(13) Las fases de carga de una batería

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Homo_non_sapiens
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#1 (13) Las fases de carga de una batería

Mensaje por Homo_non_sapiens » 01 Feb 2019, 10:43

Para cargar a una batería, no basta con conectarla a una fuente de tensión apropiada. Los objetivos de un buen algoritmo de carga son dos:
- Llegar al SoC 100%: Conseguir que la batería se cargue al máximo, pero sufriendo lo mínimo
- No sobrepasar el SoC 100%: Evitar cargar demasiado a la batería, es decir, no sobrecargarla

Recordemos algo elemental, necesario para entender el proceso de carga: En la batería entra intensidad (amperios, A) durante cierto tiempo (horas), con lo que aumenta el estado de carga (SoC) de la batería (0% - 100%), hasta llegar a la capacidad de la batería (amperios multiplicado por horas, Ah)
Ejemplo 1: Con una intensidad de carga de 12A durante 3 horas, la batería se ha cargado con 12A * 3h = 36Ah
Ejemplo 2: Si son 2 horas con 15A, 3 horas con 8A y 90 minutos con 4A, la batería se ha cargado con 30Ah + 24Ah + 6Ah = 60Ah
Para cargar completamente a una batería, hay que "meter" más Ah de lo que es la capacidad nominal de la batería, porque la eficiencia de carga es <100%. Por ejemplo, si la eficiencia de carga es 90%, una batería con capacidad nominal 200Ah necesita cargar con aproximadamente 220Ah, para llegar al SoC 100%

Para conseguir una carga eficiente de la batería, hay que seguir un régimen complejo de intensidad, tensión y tiempo: Es el algoritmo de carga, que se divide en tres fases (cuatro fases, si se incluye la ecualización): Fase bulk, absorción y flotación

(1) La fase bulk
Durante la noche se descarga la batería, digamos hasta el SoC 70%. Por la mañana, cuando los paneles empiezan a generar energía y el regulador empieza con su trabajo, que comienza con la fase bulk. En esta fase, toda la energía disponible (producción de los paneles menos el posible consumo) es empleada para cargar a la batería. Es como si los paneles estuvieran conectadas directamente a la batería
A medida de que la irradiación solar aumenta, la intensidad de carga también aumentará y el SoC de la batería subirá. El sistema FV tiene que estar correctamente dimensionado, para que la batería admita la intensidad máxima que pueden entregar los paneles, sin riesgo de dañarse. Junto con el SoC también aumentará la tensión de la batería. Cuando el SoC haya llegado a 90%, más o menos, la tensión de la batería será aproximadamente 14.5V rsp. 29V rsp. 58V, según el sistema sea a 12V, 24V o 48V (2.40V-2.45V por vaso; el valor exacto depende del tipo de batería). El regulador tiene que estar programado de tal forma, que al llegar a esta tensión acabe la fase bulk y empiece la de absorción

(2) La absorción
Si la fase bulk continuaría, la intensidad de carga y la tensión de batería seguirían aumentando, hasta llegar a deterior las placas de la batería (esto se llama "shedding"). Para esto, hay que "congelar" la tensión en el valor indicado en el párrafo anterior, con lo que empieza la fase de absorción, que es una carga controlada a una tensión invariable: Constant Voltage (CV). De esta forma se consigue saturar la batería, es decir, llenarla casí a tope (hasta el SoC 98%)
Durante la absorción, a tensión constante, la intensidad va bajando poco a poco, y cuando llega aproximadamente al 2% (en A) de la capacidad nominal C10 (en Ah), el SoC habrá llegado a aproximadamente 98% y la absorción se puede dar por finalizada. Esta intensidad final se llama "intensidad cola"
Algunos reguladores miden la intensidad de carga y terminan la fase de absorción al llegar al valor de la intensidad cola, pero la mayoría de reguladores mantienen la absorción en CV durante un tiempo definido, sin medir la intensidad. Este tiempo suele ser de 1 a 2 horas, según el ciclaje vivido y la temperatura de la batería. Conviene ajustar manualmente el tiempo de absorción: Más corto en verano y más largo en invierno

