Baterías de NiCd y NiMH

 

Las baterías recargables contienen el "combustible" del que se alimenta un modelo eléctrico. Entender y saber mantener las baterías de Níquel-Cadmio (NiCd) y Níquel-Hidruro Metálico (NiMH) es fundamental para el aficionado al vuelo eléctrico. La información que se describe  aquí procede de diferentes fuentes, desde la contenida en las tablas de características de los fabricantes, o en artículos diversos, hasta la experiencia de otros y la propia.  Una batería se compone de un conjunto de elementos individuales (o celdas) conectados en serie, cada uno de los cuales tiene un voltaje nominal, en estado cargado, de 1.2 V. En el mercado se comercializan elementos con capacidades entre 50 mAh y 3300 mAh. Una batería de 1000 mAh es capaz de  entregar una corriente de 1000 mA (1A) durante una hora, ó 10 A durante 1/10 de hora, etc. 

 

En el vuelo eléctrico hay que considerar tres parámetros fundamentales al escoger los elementos de una batería: capacidad, peso y resistencia interna. La capacidad va, lógicamente, ligada al peso del elemento, aunque el avance tecnológico ha permitido incrementar sustancialmente su relación capacidad/peso en los últimos años. En esta Tabla se recogen las dimensiones y el peso de los elementos NiCd y NiMH existentes en el mercado, de la firma Sanyo. Este fabricante ofrece  elementos NiCd y NiMH de gran robustez y fiabilidad, que recomendamos aquí.

Tres elementos de Sanyo, de 1300 (NiCd), 1700 (NiMH) y 2000 (NiCd) mAh, de 34, 26 y 57 g de peso, respectivamente. Las lengüetas de éste último son útiles en la interconexión de elementos, en línea o zigzag.

La siguiente Tabla ilustra la resistencia interna de los elementos de NiCd más utilizados en aeromodelismo. En general, las baterías de NiCd tienen una resistencia interna muy inferior a la de las pilas no recargables, de tipo alcalino: como referencia, una pila alcalina de tamaño AA tiene una resistencia de 0.15 ohmios (150 mOhms).

 

Tipo	Resistencia Interna (mOhms)	Tipo	Resistencia Interna (mOhms)	Tipo	Resistencia Interna (mOhms)
N-50AA	55	KR-1200AUL	12	N-500AR	9
N-110AA	30	KR-1300SC	6	N-800AR	6
N-270AA	15	KR-1400AE	10	N-1250SCRL	4.5
KR-600AE	8.5	KR-1700AE	7	N-1700SCR	4
N-600AA	12	KR-1800SCE	6.5	RC-2000	4
KR-800AAE	12			RC-2400	4

 

Las baterías recargables son capaces de liberar una corriente muy elevada, pues la corriente máxima está limitada por su resistencia interna. Las baterías de NiMH, de mayor capacidad que las de NiCd (un 70% más)  tienen en cambio una resistencia interna algo superior a las de NiCd.

 

Corriente máxima de descarga de los elementos NiCd en función de su resistencia interna

 

En una batería de elementos en serie, la resistencia interna por elemento se multiplica por el número de estos. Cuando se cierra el circuito eléctrico a través del motor, la resistencia de la batería produce una caída de tensión debido a su resistencia interna: el voltaje suministrado es inferior al que se mide en circuito abierto. Esto significa que parte de la energía de la batería se consume y disipa en el interior de la batería en forma de calor. Una batería de 7 elementos recién cargada suministra, en vacío, un voltaje de casi 10 V; cuando se cierra el circuito a través de una carga (motor) con una corriente de, digamos, 25 A, el voltaje por elemento cae a 1 V, dando un total de 7 V para la batería. Los restantes 3V x 25 A= 75 w se disipan ¡en forma de calor!

 

EJEMPLO PRACTICO: A la hora de seleccionar los elementos a utilizar para alimentar un cierto motor eléctrico, es preciso considerar su resistencia interna como factor tan importante como la capacidad o el peso. Imaginemos que deseamos diseñar un modelo con una motorización que consume 20 A. Escoger unos elementos con una capacidad de 1700 mAh es adecuado, pues permitiría vuelos de  1.7/20 =  0.085 horas = 5 minutos a plena potencia (en la práctica, reduciendo la potencia una vez el avión en el aire y con una gestión inteligente del control de "gases" se puede incrementar este tiempo a 8-12 minutos) . Para esta capacidad,  es tentador plantearse utilizar los elementos de NiMH Twicell de Sanyo, de tamaño AA y buena relación capacidad/peso (peso por elemento= 26 g; ver Foto arriba). Sin embargo, su  resistencia interna es grande, de 18 mOhm, lo que en la práctica no permite utilizar estas baterías en aplicaciones que consuman más de 12-14 A. Su utilización con el motor mencionado  conduciría a un sobrecalentamiento rápido, una caída de tensión importante (con un voltaje útil inferior a 1V por elemento) y una infrautilización del motor, cuya corriente máxima estaría limitada por la resistencia interna de la batería, y no pasaría de los 12-14 A mencionados.

