Batería de automóvil

Una batería de automóvil , o batería de coche , es una batería recargable que se utiliza para arrancar un vehículo de motor .

Su principal función es proporcionar una corriente eléctrica al motor de arranque eléctrico , que a su vez pone en marcha el motor de combustión interna alimentado químicamente que es el que propulsa el vehículo. Una vez que el motor está en marcha, la energía para los sistemas eléctricos del coche sigue siendo suministrada por la batería, y el alternador carga la batería a medida que la demanda aumenta o disminuye.

Por lo general, el arranque utiliza menos del tres por ciento de la capacidad de la batería. Por este motivo, las baterías de los automóviles están diseñadas para suministrar la máxima corriente durante un breve período de tiempo. A veces se las denomina "baterías SLI" por este motivo, para el arranque, la iluminación y el encendido. Las baterías SLI no están diseñadas para una descarga profunda, y una descarga completa puede reducir la vida útil de la batería. ^{[1] [2]}

Además de arrancar el motor, una batería SLI proporciona la energía adicional necesaria cuando los requisitos eléctricos del vehículo superan el suministro del sistema de carga. También es un estabilizador, que equilibra los picos de voltaje potencialmente dañinos . ^[3] Mientras el motor está en funcionamiento, la mayor parte de la energía la proporciona el alternador, que incluye un regulador de voltaje para mantener la salida entre 13,5 y 14,5 V. ^[4] Las baterías SLI modernas son de tipo plomo-ácido , y utilizan seis celdas conectadas en serie para proporcionar un sistema nominal de 12 voltios (en la mayoría de los vehículos de pasajeros y camiones ligeros), o doce celdas para un sistema de 24 voltios en camiones pesados ​​o equipos de movimiento de tierras, por ejemplo. ^[5]

Las explosiones de gas pueden ocurrir en el electrodo negativo donde el gas hidrógeno puede acumularse debido a respiraderos de batería bloqueados o un entorno mal ventilado, combinado con una fuente de ignición. ^[6] Las explosiones durante el arranque del motor generalmente están asociadas con postes de batería corroídos o sucios. ^[6] Un estudio de 1993 de la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras de EE. UU. dijo que el 31% de las lesiones por explosión de baterías de vehículos ocurrieron mientras se cargaba la batería. ^[7] Los siguientes escenarios más comunes fueron mientras se trabajaba en conexiones de cables, mientras se arrancaba el vehículo, generalmente al no conectarse a la batería muerta antes de la fuente de carga y al no conectarse al chasis del vehículo en lugar de directamente al poste de la batería conectado a tierra, y mientras se verificaban los niveles de líquido. ^{[6] [7]} Cerca de dos tercios de los heridos sufrieron quemaduras químicas y casi tres cuartas partes sufrieron lesiones en los ojos, entre otras posibles lesiones. ^[7]

Los vehículos eléctricos (VE) funcionan con una batería de vehículo eléctrico de alto voltaje , pero normalmente también tienen una batería de automóvil, de modo que pueden utilizar accesorios automotrices estándar que están diseñados para funcionar con 12 V. A menudo se las denomina baterías auxiliares.

A diferencia de los vehículos convencionales con motor de combustión interna , los vehículos eléctricos no cargan la batería auxiliar con un alternador; en su lugar, utilizan un convertidor de CC a CC para reducir el alto voltaje al voltaje de carga flotante requerido (normalmente alrededor de 14 V). ^[8]

Además, un vehículo eléctrico no tiene un motor de arranque, por lo que solo necesita una cantidad limitada de potencia y energía de su batería auxiliar. Por ello, Tesla presentó en 2021 una batería auxiliar de iones de litio que almacena solo 99  Wh de energía. ^[9]

Los primeros automóviles no tenían baterías, ya que sus sistemas eléctricos eran limitados. La energía eléctrica para el encendido la proporcionaba un magneto , el motor arrancaba con una manivela , los faros funcionaban con gasolina y se utilizaba una campana o una bocina con bombilla en lugar de una bocina eléctrica. Las baterías de automóvil se empezaron a utilizar ampliamente alrededor de 1920, cuando los automóviles se equiparon con motores de arranque eléctricos . ^[10]

Los primeros sistemas de arranque y carga fueron diseñados para ser sistemas de 6 voltios y tierra positiva , con el chasis del vehículo conectado directamente al terminal positivo de la batería. ^[11] Hoy en día, casi todos los vehículos de carretera tienen un sistema de tierra negativo. ^[12] El terminal negativo de la batería está conectado al chasis del automóvil .

