INFORME LABORATORIO Batería FINAL 2

Renca Ingeniería en maquinaria, vehículos automotrices y sistemas electrónicos Electricidad automotriz

Informe Laboratorio “BATERIA AUTOMOTRIZ”

Nombre Alumno (s): Alejandro E. Vilches Alarcón Cristopher A. Ramos Silva Nombre Profesor: Paulo C. Vilches K. Fecha: 26 de Octubre 2011

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Índice

Índice............................ Índice................................................ ........................................ ........................................ .................................... .............................. .................. .... 3 Introducción...............................................................................................................7 Objetivo general.............................. general.................................................. ........................................ ........................................ .................................... ................ 8 Objetivos específicos............................. específicos................................................. ........................................ ........................................ .............................. .......... 8 Historia................................ Historia.................................................... ........................................ ........................................ ................................................ ............................ 9 Marco Teórico.............................. Teórico.................................................. ........................................ ........................................ ...................................... .................. 15 Funcionamiento Funcionamiento de una Batería de Plomo Acido....................................................... Acido....................................................... 15 Clasificación Clasificación de las Baterías de Plomo Acido.................................................... Acido............................................................. .........20 20 Clasificación Clasificación por tipos de placas................................................. placas............................................................... ............................ ................ ..20 20 Placas Planas Empastadas.......................... Empastadas.............................................. ........................................................ .................................... 20 Placas Tubulares.............................. Tubulares.................................................. ........................................ ............................................... ........................... 22 Placas Planté................................ Planté.................................................... ........................................ ....................................... ............................... ............ 23  Tipos de Aleaciones Aleaciones en Placas de Baterías de Plomo Acido ............................ .............. ....................... .........25 25 Aleaciones de Plomo-Antimonio................ Plomo-Antimonio................................... ....................................... ....................................... ................... 25 Aleaciones de Plomo-Selenio........................... Plomo-Selenio.............................................. ................................... .............................. ................ ..26 26 Aleaciones de Plomo-Calcio............................ Plomo-Calcio................................................ .................................... .............................. ................ ..27 27 Mantenimiento Requerido por Baterías de Plomo Acido..................................... Acido............................................28 .......28 ¿A dónde se fue el agua que gasificó la batería?......................................... batería?................................................ .......28 28  Tipos de Mantenimiento Mantenimiento Requerido.................. Requerido...................................... ....................................... ..................................... .................. 29 Con Mantenimiento.................... Mantenimiento........................................ ........................................ ........................................ ................................. ............. 29 Mantenimiento de Acumuladores Acumuladores (baterías)................................................. (baterías)....................................................... ......29 29 ¿Cómo alargar la vida de mi batería?.................................................................30 Bajo Mantenimiento.................... Mantenimiento........................................ ........................................ .................................................... ................................ 30 Libre Mantenimiento.................... Mantenimiento........................................ ........................................ ................................................... ............................... 30 Sin Atención......................... Atención............................................. ....................................... ....................................... ........................................ .................... 31  Tipos de Electrolito Electrolito en Baterías de Plomo Acido........................... Acido............................................... .............................32 .........32 Electrólito Líquido..................................... Líquido......................................................... .................................................. .............................. ........ 32 Electrólito Gelificado ........................................................ .......................................................................................... .................................. 32 Electrólito Absorbido ...................................... .......................................................... .................................................... ................................ 33 Aplicaciones Aplicaciones de las Baterías de Plomo Acido............................................. Acido.............................................................34 ................34  Tipos de Baterías Baterías Según su Aplicación................. Aplicación..................................... ..................................................... ................................. 34 Baterías Automotrices...................... Automotrices.......................................... ........................................ ........................................ ........................... ....... 34 Funciones de la batería automotriz.............................. automotriz.................................................. ....................................... ...................35 35 Baterías de Tracción........................................ Tracción............................................................ ...................................... ............................... ............. 35 Baterías para Energía Solar y Eólica...................................................................36 Baterías Estacionarias....................... Estacionarias........................................... ........................................ ....................................... .......................... ....... 36 Baterías para U.P.S.......................................... U.P.S.............................................................. ........................................ ............................... ........... 36 Capacidad Nominal de una Batería de Plomo Acido.................................................. Acido.................................................. 37 ¿Y en que unidades se mide? .............................................. .................................................................. ............................... ........... 37 Analizando uno a uno.................................. uno..................................................... ....................................... .....................................40 .................40 Capacidad nominal a una temperatura de referencia.......................................... referencia............................................... .....45 45 Baterías Sin o de Libre Mantenimiento..................................... Mantenimiento........................................................ ................................. ..............47 47 Consumo de Agua de una batería................................................. batería........................................................................ ............................ ..... 48

