¿Hasta qué punto es malo subvoltear una batería de plomo de 12 voltios?

Question

Hoy he tenido una acalorada discusión con algunos colegas sobre si una batería de plomo-ácido de 12 voltios tiene un voltaje bajo; opinaban que el zumbador de advertencia de bajo voltaje y el apagado automático final eran molestos y un riesgo para la seguridad.

• Un tipo insistía en que las baterías estaban "bien" incluso cuando se les había aplicado una tensión muy baja y se les podía tirar prácticamente cualquier cosa.
• Otro tipo insistió en que la batería de su coche había estado en algún momento tan baja como 2 (¡!) voltios y oye, no tuvo problemas con ella.

Siempre he pensado que cuando se navega en barco nunca hay que dejar que la batería de 12 voltios baje de unos 11 voltios, así que esta postura tan pasiva me ha confundido un poco. ¿Existen datos para cuantificar la pérdida de calidad de las baterías de plomo-ácido en caso de baja tensión? ¿Cuánto pierdo de capacidad en caso de baja tensión? Estoy bastante seguro de que estoy en lo cierto, pero necesito algunos datos.

Answer 1

Su punto de vista se puede hacer muy fácilmente de otra manera.

Si se observa la curva de descarga de una batería de plomo-ácido de 12 V o 6 V:

Esto viene de Yuasa. Ellos hacen las cosas. Es confiable u optimista, ciertamente no pesimista.

Echemos un vistazo a la de 12V y, siendo optimistas, supongamos que sólo te interesa una descarga de 0,2C, a cualquier otro ritmo se pueden esgrimir los mismos argumentos con una línea diferente.

En su marca de 12V, puedes ver que hay un "punto de inflexión" en el que el voltaje pasa de ser relativamente constante a caer en picado.

A 11V casi está bajando en línea recta.

A 9V caerá enseguida bajo la misma corriente de carga.

Esto significa que en el punto de 12V has utilizado esencialmente el 60% de su capacidad. A 11V estás efectivamente al 93%. A 9V estás al 99,5%.

Ahora añadiendo que una batería con 0V a través de ella ya no tiene iniciativa química, de ningún tipo de química, necesitarás motivarla para recrear el desequilibrio químico que causa el voltaje aparente y el potencial para que fluya la corriente. Esto es difícil en cualquier batería (por eso casi todas las baterías se construyen con electrodos ya construidos químicamente con los materiales adecuados para crear el potencial de la célula).

Con SLA se pierde mucha energía en la recombinación química de sulfatos y sulfitos, desperdiciando mucha energía. El resultado es que se necesita una potencia excesiva para volver a conectar una célula que se ha quedado a 0 V. Potencia excesiva = calor. Calor = gaseado. Gaseo = pérdida de humedad. Pérdida de humedad = malo. Por no mencionar que el voltaje más alto que se requiere normalmente genera muchos, muchos subproductos en las placas, junto a los subproductos ya generados al neutralizarla en primer lugar y te quedas con una pila AA con el peso y tamaño de una SLA de 6Ah.

Ahora, si te acercas a 9V, se convertirá en 0V muy rápidamente. Fácilmente llegarás demasiado tarde.

Muchos fabricantes nos dicen "Considere su batería vacía a 11,8V", algunas personas (yo incluido) asumen 11V. Los que utilizan 11V a menudo (pero no siempre) tienen cuidado de saber que esto es el inferior límite. Esto es exactamente por esa razón.

Si no aceptan que 100 fabricantes, innumerables expertos en la materia y usuarios por igual digan "a 11,8V no vas a sacar mucho más y será arriesgado intentarlo", entonces convéncelos con el hecho de que a 11V no habrá mucho que sacar más de todos modos. Listo. Todos los demás puntos discutibles.

La razón por la que la batería de un coche puede bajar a 2V y luego seguir funcionando, es porque esa batería estuvo a 2V muy poco tiempo, porque el idiota que se dejó las luces encendidas se dio cuenta al cabo de un rato. Y porque suelen estar sobredimensionadas por un factor de 2 a 5, dependiendo del tipo y marca de coche, por lo que una estropeada funcionará un par de años más.

