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Evaluación automática de la eficiencia energética de baterías
de plomo-ácido e implementación de la norma IEEE STD 450-1995
Luis Jiménez Troncoso René M. Sucnier Córdova
EVALUACIÓN AUTOMÁTICA
DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA
DE BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO
E IMPLEMENTACIÓN DE LA
NORMA IEEE STD 450-1995
Primera edición
Enero, 2012
Lima - Perú
© Luis Jiménez Troncoso &René M. Sucnier Córdova
PROYECTO LIBRO DIGITAL
PLD 0561
Editor: Víctor López Guzmán
http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú
PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)
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de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.
En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.
Lima - Perú, enero del 2011
“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor
X Simposio Peruano de Energía Solar
EVALUACION AUTOMATICA DE LA EFICIENCIA ENERGETICA DE BATERIAS
DE PLOMO-ACIDO E IMPLEMENTACION DE LA NORMA IEEE STD 450-1995
Ing. Luis Jiménez Troncoso, Ing. René M. Sucnier Córdova
Universidad Nacional de San Antonio Abad de Cusco – Perú
RESUMEN
El presente trabajo es la aplicación y continuación del que fue iniciado por el Ing. René Sucnier como
tesis de grado, y que tuvo la dirección técnica del Ing. Luis Jiménez Troncoso, docente en la Facultad de
Ingeniería Eléctrica de la UNSAAC.
Dada la importancia de los acumuladores o baterías de plomo-ácido en los sistemas de generación de
energía, especialmente los fotovoltaicos, vimos la necesidad de investigar sobre el uso óptimo y
evaluación cuantitativa de los mismos.
1. INTRODUCCIÓN
Se constató que en nuestro medio, no se hace uso
adecuado de los acumuladores o baterías en lo
que respecta al mantenimiento y evaluación de
su estado de funcionamiento, por lo que se
investigó y se encontró que la norma más
directamente relacionada con estos problemas es
la IEEE STD 450-1995 que trata sobre las
prácticas recomendadas para el mantenimiento,
prueba y reemplazo de baterías de plomo - ácido
para aplicaciones estacionarias. Entre sus muchas
cláusulas y anexos resalta la cláusula 6, referida
a los procedimientos para la prueba de baterías
que consiste básicamente en lo siguiente:
Primero: Llevar la batería a ciertas condiciones
iniciales para poder empezar la prueba. Consiste
en cargar la batería al denominado voltaje de
flotación y ecualizar (igualar) el voltaje de las
celdas individuales de la batería.
Segundo: Descargar la batería de forma
controlada. Todas las pruebas de aceptación y
desempeño de las baterías consisten en descargar
la batería ya sea con una corriente constante o
una potencia constante. Esta tasa de descarga
debe ser igual a la especificación dada por el
fabricante de la batería bajo prueba y debe ser
corregida por un factor que depende de la
temperatura inicial del electrolito y se especifica
en la tabla 1 en la página 9 de la norma. Durante
este proceso, se deben registrar tanto la tensión
como la corriente en la batería.
Tercero: Tiempo de descarga; aquí se
determina cuáles son las condiciones para
finalizar la descarga y determinar la duración de
la prueba.
Cuarto: Determinación de la capacidad de la
batería. Conocido el tiempo de descarga bajo las
condiciones que da el fabricante, se determina la
capacidad real de la batería mediante la
comparación del tiempo nominal que tardaría la
batería en descargarse, a determinada tasa de
descarga, con el tiempo real que ha durado la
prueba de descarga.
X Simposio Peruano de Energía Solar
Para realizar los pasos mencionados arriba, se
debe contar con los aparatos e instrumentación
capaz de hacer lo siguiente:
a) El equipo debe ser capaz de desconectar la
fuente o cargador, conectar el banco de
cargas (load bank) a la batería, empezar el
conteo de tiempo y continuar manteniendo
la tasa de descarga seleccionada. Si la fuente
de carga no puede ser desconectada, la
corriente que se drena por la carga debe ser
incrementada para compensar la corriente
que está siendo proporcionada por la fuente
de carga a la batería.
b) Mantener la tasa de descarga hasta que el
voltaje en terminales de la batería
descienda a un valor igual al mínimo voltaje
por celda tal como se especifica por el
diseño de la instalación (por ejemplo 1.75
voltios) multiplicado por el número de
celdas.
c) Leer y registrar los voltajes de las celdas (si
son accesibles) y el voltaje en terminales de
la batería. Estas lecturas se deben hacer
cuando la carga se aplica al inicio de la
prueba, y en intervalos específicos y
finalmente al completar la duración total de
la prueba. Deberá haber un mínimo de 3
juegos de lecturas.