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Carga de una Batería de Plomo Acido....................................................................... 49 ¿Cómo Cargamos una Batería?........................................................................... 49 ¿Y cuál es el que más conviene?.........................................................................50 ¿Cómo funciona un cargador de este tipo?......................................................... 50 ¿Cómo sabremos cuando la batería ya está cargada?........................................ 51 Medición de la Capacidad de una Batería de Plomo Acido........................................53 ¿Cómo se Realiza un Ensayo de Capacidad?......................................................53 ¿Qué elementos se requieren para realizar un ensayo de capacidad? ..............54 Recinto para Realizar el Ensayo .........................................................................55 Régimen de Descarga............................................................................................... 56 ¿Cómo se realiza el Ensayo?...............................................................................57 Corrección de Capacidad según Normas Internacionales..........................................58 Normas Internacionales sobre Baterías de Plomo Acido...........................................60 Referencias:........................................................................................................62 IEC 60896-1........................................................................................................ 63 IEC60896-2.........................................................................................................63 Otras normas IEC que nos parece conveniente mencionar para integrar en nuestro informe son las siguientes:........................................................................................64 IEC 61056-1........................................................................................................ 64 IEC 60254........................................................................................................... 64 BS 6290-1........................................................................................................... 64 BS 6290-4........................................................................................................... 64 Otras normas IEEE importantes de mencionar en nuestro informe...........................66 Definiciones:.............................................................................................................68 Dendritas:...........................................................................................................68 Batería para tracción eléctrica:........................................................................... 68 Ciclo de una Batería:........................................................................................... 68 Batería de Ciclo Profundo (deep cycle)...............................................................69 Expectativa de Vida Útil de una Batería.............................................................. 69 ¿Cómo Alargar la Vida Útil de una Batería?........................................................69 ¿Cómo saber si una Batería está Cargada?.........................................................70 Batería Automotriz.............................................................................................. 70 ¿Cómo Cambiar la Batería de un Auto?..................................................................... 71 Cold Cranking.....................................................................................................73 Diferencia entre Capacidad de Arranque y Capacidad de Arranque en Frio.......73 ¿Por qué se Inflan las Baterías?..........................................................................73 ¿Por qué Explotan las Baterías? ......................................................................... 73 ¿Afecta la Temperatura el funcionamiento de una Batería?...............................74 Actividad práctica......................................................................................................75 Despiece de una batería...........................................................................................76 Mantención de la batería...........................................................................................78 Medición de la densidad............................................................................................ 80 Medición de tensión.................................................................................................. 82 Análisis en el vehículo............................................................................................... 83

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Medida del estado de la batería.................................. batería...................................................... ........................................ .................... 83 Medición del sistema de carga..................................... carga......................................................... ....................................... ...................85 85 Medición sistema de arranque.................................. arranque..................................................... .......................................... ....................... 86 Batería en malas condiciones............................ condiciones................................................ ................................... ............................. .............. 86 Batería en buenas condiciones...................................... condiciones...................................................................... ................................ ..... 89 Conclusiones.............................................................................................................91 Bibliografía................................................................................................................92 Anexo............................. Anexo................................................. ........................................ ........................................ ................................................... ............................... 93 Glosario de Términos Referidos a las Baterías de Plomo-Ácido en nuestro informe...............................................................................................................93