Y seamos sinceros, ¿realmente vamos a dedicar horas y horas de trabajo e investigación a convencer a alguien que ni siquiera es capaz de hacer caso a las luces de su coche de un hecho consensuado y compartido entre miles de ingenieros eléctricos de todo el mundo?

Answer 2

Excelente respuesta de Asmyldof. Lo único que añadiría es que:

(1) Existen varias variedades distintas de baterías de plomo-ácido: la "batería de arranque", destinada a descargarse muy raramente; la "batería de tracción", destinada a descargarse de forma gradual y más profunda; la "batería de reserva", para un funcionamiento tipo SAI en el que las descargas profundas son poco frecuentes y, por tanto, los efectos negativos acumulados de dichas descargas profundas se compensan con la vida útil prevista; y una batería nueva que puede funcionar en un estado de descarga parcial durante largos periodos. Todas tienen características muy distintas en los detalles.

(2) El sector de las baterías de plomo-ácido es muy competitivo. A menos que dispongas de algún nuevo producto químico patentado que te diferencie de la competencia, (a) obtienes lo que pagas (en términos de calidad), y (b) ningún fabricante se beneficia de establecer límites/recomendaciones de uso por debajo de lo razonable para esperar una buena vida útil de sus productos.

Los que dicen "Oh, estas cosas son a prueba de balas" o "He bajado esta mierda a 2,5 V y sigue funcionando bien" no suelen ser los que tienen que desembolsar cientos o miles de dólares cuando las pilas "misteriosamente" no duran los años que deberían. Estas son las personas que también son responsables de que las baterías tengan garantías cortas, porque puede ser difícil demostrar que un cliente utilizó mal una batería fuera de los límites publicados (sin tener una elaborada electrónica de control incorporada para registrarlo y demostrarlo).

La hoja de datos del fabricante es lo más importante, y tu aplicación debe corresponderse con una batería pensada para ese caso de uso. Los tres datos de la experiencia personal de tu colega carecen de valor, al menos en el contexto de la longevidad de la batería (y quién tiene que pagar por su sustitución prematura).

Answer 3

Un factor importante a tener en cuenta con las baterías multicelda es que el daño causado por la baja tensión se concentrará en la celda más débil, pero el rendimiento de esa celda más débil será generalmente el factor limitante con respecto al rendimiento del pack en su conjunto. Si las seis celdas de un pack de 12 voltios son igual de buenas, bajar su voltaje a 9 puede bajar las seis celdas a 1,5 voltios sin dañar nada significativamente, pero si una de las celdas es más débil que las otras, bajar el voltaje del pack a 9 puede provocar que el voltaje de la celda débil baje a 1,0 voltios mientras que las otras cinco celdas están a 1,6. Si esto se hace varias veces, el voltaje de la celda más débil puede bajar a 1,6 voltios. Si esto se repite varias veces, la célula débil puede debilitarse aún más, de forma que su tensión descienda a cero mientras que las otras células siguen a 1,8 voltios.

En los casos en los que un pack de baterías multicelda se utiliza con fines de capacidad de almacenamiento más que de capacidad de manejo de corriente, sospecharía que un pack de baterías con electrónica para extraer más corriente de baterías más potentes podría ofrecer un mejor comportamiento de vida útil que uno que simplemente conecte las celdas en serie, pero no tengo conocimiento de que tales diseños sean habituales. No obstante, es importante tener en cuenta que en las baterías multicelda, el daño causado por las condiciones de bajo voltaje aumentará a medida que aumente la diferencia entre las baterías más fuertes y las más débiles, y esa diferencia aumentará como resultado de dicho daño.