La Hudson Motor Car Company fue la primera en utilizar una batería estandarizada en 1918, cuando comenzó a utilizar baterías del Battery Council International . BCI es la organización que establece los estándares dimensionales para las baterías. ^[13]

Los automóviles utilizaron sistemas eléctricos y baterías de 6 V hasta mediados de la década de 1950. El cambio de 6 a 12 V se produjo cuando los motores más grandes con relaciones de compresión más altas requerían más energía eléctrica para arrancar. ^[14] Los automóviles más pequeños, que necesitaban menos energía para arrancar, se quedaron con 6 V durante más tiempo, por ejemplo, el Volkswagen Beetle a mediados de la década de 1960 y el Citroën 2CV en 1970. La batería sellada, que no requería recarga, se inventó en 1971. ^[10]

En la década de 1990 se propuso un estándar de sistema eléctrico de 42 V. Su objetivo era permitir accesorios eléctricos más potentes y mazos de cables para automóviles más ligeros. La disponibilidad de motores de mayor eficiencia, nuevas técnicas de cableado y controles digitales, y un enfoque en sistemas de vehículos híbridos que utilizan generadores/arrancadores de alto voltaje han eliminado en gran medida la necesidad de cambiar los voltajes principales de los automóviles. ^[15]

En 2023 Tesla inició las entregas de su Cybertruck que utiliza un sistema eléctrico de 48 voltios , reduciendo el 70% del cableado del vehículo. ^[16]

Una batería de automóvil es un ejemplo de una batería de celda húmeda , con seis celdas. Cada celda de una batería de almacenamiento de plomo consta de placas alternas hechas de una rejilla de aleación de plomo rellenas con placas de plomo esponjoso ( cátodo ) ^[17] o recubiertas con dióxido de plomo ( ánodo ). ^[17] Cada celda está llena de una solución de ácido sulfúrico , que es el electrolito. Inicialmente, cada celda tenía una tapa de llenado, a través de la cual se podía ver el nivel de electrolito y que permitía agregar agua a la celda. La tapa de llenado tenía un pequeño orificio de ventilación que permitía que el gas hidrógeno generado durante la carga escapara de la celda.

Las celdas están conectadas por correas cortas y pesadas desde las placas positivas de una celda a las placas negativas de la celda adyacente. Un par de terminales pesados, revestidos con plomo para resistir la corrosión, están montados en la parte superior, a veces en el costado, de la batería. Las primeras baterías de automóvil usaban cajas de goma dura y separadores de placas de madera. Las unidades modernas usan cajas de plástico y láminas tejidas para evitar que las placas de una celda se toquen y provoquen un cortocircuito.

En el pasado, las baterías de los automóviles requerían una inspección y un mantenimiento regulares para reemplazar el agua que se descomponía durante el funcionamiento de la batería. Las baterías de "bajo mantenimiento" (a veces llamadas "sin mantenimiento") utilizan una aleación diferente para los elementos de la placa, lo que reduce la cantidad de agua que se descompone durante la carga. Una batería moderna puede no requerir agua adicional durante su vida útil; algunos tipos eliminan las tapas de llenado individuales para cada celda. Una debilidad de estas baterías es que son muy intolerantes a la descarga profunda, como cuando la batería del automóvil se agota por completo al dejar las luces encendidas. Esto recubre los electrodos de la placa de plomo con depósitos de sulfato de plomo y puede reducir la vida útil de la batería en un tercio o más.

Las baterías VRLA , también conocidas como baterías de fibra de vidrio absorbida (AGM), son más tolerantes a las descargas profundas, pero son más caras. ^[18] Las baterías VRLA no permiten la adición de agua a la celda. Cada celda tiene una válvula de liberación de presión automática para proteger la carcasa de la ruptura en caso de sobrecarga severa o falla interna. Una batería VRLA no puede derramar su electrolito, lo que la hace particularmente útil en vehículos como las motocicletas.

