sábado, 9 de febrero de 2013

Requerimientos de ventilación en una sala de carga

Según la norma EN 50272-2 la ventilación mínima necesaria de un local para la ventilación de una batería, se calcula según la siguiente fórmula (dependiendo del cargador y fabricante):

  Q = 0,05 x n x Igas x Cn x 0,001 (m3/h)

Q: cantidad de aire necesario (m3/h)
 n: número de elementos
 Igas: corriente de carga durante el proceso de gaseo
 Cn: capacidad de la batería

 Los valores de Igas según el tipo de batería y la tecnología de carga son los siguientes:

Baterías abiertas (I gas)

Curva carga IU: Limitación del voltaje a 2,4 v/c. Igas: 2A
Curva de carga IUIa: Corriente en la tercera etapa de carga. Igas máximo 6A
Curva de carga W: 25% de la corriente nominal del equipo a un voltaje de 2,6 v/c. I gas entre 5-7A

Baterías cerradas (VRLA):

Curva de carga IU: Limitación de voltaje a 2,4 v/c. Igas: 1A
Curva de carga IUIa: Corriente en la tercera etapa de carga. Igas máximo 1,5A

Con ventilación natural (aire de convección) el área de entrada y salida se calcula como:

A>= 28x Q (cm2). velocidad del aire >= 0,1 m/s

Ejemplo:

Batería 80v abierta
Capacidad: 500Ah
Curva carga: IUIa

Q= 0,05x40x6x500x0,001= 6 m3
A>= 168 cm2




Gaseo de la Batería

Durante el proceso de carga de una batería de tracción o durante la carga de flotación en baterías estacionarias, se produce un desprendimiento de gases en todas las baterías de plomo-ácido. Es el resultado de la electrolisis del agua.

 Los gases producidos son Hidrógeno (H2) y Oxígeno(O2). Cuando se expande en la atmósfera se puede crear una mezcla explosiva si la concentración de Hidrógeno es superior al 4% en el aire. Cuando una celda llega a su estado de carga máxima se produce la electrolisis del agua de acuerdo con la ley de Faraday.

Bajo condiciones estándar tenemos:
  • 1Ah descompone el agua H2O en: 420 cm3 de H2 y 210 cm3 de O2
  • La descomposición de 1 cm3 (1 gr) de H2O requiere 3Ah
  • 26,8Ah descompone el H2O en 1 gr de H2 y 8 gr de O2
  • 2 Faradays: 53,6Ah
 Cuando el proceso de carga finaliza la emanación de gas no desaparece hasta 1 hora después

domingo, 14 de noviembre de 2010

Dimensionado de cargadores en baterías de tracción

Dimensionado de cargadores para baterías de tracción abiertas (PzS) y cerradas (PzV)

Hoy en día el rango de baterías de tracción es muy diverso. Muchas de las baterías de tracción se han diseñado para aplicaciones especiales y constituye un sistema propio junto con el cargador. El correcto dimensionado de los cargadores de baterías es importante por varias razones. El tiempo de carga y el diseño específico de la batería determina básicamente el tamaño y el tipo de cargador, es decir el régimen de carga.

Para un diseño básico de las baterías se han de seguir las siguientes características:

  • Baterías abiertas (electrolito líquido)
  • Baterías abiertas con accesorios (sistemas de relleno automático, sistema de aire)
  • Baterías cerradas (electrolito de Gel, AGM)

Las aplicaciones se pueden diferenciar de la siguiente forma:

  • Aplicaciones con varios turnos: uno, dos, tres
  • Aplicaciones suaves
  • Aplicaciones con régimen de trabajo duro
  • Operaciones con cargas intermedias
Las cargas intermedias son cargas parciales que se realizan para alargar el funcionamiento de la batería. Estas cargas no reemplazan en absoluto las cargas completas regulares.