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Introducción Al momento de observar nuestro entorno, nos podemos percatar de que los avan avance cess tecn tecnol ológ ógic icos os que que hemo hemoss experi experime ment ntado ado en toda toda área, área, rubr rubro o o ambi ambien ente te tant tanto o de trab trabaj ajo o como como fami famili liar, ar, y otro otross son son de cons consid idera eraci ción ón.. Lleg Llegan ando do más más lejo lejos, s, se debe debe apre apreci ciar ar igua iguall que que todo todoss esto estoss avan avance cess tecn tecnol ológ ógic icos os giran giran en torn torno o a la elec electr tric icid idad ad y la elec electr trón ónic ica. a. El campo campo automotriz no es la excepción a esta inquietud. Hoy en día podemos observar y disfrutar de la gran cantidad de prestaciones tanto para confortabilidad como como para para segu seguri rida dad d que que pode podemo moss enco encont ntra rarr en esto estos, s, en dond donde e la electricidad y electrónica juegan un rol muy importante. Los componentes electrónicos en vehículos los podemos encontrar en casi la totalidad de las estructuras y compartimientos de estos, por lo tanto, como se debe suponer, necesitamos de la energía necesaria para poder hacerlos funcionar funcionar de manera correcta. correcta. De esta forma, llegamos llegamos a lo que es la fuente autónoma autónoma de energía energía que posee cada automóvil. automóvil. Nos referimos referimos a la batería, la que en el presente informe nos dedicaremos a explicar en qué consiste, cual es su estructura y manera de funcionar, de qué manera se realiza el proceso electroquímico que permite la generación de energía, y muchas otras cualidades que posee este simple pero importante fuente de poder.  También encontraremos aquí la descripción detallada de una serie de actividades prácticas que se realizaron en baterías, a fin de comprender de manera íntegra su funcionamiento, mantenciones que necesita y formas de testearlas para así poder realizar un diagnóstico certero del estado en que se encuentra esta fuente de poder imprescindible para todo vehículo, sobre todo en la actualidad.

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Objetivo general

Conocer de forma teórica y práctica lo que es una batería de plomo acido, realizando un estudio de este en el laboratorio automotriz SK Bergé.

Objetivos específicos - Realizar un estudio de la batería de plomo acido, para conocer sus características, magnitudes, usos y mantenciones. - Practicar con las distintas mediciones de magnitudes y densidades para la comprensión práctica de cómo se comportan los componentes de una batería. - Estudiar de manera teórica y práctica los materiales que la componen.

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Historia La civilización occidental en general sostiene que Conde Allessandro Volta fue el primero en desarrollar una batería simple, en 1800. Sin embargo, una tinaja pequeña, que fue encontrado en las ruinas de un antiguo asentamiento, cerca de Bagdad, parece predecir a la batería de Volta en cerca de 2000 años. Esta tinaja tiene un sello de asfalto en la tapa, y tiene una barra de hierro con un cilindro de cobre alrededor de él. En las reproducciones de la jarra se pudo apreciar que al ser llenada con un ácido como el vinagre, se producen aproximadamente 2 voltios de electricidad. Se cree que se utilizaba para galvanizar objetos pequeños, mediante la galvanoplastia, plata u otras joyas podrían ser recubiertas con oro, o cobre recubierto de plata. (1745 – 1827) Alessandro Volta al descubrir la batería galvánica inicia la línea de investigación. Su descubrimiento fue publicado con el título “Acerca de la electricidad generada por el mero contacto de sustancias conductoras de diferente tipo”. En 1802, N. Gautherot descubre la polarización de alambres de platino, producida por el pasaje de corriente eléctrica a través de una celda que utilizaba para estudiar la descomposición del agua. Encontró que se generaba una corriente muy débil cuando desconectaba la fuente de corriente y conectaba los alambres de platino a una carga.  Y un año después, en 1803, J.W. Ritter repite las experiencias de Gautherot y avanza un paso más. Construye pequeñas pilas con placas de diferentes metales, incluyendo oro y plata. Entre las placas de metal, ubica capas de tejido humedecido. Luego de entregar corriente a estas placas durante un tiempo, obtuvo una corriente de descarga al retirar la fuente de corriente y conectar su dispositivo sobre una carga.

