baterías recargables para uso médico: características y

BATERÍAS RECARGABLES PARA
USO MÉDICO: CARACTERÍSTICAS Y
CIRCUITOS DE CARGA
Arlem L. Fernández1, Jorge A. Rodriguez2, Evelia Medina3, Héctor
Garrido4
Instituto Central de Investigación Digital
Calle 202 #1709 entre 17 y 19, Playa. La Habana, Cuba.
E-mail: arlem@icid.edu.cu
RESUMEN
El trabajo ofrece una rápida revisión de los tipos de baterías recargables
que existen en el mercado en este momento. Se hace énfasis en las más
usadas en los equipos médicos: las selladas de plomo-ácido o SLA (
sealed lead acid), las de níquel cadmio ( Ni-Cd) y las de litio. Se
describen las características del proceso de carga y se presentan tres
ejemplos prácticos de circuitos para la carga de cada una de ellas. Los
autores han compilado información de diversas fuentes
complementándolas con su experiencia personal.
Palabras Claves: Baterías, níquel-cadmio, SLA, Ni-Cd, NiMH, litio, Li ion, cargadores.
RECHARGEABLE BATTERIES FOR BIOMEDICAL APPLICATION:
DESCRIPTION OF THE MAIN CHARACTERISTICS AND THE CHARGING
PROCESS.
ABSTRACT
This paper describes briefly the different types of rechargeable
batteries in current use for biomedical applications: Sealed lead acid
batteries ( SLA), nickel-cadmium batteries (Ni-Cd) and lithium
batteries are described. The article also describes the main
characteristics of the charging process including examples of three
typical circuits for each type of rechargeable battery. The authors have
gathered information from different sources in addition with their
personal experience.
Keywords: Batteries, nickel-cadmium, SLA, Ni-Cd, NiMH, Li-Ion,
chargers.
1. - INTRODUCCIÓN
Una batería es un transductor de energía que convierte la energía
química en energía eléctrica, por medio de una reacción electroquímica
de oxidación-reducción. Su unidad básica es la celda. Una batería
normalmente está formada por una o más celdas conectadas en serie o
paralelo. Una celda se compone básicamente de tres partes: el electrodo
negativo, el electrodo positivo y la solución electrolítica. Los métodos
químicos y los materiales con los cuales se fabrican estos tres elementos
identifican a los tipos de baterías.
47
Bioingeniería y Física Médica Cubana
Las baterías se clasifican en primarias y secundarias; las baterías
primarias son aquellas que no son recargables y se pueden usar una sola
vez hasta su descarga. Se caracterizan fundamentalmente por su gran
densidad de energía para ritmos de descarga bajos o moderados, y no
necesitan mantenimiento.
En aplicaciones médicas las baterías primarias son ideales para equipos
médicos portátiles, de pequeño tamaño, bajo peso y con requerimientos
de baja corriente de descarga como por ejemplo los registradores de
ECG de larga duración tipo Holter. Ejemplos de estos tipos de baterías
son las alcalinas, las de mercurio, las de plata, las de zinc/aire y las de
litio-disulfuro de hierro y las de litio-manganeso. Especificamente en el
caso de las baterías de litio, existen más de 30 tipos diferentes, algunas
de ellas recargables.
Las baterías secundarias por su parte, son aquellas que son recargables;
tienen generalmente menor densidad de potencia y admiten un mayor
ritmo de descarga que las
primarias, aunque su densidad de energía y retención de carga son
generalmente inferiores a las primeras. Dentro de las baterías
secundarias se destacan las de níquel-cadmio (Ni-Cd), las selladas de
plomo-ácido (en inglés sealed lead acid o SLA) , las de hidruro de
níquel-metal (NiMH) y varios tipos de baterías de litio entre las que se
encuentran las de litio-polímero (Li -Poly), las de litio-ion (Li -Ion) y las
de litio-metal (Li-Metal), entre otras.
Los tipos de baterías recargables más usadas en los equipos médicos con
fines de respaldo son las baterías SLA y las de Ni-Cd. Las primeras se
utilizan generalmente cuando el peso del equipo no es determinante en
la elección del tipo de batería y las segundas, porque su pequeño tamaño
ofrecen mayor portabilidad, aunque están limitadas por la relativa poca
corriente máxima de salida que brindan. En los últimos tiempos han
comenzado a usarse con mayor frecuencia las baterías recargables de
litio.
En éste trabajo los autores han reunido información dispersa y han
aportado su experiencia personal, lo que, seguramente servirá como
valiosa consulta a los interesados.
2. - PARÁMETROS QUE CARACTERIZAN A LAS BATERÍAS RECARGABLES
Los principales parámetros son los siguientes [1]:
Densidad de energía: Es la energía almacenada en una celda dividida
por su peso (o, en ocasiones, el volumen) de la celda. Se expresa en
Wh/kg.
Ciclo de vida: El número de veces que se puede cargar y descargar una
batería, sin que su capacidad se reduzca a menos del 80 % de su
capacidad nominal. Este parámetro está estrechamente vinculado al
nivel de descarga que tenga la batería en el momento de su carga.
Tiempo de carga rápida: Se refiere al tiempo mínimo necesario para
lograr una máxima carga de la batería. Se expresa en horas (h).
