Baterías

Una pila, batería o acumulador es un dispositivo que convierte energía química en eléctrica. Estos dispositivos presenta ciertas características según su material de fabricación. Por ejemplo la celda mínima tiene una tensión típica (1V2, 1V5, 2V, 3V7, etc), un volumen y un peso. Ademas puede ser desechable o recargable. Si requerimos mas tensión podemos poner varias celdas en serie y sus tensiones se suman. Si queremos mas corriente se ponen varias celdas en paralelo y sus corrientes se suman manteniendo la misma tensión. Esto es lo que hacen para darte un power pack de por ejemplo 12V y 5000 mAh.

La medida de capacidad de carga de una batería es el Culombio 1A x 1s = 1C, pero acostumbramos usar Amper x hora (Ah), así que 1 Ah = 3600C.

Todo este desarrollo hace que las baterías, cada vez puedan almacenar más energía con menos volumen, peso y costo. Estos componentes han experimentado una gran evolución a partir de los años 90 gracias a su uso en telefonía móvil, informática portátil e industria del transporte.

Por otro lado las normas técnicas IEC 60086-2:2001 y -3-2011, establecen las especificaciones físicas y eléctricas de cada tipo.

Tamaños de pilas estándar
Tamaños estándar de pilas
NombreCódigoLargoDiámetro
IECANSImm
AAAR0324D44.510.5
AAR615D5014.2
CR1414D4626
DR2013D5833

Hay algunos tipos no tan comunes como el A23 (IEC-8LR932 o ANSI-1811A) de 28.5x10.3 mm y 12V muy usada en los controles remoto de garaje.

Para elegir una batería lo primero es determinar la tensión que requiere nuestro circuito. Lo ideal en conseguir una tensión ligeramente superior a la necesaria, no demasiado superior que no es bueno. El otro valor es la capacidad medida en mAh a mayor valor mas durara funcionando nuestro circuito pero mas peso de baterías.

Cuando ponemos varias celdas en serie todas deben dar la misma corriente pero como sabemos que la resistencia interna varia cuando va perdiendo su carga pues resulta que la falla de una sola celda afecta a todo el grupo no contribuyendo, sino mas bien entorpeciendo el flujo de corriente. Similar situación ocurre con celdas en paralelo al aumentar la resistencia interna de una de las celdas esta no solo deja de aportar corriente al conjunto sino que hasta el posible que consumo parte de la corriente generada por las demás.

Los principales tipos de baterías que encontramos son:

1. Descartables

Estos tipos de pilas están diseñadas para un único uso. Hay gran variedad de tamaños y composición química, pero bajo ningún concepto se deberán intentar cargar.

1.1 NiFe

Fue inventada por Waldemar Jungner en 1899 y mejorada por Thomas Alva Edison quien la patenta en 1903. El ánodo es una varilla de hierro, el cátodo es una vaso de Niquel que contiene al electrolito alcalino (cloruro de Zinc). Presentan bajo costo, facial fabricación,, admite sobrecargas, no contiene metales pesados, larga vida, funcionan entre -40 y 46°C. Cada celda proporciona 1V5, pero su eficiencia en menos al 65%.

1.2 ZcC

La pila de zinc-carbono o salina, es la pila seca común que fue desarrollada por Leclanche en 1876 y patentada por Carl Gassner en 1886. Esta formada por un vaso de Zinc que sirve como contenedor y polo negativo (ánodo) en cuyo interior se encuentra el terminal positivo (cátodo), que es generalmente una barra de carbono o grafito rodeada por una mezcla de dióxido de manganeso, negro de acetileno y polvo de carbón. El electrolito usado es una pasta de cloruro de zinc (antes cloruro de amonio) disuelto en agua.

Son las mas baratas por lo que se siguen fabricando. Se usan principalmente en equipos de bajo consumo como: control remoto, linternas, relojes y radios. Es descartable. Una de las desventajas en que el vaso de zinc se consume por reacción química mientras esta almacenada. Si se perfora este vaso se escapa el cloruro de Zinc. Su vida útil es de 18 meses.

1.3 Alcalinas

Son un tipo de pilas eléctricas que obtienen su energía de la reacción química entre el Zinc y el dióxido de manganeso (MnO2), empleando hidróxido de potasio como electrolito. Puesto que obtiene su energía de la reacción química de estos dos compuestos conviene que se conserven a una temperatura máxima de 25ºC. Las altas temperaturas aceleran las reacciones químicas mientras que las bajas las ralentizan, minimizando la pérdida de potencia con el paso del tiempo.

