Gráfica de descarga al inicio, efecto "coup de fouet"

 En las baterías estacionarias, generalmente la descarga comienza desde el estado de flotación o desde el voltaje en circuito abierto (OCV) cuando se realizar un test de capacidad (tanto en baterías estacionarias como de tracción).

En el inicio de la descarga se produce una caida de tensión, esta caida se puede expresar según la siguiente ecuación:

DU (delta U)= I x Ri + 0,04 V/c (Ri resistencia interna del elemento)

Con la batería completamente cargada tamvién se produce durante el inicio de la descarga el efecto llamado "coup de fouet" ("voltage sack"). Indicado como DU2 (delta U2) en la siguiente gráfica:

Normalmente este valor de "coup de fouet" está entre 20-30 mV. Esto es debido al resultado del retraso en la formación de los cristales de sulfato de plomo. Si ya hay sulfato en o sobre las placas (sulfato residual), entonces la nucleación del sulfato debe de comenzar desde cero.

Después de aproximadamente un 10% del total de tiempo de descarga, el "coup de fouet" ha pasado (ha desaparecido). Esta es la razón  porque las curvas de descarga normalmente empiezan solo desde un 10% de profundidad de descarga, es decir comenzando con el voltaje nominal inicial de descarga (Ui en la gráfica anterior).

Vuelvo a definir el voltaje inicial de descarga Ui, como el voltaje inicial de descarga después del 10% de descarga a la corriente de descarga asignada.

 

Definiciones de los términos empleados en la Carga de una Batería

 En ocasiones existen confusiones en los términos en inglés empleados en la carga de una batería. He recopilado una serie de terminos en inglés y la explicación en español de su significado (fuente Blei-Fibel by Hoppecke):

Charging: Charging es la conversión de la energía eléctrica en energía química

Charge: Una "charge" (carga) se define con la la operación de una carga completa

La carga de una batería de Plomo-ácido se considera finalizada cuando el voltaje de la celda y los valores de la densidad no se incrementan en un período de 2 horas.  

Full charge: Es una carga con la conversión completa de la materia activa

Partial charge: Es una carga con una conversión incompleta de la materia activa

Commisioning: Commisioning de una batería es la primera carga que se realiza después del llenado con electrolito, también se puede llamar "initial charge".

Equalizing charge: Este tipo de carga se define como una carga adicional que se aplica a la batería para garantizar la completa conversión de la materia activa en todas las celdas. 

Overcharging: Es una carga adicional que se aplica a la batería después de haber completado la conversión de la materia activa. 

Float charging: Este tipo de carga es una carga a voltaje constante, sin límite de tiempo, diseñado para mantener la batería en un estado de carga completa. 

Trickle charging: Es una forma de carga a corriente constante, sin límite de tiempo, diseñado para mantener la batería en un estado de carga completa. Este término normalmente se puede confundir con la carga en flotación.

Interval charging: Es una carga periódica a intervalos de tiempo establecidos, para mantener la batería en estado de carga completa. Método no usado en la actualidad.

Rapid charging: Carga rápida de la batería con una corriente de carga multiplo de la corriente nominal de la batería con objeto de reducir el tiempo de carga. Este tipo de carga se aplica como máximo un 40% de la corriente nominal en la primera fase de carga hasta el punto de gaseo. Ver la entrada de cargadores rápidos del 26 de Noviembre del 2017. 

Boost charging: Es una forma de carga que utiliza los valores máximos de la curva característica de carga. 

Charging method: Es el tipo de patrón (forma) de la corriente y voltaje durante la carga según lo definido por las características de la unidad de carga.

Charging characteristics: Es la gráfica que nos muestra la relación entre la corriente y el voltaje durante la carga (ver DIN 41772).

Constant voltaje charging: Es una carga que se produce con un voltaje de carga constante (DIN 41772).

Constant current charging: Es una carga que se produce con una corriente constante (DIN 41772). 

La carga IU sería una combinación de ambos métodos de carga.

State of charge: Se define como el ratio entre la cantidad de corriente suministrada en un momento determinadio por el cargador y la capacidad nominal de la batería.