48
Bioingeniería y Física Médica Cubana
Autodescarga: Pérdida de carga en condición de operación en vacío, es
decir, sin extraerle corriente a la batería. Se expresa normalmente en por
ciento de descarga en un mes. Por ejemplo en las baterías de Ni-Cd este
valor es de 15 %, en las de NiMH es de 20 %, en las SLA de 3% y en las
de Li-Ion es de 6 %.
Capacidad de corriente: Se refiere a la cantidad de energía almacenada
dentro de una celda. La capacidad de una batería se expresa en Ah. La
capacidad normalmente se compara contra un tiempo de 20 h y una
temperatura de 20 °C. La composición química es el factor determinante
en el valor de este parámetro, pero existen factores constructivos y de
uso que influyen en la capacidad de corriente de una batería. Estos son:
•
•
•
Dimensiones. ( La capacidad se incrementa con el volumen y área
de las placas)
Ritmo de descarga. ( Mientras más intensos sean los ritmos de
descarga, más disminuirá la capacidad nominal de la batería con
el tiempo)
Historia de máximas descargas. ( Se refiere al tiempo de uso de la
batería, sobrecargas, estados de máxima descarga, cantidad de
ciclos de carga y descarga, etc.)
Los criterios de selección de un tipo u otro de batería se basan
fundamentalmente en estos parámetros y otros que se discuten más
adelante.
La Tabla 1 muestra los valores típicos de estos parámetros para baterías
de Ni-Cd, NiMH, SLA y Li-Ion [2 ].
Tipo de Batería
NiMH
SLA
60
30
1,2
2,0
800
500
20
3
Media
Alta
Moderado
Bajo
Parámetro
Tabla 1. Características
principales de las baterías
recargables
Densidad de energía (Wh/kg)
Tensión nominal de la celda (V)
Ciclo de vida (h)
Autodescarga ( % / mes)
Capacidad de corriente (Ah)
Costo
Ni-Cd
40
1,2
1000
15
Baja
Bajo
Li-Ion
90
3,6
1000
6
Media
Grande
Tomado de la revista EDN Vol 46, Enero del 2001.
3. TIPOS DE BATERÍAS RECARGABLES
3.1 Baterías selladas de plomo-ácido (SLA)
Están formadas por un ácido (electrolito) permanentemente sellado en el
cuerpo de la celda, siendo sus placas de plomo. En las más modernas el
electrolito se encuentra en un separador de fibra de vidrio. Durante los
años 80 estos tipos de baterías tomaron gran auge en los equipos
médicos, las estadísticas del año 1998 evidenciaron que en ese entonces
se usaban en aproximadamente el 60 % de los equipos que necesitaban
respaldo de batería [3].
Como ejemplos de equipos que las utilizan se tienen los monitores
portátiles de parámetros fisiológicos, las máquinas de anestesia, los
equipos para respiración artificial y los desfibriladores, entre otros.
Características fundamentales:
49
•
•
Bajo costo por Ah, menor que el resto de las baterías recargables.
Gran capacidad de corriente (2 Ah a 30 Ah).
Bioingeniería y Física Médica Cubana
•
•
•
•
Menor porciento de autodescarga entre las baterías recargables.
Se pueden conectar tanto en configuración serie como paralelo.
Mayor peso que el resto de las baterías recargables.
Gran contenido de plomo, que es perjudicial para el medio
ambiente y para el hombre.
Tensiones de celda en máxima carga y máxima descarga:
Una celda de este tipo a plena carga y en vacío tiene una tensión
nominal de 2,3 V y 13,8 V para una batería formada por seis celdas. La
tensión para la condición de máxima descarga será de 1,67 V para una
celda y de 10 V para una batería de seis celdas en vacío.
Requerimientos de Carga:
Para este tipo de batería los requerimientos de carga normal y rápida
aparecen en la tabla 2 [2 ]. Los distintos criterios para interrumpir el
proceso de carga se explican con mayor profundidad durante la
explicación de los métodos de carga de los distintos tipos de baterías.
Tabla 2. Comparación entre carga
normal y rápida para las SLA,
referida a su capacidad ( C).
Parámetro
Corriente de carga (A)
Tensión de carga por celda (V)
Tiempo (h)
Temperatura ( °C)
Criterio de fin de carga
Carga normal
0,25 · C
2,27
24
de 0 a 45
Ninguno
Carga rápida
1,5 · C
2,45
1,5
de 0 a 30
Por IMIN , ∆T y por tiempo
C: capacidad de la batería expresada en Ah.
IMIN: Umbral mínimo de corriente de fin de carga.
∆T: Incremento de temperatura de la batería.
Selección de la capacidad de la batería:
Para seleccionar la capacidad de una batería SLA no se multiplica sólo
el consumo por las horas de respaldo. Se debe seguir el siguiente
procedimiento [4]:
•
•
•
•
•
Multiplicar la corriente promedio de descarga (en A) que
demanda el circuito a alimentar, por el tiempo de respaldo que se
necesite.
Adicionar 15% para cubrir pérdidas de capacidad de las celdas.
Por cada 10 °C de temperatura de operación por debajo de la
temperatura ambiente (de
20 °C) se debe adicionar un 10% de
capacidad.
Si el tiempo de respaldo es menor que 20 h, adicionar un 10 %
por cada vez que se duplique el tiempo de respaldo hasta igualar o
sobrepasar las 20 h .