En DIN 41772 se describen las características de los cargadores. A continuación se describen las características de carga:

  • Características de carga (corriente decreciente): "Taper Charger": W
  • Características de voltaje constante: U
  • Características de intensidad constante: I
Anotaciones adicionales:
  • Regimenes de carga con cambio automático entre uno y otro: 0
  • Paro automático ("shut off"): a
De esta forma, para los cargadores se pueden establecer los siguientes regímenes de procesos de carga:

Características W ("taper"):
W, Wa, W0Wa, Wu, WUWa

Características U:
U

Características I:
I, Ia, I0Ia, IUW, IUIa

Cargadores con estas características han de respetar unas tolerancias definidas tanto para corriente como para voltajes.

Para cargadores con caracteristicas I, de acuerdo con DIN 41773: +/-2% para valores de corriente, +/-1% para el voltaje.

Para características W de acuerdo con DIN 41774: +/-0,05 Vpc

Para la carga de baterías de plomo ácido se usan cargadores regulados y no regulados. Cargadores con curva característica Wa, Wsa, W0Wa no controlan la corriente de carga. De esta manera, la corriente es susceptible de variaciones en la corriente de entrada (ver el siguiente diagrama). Mientrás que cargadores regulados con características I o U si controlan los parámetros indicados.




Figura1. Corriente de carga. Relación entre el voltaje en una curva de característica W ("taper") con el rango de tolerancia de +/-0,05 Vpc y el efecto de fluctuaciones del voltaje de entrada del 5%.




Las siguientes gráficas nos muestran ejemplos de las diferentes relaciones del voltaje U y de la corriente I. Todos los valores están referidos a una temperatura nominal de batería de 30ºC y una profundidad de descarga del 80%. El valor final de carga es de 2,65 Vpc correspondiente al valor de referencia DIN. En aplicaciones reales este valor puede ser mayor o menor según diferentes tecnologías de la batería.

1.Características Wa (simple pendiente) ("taper")





2. Características W0Wa (doble pendiente) para baterías abiertas ("taper")





3. Características IUIa para baterías abiertas





4. Características IuIa para baterías cerradas




Para la asignación de la batería al cargador se ha de seguir el siguiente criterio:

  • Batería (voltaje nominal y capacidad nominal)
  • Tecnología de la batería: PzS, PzV
  • Accesorios en la batería: sistemas de relleno automático, sistema de aire
  • Tiempos muertos en el uso de la batería
  • Tiempo de carga
  • Cargas intermedias
  • carga de ecualización o igualación

Estos factores determinan:

  • Tipo de cargador, curva de carga
  • Voltaje nominal del cargador
  • Accesorios en el cargador

El dimensionado del cargador de la batería ha de ser realizado de acuerdo con los requerimientos del fabricante de la batería. Una elección no adecuada que no se adapte a la corriente de carga y al régimen adecuado puede ocasionar los siguientes efectos:

  • Tiempos de carga no adecuados
  • Temperatura de la batería elevada
  • Excesivo gaseo
  • Mayor consumo de agua
  • Incremento de la corrosión
  • Desprendimiento de materia activa de la placa positiva
  • Carga incompleta
  • Sobrecarga

Los efectos negativos anteriores influyen en la vida útil de las baterías de tracción

En las siguientes gráficas tenemos los tiempos de carga de los regímenes de carga, el factor de carga y el diseño de la batería. Los diferentes parámetros se muestran según diferentes profundidades de descarga (DOD) y las corrientes de carga nominal.

Tiempos de carga en horas con curva Wa para baterías tipo Pzs a 30ºC



Tiempos de carga en horas con curva W0Wa para baterías PzS a 30ºC



Tiempos de carga en horas para curva IuIa para baterías PzS a 30ºC


Dimensionado del cargador para baterías abiertas tipo PzS

En comparación, la característica de carga Wa con respecto a la WoWa y IUIa, permite una corriente nominal mayor hasta alcanzar el voltaje de gaseo de 2,4 Vpc (30ºC).

El factor de carga FC es el ratio entre lo cargado y los amperios hora descargados. En el caso de un cargador estándar un factor de 1.2, por ejemplo, se cargan 480 Ah en una batería de 500 Ah que se ha descargado al 80%.