Las baterías suelen estar formadas por seis celdas galvánicas en circuitos en serie . Cada celda proporciona 2,1 voltios para un total de 12,6 voltios con carga completa. ^[19] Durante la descarga, en el terminal negativo (plomo) una reacción química libera electrones al circuito externo, y en el terminal positivo (óxido de plomo) otra reacción química absorbe electrones del circuito externo. Esto impulsa los electrones a través del cable del circuito externo (un conductor eléctrico ) para producir una corriente eléctrica ( electricidad ). A medida que la batería se descarga , el ácido del electrolito reacciona con los materiales de las placas, cambiando su superficie a sulfato de plomo . Cuando la batería se recarga , la reacción química se invierte: el sulfato de plomo se reforma en dióxido de plomo. Con las placas restauradas a su estado original, el proceso puede repetirse.

Algunos vehículos utilizan otras baterías de arranque. Para ahorrar peso, el Porsche 911 GT3 RS 2010 tiene una batería de iones de litio como opción; ^[20] a partir de 2018, todos los híbridos convencionales Kia Niro también cuentan con una. ^[21] Los vehículos pesados ​​pueden tener dos baterías en serie para un sistema de 24  V o pueden tener grupos de baterías en serie-paralelo que suministran 24  V. ^[22]

Las baterías se agrupan por tamaño físico, tipo y ubicación de los terminales y estilo de montaje. ^[18]

Los amperios hora (Ah o A·h) son una unidad relacionada con la capacidad de almacenamiento de energía de la batería. Esta clasificación es obligatoria por ley en Europa.

La capacidad de amperios hora se define generalmente como el producto de (la corriente que una batería puede proporcionar durante 20 horas a una tasa constante, a 80 grados F (26,6 °C), mientras que el voltaje cae a un límite de 10,5 voltios) por 20 horas. En teoría, a 80 grados F, una batería de 100 Ah debería poder proporcionar continuamente 5 amperios durante 20 horas mientras mantiene un voltaje de al menos 10,5 voltios. La relación entre la capacidad de Ah y la tasa de descarga no es lineal; a medida que aumenta la tasa de descarga, la capacidad disminuye. Una batería con una capacidad de 100 Ah generalmente no podrá mantener un voltaje por encima de 10,5 voltios durante 10 horas mientras se descarga a una tasa constante de 10 amperios. La capacidad también disminuye con la temperatura.

• Amperios de arranque en frío (CCA): la cantidad de corriente que una batería puede proporcionar a 0 °F (−18 °C) durante 30 segundos mientras mantiene un voltaje de al menos 7,2 voltios. Los automóviles modernos con motores de inyección de combustible controlados por computadora no tardan más de unos pocos segundos en arrancar y las cifras de CCA son menos importantes de lo que solían ser. ^[23] Es importante no confundir los números de CCA con CA/MCA o HCA, ya que estos últimos siempre serán más altos debido a las temperaturas más cálidas. Por ejemplo, una batería de 250 CCA tendrá más potencia de arranque que una de 250 CA (o MCA), y de la misma manera, una de 250 CA tendrá más que una de 250 HCA. ^[24]
• Amperios de arranque (CA): la cantidad de corriente que una batería puede proporcionar a 32 °F (0 °C), nuevamente durante 30 segundos a un voltaje igual o mayor que 7,2 voltios.
• Amperios de arranque marinos (MCA): al igual que CA, la cantidad de corriente que una batería puede proporcionar a 32 °F (0 °C), y a menudo se encuentran en baterías para barcos (de ahí el nombre "marino") y tractores de jardín que tienen menos probabilidades de funcionar en condiciones en las que se puede formar hielo. ^[25]
• Los amperios de arranque en caliente (HCA) son la cantidad de corriente que una batería puede proporcionar a 80 °F (27 °C). La clasificación se define como la corriente que una batería de plomo-ácido a esa temperatura puede proporcionar durante 30 segundos y mantener al menos 1,2 voltios por celda (7,2 voltios para una batería de 12 voltios).

El tamaño del grupo del Battery Council International (BCI) especifica las dimensiones físicas de una batería, como la longitud, el ancho y la altura. Estos grupos los determina la organización. ^{[26] [27]}

• En Estados Unidos, las baterías tienen códigos que indican cuándo se fabricaron. Cuando se almacenan, comienzan a perder su carga; esto se debe a reacciones químicas que no producen corriente entre los electrodos y el ácido de la batería. Una batería fabricada en octubre de 2015 tendrá un código numérico de 10-5 o un código alfanumérico de K-5. "A" es para enero, "B" es para febrero, y así sucesivamente (se omite la letra "I"). ^[23]
• En Sudáfrica, el código que aparece en una batería para indicar la fecha de producción forma parte de la carcasa y está grabado en la parte inferior izquierda de la tapa. El código es el número de año y semana (AAAA), por ejemplo, 1336 corresponde a la semana 36 del año 2013.