Finalmente adicionar un 40% para considerar un ciclo de vida
adecuado.
Cuando emplearlas:
Para niveles de potencia medios y altos, cuando el peso no sea un
requisito crítico y el costo deba ser bajo. Una vez decidido el uso de este
tipo de batería, se selecciona una batería con una tensión nominal
adecuada para la aplicación y con una capacidad igual o mayor a la
calculada. Estas baterías se pueden conectar en serie o en paralelo.
50
Bioingeniería y Física Médica Cubana
3.2 Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd)
Están construidas por tiras de níquel (ánodo) y de cadmio (cátodo),
enrolladas entre sí y separadas por un material absorbente de nylon. Se
usan típicamente en equipos como electrocardiógrafos portátiles,
monitores de transportación y desfibriladores, entre otros.
Características fundamentales:
•
•
Permiten lograr hasta niveles medios de potencia.
Su autodescarga es moderada con niveles típicos de un 15 % al
mes a una temperatura de 20 °C .
Ciclo de vida prolongado; pueden ser cargadas hasta mil veces,
según los fabricantes.
Tienen un buen comportamiento a bajas temperaturas.
Contienen cadmio, sustancia muy contaminante para el medio
ambiente.
Generalmente se recomienda descargar la batería antes de
cargarla.
Tienen una resistencia interna extremadamente baja.
•
•
•
•
•
Tensiones de celda en máxima carga y máxima descarga:
La tensión nominal de la celda en circuito abierto y a plena carga es de
1,25 V. La tensión de máxima descarga es de 1 V.
Requerimientos de carga:
En la tabla 3 aparecen los requerimientos de carga normal y rápida para
las baterías de Ni-Cd [2 ].
Tabla 3. Comparación entre carga
normal y rápida para las de Ni-Cd.
Parámetro
Corriente de carga (A)
Tensión de carga por celda
(V)
Tiempo (h)
Temperatura ( °C)
Criterio de fin de carga
Carga normal
0,1· C
1,5
Carga rápida
1· C
1,5
16
de 5 a 40
Ninguno
3
de 15 a 40
dT/dt, -∆V
C: capacidad de la batería expresada en Ah.
dT/dt: Pendiente de temperatura.
-∆V: Variación negativa de tensión.
Selección de la capacidad de la batería:
Teniendo definidos los requerimientos de corriente del equipo, se
selecciona la batería que pueda suministrar esa corriente y se colocan
tantas celdas en serie como hagan falta hasta lograr la tensión deseada.
Siempre se debe dejar un margen de seguridad para la corriente nominal
de la celda seleccionada, teniendo en cuenta el consumo del equipo. Los
autores recomiendan que este margen de seguridad no debe ser menor
del 20 % de la capacidad de corriente de la misma. Es importante tener
en cuenta que estas baterías no se pueden usar en configuración paralelo.
Cuando emplearlas:
Su pequeño tamaño y peso las hace muy útiles en equipos donde el
ahorro de espacio es un requisito de vital importancia, siempre que la
corriente de descarga sea media o baja.
51
Bioingeniería y Física Médica Cubana
3.3 Baterías de hidruro de níquel y metal (NiMH)
Las celdas están compuestas de níquel en unión con titanio, circonio y
vanadio o cromo. Su creación es reciente y su uso comercial se
incrementó de forma considerable en los años 90. Se usan
fundamentalmente en equipos comerciales como microcomputadoras
portátiles tipo laptop, cámaras de vídeo y teléfonos celulares, entre otros.
Su empleo no ha sido muy común en los equipos médicos, aunque en la
actualidad hay una tendencia a sustituir estas baterías por las de Ni-Cd
en las distintas aplicaciones.
Características fundamentales:
•
Tienen una densidad de energía intermedia entre las baterías
recargables.
Autodescarga elevada, típicamente de un 20 % al mes a 20 °C .
Costo elevado. Aproximadamente 50 % superior a las de Ni-Cd.
Ciclo de vida moderado.
No están compuestas por sustancias contaminantes.
•
•
•
•
Requerimientos de Carga:
En la tabla 4 aparecen los requerimientos de carga normal y rápida para
las baterías de NiMH [2].
Tabla 4. Comparación entre carga
normal y rápida para las de NiMH.
Parámetro
Corriente de carga (A)
Tensión de carga por celda (V)
Tiempo (h)
Temperatura ( °C)
Criterio de fin de carga
Carga normal
0,1· C
1,5
16
de 5 a 40
Por tiempo
Carga rápida
1· C
1,5
3
de 15 a 40
dV/dt, -∆V y ∆T
C: capacidad de la batería expresada en Ah.
dV/dt: Pendiente de tensión.
Tensiones de celda en máxima carga y máxima descarga:
La tensión nominal de la celda en circuito abierto y a plena carga es de
1,25 V. La tensión de máxima descarga es de 1 V .
Selección de la capacidad de la batería:
Teniendo definidos los requerimientos de corriente del equipo, se
colocan tantas celdas en serie como hagan falta hasta lograr la tensión
deseada. Siempre se debe dejar un margen de seguridad en cuanto a la
corriente nominal de la celda seleccionada teniendo en cuenta el
consumo del equipo. Los autores recomiendan que este margen de
seguridad no debe ser menor del 20 % de la capacidad de corriente de la
misma
Cuando emplearlas:
Deben usarse en equipos donde el costo de la batería no sea
determinante en comparación con el costo del equipo y sea
indispensable aprovechar su mayor densidad de energía con relación a
las de Ni-Cd y las SLA.