Se vio entonces que la mejor alternativa era
desarrollar un equipo de adquisición de datos y
control soportado en una PC que nos permitiera
no sólo realizar los procedimientos
mencionados en la norma IEEE 450 sino
también nos sirviera para estudiar en detalle los
ciclos de carga y descarga de las baterías, fueran
de plomo-ácido u otros tipos. El equipo que se
diseñó y fabricó responde al siguiente diagrama
de bloques:
X Simposio Peruano de Energía Solar
La electrónica de todo este sistema se ha
separado en dos bloques funcionalmente
distintos, el de potencia y el de adquisición y
control.
El bloque de potencia maneja básicamente la
corriente y el sentido de ésta en la batería (carga
y descarga) por lo que tiene internamente una
fuente de alimentación capaz de entregar y
drenar hasta 20 amperios. El control de la
corriente se realiza conmutando entre corte y
saturación un transistor de potencia mediante
una señal modulada en ancho de pulso (PWM).
El bloque de adquisición y control realiza tres
tareas importantes. Primero, realiza la
transducción, acondicionamiento y filtrado de
las señales de tensión, corriente y temperatura.
Luego, estas señales se multiplexan e ingresan
al convertidor analógico digital de doce bits
quese ha utilizado. Por último, también provee
la señal PWM que controla el transistor de
potencia y permite controlar la corriente y su
dirección.
No debe olvidarse que el software de monitoreo
y control juega un papel fundamental pues
controla tanto el intercambio de datos con la
computadora así como la realización del
algoritmo de control de la corriente pues ésta
debe mantenerse constante durante el proceso
de descarga por más que haya variaciones en la
tensión de la batería o en la resistencia donde se
disipa la potencia que entrega la batería.
Uno de los aspectos importantes que tuvimos
que resolver al diseñar el bloque de potencia fue
la selección y dimensionamiento óptimo tanto
del transistor de potencia como del filtro del
rectificador de potencia para lo cual se hizo una
simulación del bloque de potencia considerando
la modulación PWM y el transitorio de
encendido del rectificador, como se observa en
la siguiente figura:
Se obtuvieron las señales siguientes, para un ciclo de servicio PWM del 50%:
X Simposio Peruano de Energía Solar
-5.00E+00
0.00E+00
5.00E+00
1.00E+01
1.50E+01
2.00E+01
2.50E+01
3.00E+01
0.00E+00 1.00E-02 2.00E-02 3.00E-02 4.00E-02 5.00E-02 6.00E-02
Corriente BateríaTension en terminales BatCorriente FiltradaVCE
Con estos parámetros de simulación se obtuvo
un sobreimpulso aceptable en la corriente y una
estabilización rápida del valor medio de
corriente entregada a la batería. Así mismo, el
conocer Vce (voltaje colector emisor) y la
corriente nos permitió conocer la potencia
disipada en el transistor, seleccionarlo
adecuadamente y dimensionar el disipador de
calor del mismo.
En lo que respecta a la medición de las variables
en la batería, se utilizó un termistor para obtener
la señal de temperatura, tuvimos que obtener
experimentalmente la curva resistencia vs.
temperatura y utilizar una fórmula de regresión
logarítmica para calcular la temperatura en el
software. La corriente se midió mediante la
caída de tensión en uno de los cables que
conducen la corriente de la batería, para ello se
tuvo que medir la baja resistencia de ese cable
y, además, debido a la naturaleza pulsante de la
corriente fue necesario utilizar un filtro pasabajo
de 1Hz de frecuencia de corte para evitar el
aliasing al momento de muestrear la señal de
corriente. Para acondicionar la tensión se utilizó
un divisor resistivo seguido de un filtro de 10
Hz de frecuencia de corte.
Pruebas realizadas y resultados obtenidos:
Hemos realizado pruebas de determinación de la
capacidad de baterías siguiendo las indicaciones
de la norma IEEE 450 y también, aparte de la
norma, hemos realizado y registrado ciclos
continuos de carga/descarga con los siguientes
parámetros:
Frecuencia de muestreo de las variables del
proceso: 60 Hz
Promediado de las muestras: 1 promedio por
cada 60 muestras (1 segundo)
Archivo de resultados: 1 dato por cada variable
medida por cada minuto de la prueba
Para efectos del estudio de los procesos de carga
y descarga de las baterías, más importantes que
las pruebas de la norma IEEE 450 han sido
nuestros ciclos continuos de carga/descarga en
los que se ha registrado la tensión, corriente y
temperatura del electrolito en las baterías.
