Carga de baterías directamente desde un enchufe de pared de 117 voltios

117VAC es una onda sinusoidal que se eleva hasta un pico de$\sqrt2\times 117 = 165.5V$luego vuelve a través de cero a un pico negativo de -165.5V luego vuelve a cero y se repite.

¿Cómo le permite esto cargar una batería de 117 V incluso si la rectificó? Aún obtendría picos de aproximadamente 164 V que caen a cero y luego vuelven a subir a 164 V.

Primero, ajustemos el voltaje del paquete de baterías a 165,6 V o 46 celdas, porque el voltaje máximo de la señal de CA es$\sqrt { 2 } * 117 = 165.46V$. Luego rectifique el voltaje, para que no estemos polarizando inversamente el paquete de baterías:

Ahora aplique ese voltaje de CA al paquete de baterías cuando esté completamente descargado a 92 V (2 V por celda) y la única vez que fluirá una corriente de carga será cuando el voltaje de la línea de CA exceda el voltaje del paquete de baterías.

En este gráfico, V(n001) es el voltaje de CA. V(n002) es el voltaje en el terminal positivo de la batería. I(V2) es la corriente en la batería, asumiendo un 10$\Omega$resistencia interna, que es un valor que seleccioné al azar.

Esto tiene 2 problemas potenciales :

1. No creo que esto sea un problema importante, ya que la corriente puede ser baja y los efectos insignificantes, pero no es bueno que toda la corriente del sistema fluya en un solo punto de la forma de onda. Este es un ejemplo de factor de potencia de distorsión no lineal/no sinusoidal. (A diferencia del factor de potencia de desplazamiento, que es lineal y está desfasado). Esto es similar a una fuente de alimentación conmutada básica, que solo consume energía cuando el voltaje de CA rectificado excede el voltaje del capacitor de almacenamiento. De wikipedia:

   la corriente de entrada de dichas fuentes de alimentación conmutadas básicas tiene un alto contenido de armónicos y un factor de potencia relativamente bajo. Esto crea una carga adicional en las líneas de servicios públicos, aumenta el calentamiento del cableado del edificio, los transformadores de servicios públicos y los motores eléctricos de CA estándar, y puede causar problemas de estabilidad en algunas aplicaciones, como en los sistemas de generadores de emergencia 3

   ¿Cómo causa esto el calentamiento del cableado del edificio y los transformadores de servicios públicos? Aquí hay una forma de pensarlo: un circuito podría generar una sinusoidal constante de 5 A a 60 Hz, o podría generar picos de 20 A a 60 Hz. El calor creado por la corriente que pasa a través de un cable aumenta con el cuadrado de la corriente y la disminución en el tiempo durante el cual la corriente fluye no se compensa. ($P={ i }^{ 2 }Rt$) He tenido experiencia personal con esto al tratar de maximizar la eficiencia con una dinamo de buje de bicicleta. No fluiría corriente hasta que el voltaje excediera los capacitores de almacenamiento, luego el concentrador prácticamente se acortó y una gran parte de la energía se perdió al calentar la dínamo. (Si prefiere libros impresos, otra buena discusión sobre esto está en Ingeniería de Compatibilidad Electromagnética por Henry W. Ott, capítulo 13 sección 9.5 )

2. Esto es esencialmente un voltaje constante a través de la batería, que aumenta hasta el voltaje máximo de la batería. Esto puede causar problemas de equilibrio de celdas y una corriente excesiva, lo que puede dañar las baterías LiFePO4.

El control de la corriente a través de las baterías y la limitación de la distorsión del factor de potencia pueden resolverse con, por ejemplo, un convertidor Buck-Boost 4 que utilice un circuito de retroalimentación controlado por corriente u otra topología de convertidor conmutado y un controlador de carga IC diseñado específicamente.

En este punto, el cargador es tan complejo como el sistema original que tenía un voltaje de batería más bajo. Puede ser que requerir una reducción de voltaje más pequeña podría mejorar la eficiencia del sistema, pero creo que esto dependería del diseño general y la selección de componentes.

Otra cosa interesante para señalar aquí es que la corriente se entregaría en pulsos. He visto algunos comentarios de que la carga de corriente pulsada es segura para las baterías LiFePO4, pero no he realizado ni leído ninguna investigación al respecto, y recomendaría una mayor investigación.

El esquema y el gráfico fueron generados por LTSpice. 6

Para responder a su última y más importante pregunta: el voltaje en cada celda debe mantenerse dentro del rango correcto. Las baterías no serán físicamente idénticas, por lo que aparecerán diferentes voltajes en cada batería en la cadena en serie. Con las baterías de litio, es probable que esto provoque incendios y/o explosiones.

Los cargadores de batería adecuados tienen medios para equilibrar el voltaje entre las celdas.