3.4 Baterías de litio
Son las baterías recargables más eficientes que existen. En la actualidad
se comercializan las de litio-ión (Li -Ion) y las de litio-metal (Li-Metal),
y se encuentran en desarrollo las de litio-polímero (Li -Poly). Sus celdas
52
Bioingeniería y Física Médica Cubana
están formadas por un ánodo de litio, pero el cátodo varía de acuerdo
con el tipo de batería. Se usan fundamentalmente en equipos
comerciales como cámaras de vídeo. Precisamente su introducción en el
mercado coincidió con su uso en las cámaras de vídeo portátiles a
principios de los años 90. Ellas tienen ligeras diferencias entre sí. En la
tabla 5 se muestran algunos de los parámetros que las caracterizan [5].
Tabla 5. Características de los
tipos de baterías recargables de
litio.
Li-Ion
3,6
Tipo
Li-Poly
de 1,8 a 3,0
Li-Metal
3,0
de 90 a 100
de 2,5 a 3,5
de 6 a 8
de 70 a 100
1,0
20
140
de 1,4 a 3,0
de 1 a 2
Parámetro
Tensión nominal de la celda
(V)
Densidad de energía (Wh/kg)
Costo relativo (US$/Wh)
Autodescarga ( % / mes)
3.4.1 Baterías de Li-Ión
Son los tipos de baterías recargables de litio que más se usan en la
actualidad. Dentro de estas se distinguen dos tipos fundamentales, las
que tienen el cátodo de coque y las que lo tienen de grafito.
Características fundamentales:
•
•
•
•
•
Tienen una densidad de energía elevada. Aproximadamente el
triple de las SLA y un poco mas del doble que las de Ni-Cd. Con
respecto al resto de las recargables de litio tienen una densidad de
energía intermedia.
Autodescarga muy pequeña, aproximadamente pierden entre un
6% y un 8% de su capacidad nominal en un mes, aunque
ligeramente superior a las de Li -Metal.
La tensión nominal de la celda es la mayor entre todas la baterías
recargables, por lo que se pueden lograr tensiones elevadas con
pocas celdas.
Son las más caras entre todos los tipos de baterías recargables.
Están libres de sustancias contaminantes.
Requerimientos de carga:
En la tabla 6 aparecen los requerimientos de carga normal y rápida para
los dos tipos fundamentales de baterías de Li -Ion [2].
Tabla 6. Comparación entre
carga normal y rápida para las
de Li-Ion.
Parámetro
Corriente de carga (A)
Tensión de carga por
celda (V)
Tiempo (h)
Temperatura ( °C)
Criterio de fin de carga
Li-Ion (coque)
Carga
Carga
Normal
Rápida
Li-Ion ( grafito)
Carga
Carga Rápida
Normal
0,1C
4,1
1C
4,1
0,1C
4,2
1C
4,2
16
de 5 a 40
Ninguno
2,5
de 15 a 40
IMIN,dT/dt
16
de 5 a 40
Ninguno
2,5
de 15 a 40
IMIN,dT/dt
dT/dt: Pendiente de temperatura.
53
Bioingeniería y Física Médica Cubana
Tensiones de celda en máxima carga y máxima descarga:
La tensión nominal de la celda es de 3,6 V en vacío. La tensión mínima
para lo cual la batería se encuentra descargada es de 2,5 V.
Selección de la capacidad de la batería:
Teniendo definidos los requerimientos de corriente del equipo, se
colocan tantas celdas en serie o paralelo como haga falta hasta lograr la
tensión deseada. Siempre se debe dejar un margen de seguridad en
cuanto a la corriente nominal de la celda seleccionada teniendo en
cuenta el consumo del equipo. Los autores recomiendan que este
margen de seguridad no debe ser menor del 20 % de la capacidad de
corriente de la misma
Cuando emplearlas:
Se emplean en equipos donde se requiera de un comportamiento
excelente, siendo el costo de la batería un aspecto secundario en la
elección del tipo a utilizar.
3.4.2 Baterías de Li-Poly
Es una tecnología que se encuentra en desarrollo. Sus celdas están
formadas por un ánodo de litio, un cátodo formado por un polímero y
tienen una capa de metal adicional. La tensión nominal de la celda
varia entre 1,8 V y 3 V. Dentro del grupo de las baterías recargables de
litio son las que más se autodescargan.
3.4.3 Baterías de Li-Metal
Dentro de las baterías recargables de litio son las que tienen mejores
características en cuanto a los parámetros fundamentales de densidad de
energía y autodescarga. Tienen un precio inferior a las baterías de LiIon. La densidad de energía de las celdas actuales puede llegar a 140
Wh/kg, que representa un 15 % del valor teórico de energía que
pudieran alcanzar estas celdas de 900 Wh/kg. Son capaces de
suministrar hasta 2 A de corriente de carga en forma continua o en
régimen de pulso.
Los niveles de autodescarga son los más bajos entre todos los tipos de
baterías recargables que existen. Una batería de este tipo almacenada a
una temperatura de 20 °C retiene un 85 % de su carga en un año. El
costo por Wh es cercano al de las baterías de hidruro de níquel-metal.