Cálculo: 80% de 500 Ah = 400 Ah x 1,2 = 480 Ah

Baterías que dispongan del sistema Trak air de Hoppecke, únicamente necesitan un factor de carga de 1,07. Los cargadores mas sofisticados (tipo los Trak Power by Hoppecke) automáticamente ajustan la carga al factor de carga correcto, el tiempo de carga final se adapta a la profundidad de descarga de la batería.

Ejemplo de cálculo:

Para una curva Wa y baterías del tipo PzS sin Trak air y un factor de carga de 1,20, la corriente nominal del cargador se calcula: El tiempo de carga no debe sobrepasar las 12h. la batería tiene una capacidad nominal de 800 Ah y la profundidad de descarga es del 80%. Mediante la gráfica correspondiente la corriente de carga nominal es de 14 A/100Ah. Por lo tanto la corriente nominal del cargador es de 8x14A = 112 A.

Dimensionado del cargador para baterías cerradas del tipo PzV

Para baterías cerradas de tracción con el electrolito del tipo Gel solo se pueden usar cargadores regulados con curva IUIa como se muestra en la siguiente gráfica.


Tiempos de carga en horas con curva IUIa para baterías PzV a 30ºC

El tiempo de la última fase de carga se ha de ajustar de acuerdo con el tiempo de carga principal. El factor de carga no está permitido su uso por una combinación de efectos. Para el cálculo del consumo de energía se puede usar un factor de carga de 1,10.

Para baterías de tracción cerradas una óptima vida de la batería se puede conseguir con una profundidad de descarga del 60%. Descargas del 80% son posibles y se pueden conseguir con respecto a la aplicación y según el tamaño de la batería pero siempre siguiendo los consejos del fabricante.

Cargadores con curva Wsa

Para ciertos tipo de baterías del tipo PzS, voltajes de final de carga mas altos se pueden encontrar debido a una mayor densidad nominal y bajo contenido de antimonio en las placas. A consecuencia de este hecho los tiempos de carga son más largos. Estas baterías pueden cargarse con una curva mas pronunciada "steeper charge", por ejemplo, corrientes de carga mayores en la etapa de gaseo. Debido a la forma de construcción del transformador, la curva de carga es mas pronunciada con la ventaja que la corriente de carga se ve menos afectada por fluctuaciones en la corriente de entrada. Normalmente la dependencia de la corriente de carga con respecto a las fluctuaciones de la corriente de entrada en los 2,40 Vpc se reduce en un 20% y en el punto de 2,65 Vpc en un 30%. Con un incremento de la corriente de carga y una curva de carga pronunciada ("steeper") estas baterías se pueden cargar entre las 8h a 14h a 30ºC dependiendo del ajuste de la corriente de carga con respecto al ratio de la capacidad nominal, cuando la batería se descarga a un 80% de DOD. El factor de carga de 1,17 no debe de tener una tolerancia mayor del +/-0,02. Esto se puede conseguir, por ejemplo, Ah, dU/dt o Dl/dt algoritmos de control de carga. Adicionalmente, un corte de seguridad limitado por tiempo ha de existir, en el caso de no alcanzar el voltaje de gaseo de 2,40 Vpc referido a 30ºC, en un tiempo de 8h con la corriente nominal de carga de no mas de 16A/100Ah.

En todos los casos un corte de seguridad es necesario.


Curva de carga Wsa


Tiempos de carga en horas para curva Wsa para baterías PzS a 30ºC

Atención:

Importante es el ajuste del cargador con la batería dependiendo de la aplicación, considerando las siguientes tolerancias:

Factor de carga: +/-0,02
Tiempo de carga: +/-0,5h
Profundidad de descarga: +/-5%

El cargador ha de cumplir la normativa DIN EN 50272-3 y DIN EN 60146 -1 -1 aparte de otros estándares y regulaciones.