Charge factor (factor de carga): Es el ratio entre la cantidad de electricidad requerida para una carga completa de la batería y la cantidad de electricidad previamente extraida (descargada). Es el valor recíproco de la eficiencia de la carga. Contra menor es este valor mayor la eficiencia del cargador.

Un valor normal de factor de carga sería del 1.20 (curva IUIa), hay que tener en cuenta que para profundidad de descargas del 5-20% el factor de carga suele ser mas elevado de 1.20, normalmente de 1.25. dependiendo también de la altura del elemento (contra mayor altura mayor FC). En baterías VRLA el factor de carga requerido suele ser menor que las baterías VLA y suele estar alrededor 1.10. Esto se debe al efecto de capilaridad de la materia de estas baterías que evita el efecto de estratificado lo que restringe en gran medida la formación de capas ácidas. En las baterías abiertas con sistema de recirculación de aire el factor de carga baja a 1.05 aproximadamente.

Eficiencia del cargador: Se define como el cociente entre la cantidad de electricidad extraida (descargada) en Ah y la cantidad de electricidad que se ha de suministra (injectar) en Ah.

End-of-charging voltage: Es el valor del voltaje final a la finalización de la carga completa a corriente constante.

Float charge voltage: Es el voltaje aplicado a la batería para conseguir la necesaria corriente de carga de flotación (float charge current).

Float charge current: Es la corriente que circula por la batería para mantenerla en el estado de plena carga.

End-of-charging current: Es la corriente al final de la carga y es definida por el tipo de batería.

Ajuste de la densidad del ácido

 La densidad del ácido varia significativamente debido a la disociación del agua por  la electrólisis que se produce en la fase de gasificación durante la carga. El nivel de electrolito desciende debido a la perdida de agua. La densidad del ácido sulfúrico sin embargo sube, al haber menos agua hay una reducción de la dilución o un incremento en la concentración. 

El operario de las baterías estacionarias debe de tener claro que una densidad de 1,24 Kg/l medido con el nivel de electrolito por debajo de la marca de "min", al añadirle el agua destilada recuperará la densidad nominal de 1,22 Kg/l (por ejemplo en baterías GroE). Hay que tener en cuenta que el entremezclarse, el agua añadido y el electrolito existente, puede tardar varias semanas si la batería se encuentra en el modo de flotación (por ejemplo, 2,23 v/c). La razón es que en la etapa de flotación no existe desprendimiento masivo de gas. Una posibilidad sería la de incrementar la carga por encima de 2,35-2,40 v/c para conseguir el mezclado de electrolito en poco tiempo, perto esto no es aboslutamente esencial para el funcionamiento de la batería de plomo-ácido.

Una de las operaciones usuales por los técnicos de mantenimiento de baterías es el ajuste de ácido (o reglaje de ácido) debido a una densidad demasiado baja o demasiado alta. Esta perdida de la densidad puede ser ocasionada, por ejemplo por desbordamientos de electrolito o volcado accidental de la batería. Los técnicos de campo suelen hacer esta operación a "ojo", es decir, extraen una cantida de electrolito aproximado y añaden agua o ácido en la misma cantidad según si la densidad es demasiado alta o baja y van repidiendo el proceso hasta conseguir la densidad deseada. Este proceso se podría hacer mas preciso de la siguiente forma:

Suponiendo que la densidad del electrolito es demasiado alto, se aplicaría la siguiente fórmula:

x = ((b-a) x 1000) / b   (1)

Si la densidad del electrolito es demasiado baja, la formula a aplicar sería:

y = ((a-b) x 1000) / c-b  (2)

Dónde:

x = cantidad de electrolito que se ha de reemplazar por agua en cm3/l

y = cantidad de electrolito que se ha de reemplazar por ácido de mayor densidad (por ejemplo ácido al 50% de concentración) en cm3/l.

a = g/l H2SO4 de la densidad requerida

b = g/l H2SO4 de la densidad medida

c = b/l H2SO4 de la densidad mas alta (ej: ácido del 50%) para ajustar el ácido utilizado.