Answer 4

Esto no es una respuesta técnica, sino algo más de combustible para su contraargumento:

Solía trabajar en lugares que tenían GRANDES bancos de baterías de reserva (de 100 a 1.000 baterías de alta calidad), que se cambiaban (TODAS las baterías) a un coste enorme si se agotaban por debajo del límite recomendado por el fabricante debido a un apagón. Se trataba de una infraestructura de red telefónica crítica de alta fiabilidad con requisitos legales para permanecer en línea en caso de apagón (también de ataque nuclear, por supuesto). Se veían palés de baterías a la espera de ser recicladas que probablemente durarían otro década corriendo el refrigerador de cerveza de Joe Normal en su remolque o similar, pero esto me lleva a mi punto:

Si necesita un rendimiento garantizado, siga las especificaciones del fabricante.

Puedes "salirte con la tuya" con todo tipo de cosas en una batería de coche porque no es probable que llegues nunca a sus límites: normalmente duran años, puede que si la descargas a 2v te salgas con la tuya y siga arrancando tu coche en condiciones normales durante otros 5 años, pero eso no significa que no hayas acortado su vida un año, o que si conduces hasta Alaska en invierno siga funcionando, o que si la descargas a 2v unas cuantas veces más no se enrosque y muera. Pero como consumidor, te encogerás de hombros y comprarás una batería nueva, o habrás vendido el coche para entonces.

Puede salirse con la suya muchas cosas en la vida cotidiana de los consumidores, pero si estás tratando de garantizar el rendimiento de tu dispositivo/producto no puedes romper las reglas (a menos que seas condenadamente bueno) - esta es la razón por la que todas esas baterías de reserva se cambiaron: Probablemente seguirían funcionando bien a ~90% de la especificación, pero cuando se va la luz en un día de invierno dentro de 3 años, y ese evento de descarga por encima de la especificación ha empujado las baterías demasiado lejos en la curva, y en lugar de tener los 30 minutos especificados en la mano para obtener el poder restaurado, el equipo se desconecta inesperadamente 10 minutos antes de lo previsto, la red se bloquea y todo el sistema queda fuera de servicio durante un día porque la situación de restablecimiento es 10 veces peor que el "apagado controlado", vas a quedar como un imbécil y los abogados de alguien van a llamar a tu puerta.

Cualquier fabricante de baterías que se precie podrá informarle de estos datos (y garantizárselos), si no es así, no utilice sus productos para NINGUNA aplicación crítica.

Nota al margen: las baterías de los vehículos militares se cambian mucho más a menudo que las de los coches de los ciudadanos por exactamente la misma razón: cuando te están disparando en un día invernal, tienes que ser capaz de arrancar tu vehículo de transporte de tropas a la primera, no de hacer varios intentos con un poco de descanso entre medias.

Se trataba de una instalación mediana, sustituida posteriormente por muchos bastidores de baterías AGM más pequeñas:

Así:

Y si se ciclaran demasiado, se cambiarían TODOS. No hay duda.

Answer 5

Respondiendo a la pregunta " ¿Existen datos para cuantificar la pérdida de calidad de las baterías de plomo-ácido en caso de baja tensión? "aquí hay dos buenas fuentes:

" La duración de la batería está directamente relacionada con la profundidad a la que se cicla cada vez. Si una batería se descarga al 50% todos los días, durará aproximadamente el doble que si se cicla al 80% DOD. [1] . Si se cicla sólo al 10% de DOD, durará unas 5 veces más que una ciclada al 50%. Evidentemente, esto tiene algunas limitaciones prácticas: no se suele querer tener una pila de 5 toneladas de baterías para reducir la DOD. Lo más práctico es utilizar el 50% de DOD de forma regular. " -- https://www.solar-electric.com/deep-cycle-battery-faq.html

" vida útil típica de las baterías de arranque y de ciclo profundo cuando se someten a ciclos profundos:

Depth of Discharge    Starter Battery    Deep-cycle Battery
------------------------------------------------------------
100%                  12–15 cycles       150–200 cycles
50%                   100–120 cycles     400–500 cycles
30%                   130–150 cycles     1,000 and more cycles

" -- http://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries

Ambas fuentes se encontraron gracias a los comentarios de Hot Licks y Nick Alexeev.

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Notas/P.S.

[1] DOD son las siglas de Depth Of Discharge (profundidad de descarga) y 100% significa que la batería está completamente descargada.

Otras respuestas tienen información excelente, pero no responden directamente a la pregunta.