Fuente ZVEI Batterien: "Charger assignments for traction batteries in vented (PzS) and in valve regulated (PzV) design"

Apéndice

La siguiente tabla muestra la capacidad del cargador para diferentes tipos de curvas y tiempos de carga.






sábado, 12 de junio de 2010

Limpieza de Baterías

Una batería limpia es una necesidad absoluta, no solo por la apariencía externa sino para evitar accidentes y daños, además de reducir la vida útil de la misma y de la disponibilidad funcional de la batería. Es necesario limpiar el cofre, conexiones, elementos y el habitaculo dónde están las baterías para mantener el aislamiento requerido entre elementos, tierra (masa) y partes conductivas. Además, la limpieza impide daños por corrosión o corrientes de fuga.

La resistencia de aislamiento en las baterías de tracción de acuerdo con la normativa DIN EN 50272-3 debe de ser mínimo de 50 ohm por cada voltio del voltaje nominal. La resistencia de aislamiento en baterías para vehículos eléctricos industriales según la norma DIN EN 1175-1 debe de ser mínimo de 1000 ohm.

Con respecto a las baterías de estacionario, la resistencia de aislamiento debe de ser por lo menos de 100 ohm por cada voltio del voltaje nominal según la norma DIN EN 50272-2.

Dependiendo del tiempo de funcionamiento y lugar, es inevitable que el polvo se deposite en la batería. Pequeñas cantidades de partículas de electrolito escapan de la batería durante el proceso de carga durante la etapa del voltaje de gaseo, forma una capa mas o menos conductora en los elementos (cells) o en la cubierta de los monoblocs. De esta forma una corriente de fuga fluye por esta capa. Como resultado de ello, se incrementa y varia la autodescarga en cada uno de los elementos de la batería o en las baterías monoblocs.

Esta es una de las razones porqué los conductores de carretillas eléctricas se quejan de la falta de autonomía después de que una batería haya estado parada durante un fin de semana.

Si hay una corriente alta de fuga, puede ocasionar chispas eléctricas que puede causar una explosión del gas de la carga (gas detonante), que se libera por los tapones o válvulas.

Por estos motivos, la limpieza de la batería es necesario no solo para asegurar un tiempo de funcionamiento continuo del sistema, sino también es una parte esencial para la prevención de accidentes.

Instrucciones generales de seguridad para la limpieza de Baterías

  • Observar las reglas de seguridad mencionadas en los respectivos manuales de funcionamiento para baterías de estacionario como en baterías de vehículos eléctricos.
  • Usar gafas de seguridad y ropa de protección adecuada.
  • Para prevenir la creación de electricidad estática cuando se manipulan baterías, se requiere el uso de botas de seguridad, guantes, y materiales para que se cree una superfice de resistencia de <= 10(8) ohm.
  • No usar trapos secos para la limpieza

Limpieza de Baterías estacionarias

  • Los tapones no deben de ser extraidos o abiertos. han de estar cerrados. Observar las instrucciones del fabricante.
  • Las partes plásticas de la batería, en particular los contenedores de los elementos deben de ser limpiados exclusivamente con agua y/o trapos humedecidos sin nigún tipo de detergente.
  • Después de la limpieza, secar la superficie de la batería de forma apropiada, por ejemplo con aire comprimido o con material antiestático (por ejemplo algodón).

Limpieza de Baterías en vehículos de tracción

  • Antes de la limpieza, sacar la batería del vehículo.
  • El lugar para la limpieza debe de ser el adecuado y habilitado para este uso. El agua sobrante con electrolito debe de recogerse en un depósito o contenedor especial para su reciclado posterior. Seguir la normativa local vigente para el tratamiento de este líquido.
  • Los tapones de los elementos no deben de sacarse o abrirse. Deben de estar cerrados en todo momento. Observar las instrucciones del fabricante.
  • Las partes plásticas de la batería, en particular los contenedores (carcasas externas) se deben limpiar exclusivamente con agua y/o con trapos humedecidos en agua sin usar detergentes.
  • Después de la limpieza, secar la superficie de la batería de forma adecuada, por ejemplo con aire comprimido o con material antiestático (por ejemplo algodón).
  • Cualquier líquido que caiga dentro del cofre de la batería debe de sacarse por succión y disponer en lugar adecuado para su reciclaje según la normativa local vigente.