Son las baterías que cumplen los requerimientos de gran capacidad de
carga a un mínimo peso.
4. MÉTODOS DE CARGA
El control efectivo de la carga es decisivo desde un punto de vista
técnico y de seguridad, ya que se evitan posibles roturas de las celdas
producto de un excesivo calentamiento por la aplicación de regímenes
incorrectos de carga; se asegura un tiempo adecuado de explotación de
las baterías y se evitan accidentes por explosiones y calentamiento
excesivo.
54
Bioingeniería y Física Médica Cubana
4.1 Baterías de Pb (SLA).
La carga de las baterías de este tipo debe ser lenta, pudiendo llegar hasta
24 h. Se debe realizar en tres pasos:
•
•
•
Carga a corriente constante: Se carga hasta que se alcanza la
tensión límite de la celda. Este límite depende de las condiciones
de carga y varía entre 2,3 V y 2,45 V. La corriente máxima de
carga debe ser de hasta 0,25 veces la capacidad de la batería.
Después de este proceso la batería tiene un 70 % de su carga total.
Carga máxima: La tensión de la celda permanece constante y la
corriente de carga disminuye debido a un proceso de saturación
de la batería. Durante este proceso la batería alcanza el 100 % de
su carga.
Carga flotante: Se realiza con una corriente de carga pequeña o
corriente trickle ( 0,1 veces la capacidad de la batería) que
compensa la autodescarga de la batería. Esta corriente se puede
aplicar continuamente a la batería sin que se afecte su tiempo de
servicio.
Hay muchos circuitos integrados específicos que facilitan el diseño de
circuitos cargadores de este tipo de batería entre los que se destaca el
UC3906 de Unitrode [6].
4.2 Baterías de Ni-Cd y NiMH
El método de carga de las baterías de Ni-Cd y NiMH es muy similar.
Normalmente la carga de este tipo de batería se realiza de forma rápida.
Cuando se inicia el proceso de carga el cambio de la temperatura de las
celdas con el tiempo es lento. Cuando la batería está próxima a su plena
capacidad, este cambio de temperatura se incrementa rápidamente.
También hay cambios apreciables de la tensión, esta crece lentamente
durante la carga hasta que la batería alcanza su tensión máxima.
Después hay una variación brusca de la tensión con el tiempo
Estos tipos de baterías presentan riesgos de explosión y daño durante la
carga si esta no se controla correctamente. Existen siete métodos
fundamentales de detección del momento apropiado para concluir con el
proceso de carga que son los siguientes:
1-
23-
45-
6-
55
Tensión máxima (Vm): La tensión de la batería se mide y se
detiene la carga cuando alcanza un valor límite especificado para
el tipo de batería a plena carga. No ofrece seguridad adicional
durante el proceso de carga.
Tiempo máximo (tm): Se interrumpe el proceso de carga al
transcurrir un determinado tiempo. No ofrece seguridad adicional
durante el proceso de carga.
Temperatura máxima (Tm): Se mide la temperatura de la celda
durante la carga, y se interrumpe el proceso al alcanzarse un
determinado valor límite. No ofrece seguridad adicional durante
el proceso de carga.
Detección de variaciones negativas de tensiones (- ∆V): Se mide
la tensión y se termina el proceso de carga rápida cuando ocurre
una diferencia de tensión negativa.
Razón de cambio de la tensión con respecto al tiempo o
pendiente de tensión (dV/dt): Se mide el cambio de la tensión en
el tiempo y se detiene la carga cuando hay una variación brusca
de la tensión.
Detección de variaciones de temperatura (∆T): Se detectan
variaciones de temperatura y se comparan contra valores
preestablecidos en dependencia del tipo de celda.
Bioingeniería y Física Médica Cubana
7-
Razón de cambio de la temperatura con respecto al tiempo o
pendiente de temperatura (dT/dt): Se mide la razón de cambio de
la temperatura y se finaliza con el proceso de carga cuando esta
crece por encima de un valor predeterminado.
Hay muchos circuitos integrados que permiten controlar el proceso de
carga para estos tipos de baterías [1]. Todos ellos en general permiten
determinar el fin de la carga por más de uno de los métodos antes
señalados.
4.3 Baterías de Litio-Ion
Debido a que las baterías de litio-ion son las más usadas dentro de las
baterías recargables de litio, nos referiremos solamente a la descripción
del proceso de carga para este tipo de batería.
El proceso de carga para las baterías de Li -ion comprende dos etapas. La
primera es de corriente constante y la segunda de tensión constante.
Existen circuitos integrados para controlar el proceso de carga tanto en
modo conmutado como en modo lineal de paquetes de baterías de Li -ion
de hasta 4 celdas, entre los que se destacan los circuitos integrados
MAX 745, MAX 1737 y el MAX 1757 de Maxim, y el LM 3420 de
National Semiconductor.
5. CIRCUITOS DE CARGA
A manera de ejemplo se describen seguidamente tres circuitos
electrónicos prácticos de carga de baterías de SLA, Ni-Cd y Litio-ion.
5.1 Circuito cargador para batería SLA
En la figura 3 se muestra un circuito de carga para baterías SLA de 6 V
y 2,5 Ah [7]. En él se emplea el circuito integrado UC3906 de la
compañía Unitrode como controlador de carga.
Las principales características del UC3906 son las siguientes:
•
•
•
•
•
Control óptimo para máxima capacidad de la batería.