Capacidad de pilas alcalinas
TamañomAh
D12000
C8000
AA2700
AAA1200

De esta tabla se desprende que una pila AAA podria dar 1.2A durante 1 horas o 600 mA por 2 horas o 300 mA por 4 horas o 4.8A por 15 minutos, etc

Su gran inconveniente son las fugas del hidroxilo de potasio, un agente caustico, debido a la perforación del deposito exterior de acero.

1.4 Litio

Existen varios tipos de pilas que incorporan litio en su composición. Estos modelos se caracterizan por tener una autodescarga muy baja; si se mantienen a 20ºC se descargará un 1% por año. Además, tienen un rango de temperaturas de funcionamiento muy amplio. Son capaces de funcionar entre -30~70ºC. Suelen fabricarse en botón y son muy usadas en relojes y computadoras. Su vida útil es de 10 años.

Tamaños pilas Litio
Código IECDiámetroAlto
CR1025102.5
CR1216121.6
CR1220122
BR1225122.5
CR1616161.6
CR1620162
CR1632163.2
CR2025202.5
CR2032203.2
CR2325232.5
CR2330233
CR2354235.4

Existen varias combinaciones de Litio con: Bisulfuro de hierro de 1V5; Cloruro de tionilo de 3V6; Dioxido de manganeso 3V.

Nunca intente recargar una pila de Litio puede ser muy peligroso.

2. Recargables

Las pilas recargables deberían venir bajo el nombre de baterías o baterías recargables. El precio es mayor que las pilas de un solo uso, pero a largo tiempo se verá compensado.

2.1 Plomo

Las baterías de plomo-ácido son las que hace más años que se usan. Tienen una baja relación entre el peso/volumen y la energía que almacenan, pero lo compensan, con que duran mucho tiempo (2 años) y tienen un precio relativamente económico. Desde el punto de vista medioambiental, a pesar de ser el plomo un material pesado, es reciclan hasta el 90% de su contenido. Tienen un período de recarga que puede durar entre 8 a 10 h. Son muy usadas como baterías por los vehículos.

Sus celdas son de 2V, por lo que se comercializan en 3, 6 y 12 celdas que corresponden a 6V en vehículos ligeros, 12V en automóviles y 24V en vehículos pesados.

2.2 NiCd

Constan de un ánodo de níquel y un cátodo de Cadmio, produciendo cada celda 1V2. A pesar de que hace muchos años que se descubrieron, su costo retardo su producción comercial. Tenía la ventaja de su gran duración, unas 1.500 recargas, pero tenían otros inconvenientes, como por ejemplo una baja capacidad energética por unidad de peso/volumen y que sufren el efecto memoria.

Soportan las sobrecargas, se pueden seguir cargando aun ya están al 100%. Capacidad típica de 0.5~1A (Pila AA)

Fueron prohibidas en la Unión Europea a partir del 2004, ya el cadmio es un material pesado y muy toxico.

2.3 NiMh

Las baterías de níquel-hidruro metálico, fueron creadas a los años 70, pero se introdujeron recientemente en el mercado, para sustituir las de NiCd a partir del 2004. Tienen mas capacidad de almacenamiento por unidad de peso/volumen respeto las baterías de plomo, Tiene menos efecto memoria que NiCd. Aún así han sido de las más usadas por los vehículos híbridos.

No soportan bien el frío, celdas de 1V2, 0.5 a 2.8A (Pila AA)

2.4 Ion-Litio

A pesar de ser un tipo de baterías que es conoce desde 1960, su desarrollo es debido a la telefonía móvil, puesto que consiguen almacenar mucha energía. A diferencia de las que contienen Litio no sufre del efecto memoria, ni tiene una gran pérdida de capacidad por el efecto del no uso. Uno de los mayores inconvenientes es el sobre calentamiento, además de ser un poco mas caras.

No sufren el efecto memoria por lo que se pueden cargar en cualquier momento. No reaccionan bien a los cambios de temperatura. A plena carga llegan a 4V2, típico 3V7 y mínimo 2V75. Capacidades de 1.5~2.8A (pila AA)

Compara recargables
ParámetroNiCdNiMhIon-Litio
Energía especifica (Wh/Kg)40~6060~120100~265
Potencia especifica (W/Kg)150250250~340
Eficiencia (%)70~906680~90
Autodescarga (%/mes)10308

2.5 LiPo

Una celda de Litio y Polímero (LiPo) nos proporciona 3V7 llegando a 4V2 cuando están completamente cargadas, pero no se deben descargas por debajo de 3V, ademas son recargables, pero hay que tener mucho cuidado la corriente de carga que debe ser a 1C (1C = 1A x 1 seg). Además, la unidad C nos indica la máxima corriente, osea que si nuestra batería tiene 20c, la descarga máxima que puede dar la batería sin dañarse es de C*A, en otras palabras: 20C * 2Ah = 40A de descarga máxima.