Las baterías de los vehículos eléctricos de tracción pueden ser limpiadas con equipos de limpieza de alta presión. Para evitar daños, durante la limpieza, sobre todo a las partes de plástico como pueden ser las tapas de los elementos, los recubrimientos de aislamiento de los puentes y tapones, observar los siguientes puntos:

  • Los puentes de interconexión entre elementos deben de estar bien apretados en su lugar.
  • Los tapones deben de estar cerrados y en su lugar.
  • No se deben de usar detergentes.
  • La temperatura máxima admisible para este tipo de aparatos no cebe de ser superior a los 140ºC. Asegurarse de que a 30 cm de la boquilla de salida, la temperatura no excede de 60ºC.
  • La distancia entre la boquilla de la manguera del aparato de alta presión y la batería no sea menor de 30 cm.
  • La presión máxima de trabajo no sea superior a los 50 bares.
  • Limpiar zonas amplias de la batería al mismo riempo, para evitar sobrecalentamientos en un punto determinado de la superficie.
  • No dejar el chorro de agua en un mismo punto por mas de 3 segundos.
  • Después de la limpieza, secar la superficie de la batería de forma apropiada, por ejemplo con el uso de aire comprimido o material antiestático (por ejemplo algodón).
  • No usar secadores de aire caliente con llama visible o resistencias eléctricas.
  • La temperatura de la superficie de la batería no debe de exceder de 60ºC
  • Cualquier líquido que haya caido dentro del cofre, debe de ser extraido por succión y depositarlo en el lugar adecuado para su reciclaje.

Esta información ha sido obtenida de las recomendaciones de la asociación ZVEI Batterien.

sábado, 21 de noviembre de 2009

Factores que modifican la capacidad de la Batería (2/2)

Ciclos de carga/descarga (ciclos de vida)

Es el número de ciclos de carga/descarga que la batería puede soportar para una profundidad de descarga, régimen de descarga y temperatura determinadas. En cada ciclo se producen cambios irreversibles dentro del elemento. Estos cambios ocasionan una reducción gradual en la capacidad disponible. La capacidad de una batería de plomo-ácido permanece relativamente constante durante gran parte de su vida útil, pero cuando comienza a decaer lo hace de una forma muy rápida.

Sultatación

Una batería sulfatada, es decir, con restos de sulfato en las placas hace disminuir la capacidad de la batería. Los cristales de sulfato de plomo se endurecen en las placas. Estos cristales limitan el área disponible para la reacción electroquímica de las placas. Una vez que el PbSO4 se ha cristalizado la carga normal no puede disolverlas en el proceso de la carga.

Varias causas producen este efecto en las baterías:

  • Cargas incompletas
  • Cargadores mal dimensionados para la capacidad de la batería
  • Dejar la batería descargada por un periodo largo de tiempo
  • Bajo nivel de electrolito
  • Sobrecargas muy frecuentes
  • Operar a temperaturas elevadas

Densidad no correcta

En la siguiente gráfica vemos la gráfica de capacidad con respecto al tiempo de descarga en horas. Esta curva corresponde a valores de la batería 4 OPzS 200. Como ejemplo, a C10 de descarga tenemos una capacidad de 115% para una densidad de 1,27 Kg/l, una capacidad de batería de 100% para una densidad de 1,24 kg/l y de 85% para densidad de 1,21 Kg/l.





Autodescarga (tiempo de almacenaje)

La autodescarga es una perdida de capacidad de la batería a lo largo del tiempo. El porcentaje de autodescarga depende de la concentración del electrolito, tipo de aleación de plomo utilizada, años de uso de la temperatura y de la temperatura.