Lógica interna que proporciona tres posibles estados de carga:
estado de corriente elevada, sobrecarga controlada y carga
flotante o de standby.
Referencia interna para el control de la temperatura de la celda
durante la carga.
Control de la tensión y la corriente de carga.
Corriente de consumo sin carga de 1,6 mA .
Las especificaciones del circuito cargador son las siguientes:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
56
Tensión de Entrada (Vent): de 9 V a 13 V .
Rango de temperatura: de 0 ºC a 70 °C .
Corriente de arranque en modo de sostenimiento (Is): 10 mA .
Tensión de arranque (Va): 5,1 V .
Corriente máxima de carga (Imáx:): 500 mA ( C/5 ).
Tensión de transición de carga a sobrecarga (Vcs): 7,125 V .
Tensión de sobrecarga (Vsc): 7,5 V .
Corriente final de sobrecarga ( ISC): 50 mA (C/50).
Tensión flotante (Vf ): 7,0 V .
Tensión de transición de estado flotante a carga (Vfc ): 6,3 V .
Bioingeniería y Física Médica Cubana
Figura 1. Cargador para una batería
SLA de 6 V / 2,5 Ah.
Al conectarse la batería que se necesita cargar el circuito entra en el
estado de alta corriente, donde se comporta como una fuente de
corriente que suministra la I MAX, que en este caso es de 0,5 A, y que
se establece a través de la resistencia Rs y una referencia interna de 250
mV en el terminal 4 de limitación de corriente del circuito integrado. El
cargador monitorea la tensión que va alcanzando la batería a través del
terminal 13 del circuito integrado hasta que llega a una tensión de
umbral internamente establecida, a partir de la cual se pasa a la segunda
etapa de sobrecarga controlada, en la cual el cargador entrega una
tensión de sobrecarga (VSC) de aproximadamente 7,5 V, produciéndose
una disminución de la corriente suministrada a la batería hasta el valor
de la corriente de sobrecarga ISC, que en este caso es de 50 mA, y que
se establece igualmente a partir de la resistencia de 0,5 Ω y una tensión
de referencia interna de 25 mV en el terminal 2 de medición de
corriente. En este estado la batería tiene un nivel de carga próximo al
100%. Al alcanzarse esta corriente de sobrecarga se pasa al estado de
carga flotante o de standby, en el cual el circuito se comporta como un
regulador de tensión, suministrando un valor de tensión correspondiente
a la tensión flotante (VF) de 7 V. El circuito cargador incorpora un
comparador de tensión externo que detecta cuando la batería tiene una
carga próxima al 100%, pues detecta el momento en que el cargador
entra en la etapa de carga flotante. Adicionalmente se ofrece una
indicación luminosa a través del diodo electroluminiscente conectado
entre la resistencia de 820 Ω a la salida del comparador y la tensión de
entrada.
La corriente de carga fluye hacia la batería a través del transitor PNP
TIP 32B, que actúa como elemento de paso. La corriente de base del
mismo entra por el terminal 16 del circuito integrado al colector de un
transitor NPN que se encuentra internamente en el UCN 3906, y que
57
Bioingeniería y Física Médica Cubana
actúa como driver. La resistencia de 220 Ω permite el paso de la
corriente en el estado de carga flotante o corriente trickle.
Con el objetivo de tener una configuración que represente una carga
mínima para las baterías, es decir que se le extraiga la menor corriente a
las mismas cuando no hay tensión de alimentación de entrada, se coloca
el diodo 1N4001 para impedir cualquier corriente que fluya de forma
inversa de la batería hacia el circuito, y se retorna el divisor resistivo
formado por las resistencias de 70 kΩ, 19 kΩ y 43 kΩ al terminal 7 del
circuito integrado en lugar de a tierra. Este terminal es colector abierto,
por lo que el divisor resistivo quedará en serie con un circuito abierto
cuando no hay tensión de alimentación de entrada. La tensión que va
alcanzando la batería se monitorea en todo momento a través del
terminal 13 del circuito integrado.
5.2 Circuito cargador para baterías de Ni-Cd y de NiMH
Tabla7. Métodos recomendados
para detección de fin de carga.
Tipo de batería
NiMH
Ni-Cd
Ni-Cd
Los circuitos controladores de carga para las baterías de Ni-Cd y las de
NiMH son muy similares, excepto en la definición del método a
seleccionar para terminar el proceso de carga. El método de detección de
variaciones negativas de tensión no se recomienda utilizar como método
de detección de fin de carga para las baterías de NiMH, ya que estas
presentan una disminución de tensión mucho menos abrupta que las de
Ni-Cd cuando llegan al estado de carga máxima. La tabla 7 proporciona
una guía de diseño de que métodos usar en dependencia del tipo de
batería y de la corriente de carga [8]. Los métodos marcados con cruces
son los métodos recomendados.
Ritmo de Carga
> C/2
C/2 a 2C
>2C
∆T/∆t
X
*
X
-∆V
*
X
VMAX
X
X
X
tMAX
X
X
X
TMAX
X
X
X
*: Usar uno de estos dos métodos.