Hay que programar al regulador, para que "conozca" el valor correcto de la tensión de absorción (2.40V-2.45V por vaso). La tensión correcta depende del tipo de batería (recomendación del fabricante), pero también del ciclaje al que se ve sometido la batería. Si el ciclaje diario es profundo, por ejemplo hasta el SoC 50%, la absorción debe hacerse a mayor tensión y durante más tiempo, que con un ciclaje diario menos profundo, por ejemplo hasta el SoC 20%
Conviene encontrar la tensión de absorción óptima para cada situación individual mediante "prueba y error": Se empieza con los valores recomendados por el fabricante y se observa el comportamiento de la batería, para ajustar la tensión (y la duración) a los valores idóneos para la situación individual
Los criterios para una absorción correcta son dos: (a) El electrólito tiene que empezar a burbujear ligeramente durante la absorción y (b) Al finalizar la absorción, la intensidad de carga tiene haber bajado al valor de la intensidad cola
Para un buen estado de salud de la batería, ésta tiene que recibir una absorción completa por lo menos 3 días a la semana; pero no pasa nada, si la absorción es diaria. Los reguladores suelen hacer una absorción de 1-2 horas cada día (si hay suficiente sol, claro)

(3) La flotación
Al finalizar la absorción, el SoC de la batería habrá llegado a aproximadamente 98%. Los pocos Ah que faltan, entrarán durante la flotación. Esta fase también es CV (a tensión constante), como la absorción, pero a una tensión más baja: Aproximadamente 13.5V / 27V / 54V (2.25V por vaso). Cuando el regulador "decide" finalizar la absorción, reduce la tensión al valor indicado y sigue cargando a la batería. A esta tensión baja, y estando la batería cargada casi a tope, entra muy poca intensidad en la batería. Al principio de la flotación puede ser un valor (en A) de 1% de la capacidad (en Ah), que irá bajando a 0.5% o menos, en el transcuso de la flotación. Ejemplo: Capacidad nominal 500Ah ---> intensidad cola 2-3A
El objetivo de la flotación es cargar "suavemente" a la batería hasta el SoC 100%, y compensar la autodescarga más algún consumo pequeño. La batería permanecerá en flotación el resto del día - mientras los paneles produzcan suficiente energía
La mayoría de los reguladores, cuando registran una fuerte bajada de tensión, por ejemplo a causa de nubes o de un consumo importante, abandonan la flotación y vuelven a la fase bulk, hasta otra vez llegar a la tensión de absorción y poder seguir con la flotación

Nota: Los parámetros correctos para la absorción y flotación se pueden encontrar por "prueba y error": Si la intensidad cola tiene los valores indicados, las fases de carga están bien parametrizadas. Ejemplos para batería de 500Ah: Absorción ---> Icola = 10A; Flotación ---> Icola = 2A

(4) La ecualización
Esta "cuarta fase de carga" no forma parte del algoritmo diario; solo se aplica a baterías de ácido abierto ("flooded") y solamente cuando la batería lo necesita, es decir, cuando está sulfatada. "Estar sulfatada" significa, que se han formado cristales grandes de sulfato de plomo, que reducen la capacidad de la batería y ya no se disuelven con el algoritmo de carga diario. Las causa de la sulfatación es una absorción ineficiente y/o un largo tiempo con la batería (parcialmente) descargada. Los síntomas de la sulfatación son una capacidad reducida de la batería y una diferencia de tensión y SoC entre vasos

Otro motivo para ecualizar es la "estratificación" del electrólito, que significa una concentración del ácido sulfúrico al fondo de la batería (el ácido pesa más que el agua), con densidad reducida en la parte superior de la batería. Los síntomas son los mismos que los de la sulfatación

Cuando se observan estos síntomas, se aplica una ecualización a la batería, que no es más que una carga forzada a tensión alta (valores orientativos: 16V / 31.5V / 63V; 2.62V por vaso) durante una o dos horas. Con esto se consigue disociar los cristales de sulfato. En casos de sulfatación fuerte, puede ser necesario repetir la ecualización, una o varias veces (en días seguidos)
Nota: Nunca hay que ecualizar a baterías AGM o de gel; se estropearían (no se puede sustituir el agua que pierden por culpa del gaseo)
Algunos fabricantes recomiendan ecualizar periódicamente "a ciegas", por ejemplo una vez al mes. Esto me parece exagerado, ya que podría ser "peor el remedio que la enfermedad". Personalmente prefiero ecualizar solo cuando aparecen los síntomas descritos, que será más frecuente en invierno (poco sol) que en verano