Particularmente, hemos trabajado con una
batería de 12 Voltios y de 60 Amperios-Hora de
capacidad nominal. Luego del procesamiento de
los datos adquiridos, se han obtenido las
siguientes curvas:
X Simposio Peruano de Energía Solar
Watt-Hora vs Ampere Hora
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
Amperios-Hora Entregados y Recibidos
Ener
gía
Entr
egad
a o
Rec
ibid
a
Serie1
Con estos datos, también se ha calculado la
eficiencia energética de la batería calculando los
watt-hora recibidos y entregados por la batería
en ciclos completos de descarga/carga (consiste
en descargar la batería hasta cierto punto y
volverla a cargar hasta recuperar los amperios-
hora entregados registrando en cada momento
los watt-hora entregados y recibidos),
obteniéndose la siguiente curva:
T e n s io n v s A m p e re H o ra e n c ic lo s d e D e s c a rg a /C a rg a /D e s c a rg ad e u n a B a te r ía N u e v a d e 1 2 V y 6 0 A H
8
9
1 0
1 1
1 2
1 3
1 4
1 5
-5 0 -4 0 -3 0 -2 0 -1 0 0 1 0
A m p e re H o ra
Volti
os
V
P u n to d e in ic io d e d e s c a rg a
F in a liz a c ió n d ela 1 ra D e s c a rg a
C o m ie n z o d e la c a rg a
F in a l d e la c a rg a
N u e v ad e s c a rg a
-3 9 .2 A H
6 .3 9 A H
-3 8 .5 A HF in a liz a c ió n d e la
s e g u n d a d e s c a rg a
X Simposio Peruano de Energía Solar
Se observa en este caso que la batería entregó
454 Watt-Hora y requirió 506.9 Watt-Hora para
regresar a su estado de carga original,
mostrando que tiene una eficiencia de 89.6%.
Realizamos el mismo tipo de pruebas tres meses
después (la batería quedó cargada y sin uso
durante ese tiempo, antes de la segunda prueba
se volvió a cargar a las mismas condiciones
iniciales) y se obtuvieron resultados menores
tanto de eficiencia energética como de
capacidad de la batería (ésta última se traduce
en una variación de la pendiente tensión vs.
amperios-hora en la batería). Se obtuvo el
siguiente cuadro:
Eficiencia Pendiente
Primera prueba 89.59 % 0.019 V/Ah
Segunda prueba 86.14 % 0.022 V/Ah
Por último, hicimos un tipo de prueba no
estandar que consiste en obtener dos curvas de
tensión vs. amperios-hora, una de ellas en pleno
proceso de carga/descarga (con corriente) y otra
en vacío (sin corriente) tomando datos para cada
curva a intervalos de un minuto, como se
muestra:
Carga Vacío Carga Vacío Carga
1 min 1 min 1 min 1 min 1 min
Descarga Vacío Descarga Vacío Descarga
1 min 1 min 1 min 1 min 1 min
Estas curvas, se obtienen para observar la
evolución de la resistencia interna de la batería a
medida que se carga o descarga la batería, la
siguiente figura muestra que esta variable es
muy útil para determinar umbrales de carga
máxima y mínima.
Resistencia Interna en Función del Tiempo para varios ciclos de Descarga/Carga
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0 5 10 15 20 25 30 35
Horas
Ohm
ios
Rinterna
Descarga a 5 A Carga a 5 ADescarga a 5 A Carga a 5A
X Simposio Peruano de Energía Solar
En lo posterior, se puede evaluar de esta manera
diversos tipos y marcas de baterías con el objeto
de determinar cuantitativamente cuáles son las
más eficientes, duraderas, etcétera. Este
equipamiento está a disposición de quienes
quieran utilizarlo en la Facultad de Ingeniería
Eléctrica de la UNSAAC.
X Simposio Peruano de Energía Solar Seminario Internacional sobre Tecnologías Económicas para
la Descontaminación y Desinfección de Agua Cusco, 17 al 22 de noviembre de 2003
Seminario Internacional Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo
Cusco, 26 - 27 de abril de 2004
Ministerio de Industria y Turismo
Municipalidad Provincial del Cusco
Ministerio de Energía y Minas
Asociación Peruana de Energía Solar
(APES)
Universidad Nacional San Antonio Abad del
Cusco
Editado por: Manfred Horn
Juan Rodriguez
Patricia Vega
Auspician Salir
Universidad Nacional de Ingeniería