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Podemos citar también a William R. Grove (1811 – 1896), conocido por su batería gaseosa y cuyos experimentos son el antecedente de las actuales celdas de combustible, dispositivos en los que actualmente se invierten miles de millones de dólares en investigación y que están llamados a tener una enorme importancia como fuente de energía en los próximos cinco a diez años. Por su importancia actual, describiremos, entonces, el experimento de Grove. Cada celda de su batería constaba de un par de tubos de vidrio, con un electrodo coaxial al eje de los mismos. Los tubos se sumergían en una solución de ácido sulfúrico y, por su extremo superior, cerrado, pasaba el electrodo de platino. El otro extremo, abierto, estaba sumergido en la solución. Uno de los tubos de cada par se llenaba con oxígeno y, el otro, con hidrógeno. Grove encontró que el alambre de platino correspondiente al hidrógeno asumía una polarización positiva con relación al alambre de platino que estaba en el tubo con oxígeno. La celda era reversible pues producía electricidad en situación de descarga y, si se hacía pasar corriente desde una fuente externa, se generaban los gases que ya mencionamos. Es importante destacar, que a pesar de lo interesantes que pudieran parecer estos fenómenos, no se encontraba demasiada utilidad a este tipo de dispositivo de almacenamiento. En efecto, para cargarlo se debían utilizar celdas del mismo tipo o celdas primarias (pilas o celdas no reversibles). No nos olvidemos que todavía no se habían inventado las máquinas eléctricas. Otros experimentadores incursionaron en este campo, pero fue un científico francés de 26 años, Gastón Planté (1834 – 1889), el primero en desarrollar un dispositivo que sentó las bases de la celda de plomo acido, tal como la conocemos hoy en día.

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Planté comenzó sus estudios en 1859 y, un año después, presentó en la Academia de Ciencias de Francia la primer batería de plomo ácido para el almacenamiento de energía.

Su batería constaba de nueve celdas conectadas en paralelo, puesto que el énfasis estaba puesto en la obtención de una corriente importante, cosa que hasta ese momento no se había podido lograr con las celdas primarias, que también conocemos como pilas. A su vez, cada celda consistía en dos hojas de plomo, separadas por cintas de goma. Todo el conjunto se enrollaba en forma de espiral y se sumergía en una solución que contenía ácido sulfúrico diluido al 10% en agua.

Además, Planté descubrió que la capacidad de almacenamiento de las celdas se incrementaba sustancialmente cuando se las sometía al proceso que conocemos como “formación” y que, hoy en día, es parte del proceso de producción de cualquier acumulador electroquímico. Después de un período de carga, descargaba la celda y luego repetía nuevamente el proceso de carga. Observó que a lo largo de estos ciclos, la capacidad de almacenamiento se incrementaba significativamente. Sin embargo, a pesar de su capacidad para entregar corrientes importantes, la nueva batería de almacenamiento de Planté también tenía la desventaja de requerir un gran tiempo de formación y la descarga de muchas celdas primarias (pilas) para cargarla. No fue sino hasta 13 años después, cuando Planté pudo contar con un generador manual (desarrollado por el científico alemán Zénobe Theophile Gramme 1826 – 1855) para poder realizar el proceso de carga, que fue posible lograr la transformación de una forma de energía en otra. La energía mecánica, utilizada para dar vuelta la manija del generador de Gramme, se transformaba en energía química almacenada en la batería. Cuando la batería ya estaba cargada y se dejaba de actuar sobre el generador, si se mantenía la conexión entre ambos, podía observarse como el generador comenzaba a girar como un motor, accionado por la energía almacenada en la batería.

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La energía química se convertía en electricidad, que el motor transformaba nuevamente en energía mecánica. El ciclo de transformaciones había sido completado.

El nombre de Gastón Planté se recuerda hoy en día asociado con la placa que lleva su nombre. Esta placa consiste en una hoja de plomo sobre la cual el material activo se forma en forma electroquímica a partir del plomo de la propia placa.

La imagen que se muestra a la derecha corresponde a una típica celda con placas Planté, utilizada durante muchos años en aplicaciones estacionarias, con celdas en serie y paralelo, formando conjuntos de hasta 440V y capacidades de varios miles de Ah. (Centrales telefónicas paso a paso, servicios auxiliares de sub-estaciones transformadoras, etc.). La jarra es de vidrio y, como se observa, se encuentra abierta en su parte superior. Por esta razón, las salas donde se instalaban este tipo de celdas requerían de ventilación forzada, sobre todo al funcionar en situación de recarga.