Durante la ecualización burbujea fuertemente el electrólito, tanto que suele asustar a los que lo ven por primera vez. Este burbujeo se debe a que la tensión de ecualizar es muy superior a la de gaseo (2.60V/vaso vs. 2.40V/vaso). El burbejeo se produce, porque en todo el electrólito se disocia agua (H2O), formando burbujas de hidrógeno (H2) y oxígeno (O2). Las burbujas se escapan del líquido, y como la mezcla de (2H2 + O2) es explosiva en esta proporción, hay que ventilar bien el entorno. También hay que controlar el nivel del electrólito, antes de ecualizar, y añadir agua destilada, si fuese necesario


Medir el estado de carga (SoC) de la batería
En teoría, la tensión de una batería indica su SoC, con bastanta precisión - pero solo en circuito abierto, es decir cuando no hay intensidad de carga ni de descarga. Si entra o sale intensidad de la batería, su tensión varía mucho y ya no tiene apenas relación con el SoC. En un sistema FV, la batería no está en circuito abierto -a no ser que se desconecta la batería del sistema- por lo que la tensión no sirve para indicar el SoC de una batería. No obstante, muchos reguladores e inversores hacen precisamente esto: Indicar el SoC en base a la tensión de batería. Por eso se observan situaciones tan absurdas, como el cambio del SoC del 100% a 50% en un instante, al pasar una nube o al conectar un consumo fuerte, por ejemplo. Evidentemente, esto no es cierto: El SoC cambia muy lentamente y en el ejemplo podria haber estado a 80% siempre, sin cambio, por ejemplo
Una forma fiable de averiguar el SoC es medir la densidad del electrólito. La relación entre densidad y SoC es estable y no depende de la intensidad de carga o descarga. Medir la densidad con un densímetro es fácil y rápido, pero algunos la temen, porque hay que aspirar electrólito con el densímetro
La tabla adjunta muestra la relación entre tensión, densidad y SoC. Son valores específicos para una batería Trojan, pero para otras baterías son similares
.
Tension_SOC.JPG
Otra forma de saber el SoC, es contabilizar la intensidad que entra y sale de batería, partiendo de un SoC conocido. Para esto se necesita un Shunt (resistencia calibrada de muy pocos ohmios) y un microprocesador. Los BMS (battery management system) usan esta tecnología. La ventaja: El SoC se puede presentar en una pantallita, junto con los valores de tensión e intensidad, por ejemplo


Compensación de la temperatura
Las propiedades de una batería de plomo-ácido varían bastante, dependiendo de la temperatura a la que está. Por ejemplo, las tensiones de carga (absorción, flotación, ecualización) deben ser más altas en invierno (con frío) que en verano (con calor). Lo relevante no es la temperatura ambiental, sino la de la batería. Es decir, si la batería está en un sitio climatizado, da igual si es invierno o verano
Los reguladores buenos tienen un sensor de temperatura, que mide la temperatura de la batería y ajusta las tensiones de carga según la temperatura. Esto se llama "compensación de temperatura". El coeficiente de compensación es -0.004V por cada grado C (Celsius) y por cada vaso de 2V (según el tipo de batería, este coeficiente varía entre 0.003V 0.005V). Los valores de carga recomendados se refieren a una temperatura de 25C. Es decir, si la temperatura de una batería está por debajo de 25C, necesita las tensiones de carga más altas y si está por encima de 25C, las necesita mas bajas

Ejemplo: Pongamos tener una batería de 24V, que a 25C necesita una tensión de absorción de 29V y la flotación a 27V
- Si la batería está a una temperatura de 10C (en invierno), la tensión de absorción debe ser de 29.7V y la de flotación de 27.7V
- Si la batería está a una temperatura de 35C (en verano), la tensión de absorción debe ser de 28.5V y la de flotación de 26.5V
Los reguladores con compensación de temperatura ajustan la tensión de carga automáticamente, según la temperatura; uno no tiene que preocuparse