 

Como alternativa, Sanyo ofrece los elementos tradicionales RC-1700 (peso= 55 g) o, mejor aún, los nuevos elementos CP1700 SCR (peso= 44 g) ó RC 4/5 SC (44 g), con una resistencia interna de 4 mOhm que permite alcanzar sobradamente la corriente máxima deseada. Evidentemente, el peso de la batería es muy superior (casi el doble), pero las prestaciones del motor serán excelentes y compensarán con creces este aumento de peso. Como regla general, se consiguen prestaciones más brillantes con celdas de baja resistencia interna, pese al incremento de peso que involucran.

Por último, deseo indicar que las baterías NiMH Sanyo Twicell son excelentes (por robustez y fiabilidad) en aplicaciones que requieran corrientes inferiores a 10-12 A: son perfectas en motorizaciones con Speed 400/Speed 480, alimentados con packs de 7-8 unidades en aeromodelos de hasta 800 g. 

 

Construcción de baterías a partir de elementos sueltos

La adquisición de elementos sueltos de NiCd ó NiMH es considerablemente más económica que la compra de "packs" o baterías ya hechas (puede ser la mitad del precio). Además, muchas compañías comercializan "packs" sellados sin garantía de estar compuestos de elementos originales Sanyo, quizá a precios inferiores pero con prestaciones decepcionantes. 

      

Elementos en línea                                         Elementos en zig-zag

La soldadura de los elementos, en serie (el positivo de una celda con el negativo de la siguiente), es sencilla y se puede hacer de dos formas: con los elementos en línea, o en zigzag. Las fotos superiores muestran un ejemplo de cada caso. Si las celdas vienen provistas de lengüetas metálicas, la soldadura en línea es sencilla, plegando las lengüetas sobre sí mismas. Si las celdas vienen desnudas, se aconseja lijar superficialmente ambos polos y estañarlos previamente, para asegurar luego una soldadura limpia. La soldadura de cada dos elementos, en zig-zag, se puede hacer con cable de cobre rígido de 1mm de diámetro (utilizado en el cableado interno de las viviendas). Esto asegura buenos contactos eléctricos sin caídas de tensión aparentes para corrientes de hasta 30 A. Conviene estañar previamente los extremos del cable de cobre, para facilitar la soldadura.

Tras soldar los elementos se efectúa la conexión de los cables de alimentación, del grosor adecuado (al menos 1 mm de diámetro de hilo). Para corrientes de hasta 25 A se pueden utilizar conectores Tamiya (Foto 1); con corrientes superiores se deben emplear conectores tipo banana, dorados, de 3 mm. Por último, se recomienda embutir la batería en una manga de plástico termo-retráctil, que se contraerá aplicando calor con un secador de pelo o plancha, dando una enorme resistencia mecánica al conjunto.

 

Carga y descarga de las baterías

El calor es el gran enemigo de los elementos de NiCd y aún más de las de NiMH. Si se carga una batería con una corriente elevada y una vez alcanzada la carga máxima se sigue suministrando corriente, ésta se disipará en el interior de la batería en forma de calor, pudiendo deteriorarla o incluso destruirla. Existen cargadores de baterías comerciales que detectan el momento de carga máxima, pues en ese punto se observa un pico en el voltaje (aumenta hasta un máximo y luego disminuye), interrumpiendo en ese momento el proceso de carga. Estos cargadores permiten un proceso de carga relativamente rápido, con corrientes de 2 a 3 C, para NiCd, y 1C para NiMH, donde C es la capacidad de la batería. Una batería de RC-2000 (capacidad 2Ah) se puede cargar a 3C= 6A, sin deterioro si el proceso de carga se interrumpe una vez alcanzada la máxima capacidad. Tras la carga rápida, se observa que las baterías están tibias.

