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.

Sulfatación
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.

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.

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?

Curva de carga "WoWa" (doble pendiente)

La curva de carga WoWa descrita en la norma DIN41773, se emplea cuando el tiempo de carga es mas corto (entre 7-8h). Es una evolución de la anterior curva de carga que hemos visto, la Wa.

Para reducir el tiempo de carga, la curva WoWa admite una corriente inicial entre el 20% al 50% de la capacidad de la batería (Ah). Esta corriente suplementaria a la de la curva Wa se mantiene mientrás el voltaje del elemento es inferior a 2,40 v/cell. Cuando el voltaje de la batería alcanza el valor de gasificación de 2,40 v/cell, la corriente se reduce al valor standard de la curva Wa, para evitar sobrecalentamientos peligrosos en la batería. Cuando se quiere usarun cargador con este tipo de carga se ha de comunicar al proveedor la capacidad de la batería y el tiempo de carga deseable para su ajuste, pues tal como se ha explicado estos cargadores admiten una corriente inicial variable.

Este tipo de cargadores también se llaman cargadores de 50Hz no controlados de doble pendiente. Admite también poder cargar con aire o sin aire (Trak air) y los valores mas estándares son para un tiempo de carga de 8h y una corriente de inicio del 25% de la capacidad de la batería (Ah). Es una técnica de carga antigua que emplea una corriente de trabajo alta y posee una baja eficiencia energética.

Curva de Carga "Wa" (simple pendiente)

Según la norma DIN41774 la curva de carga Wa es la siguiente:

En este tipo de cargadores la corriente de carga sigue una curva decreciente, mientrás que el voltaje de la batería aumenta.

El cargador debe empezar con un nivel de corriente de aproximadamente un 16% de la capacidad de la batería (Ah). Después de varias horas, cuando el voltaje de la batería alcanza el valor de 2,40 v/celda (voltaje de gaseo), el nivel de la corriente debe de estar alrededor del 50% de la corriente inicial. Cuando el voltaje de la batería alcanza el valor de 2,65-2,70 v/celda, el nivel de corriente debe de ser alrededor del 25% de la corriente inicial. En este punto la carga está completa.

En esta otra gráfica apreciamos la misma curva "Wa" en los que vemos la curva que sigue la corriente y el voltaje en función del tiempo.

Los tiempos de carga con este tipo de curva se situan entre las 10-12h. El factor de carga CF es igual a 1,2. Otra de las características a destacar es la influencia que tiene el cargador a las variaciones de tensión de la red eléctrica.



En un cargador "Wa" no regulado, una variación de un 6% en la entrada de tensión de la red puede representar una corriente final de carga hasta un 60% menor. Lo vemos en el siguiente dibujo:




La intensidad inicial varia un +/-4% por cada 1% de variación del voltaje de entrada. La corriente de gaseo puede variar entre un +/-7% por cada 1% de variación del voltaje de entrada y la corriente final puede variar entre un +/-10% por cada 1% de variación del voltaje de entrada.

La forma constructiva de este tipo de cargadores esta formado por un transformados principal, un puente de diodos para rectificar la corriente de alterna a continua y un controlador electrónico de carga.





Ejemplos de este tipo de cargadores lo tenemos en la gama Hoppecke RPM y RPT:



Tiempos de carga de 10-12h
Activación automática de la carga
Fase de precarga, con posibilidad de reconocer una batería ya cargada o excesivamente cargada
Fase de igualación, con posibilidad de comienzo retrasado y duración máxima de 24 horas
Fase mantenimiento por umbral de tensión
Posibilidad de selección de la tensión de gasificación
Botón de stop/start
Visualización de las fases de funcionamiento por Leds
Tarjeta electrónica multitensión de 24v a 80v con lógica de mando y microprocesador

Características de los cargadores

Los cargadores se pueden clasificar de la siguiente forma :

• Cargadores de intensidad decrecientes o no regulados a 50Hz (Hoppecke RPM, Exactron,..)
• Cargadores regulados 50 Hz
• Cargadores de Alta frecuencia (Hoppecke Trak Power: Trak Pulse, Trak Air)

Dentro del primer grupo tenemos los cargadores de simple pendiente Wa (característica de carga degresiva de un escalón) y cargadores de doble pendiente WoWa (característica de carga de dos escalones).

Los cargadores Wa o de simple pendiente son capaces de cargar a una corriente inicial de carga relativamente alta y que va paulatinamente decreciendo en función del aumento de la tensión de la batería en la carga. Es el cargador mas sencillo del mercado.

Los cargadores WoWa o de doble pendiente tiene un principio parecido a los anteriores. La corriente inicial de carga es alta y va decreciendo en función del aumento de la tensión de la batería hasta el punto de gaseo. En ese punto la curva cambia a una curva decreciente en la que la corriente de carga es menor que en el primer escalón.

Los cargadores regulados son cargadores a tiristores con curvas de carga IUa, IUIa, IUIUa. Los cargadores de alata frecuencia HF son los mas sofisticados del momento y los que ofrecen mas funciones y una mejor y mas fiable carga de las baterías.

En los siguientes post veremos cada uno de ellos en mas profundidad.

Introducción a la carga de una batería

La energía consumida durante el proceso de descarga en una batería de tracción debe volver a llenarse durante el proceso de carga de la batería. Para volver a llenar correctamente la batería se necesita cargar mas Ah a la misma que la consumida durante la descarga en la carretilla. Esto es lo que se llama factor de carga CF y este valor es normalmente de 1,20. Es decir, se necesita añadir un 20% extra mas de Ah (amperios hora) a la batería.

Por ejemplo, una batería de 500Ah (C5) se asume una descarga del 80% (DoD: drop on demand). Unos 400 Ah es la cantidad consumida de energía de la batería. Para volver a carga la batería en optimas condiciones de uso, el cargador ha de cargar 480 Ah (para un CF de 1,20). Como la descarga de una batería (DoD) cada día no es igual, para obtener la carga óptima y mínimizar el consumo de agua, los cargadores de Alta frecuencia mas eficaces poseen un sistema de autocompensación del programa de control de la carga (por ejemplo cargadores Trak Power de Hoppecke). Estos cargadores ajustan el tiempo de carga, el factor de carga y la gasificación dependiendo del DoD (descarga) de la batería.

De acuerdo con la normativa DIN 41772 las abreviaciones de la curva de carga es la siguiente:

W : No regulado. Corriente degresiva.
U: Característica de Voltaje completamente controlado. U constante
I: Característica de Intensidad completamente controlado. I constante
o : Cambio a otra característica
a: Acabado automático del programa de carga