Recuerda que 1C = 1A x 1 segundo = 3600 mAh.

Empezó a producirse en el 2006, por lo tanto aun esta en desarrollo. Es una variante de las baterías de Ion-Litio, a las que se ha cambiado el electrólito por un polímero, que puede estar en estado de gel, lo que las hace mas seguras contra derrames. Otra ventaja es que tienen una densidad de almacenamiento más alta, por el mismo peso pueden almacenar prácticamente el doble de energía. Como inconvenientes tenemos que se vuelven inestables si las sobrecarga o las descargan por debajo de un valor determinado.

Por ejemplo puedes encontrar un power pack con estas especificaciones: 11V1, 2200 mAh, 3S1P, 35C. Pues de trata de 3 celdas en serie (3S) de allí la tensión de 11V1 (3 x 3V7), ninguna en paralelo (1P) y con un factor de carga de 35C, es decir 35C * 2.2Ah = 77A

Nunca descargar a menos de 3V porque disminuye la vida útil.

Consulta Cargador de baterías Litio en este manual.

3. Alimentar Arduino

Mientras estas desarrollando el proyecto estas alimentando Arduino desde el puerto USB de la PC y eso es cómodo, pero cuando terminas deja de ser cómodo y debes poner una fuente de energía distinta.

Una buena opción es una fuente regulada de 5V 2A, incluso los cargadores de celular estándar te funcionan y entraras el el puerto USB para seguir alimentando al Arduino, sobre todo si tienes una toma de 220Vac a mano. Pero que pasa si no la tienes o estas construyendo un robot o algo que se mueva ?

Si alimentas via la clavija (Pin RAW o Vin en MINI), estas empleando el regulador de voltaje interno y debes suministrar entre 6~12V. Menos de 6V el Arduino no arranca y mas de 12V ya que supone un esfuerzo excesivo y calentara. Mas de 20V dañara dicho regulador.

Si aplicas un voltaje regulado al pin 5V (o 3V3 en algunos modelo) es lo mismo que usar el USB.

3.1 Batería 9V

Es la opción mas sencilla y barata para los novatos. Tienen la ventaja de ser fáciles de encontrar y usar. Además hay disponibles cables y portapilas, que incluso incorporan un conector jack tipo Arduino, lo que hace que sean fáciles de usar. Las desventajas, baja densidad energética, su capacidad típica es entre 500-600 mAh, pero con una intensidad máxima de apenas 300 mA, útil solo para proyectos pequeños.

Fuentes y pilas

Por otro lado los 9V resultan excesivos para la mayoría de motores DC y servos, mientras que no es suficiente para grandes motores brushless y paso a paso, que funcionan con 12V y que superan los 300 mA máximos que puede suministrar esta batería.

El otro pero es que es desechable, lo que unido a su baja carga, hacen que a largo plazo no resulten económicas.

3.2 ZnC o Alcalina

Emplear cuatro (4) pilas AA en serie, proporcionando un total de 6V y es otra opción sencilla y ampliamente usado en pequeños proyectos, donde también se puede encontrar portapilas. En el formato AA las pilas de ZnC o salinas proporcionan entre 800-1500 mAh mientras que las alcalinas entre 1700-2800 mA. La intensidad máxima puede superar 1A pudiendo llegar a extraer hasta 2A. Pero hay que tener en cuenta que debido a las curvas de descarga, la cantidad de carga que podemos extraer de la pila se reduce cuanto más rápido la descargamos.

Portapilas de 4 x AA

Una ventaja es que 6V es perfecto para alimentar motores de DC y servos de manera directa.

El otro pero es que es desechable, lo que unido a su baja carga, hacen que a largo plazo no resulten económicas.

3.3 NiCd o NiMh

Emplear cinco (5) pilas AA en seria, proporcionando un total de 6V. En el formato AA las pilas de NiCd proporcionan entre 500-1000 mAh, mientras que las de NiMh entre 600-2500 mAh. La intensidad máxima puede llegar a 1A.

La gran ventaja es que son recargables, pero son mas caras que anteriores y necesitaras de un cargador.

3.4 Ion-Litio

Emplear dos (2) pilas en serie, proporcionan entre 7V4~8V2, que aun es una buena tensión para alimentar Arduino. Su gran ventaja es su alta carga de 1500~4800 mAh. Proporcionan 1C~2C lo que supoene una maxima de 2~4A.

Son recargables pero requieren un cargador de corriente contante, consulta Cargador de baterías Litio en este manual.

