25 febrero 2011

El proceso de carga de baterías de plomo ácido ventiladas en aplicaciones estacionarias




Las baterías estacionarias de plomo-ácido desempeñan un papel cada vez mayor en la industria hoy en día, proporcionando energía para el control normal, instrumentación y respaldo durante emergencias.

En este documento abordamos una cuestión clave en el trabajo con este tipo de baterías, el proceso de carga más conveniente para optimizar la vida y el rendimiento de forma permanente. Las instalaciones que se consideran en este documento están diseñadas para un funcionamiento totalmente flotante con un cargador de baterías que sirve para mantenerla en estado carga, así como para suministrar energía a cargas de corriente continua.  

Estado de carga

Descarga de la batería / parámetros de ciclo de carga

El método más exacto de devolver una batería a su carga completa tras una descarga es asegurar que más de un 100% de los amperios-hora extraídos se devuelven a la batería, permitiendo así compensar las pérdidas debidas a la generación de hidrógeno y al calor generado. Para cubrir esas pérdidas se asume una estimación conservadora del 10% por las pérdidas, y para ello ampliamos a un 110 % las horas de descarga. El método de carga puede afectar el tiempo que tarda en volver la batería a carga completa. La efectividad de cargar a un voltaje constante depende del intervalo de tiempo que el cargador queda en el límite de corriente y el valor de la corriente de carga después de que se estabilice. Si la tensión de carga es baja, el cargador alcanzará el límite de corriente más pronto reduciendo la tasa de amperios-hora que vuelven a la batería. Además, el nivel de corriente al voltaje de flotación puede estar por debajo del nivel detectable, lo cual asegura que la corriente de carga no está disminuyendo y se ha estabilizado. Cargando a una tensión por encima de la de flotación es una indicación positiva de que se ha logrado la estabilidad de corriente. Para los sistemas de carga de bajo voltaje, deben considerarse los amperios hora acumulativos como una indicación de retorno de la batería al estado completamente cargado.

La tensión inadecuada durante el proceso de carga puede llevar a una celda a que no pueda repetir su anterior rendimiento.
La batería resultante dará lugar a una capacidad inferior al rendimiento obtenido previamente. Un voltaje de carga bajo originea un tiempo reducido para el cargadro al límite de corriente y como resultado el periodo de carga requerido para obtener los amp-hora necesarios se alarga. La temperatura normal del electrolito es la preferida para cargar una batería;, las temperaturas bajas reducirán el consumo de corriente, retardarán el proceso de carga, y las medidas de baja intensidad también pueden producir indicaciones engañosas de un estado de carga completa. El fabricante debe ser consultado para determinar el voltaje de recarga, la temperatura y la duración prevista de la recarga. Una corriente de carga estable baja actual es un indicador consistente con una tensión adecuada de carga y temperaturas normales.

Corriente de carga estabilizada usada para determinar una condición de carga completamente cargada

El patrón de corriente de carga entregado por un cargador convencional regulado por voltaje después de una descarga es el método más preciso para determinar el estado de carga. Cuando las células se aproximan a la carga completa, el voltaje de la batería se eleva para aproximarse al voltaje de salida del cargador, y disminuye la corriente de carga. Cuando la corriente de carga se ha estabilizado en la tensión de carga de tres mediciones consecutivas, la batería está casi llena. El rango de corriente de carga aplicable a cada modelo puede verificarse consultando al fabricante o por ensayo.

Si la tensión de carga se ha fijado en un valor superior al voltaje de flotación normal (con el fin de asegurar una carga correcta y reducir el tiempo de carga), la tensión de carga se puede reducir el valor de flotación después de que la corriente de carga se estabilice. La corriente de flotación pronto se estabilizará, incluso aunque las mediciones de gravedad específicas en la parte superior de la celda sigan aumentando.