El exceso de calor es una de las principales causas de las fallas de las baterías, como cuando el electrolito se evapora debido a las altas temperaturas, lo que disminuye la superficie efectiva de las placas expuestas al electrolito y provoca sulfatación. Las tasas de corrosión de la rejilla aumentan con la temperatura. ^{[28] [29]} Las bajas temperaturas también pueden provocar fallas en las baterías. ^[30]

Si la batería está tan descargada que no puede arrancar el motor, se puede arrancar el motor con una fuente de alimentación externa. Una vez en marcha, el motor puede recargar la batería, si el alternador y el sistema de carga no están dañados. ^[31]

La corrosión en los terminales de la batería puede impedir que un automóvil arranque debido a la resistencia eléctrica , lo que se puede prevenir con la aplicación adecuada de grasa dieléctrica . ^{[32] [33]}

La sulfatación se produce cuando los electrodos se recubren con una capa dura de sulfato de plomo, que debilita la batería. La sulfatación puede ocurrir cuando la batería no está completamente cargada y permanece descargada. ^[34] Las baterías sulfatadas deben cargarse lentamente para evitar daños. ^[35]

Las baterías SLI (de arranque, iluminación e ignición) no están diseñadas para una descarga profunda y su vida útil se reduce cuando se someten a esto. ^[36]

Las baterías de arranque tienen placas diseñadas para una mayor área de superficie y, por lo tanto, una alta capacidad de corriente instantánea, mientras que los tipos marinos (híbridos) y de ciclo profundo tendrán placas más gruesas y más espacio en la parte inferior de las placas para que el material de la placa gastada se acumule antes de provocar un cortocircuito en la celda.

Las baterías de automóvil que utilizan placas de plomo y antimonio requieren un llenado regular con agua pura para reemplazar el agua perdida debido a la electrólisis y la evaporación. Al cambiar el elemento de aleación por calcio, los diseños más recientes han reducido la tasa de pérdida de agua. Las baterías de automóvil modernas tienen requisitos de mantenimiento reducidos y es posible que no proporcionen tapas para agregar agua a las celdas. Dichas baterías incluyen electrolito adicional sobre las placas para compensar las pérdidas durante la vida útil de la batería.

Algunos fabricantes de baterías incluyen un hidrómetro incorporado para mostrar el estado de carga de la batería.

El principal mecanismo de desgaste es el desprendimiento de material activo de las placas de la batería, que se acumula en la parte inferior de las celdas y puede acabar provocando un cortocircuito en las placas. Esto se puede reducir sustancialmente encerrando un conjunto de placas en bolsas separadoras de plástico, hechas de un material permeable. Esto permite que el electrolito y los iones pasen a través de ellas, pero evita que la acumulación de lodo forme puentes entre las placas. El lodo está compuesto principalmente de sulfato de plomo, que se produce en ambos electrodos.

El reciclaje de baterías de automóviles reduce la necesidad de recursos necesarios para la fabricación de nuevas baterías, desvía el plomo tóxico de los vertederos y previene el riesgo de eliminación inadecuada. Una vez que una batería de plomo-ácido deja de mantener una carga, se considera una batería de plomo-ácido usada (BAPU), que está clasificada como residuo peligroso según el Convenio de Basilea . La batería de automóvil de 12 voltios es el producto más reciclado en el mundo, según la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos . Solo en los EE. UU., se reemplazan alrededor de 100 millones de baterías de automóvil al año, y el 99 por ciento de ellas se entregan para reciclaje. ^[37] Sin embargo, el reciclaje puede realizarse incorrectamente en entornos no regulados. Como parte del comercio mundial de residuos , las BAPU se envían desde países industrializados a países en desarrollo para su desmontaje y recuperación de su contenido. Aproximadamente el 97 por ciento del plomo se puede recuperar. Pure Earth estima que más de 12 millones de personas en países en desarrollo se ven afectadas por la contaminación con plomo del procesamiento de las BAPU. ^[38]

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