Continuando con el desarrollo, llegamos al año 1881, cuando el científico francés Camille Alphonse Faure (1840 – 1898) patenta un proceso para empastar la superficie de las placas con un compuesto de plomo que se

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transformaba con mucha facilidad en los materiales activos de la batería terminada. Faure aplicó una capa de óxido rojo de plomo a la superficie de placas de plomo puro. Posteriormente enrolló las placas con un separador intermedio de género. Este tipo de celda demostró tener una marcada superioridad en capacidad y tiempo de formación sobre la de Planté. Sin embargo, su punto flojo resultó ser la adherencia del material activo a la placa base de plomo.

Casi en forma simultánea con Faure, el alemán Volckmar patentó el empleo de placas de plomo con numerosos orificios que se llenaban con una pasta hecha con plomo pulverizado mezclado con ácido sulfúrico. Y dos ingleses, Swan y Sellon también obtuvieron patentes para una placa con aspecto de rejilla y estructura celular. La de Sellon, en particular, estaba diseñada de una forma que aseguraba con mucha firmeza el material activo en su posición. Además, Sellon fue el primero en utilizar una aleación de plomo con antimonio (en lugar de plomo puro) para fabricar la rejilla.

A partir de estas mejoras sobre los trabajos de Planté, el desarrollo de la batería de plomo ácido fue muy rápido, debido al menor tiempo requerido para la formación de las placas y, también, es fundamental decirlo, por el desarrollo paralelo de las máquinas para generar corriente eléctrica. Mientras no existieron máquinas eléctricas, la formación o la carga de una batería era algo muy difícil (se hacía fabricando pilas que luego se descargaban sobre la batería).

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Otro ingeniero de gran importancia en el desarrollo de las baterías de plomo ácido que no podemos dejar de mencionar es Henri Tudor (1859 – 1928), nacido en Luxemburgo, el mismo año en que Planté avanzaba en las investigaciones de la primer batería de plomo ácido. La creatividad de Tudor llevó al perfeccionamiento de la batería de plomo ácido y de varias maquinarias eléctricas de reciente invención.

En 1881, cuando todavía era un estudiante de apenas 22 años, fabricó baterías como las de Planté y Faure y las vinculó a un dinamo, también de su propio diseño. La fotografía siguiente muestra estas primeras placas para acumuladores concebidas por Tudor. A su vez, el eje de la máquina eléctrica era accionado por un molino de agua en el castillo de su familia, en la ciudad de Rosport.

El sistema suministró electricidad a la casa familiar durante 16 años, mucho antes que tuvieran electricidad otros castillos famosos como el de Windsor y probablemente haya sido el primer sistema hidroeléctrico completo que funcionó en forma continua. En 1886, junto con su hermano Hubert, Henri Tudor llevó a cabo el proyecto que le permitió proyectarse al mundo como un innovador en tecnología y como empresario: construye una usina eléctrica en la ciudad luxemburguesa

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de Echternach con la que brindó iluminación a 120 viviendas y a las calles de la ciudad. Para producir el equipamiento necesario para cumplir con el contrato en Echternach, los hermanos Tudor se asociaron con su primo Nikolas Schalkenbach, abriendo una pequeña fábrica en Rosport Podemos decir, entonces que el gran mérito de Tudor fue convertir un producto de laboratorio, como lo eran las baterías de Planté y Faure en un verdadero producto industrial, capaz de ser fabricado en serie. Impresiona saber que en 1890, ya había más de 1200 baterías Tudor funcionando en la mayoría de los países de Europa y en Argentina. El crecimiento de las empresas Tudor fue continuo año tras año, llegando a dar empleo a más de 25000 personas. A principios del siglo XX, la batería de plomo ácido ya era un producto ampliamente utilizado en muchas aplicaciones, desde tracción hasta iluminación y telefonía. Pero fue su incorporación como elemento indispensable para el arranque de automóviles lo que llevó al crecimiento notable de la industria de fabricación de baterías.