Los cambios químicos dentro de la batería debido al proceso de envejecimiento pueden resultar en una carga desigualon de las placas positivas y negativas. En tales casos, la placa positiva (o negativa) puede sulfatarse debido a la baja corriente de carga.  
Condición completamente cargada

La gravedad específica (SG) se define como la densidad de un líquido a una temperatura de referencia seleccionada [por ejemplo, 25 ° C (77° F)] dividida por la densidad del agua a la misma temperatura.Cuando se mide la gravedad específica del electrólito, se utiliza típicamente una temperatura de referencia de 25 ° C (77 ° F) para pilas de plomo-ácido con una gravedad específica gama nominal de 1.210 a 1.300.
Una celda de plomo-ácido completamente cargada tiene un voltaje de circuito abierto (OCV) en el rango de 2,05 a 2,15 V. La OCV varía tanto con la gravedad específica del electrólito.La relación de la OCV a la gravedad específica es:
OCV: SG = + 0.845
La tensión de flotación de una batería se suele establecer para superar la tendencia de una celda a la auto-descarga.
El electrolito participa en la reacción química de la batería para producir corriente. Cuando una celda se descarga, el ácido sulfúrico se combina con dióxido de plomo de las placas positivas y el plomo de las placas negativas para formar sulfato de plomo en las placas y agua en el electrolito.

Durante la descarga, la concentración de ácido sulfúrico y gravedad específica disminuye. Por el contrario, durante la recarga, aumenta la concentración de ácido sulfúrico y la gravedad específica.

Sobre la base de la interacción entre las placas de celdas y electrolitos, una medida baja de gravedad específica suele indicar que una celda no está completamente cargada, lo cual puede requerir una acción correctiva (por ejemplo, la recarga) para restaurar la gravedad específica al rango esperado.

Las medidas de gravedad específica pueden no ser exactas cuando la batería está en carga siguiendo una descarga o después de la adición de agua. (El electrolito con gravedad específica más alta quedará en el fondo de la celda, la más baja en la parte superior) Cuando lo permita el diseño de la celda, la exactitud de la medición de la gravedad específica puede ser mejorada mediante la adopción de medidas en la parte superior, media e inferior de la celda. El promedio de estas tres medidas deben reflejar la real gravedad específica del electrólito de una celda.

Un valor adecuado de gravedad específica indica que una celda está totalmente cargada, pero no indica que la capacidad de la celda sea total. La medición de la gravedad específica es una buena herramienta de mantenimiento para comprobar el buen funcionamiento del cargador de la batería y estado de carga de la misma.

Estado de carga / Elección de corriente de flotación

Algunos métodos para la determinación del estado de carga son más adecuados para ciertas metalurgias de placa que otros.

Por lo tanto, el tipo de células (por ejemplo, el plomo-calcio, plomo puro, o plomo-antimonio) que comprende el sistema de baterías es un factor en la selección de los procedimientos de inspección para determinar el estado de carga.

Las baterías estacionarias normalmente se mantienen completamente cargadas a un potencial, que suministra la corriente necesaria para reponer las pérdidas internas y mantener las placas en un óptimo estado de polarización (carga). Las placas positivas de la celda utilizan parte de esta corriente para producir oxígeno y corroer el metal de la red, y las placas negativas utilizan parte de esta corriente para producir hidrógeno y para reducir el oxígeno que se difunde a partir de las placas positivas.

La cantidad de hidrógeno liberado, y por lo tanto, la cantidad de agua que la batería consumirá, son funciones de la corriente de carga. En términos prácticos, las celdas con rejillas de plomo-antimonio requieren más corriente de carga para mantener un voltaje dado que las celdas con rejillas de plomo-calcio o plomo puro.

La evolución del gas y la corriente de carga son proporcionales al contenido de antimonio de las placas. Además, cuando las placas de antimonio envejecen, liberan mayores cantidades de antimonio al electrolito, que luego migran hacia la placa negativa para formar las celdas locales y una posterior auto-descarga, que debe ser compensada cuando aumenta la corriente de carga. El calcio, a diferencia del antimonio, no migra de la placa positiva a la negativa, por lo que el electrodo negativo sigue siendo esencialmente puro, y la corriente de carga necesaria se mantiene constante durante toda la vida útil.

La corriente de carga en flotación es un indicador útil de la condición de la batería cuando las celdas de la batería tiene características de carga de flotación constante a lo a lo largo de su vida útil. (Por ejemplo, las células con el plomo puro o placas de plomo-calcio). En las células que requieren más corriente de carga a medida que envejecen, como el plomo-antimonio, esta evaluación es más difícil de hacer.

Las corrientes de carga más altas necesarias para baterías de plomo-antimonio dan como resultado una distribución de tensión ajustada entre las celdas; mientras que, las corrientes de carga bajas requeridas por las celdas de plomo-calcio a menudo resultan en una variación de tensión más amplia entre las celdas, haciendo la medición del voltaje de flotación de la célula menos fiable como indicador del estado de carga.
Bibliografía: 450 IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Vented Lead-Acid Batteries for Stationary Applications
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