Pongamos un ejemplo de ambos casos:

Caso 1:

Densidad actual: 1,312 Kg/l

Densidad deseada: 1,290 Kg/l

Total litros elemento (celda): 4,2

Aplicando la fórmula 1 obtenemos: 

x = ((1,312-1,290) x 1000)/ 1,312 = 16,76 cm3/l

Total: 16,76 x 4,2 = 70,39 cm3 de electrolito que se tendría que reemplazar por agua

Caso 2:

Densidad actual: 1,240 Kg/l

Densidad deseada: 1,290 Kg/l

Total litros elemento (celda): 4,2

Ácido con concentración del 50% (1,395 Kg/l) para el ajuste

Aplicando la fórmula 2 obtenemos:

y = ((1,290-1,240) x 1000 / 1,395-1,240 =  322,58 cm3/l

Total: 322,58 x 4,2 = 1.354,83 cm3 de electrolito que se tendría que reemplazar por electrolito concentrado.

Tabla de concentración del ácido sulfúrico a 20ºC (fuente Blei Fiber by Hoppecke):

Valores nominales en el funcionamiento de las Baterías

 Capacidad nominal de la Batería

La capacidad nominal es la cantidad de electricidad que puede ofrecer una batería durante la descarga en condiciones nominales (corriente de descarga, tiempo de descarga, voltaje final de descarga, temperatura, densidad y nivel de electrolito). La capacidad nominal Cn es el especificado por el fabricante.

Según la norma DIN y publicaciones IEC, la capacidad nominal se define según los siguientes criterios:

Baterías Plomo-ácido:

Cn = C5 para baterías de tracción a una temperatura de 30ºC y un voltaje final de descarga de 1,70 v/c.

Cn = C10 para baterías de estacionario a una temperatura de 20ºC y un voltaje final de descarga de 1.80 v/c.

Cn = C10 para baterías selladas a una tempoeratura de 20ºC y un voltaje de final de descarga de 1,75 v/c.

Voltajes nominales

Baterías de plomo-ácido: 2.0v

Baterías de Nickel-Cadmio: 1,2v

El voltaje nominal de una batería sería el producto del número de celdas conectadas en serie por el voltaje nominal de la celda.

Corriente nominal

La corriente nominal de la batería es la corriente asignada a la capacidad nominal de la misma

In = Cn / tn (Cn=Capacidad nominal/Tiempo nominal)

Una batería de tracción con una Cn de 620Ah en un tiempo de 5h le corresponde una corriente nominal de 124A con un voltaje de descarga de 1,70 v/c. 

Modos de conexión para baterías estacionarias

 Vamos a explicar en esta entrada las formas de conexión de las baterías estacionarias.

La forma mas común de funcionamiento para las baterías estacionarias es lo que se llama: Standby power operation.

La batería está conecta en paralelo con una fuente de corriente continua (rectificador) que alimenta una carga. Mientrás funciona el rectificador, la batería se alimenta de esta fuente solo con la corriente de flotación de carga lenta. Por lo tanto la batería está en espera (standby) con una conservación de la carga constante. En el caso de fallo de la red eléctrica, es decir, del rectificador, la batería alimenta la carga sin interrupción y es recargada de nuevo por el rectificador una vez subsanada la avería. 

Sin embargo, hay otros modos de funcionamiento (por ejemplo, el funcionamiento de carga/descarga o el funcionamiento en "buffer"). Los diferentes modos de operación basados  en DIN VDE 0510 Part 2 y DIN 40729 serían:

1. Battery Operation (funcionamiento en carga/descarga).

En este modo, la carga se aplica únicamente por la batería.

2. Switch Operation (conmutación)

En este modo de funcionamiento, la batería está separada de la carga y se mantiene en un estado de plena carga. Si la fuente de alimentación continua falla, entoncés la carga es conmutada a la batería. 

3. Operación en paralelo

En este modo, la carga, la fuente de continua y la batería están continuamente conectadas en paralelo. 

Una forma de funcionamiento en el modo paralelo es la fuente de alimentación continua de la batería en la que la batería suministra enegía solo cuando la fuente de CC falla. Al mismo tiempo la fuente de continua está siempre en posición de suministrar energía a la carga y de actuar como cargador de la batería. La batería se mantiene en un estado de carga completa.

Otra forma de funcionamiento en paralelo, es la operación en Buffer. La batería se utiliza para satisfacer la demanda de corriente máxima. En ocasiones, la corriente de la carga temporalmente excede de la corriente nominal de la fuente de continua. La batería no está completamente cargada en todo momento.