Marco Teórico Funcionamiento de una Batería de Plomo Acido

El Acumulador de plomo está constituido por dos tipos de electrodos de plomo que, cuando el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo (PbSO4 II) incrustado en una matriz de plomo metálico (Pb); el electrólito es una disolución de ácido sulfúrico. Esta dilución en agua es tal que su densidad es de 1.280 +/– 0.010 g/ml con carga plena, y bajará a 1.100 g/ml cuando la batería esté descargada. El principio sobre el que se basa el acumulador de plomo puede ilustrarse con una sencilla experiencia. Dos placas de plomo se sumergen en un vaso que contiene ácido sulfúrico diluido. Las placas se conectan en serie con una lámpara incandescente y se alimenta el conjunto con una tensión continua. Cuando la

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corriente circula a través del elemento, se observa desprendimiento de burbujas de cada placa, pero en una de ellas el número de burbujas es muy superior al formado en la otra. Al cabo de cierto tiempo se observa que una de las placas ha cambiado su color hacia un tono chocolate, mientras la otra permanece inalterada en apariencia. Un examen cuidadoso muestra, sin embargo, que el plomo metálico de la superficie de la última placa, empezó a trasformarse en plomo esponjoso.

Cuando la corriente circula, el voltímetro conectado a la pila indica aproximadamente 2,5 Voltios. Si se interrumpe la corriente, abriendo el interruptor, la lectura del voltímetro baja hasta unos 2,1 V, y el elemento es capaz de suministrar una pequeña corriente, aunque la cantidad de energía que es capaz de liberar es muy reducida. Cuando el elemento se descarga, la energia entre placas decrece lentamente hasta unos 1,75 V, después de los cual decrece mas rápidamente hasta llegar a anularse, quedando el elemento aparentemente agotado. El color negro-castaño de la placa correspondiente es ahora más brillante. Después de un corto reposo, la pila se recobra ligeramente y es capaz de suministrar corriente durante breve tiempo. La placa que adopta el color pardusco es la positiva o cátodo, mientras que la parcialmente convertida en plomo esponjoso es la placa negativa o ánodo. Las burbujas que se forman es hidrógeno libre. Cuando pasa corriente a través del elemento, el plomo metálico de la placa positiva se convierte en peróxido de plomo, mientras que en la placa negativa, aun cuando el plomo no varíe químicamente, se transforma en plomo esponjoso o poroso. Cuando se descarga el elemento, el peróxido de plomo de la placa positiva pasa a sulfato, con lo que ambas placas llegan a hacerse electro-químicamente iguales.

Cuando las placa positiva se convierte en peróxido y la negativa en plomo esponjoso por al acción de una corriente eléctrica, las dos placas son electroquímicamente distintas y, en tal caso, existe una f.e.m. Esta f.e.m. es de unos 2,1 voltios; el exceso de 0,4 voltios observado en la carga del elemento se emplea en vencer la resistencia interna y los efectos de polarización.

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Las reacciones químicas que tienen lugar en un acumulador son las siguientes:

De izquierda a derecha se muestran las reacciones que tienen lugar en el acumulador durante la carga. Cuando se lee de derecha a izquierda, muestra las reacciones que tienen lugar en la descarga

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Durante la descarga del acumulador la corriente que se produce, provoca un cambio de condición a través de la reacción que hace que el bióxido de plomo, (PbO2), de la placa positiva al combinarse con el ácido sulfúrico, (H2SO4), forma sulfato de plomo, (PbSO 4), el oxígeno, (O), liberado del bióxido de plomo, (PbO2), Al combinarse con el hidrógeno, (H 2), liberado del ácido sulfúrico (H2SO4), formando agua, (H2O). El plomo, (Pb), de la placa negativa se combina con el ácido sulfúrico, (H2SO4), formando sulfato de plomo, (PbSO4). Consecuentemente la densidad del electrólito disminuye como disminuye la tensión, hasta agotar la reserva energética del acumulador.

Acumulador Descargado

Acumulador en Carga

Cuando el acumulador se carga, la materia activa de la placa positiva está constituida de bióxido de plomo (PbO2). La materia activa de la placa negativa está constituida de plomo metálico en estado esponjoso, (Pb). El electrólito es una solución de ácido sulfúrico, (H 2SO4) y agua (H2O). Durante la carga la corriente que el acumulador recibe del cargador provoca la reacción inversa a la de descarga, volviendo a la condición inicial, bióxido de plomo (PbO2), placa positiva, plomo esponjoso (Pb), placa negativa y ácido sulfúrico (H2SO4) electrólito a 1.260 / 1.280 P.e. de densidad. La tensión aumenta hasta cierto valor, (2.6 Ve), superado el cual se manifiesta la electrólisis del agua que genera la separación del hidrógeno y del oxígeno que son liberadas de las placas positivas y negativas respectivamente.

