo que realmente suele durar, y además, ese resultado no tiene en cuenta factores como por ejemplo que la batería no debe descargarse completamente por razones de seguridad y aparte existen pérdidas de potencia eléctrica “por el camino” por diferentes elementos del sistema.

    Por lo tanto, para saber qué batería elegir, debemos ver primero qué carga tenemos (motor, etc…) y ver qué corriente va a necesitar durante su funcionamiento. El consumo máximo de la carga debe ser menor que la corriente máxima continua que es capaz de suministrar la batería; y aparte, deberíamos prever cierto margen de seguridad.

    Por otra parte también está el tiempo que queremos que nos dure. Con el valor de la corriente anterior y el tiempo de duración estimado, podemos ver qué batería cumple ambos requisitos.

    EQUILIBRADO EN UNA BATERÍA

    Este concepto tiene lógica cuando estamos hablando de un conjunto de celdas para una batería. Si la batería está compuesta por una única celda, se carga esta celda con la fuente de energía correspondiente al nivel de tensión adecuado y no hay mayor problema.

    Pero cuando tenemos un conjunto de celdas conectadas; puede pasar que durante el proceso de carga unas queden más cargadas que otras, o alcancen estos niveles de tensión a mayor velocidad que las celdas contiguas. Cuando una celda está ya cargada y el resto no, la cantidad “extra” de energía que le llega la convierte en calor (por eso es normal algunas veces que al cargar varios elementos haya algunos que al final estén más calientes que otros). El problema más grave es si se trata de baterías Lipo, ya que si les seguimos incrementando el nivel de energía una vez cargadas puede derivar en un accidente, aparte de que estas sobrecargas contribuyen a dañar la batería.

    Este es el motivo por el que interesa ver el nivel de tensión de cada elemento durante el proceso de carga; y ver si es necesario descargar algún elemento mientras se termina de cargar el resto. A este procedimiento es al que se denomina balanceo.

    ¿Cuándo se considera que hay desequilibrio?

    Para saber si un pack de baterías LiPo está desequilibrado basta con medir con un voltímetro, la tensión en bornes de cada elemento de ese pack, cuando el pack está cargado. Si existe una diferencia superior a 0,1V entre elementos entonces se considera que hay desequilibrio.

    El desequilibrio también puede darse cuando hay en el pack algún elemento que ya está defectuoso. Normalmente se intenta recuperar el pack realizando un equilibrado de sus elementos, pero en estos casos y teniendo en cuenta el cuidado que hay que tener en la manipulación de estas baterías, es preferible no hacerlo y desechar el elemento defectuoso.

    ¿Qué es la Pasivación?

    La pasivación es un efecto que se produce en la batería cuando se ha tenido sin utilizar durante bastante tiempo, y que consiste en una fina película de cloruro de litio que se forma en la superficie del ánodo (evita la autodescarga, así que durante el tiempo que no se utiliza es incluso beneficioso porque actúa como una resistencia ante la descarga).

    La pasivación no es algo negativo, como hemos dicho, es lo que hace que estas baterías tengan baja auto-descarga; lo que ocurre es que cuando se ha inutilizado por un periodo de tiempo muy prolongado, la capa puede ser lo suficientemente gruesa como para hacer que la batería no nos de sus máximas prestaciones; por lo que antes de volver a utilizarla de nuevo es necesario disminuir esta capa hasta un límite que sea moderado.
    El que se forme una capa mayor o menor cuando ha estado guardada, depende de la propia batería (sus características) y también de otros factores como:

    • El tiempo que ha estado sin usar (cuanto más tiempo más capa)
    • La temperatura a la que se ha guardado (a mayor temperatura más capa)
    • La tensión de la batería (a mayor tensión, más rápido se forma la capa)

    Para ir reduciendo este fenómeno, se deben realizar varios ciclos de carga y descarga (dependiendo del grosor de la película que se haya creado).

    ¿Cómo deshacerse de un pack LiPo?

    Seguro que existen diversas formas de deshacerse de una batería de estas características; aquí os dejamos un procedimiento:

    • Descargar la batería hasta 2.5V por elemento
    • Sumergir la batería en un recipiente con agua y echar sal normal
    • Dejar reposar durante 24 horas
    • Sacar la batería y comprobar que el voltaje es de cero voltios.
    • Intentar tirarla siempre en un contenedor de baterías, ecoparque o similar.

    Comments

    1. Avatar de TomiStyle

      TomiStyle said:
      Muy bueno el artículo, todo claro claro
    2. Avatar de valkyrie

      valkyrie said:
      Gracias por tan buena información....me sirve mucho.....
    3. Avatar de euvesa

      euvesa said:
      Gracias por el artículo, me aclara algunas dudas que tenia, Saludos
    4. Avatar de AIROH

      AIROH said:
      Ahora entiendo muchas cosas. Gracias por el cursillo
    5. Avatar de LJSPORTS

      LJSPORTS said:
      gracias , por el articulo, almenos le he perdido un poco el miedo
    6. Avatar de 1234nando

      1234nando said:
      Muy buena información, gracias
    7. Avatar de Jeanot

      Jeanot said:
      Muy interesante. Gracias!
    8. Excelente articulo!!!