El DoD (Depth of Discharge)
Igual que el SoC (State of Charge) expresa el estado de carga de una batería, el DoD expresa el estado de descarga. SoC y DoD son complementarios, es decir, en todo momento suman 100%: SoC + DoD = 100%. Ejemplos:
- Si de una batería de 200Ah de capacidad se ha descargado 60Ah, el SoC es 70% y el DoD es 30%
- Si a una batería de 150Ah le quedan 60Ah de carga acumulada, su DoD es de 60% y su SoC de 40%
- Si la bateria del ejemplo anterior se carga con 18A durante 3 horas, el SoC sube a 76% y el DoD final es de 24%
Nota: En estos ejemplos, para no complicar las cosas, no hemos tenido en cuenta, que la eficiencia de carga es <100%


Varias formas de "matar" a una batería de plomo-ácido

- Sulfatación
Si una batería está mucho tiempo (meses o años) sin ciclar y con un SoC bajo, se forman unos cristales de sulfato de plomo más grandes de lo habitual, que ya no se disocian ("disuelven") con el algoritmo de carga habitual. Estos cristales de sulfato están pegados a las placas de la batería y reducen su superficie activa, con lo que la batería va perdiendo capacidad sucesivamente y acaba totalmente sulfatada, sin función
La sulfatación es un proceso reversible, en principio: Unas ecualizaciones pueden romper los cristales de sulfato, recuperando la batería (ver ecualización)

- Shedding
Con el ciclaje repetido, especialmente si la intensidad de carga es alta, se van desprendiendo partículas de plomo de las placas de la batería, que se acumulan en el fondo de los vasos formando un poso. Este proceso acaba destruyendo a la batería por uno de dos efectos:
(a) Se acumulan tantas posos, que llegan a producir un cortocircuito entre placas positivas y negativas del vaso, con lo que éste deja de funcionar. Los vasos tienen un espacio en el fondo, pensado para que alli se acumulen los posos, pero a veces no es suficiente
(b) Las placas pierden tanta sustancia activa (plomo), que la batería deja de funcionar. Esto es el "shedding" propiamente dicho

- Estratificación
Si una batería está mucho tiempo sin remover el electrólito (por ejemplo en un coche) o sin hacer burbujear el electrólito, el ácido sulfúrico, de mayor densidad que el agua, se concentra en el fondo del vaso. Debido a esto, el electrólito tiene poca densidad en la parte superior del vaso y demasiada densidad en el fondo. Ambos efectos dificultan las reacciones electro-químicas en la batería, reduciendo la capacidad. Si el electrólito permanece mucho tiempo estratificado (meses o años), la batería muere a causa de sulfatación
La estratificación se evita con absorciones correctamente parametrizadas y con ecualizaciones, si fueran necesarias (ver absorción y ecualización)
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#2 Re: (13) Las fases de carga de una batería

Mensaje por Pifek » 02 Feb 2019, 15:47

Muy buena info . En baterías opzs podemos considerar un SOC de 100% a 1.24 ¿No?

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#3 Re: (13) Las fases de carga de una batería

Mensaje por Homo_non_sapiens » 02 Feb 2019, 15:55

Pifek escribió:
02 Feb 2019, 15:47
Muy buena info . En baterías opzs podemos considerar un SOC de 100% a 1.24 ¿No?
Correcto. La mayoría de las baterías OPzS (vasos estacionarios) tienen una densidad nominal de 1.24g/ml
En caso de duda, consultar la ficha técnica de la batería o preguntar al fabricante
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#4 Re: (13) Las fases de carga de una batería

Mensaje por Kitos23 » 03 Feb 2019, 14:02

Homo_non_sapiens escribió:
01 Feb 2019, 10:43

Ejemplo 2: Si son 2 horas con 15A, 3 horas con 8A y 90 minutos con 4A, la batería se ha cargado con 30Ah + 24Ah + 12Ah = 66Ah
creo que es la mitad.

Excelente post
ADNSolar.eu se ideo en una cochera de un lugar remoto por 4 locos...yo estuve alli (pero no estoy loco) :neo
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#5 Re: (13) Las fases de carga de una batería

Mensaje por Homo_non_sapiens » 03 Feb 2019, 18:25

Kitos23 escribió:
03 Feb 2019, 14:02
creo que es la mitad
Tienes razón, Kitos23; gracias por avisar. 90 minutos con 4A no son 12Ah, son 6Ah. Lo he corregido en el post principal
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