      

Hay cargadores muy económicos (en la primera Foto, Ultramat 5 de Graupner), que conectados a la batería de un coche o a una fuente de alimentación de 12-14 V permiten cargar baterías de hasta 7 elementos, con corrientes que se auto-seleccionan hasta un máximo de 5 A, en baterías de baja resistencia interna (p. ej. RC-2400). Si se desea cargar baterías de mayor número de elementos, se ha de contar con  un cargador más sofisticado, que se puede conectar a la red o también a una batería de coche o fuente de alimentación de 12 V. Recomiendo el Intelli-Control de Simprop (segunda Foto), capaz de cargar baterías de NiCd, NiMH de hasta 25 elementos, con corrientes de hasta 5 A. Su relación calidad/precio es excelente. También permite ciclar baterías (cargas y descargas sucesivas), con lo que se regeneran y mantienen con prestaciones óptimas.

 

Memoria y ciclado de baterías

El llamado "efecto de memoria" en las baterías de NiCd (que no existe en las de NiMH) es aún motivo de controversia. Mientras que la experiencia de mucha gente asegura que la descarga parcial de una batería de NiCd, seguida de una carga y otra descarga parcial etc. va reduciendo poco a poco la capacidad de la batería, en otras fuentes se asegura que el efecto de memoria es ficticio, y sólo se da si la descarga parcial sucede en todas las ocasiones hasta el mismo punto, lo que es muy improbable que ocurra en la realidad. El supuesto efecto de memoria se puede suprimir mediante el ciclado de las baterías, descargándolas CASI por completo y volviéndolas a cargar en su totalidad varias veces.

 

Lo que está totalmente demostrado es que las baterías recién adquiridas son "perezosas" y no adquieren su máxima capacidad ni entregan su máxima corriente hasta que se las ha ciclado algunas veces. Este efecto también se observa en baterías que se han cargado con una corriente no muy elevada pero durante un largo tiempo (días o semanas): esto produce el crecimiento de cristales en el electrolito y reduce drásticamente la capacidad de carga, pero se puede solucionar ciclando las baterías algunas veces.

 

 Otra certeza es que NUNCA SE DEBE DESCARGAR COMPLETAMENTE una batería, bajo riesgo de producir la llamada "inversión de polaridad": una batería nunca está compuesta de n elementos exactamente iguales, en capacidad y prestaciones, por lo que, en una descarga total, inevitablemente se descargará antes el elemento más débil, y al seguir circulando corriente impulsada por los elementos más fuertes, se producirá la carga parcial del elemento débil con polaridad contraria. Esto es nefasto para la vida útil de ese elemento, pues en su interior se crean dendritas metálicas que pueden llegar a cortocircuitar los dos electrodos, destruyendo la celda.

 

En vuelo eléctrico, es sabio descargar una batería hasta el punto en que salta el BEC del regulador de velocidad, lo que implica que la batería aún conserva una cierta carga. Los cargadores de baterías capaces de ciclarlas nunca las descargan completamente. Un batería así descargada (conservando aún una pequeña fracción de su carga) se conserva por tiempo ilimitado, y tendrá una vida útil de cientos de ciclos de carga y descarga. Elementos particularmente robustos resultaron ser los N-1250 SCRL de Sanyo, hoy día superados en capacidad, para su tamaño, por los elementos 4/5 RC de 1600 mAh, pero cuya durabilidad aún está por demostrar en el tiempo.

 

Baterías de NiCd frente a NiMH

Como ventajas fundamentales, las baterías de NiMH tienen una mayor densidad de carga (capacidad/peso superior, aprox. 40%-70% más capacidad); no contienen Cd (tóxico) y aparentemente no tienen efectos de pérdida de capacidad por mal uso, o de formación de dendritas. Como inconvenientes, tienen una resistencia interna superior que limita su uso en aplicaciones de alta potencia. Es cierto que han aparecido nuevos tipos en el mercado (Sanyo RC 3000 HV, RC330 HV) que prácticamente igualan en capacidad de descarga a las celdas del mismo tamaño de NiCd, RC2400.  Otro inconveniente es que no admiten una carga tan rápida como las de NiCd, bajo riego de deteriorarlas. Es buena medida no cargarlas a regímenes  superiores a C: una celda RC3000 HV se podrá cargar sin problemas a 3 A. Aún más que en el caso de NiCd, los elementos de NiMH son sensible al calor: un sobrecalentamiento puede producir gases internos y sobrepresiones que dan lugar a escapes de electrolito y pérdidas de estanqueidad, reduciendo la vida útil de las celdas. El estado de carga total es también más difícil de detectar en las NiMH, por lo que se recomienda el uso de cargadores que especifiquen su aptitud para cargar baterías de NiMH, evitando así sobrecalentamientos indeseados.

 

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