El tiempo de almacenaje o el tiempo que una batería está parada sin uso a parte de la temperatura ambiental modifican y alteran la capacidad de la batería. En la siguiente gráfica podemos ver la perdida de capacidad de la batería en relación a los meses sin uso de la misma y de la temperatura ambiente. A más temperatura la reducción de la capacidad es más acusada que para temperaturas más bajas. Como ejemplo, una batería a temperatura ambiente de 25ºC la capacidad se ha reducido a la mitad en 8 meses.

domingo, 15 de noviembre de 2009

Factores que modifican la capacidad de la Batería (1/2)

Los factores que afectan la capacidad de la batería son:

  • Temperatura electrolito
  • Régimen de descarga
  • Profundidad de descarga (DoD)
  • Ciclos de carga/descarga
  • Sulfatación
  • Densidad no correcta
  • Autodescarga (tiempo de almacenaje)

Vamos a explicar brevemente cada uno de ellos.


Temperatura del electrolito.

Sin duda uno de los factores mas importantes que afectan la capacidad de una batería tanto de tracción como de estacionario es la temperatura. Para baterías de tracción a una temperatura del electrolito de 30ºC tenemos una capacidad del 100% (20ºC para baterías de estacionario). A menos temperatura la capacidad disminuye, tal como se muestra en la siguiente figura. Por contra, a mas temperatura la capacidad aumenta llegando casi a un 120% de capacidad nominal. De todas maneras al aumentar la temperatura la vida de la batería disminuye, del orden del 30% por cada 10ºC de aumento.


Las bajas temperaturas disminuyen la capacidad del acumulador, como hemos visto, debido a que la profundidad de descarga para un voltaje de corte y un régimen de descarga determinado disminuye con la disminución de la temperatura. Esto ocurre porque cuanto menor sea la temperatura mayor es la viscosidad del electrolito y más lento son los procesos de difusión iónica.

Régimen de descarga.

Es otro factor muy importante. Al aumentar el régimen de descarga disminuye la capacidad de la batería debido a que al aumentar la intensidad de descarga aumenta la resistencia interna de la batería lo que ocasiona que la capacidad sea menor (C10,C5,C1). Es decir, que si descargamos una batería mas rápidamente de la capacidad indicada por el fabricante según la norma DIN 40736-1 según su valor Cnominal, la capacidad disminuye por el motivo comentado anteriormente. Como ejemplo os incluyo las características de las baterías OPzS de Hoppecke, para diferentes capacidades de descarga a C10, C5, C3 y C1.




Vuelvo a insitir, porque considero de que es muy importante, que la capacidad de una batería, es decir, la corriente que es capaz de dar en un determinado tiempo, depende del régimen de descarga, de manera que a medida que la intensidad de esta última es mayor, la capacidad en (Ah) disponible de la batería disminuye, debido al aumento de la resistencia.

Profundidad de Descarga (DoD)

El tercer factor mas importante que influye en la disminución de la capacidad de una batería. La profundidad de descarga se define como los amperios-hora extraídos de una batería plenamente cargada expresado como un porcentaje de la capacidad nominal. Una batería no se ha de descargar por encima del 80% de su capacidad nominal. Es decir, una batería de 620Ah no se tendría que descargar mas de 496Ah, lo que, tal como vimos en una primera entrada de este blog, representa una densidad 1,13 Kg/l que corresponde a un voltaje de 1,97 v/cell. A partir de este punto la energía y la potencia disponibles disminuyen rápidamente y si se continua con la descarga se produce una reducción brusca del voltaje y riesgos de provocar reacciones irreversibles.

Como regla general, mientrás menor sea la cantidad de energía que se extrae de la batería durante cada ciclo, mayor será la vida útil de la misma.

En el siguiente blog continuaremos con el resto de factores indicados al principio de esta entrada.

domingo, 1 de noviembre de 2009

Factores que alteran la capacidad de la batería

Dejaremos de momento las curvas de carga para introducir un tema muy importante, los diferentes factores que hacen variar la capacidad nominal de una batería.

Antes de entrar en este tema, os propongo me digaís a vuestro criterio, que factores son los mas importantes e influyen en la capacidad de una batería. ¿Alguién se anima?