En la figura 2 se muestra un circuito de carga para seis baterías de Ni-Cd
tipo AA con una capacidad nominal de 0,8 Ah. En él se emplea el
circuito integrado MAX2003 de Maxim [8], que permite controlar el
proceso de carga tanto para baterías de Ni-Cd como para baterías de
NiMH, incorporando cinco métodos para decidir el fin de la carga rápida
que son: variaciones negativas de tensión (-∆V), pendiente de
temperatura ( ∆T/∆t), máxima tensión. Máximo tiempo y máxima
temperatura. En este caso nuestro ejemplo es aplicable a un paquete de 6
baterías de Ni-Cd con una capacidad de corriente de 800 mAh.
La tensión de alimentación de 5 V del circuito integrado ( terminal 16 ),
se obtiene a la salida del regulador MAX 667. La fuente de directa que
permite la alimentación es de 14 V con una capacidad de corriente de al
menos 2 A, ya que también permitirá la carga de las baterías. Se debe
seleccionar una tensión de entrada de al menos 2 V por celda, más 2 V
adicionales para compensar las caídas de tensión en el resto de los
componentes.
58
Bioingeniería y Física Médica Cubana
Figura 1. Cargador para una batería
SLA de 6 V / 2,5 Ah.
Cuando se inicia la carga rápida de las baterías la tensión en el terminal
de medición (9) se muestrea y se compara contra un límite inferior de
220 mV y contra un límite superior de 250 mV. Si la tensión en este
terminal está por debajo de 220 mV el terminal de modulación (14)
se pondrá en un nivel alto , permitiendo la conducción del transitor Q2,
y con ello la conducción del transistor Q1, que permite la carga de las
baterías a una corriente cuyo valor máximo es de 0,9 A, que se establece
a partir de la división de la tensión de referencia de 0,25 V entre la
resistencia de 0,28 Ω. Cuando la tensión en el terminal 9 supera los 0,25
V, el terminal 14 se pondrá en un nivel bajo, cortando los transistores
Q2 y Q1 respectivamente, por lo que se interrumpe el paso de corriente
a la batería a través de Q1. Sólo pasará la corriente trickle a través de la
resistencia de 150 Ω, de un valor próximo a los 50 mA, para compensar
la autodescarga de la misma. El divisor resistivo que se encuentra en
paralelo con el paquete de batería, y que está formado por las
resistencias de 100 kΩ y 20 kΩ permiten medir la tensión de una celda,
la cual se obtiene en el terminal 7 del circuito integrado luego de pasar
por el filtro paso bajo formado por la resistencia de 100 kΩ y el
capacitor de 0,1 µF.
La temperatura que va tomando el paquete de batería se mide a través
de un termistor de coeficiente térmico negativo, al que se le ha añadido
una red resistiva que compensa la no linealidad del mismo. La tensión
proporcional a la temperatura del paquete de batería entra por el terminal
6 del circuito integrado y se compara contra un valor establecido en el
terminal de temperatura de corte de la tensión de entrada ( terminal 10 ).
Si la tensión en el terminal 6 supera la tensión en el terminal 10 se
finalizará con el proceso de carga rápida por temperatura máxima.
Adicionalmente el MAX 2003 muestrea cada 34 s el terminal de
medición de temperatura (6) , y lo compara contra un valor tomado 68 s
antes. Si la nueva lectura es mayor que 0,0032Vcc ( 16 mV para Vcc
igual a 5 V) con respecto a la lectura anterior se interrumpe el proceso
de carga rápida por pendiente de temperatura, tomando como criterio
que la temperatura de una celda de Ni-Cd cuando se inicia la carga
59
Bioingeniería y Física Médica Cubana
rápida decrece lentamente, y cuando esta próxima a su plena capacidad
asciende bruscamente.
A través de los LED conectados a los terminales 12 y 13 del circuito
integrado se ofrece una indicación luminosa de la temperatura de las
celdas y de los distintos estados de carga de la batería respectivamente.
Opcionalmente se puede descargar el paquete de baterías antes de
cargarlo al accionar la tecla conectada entre el Vcc y el terminal 2 del
circuito integrado, que produce la activación del transistor Q3 a través
del terminal de descarga (15).
Figura3. Circuito cargador para 2
celdas de Li-ion.
5.3 Circuito cargador para baterías de Litio-Ion
El circuito integrado LM 3420 permite controlar el proceso de carga de
paquetes de baterías de Li-ion de 1 a 4 celdas [9], por lo que está
disponible en cuatro tensiones diferentes (VREG = 4,2 ; 8,4 ; 12,6 y 18,4
V). Constituye funcionalmente un regulador en derivación o tipo shunt.
La tensión de salida regulada se mide entre el terminal de entrada del
LM 3420 y tierra. Si la tensión en este terminal es inferior a la tensión de
regulación VREG la salida no suministra corriente. Cuando la tensión en
el terminal de entrada se aproxima a VREG, entonces la salida del LM
420 si suministra corriente, esta se utiliza para manejar un regulador
lineal o conmutado, que brinda una tensión igual a VREG.
Específicamente en el ejemplo mostrado el circuito se comporta como
un cargador de corriente constante y tensión constante. Al principio del
ciclo de carga, cuando la tensión de la batería es inferior a 8,4 V, el LM
3420 no suministra corriente a su salida, manteniendo a Q2 cortado o en
“OFF ”, permitiendo que el LM 317 trabaje como una fuente de
corriente constante, cuyo valor viene dado a partir de la división de 1,25
V entre 1,2 Ω, y es aproximadamente igual a 1 A. Por otra parte el
transistor Q1 permite aislar el paquete de baterías del regulador LM
3420 en caso de ausencia de la tensión de entrada y no permitir la
descarga de las baterías a través de este circuito integrado. El diodo D1
se utiliza para una función similar, aislando las baterías del regulador
LM 317 en ausencia de alimentación.