Una buen opción es usar celulares antiguos en desuso. Yo me hice de varios antiguos Motorola i296 que usábamos en el tiempo que existía Nextel, de manera que use 2 "carcasas" como portapilas (cortar, soldar y pegar) y uno de ellos que aun funciona lo uso de cargador. Una solución muy barata.

3.5 Power Pack

Estos bancos de baterías llamados Power-Pack son muy populares hoy en día. Proporcionan 5V regulados, por lo que podemos alimentar nuestro Arduino por cable USB. Las capacidades son increíbles hasta 17 Ah, pero con intensidades de hasta 2A.

Los 5V son adecuados para alimentar gran cantidad de componentes, incluso los motores DC y servos.

Son recargables, fáciles de recargar, pero caros.

3.6 LiPo

Puedes emplear el paquete 2S (2 celdas) que proporcionan 7V4~8V4 o las 3S (3 celdas) que proporcionan 11V1~12V6. Las LiPo presentan la densidad de energía más alta de las opciones planteadas. Podemos encontrar baterías con capacidades entre 0.5~5 Ah. Es posible encontrar baterías 20~25C, lo que se traduce en intensidades de descarga de 50~100 A, requerida por los motores más grandes.

Ambas tensiones son adecuados para alimentar un Arduino. Ninguno de los pack de (2S ni 3S) pueden usarse para alimentar motores DC y servos y es necesario regularla a 6V. Los pack 3S son adecuados para accionar grandes motores paso a paso y motores brushless.

Las baterías LiPo también son la opción más cara, aunque al ser recargables resultan económicas a largo plazo, más aún si tenemos en cuenta sus características eléctricas. La mayor desventaja de estas baterías es la dificultad y cuidado que hay que tener en su uso. Manipular de forma indebida una batería LiPo puede ser extremadamente peligroso, por las gran cantidad de energía que almacenan.

La carga de este tipo de baterías tiene que realizarse mediante cargadores especiales, y no deberían dejarse sin supervición durante el proceso. Hasta el almacenamiento de estas baterías debe realizarse en condiciones controladas.

Nunca descargar a menos de 3V porque disminuye la vida útil.

4. Como medir consumo en Arduino

Cuando la corriente es constante es muy fácil calcular el consumo y por tanto cuanto nos durara la batería. Por ejemplo su tengo un consumo total promedio de mi circuito de 250 mAh y esta alimentado con una batería que tiene una capacidad de 1200mAh (AAA ALcalina) pues durara 4.8 hrs. Pero que pasa cuando la corriente varia ? como calculo el consumo ?

Un gran ejemplo es el velocímetro de un auto, que seria equivalente a un amperimetro que nos da velocidad instantánea pero no el recorrido porque nos faltaría el otro datos que seria el tiempo. Pero en los autos tenemos un odometro que nos indica el recorrido. En Arduino tenemos un IC que nos puede ayudar es el LTC4150

Este CHIP LTC4150 tiene un pin que nos data un pulso cada 0.614C (0.1707 mAh) o lo que es lo mismo 5859 pulsos para 1Ah, pero ademas hay otro pin que da la dirección de dicha corriente que puede ser de carga/descarga, de modo que puedes calcular el estado de tu bateria aun mientras intercalas ciclos de carga y descarga.

LTC4150

La idea es que la batería la pones en IN (que puede ser soldado o usando el conector) y tu circuito lo pones en OUT.

Pines LTC4150
PinFunciónDescripciónpin Arduino
VIOPoderConéctese a 3.3V o 5V dependiendo de su sistema. Tenga en cuenta que puede necesitar cambiar la configuración del puente.D2
ENTInterrumpirBaja cuando 0.1707 mAh han pasado a través del CHIP. Se borra (sube) cuando CLR baja. Conéctelo a un pin de entrada de interrupción.D3
POLPolaridadIndica la dirección del flujo de corriente. Bajo = corriente de IN a OUT (descarga). High = corriente de OUT a IN (carga).D4
GNDTierra GND
CLRResetearSi INT es bajo, haga CLR bajo para reiniciar INT . Esto se hace automáticamente si SJ1 está cerrado (une CLR e INT juntos). Este pin se puede dejar desconectado si SJ1 está cerrado y está utilizando interrupciones para muestrear INT.D6
SHDNApagarSi SHDN está bajo, el chip se mantendrá en reinicio. Hay una resistencia pull-up desde este pin a VIO, por lo que si la deja desconectada, la placa permanecerá activa. Este pin se puede dejar desconectado si no necesita la función de apagado.D7

Usa la librería LTC4150 Colomb Counter BOB