Cuando empieza la carga de las baterías la tensión del paquete de
baterías comienza a aumentar, midiéndose por el terminal de entrada del
LM 3420. Cuando el paquete de baterías alcanza una tensión de 8,4 V (
equivalente a 2 celdas de tensión de 4,2 V dispuestas en serie) el LM
3420 comienza a suministrarle corriente a la base de Q2, éste controla el
terminal de ajuste del LM 317, el cual comienza a regular la tensión a su
salida, y comienza el proceso de carga a tensión constante, en el cual el
regulador mantiene la tensión de 8,4 V en el paquete de baterías. En este
estado la corriente de carga depende de cuan cargadas estén las baterías,
es decir la corriente depende del estado de carga de las mismas.
60
Bioingeniería y Física Médica Cubana
En general la carga de este tipo de batería exige un monitoreo
cuidadoso. Existen circuitos integrados como por ejemplo el MAX 1665
S/V/X, que constituye un circuito protector de paquetes de baterías
formados por 2 celdas de litio-ion (MAX 1665S), 3 celdas (MAX
1665V) o 4 celdas (MAX 1665X). Éste permite proteger el paquete de
baterías durante el proceso de carga ante fenómenos como
sobretensiones y bajas tensiones, además de protegerlo ante corrientes
de sobrecarga y sobredescarga.
6. CONCLUSIONES
La selección del tipo de batería adecuada para una aplicación médica es
una decisión seria y delicada desde el punto de vista técnico y
económico. Para realizarla con éxito es de vital importancia el
conocimiento de las características de las mismas.
Como parte del trabajo de diseño de los equipos que usen baterías
recargables, es necesario definir (o diseñar) el circuito de carga
necesario. Para ello hay que conocer cuales son las características del
proceso de carga de las baterías y los principales circuitos integrados
comerciales controladores de este proceso disponibles en el mercado.
Los autores se han esforzado en compilar información valiosa para todos
aquellos especialistan que se vinculan de una forma u otra a esta
temática. Se espera que el trabajo resulte de interés teniendo en cuenta
lo dispersa que se encuentra generalmente la literatura que aborda este
tema.
7. REFERENCIAS
[1] Kerridge, Brian. “Battery-management ICs”. EDN, May 1993.
[2] Israelsohn, Joshua. “ Battery management included ”. January 2001
[3] Buchmann, Isidor. “Batteries”. Medical Electronics, September
1998.
[4] Battery Backup Applications Handbook. Transtronic Incorporated.
1996.
[5] Jacobs, Sol. “Recent advances in rechargeable battery technology”.
Medical Electronics, April 1997.
[6] Unitrode Integrated Circuits. “ Sealed lead-acid battery charger UC
2906/UC 3906 ”. Unitrode Linear Integrated Circuits Data an
Application Handbook. 1996.
61
Bioingeniería y Física Médica Cubana
[7] Unitrode Integrated Circuits. 1996. Application note U-104. “
Improved charging methods for lead-acid batteries using the
UC3906”. Unitrode Linear Integrated Circuits Data an Application
Handbook. 1996.
[8] Maxim Integrated Products.“NiCd/NiMH Batery fast charge
controllers MAX2003/MAX2003A”. Maxim Linear Integrated
Circuits Data. 1992.
[9] National Semiconductor. “ LM 3420 Lithium – Ion battery charge
controller”. May 1998.
62
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FERIAS Y EVENTOS EN PERSPECTIVA:
NOMBRE DEL EVENTO
FERIA INTERNACIONAL DE
LA HABANA “FIHAV 2001”
FECHA
28 oct-4 nov
CIUDAD
C. Habana
LUGAR
EXPOCUBA
SIMPOSIO INTERNACIONAL
DE TRANSPLANTE
HEPÁTICO
VIDEOMED 2001
30 oct-2 nov
C. Habana
CIMEQ
12-16 nov
C. Habana
CIMEQ
III SIMPOSIO
INTERNACIONAL DE
VIGILANCIA EN SALUD
CONGRESO
INTERNACIONAL DE
CIRUGÍA DE MÍNIMO
ACCESO
I CONGRESO CONJUNTO:
AMERICAN FRACTURE
ASSOC.
Y XII CONGRESO CUBANO
DE ORTOPEDIA Y
TRAUMATOLOGÍA
II SIMPOSIO
INTERNACIONAL
APLICACIONES DE LA
INFORMÁTICA A LA
MEDICINA “AIME 2001”
12-17 nov
C. Habana
IMT “P.
Kourí”
Dr. Domingo Díaz
bcimeq@infomed.sld.cu
Dr. Daniel Rdguez Milord
milord@hesp.sld.cu
13-16 nov
C. Habana
P. Convenciones
Dr. Julían Ruíz
julian@cce.sld.cu
18-23 nov
C. Habana
Centro de
Eventos
OROTOP
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ccfpais@fpais.sld.cu
28 nov-dic 2
C. Habana
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athos@cecam.sld.cu
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