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Nótese que cuando el acumulador se está cargando, el cambio que sufre el electrolítico es una transformación del agua en ácido sulfúrico. Como consecuencia, la densidad del electrolítico aumenta durante el proceso de carga. En la descarga, el ácido sulfúrico disociado reacciona con el peróxido de plomo formando agua. Por ello, durante la descarga, la densidad del electrolítico va disminuyendo. Durante la carga se desprende hidrógeno libre de la placa negativa y oxigeno de la positiva. Debido a la naturaleza explosiva del hidrógeno, cuando una batería está en proceso de carga no debe acercársele ninguna llama.

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Clasificación de las Baterías de Plomo Acido • • • • •

Por Tipo de Placas Por Tipo de Aleación Por Tipo de Mantenimiento Requerido Por Tipo de Electrolítico Según el Uso

Clasificación por tipos de placas

Existen dentro de las baterías (o acumuladores) de Plomo-Acido 3 tipos de placas básicas: • • •

Placas Planas empastadas. Placas Tubulares. Placas Planté.

Placas Planas Empastadas

La placa plana empastada, la cual puede tener distintos espesores, está formada por: una rejilla plana de aleación de plomo la que sirve de conductor

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de la corriente que entra y sale de la placa y de soporte mecánico del material activo y por el propio material activo que es el que reacciona con el electrólito para dar como resultado corriente eléctrica. Esta  placa puede ser de distintas superficies y espesores lo que definirá su capacidad que estará relacionada con el volumen, densidad y composición del material activo presente en la misma. Es posible tener en un mismo volumen una batería con muchas placas finas o menor cantidad de placas gruesas, en función de la cual la batería será en el primer caso, de altas corrientes de arranque por tener una importante superficie especifica (mm de placa/volumen de placa) o en el segundo caso, una batería para descargas más lentas. En una descarga rápida, la alta corriente que se le exige a la batería se opone a la inercia de la reacción química entre el material activo y el electrólito, por lo que se produce una caída de tensión momentánea motivada por la falta instantánea de electrólito en los poros de las placas finas, ya que para una corriente fija la alta superficie especifica compensa esa inercia química. En una batería de descarga lenta el material activo tiene tiempo suficiente para reaccionar con el electrólito por lo que pasa a ser prioritario darle a la placa un espesor tal que asegure una alta vida ya que cuanto más gruesa es la placa menos se corroe a lo largo del tiempo como consecuencia del paso de la corriente de flote y de la acción del ácido sulfúrico. Debe tomarse en consideración que, si la corriente es la que produce la corrosión de la placa y como las baterías de Plomo-Calcio se tienen corrientes del orden del 10 % de las de Plomo-Antimonio, podrá utilizarse placas más finas para iguales expectativas de vida.

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La composición de la pasta que se utilice para el empastado de la rejilla, dependerá de si la batería está diseñada para trabajo en flote, ciclado profundo o arranque. Esto se logra modificando las proporciones de todos los elementos que intervienen en la producción de la pasta. En el caso de baterías de arranque con alta corriente instantánea, las rejillas que forman las placas son radiales para una mejor conductibilidad de la corriente, mientras que en una batería de tipo estacionario el trabado de la rejilla es más importante ya que se debe evitar que se desprenda el material activo a medida que transcurre la vida útil de la batería y/o luego de una descarga profunda.

Placas Tubulares

La  placa tubular  está formada por una rejilla en forma de peine que sirve como conductor de la corriente eléctrica, un tubo que contiene el material activo y el propio material activo. Estas baterías tienen la particularidad de soportar gran cantidad de ciclos profundos debido que por su construcción el material activo no puede desprenderse de la rejilla. La pasta debe ser también preparada para este ciclado profundo, al igual que en las placas planas el espesor de las rejillas definirá la vida de las placas en condiciones de flote. Se utilizan aleaciones de alto contenido de antimonio por lo que estas baterías no son de libre mantenimiento. Su uso más frecuente es en autoelevadores eléctricos, energía solar y eólica. Los diseños varían según se utilicen placas tubulares de perfil cuadrado, se logra una mayor superficie específica por lo que se tendrá la misma capacidad en menor volumen. Estas baterías son óptimas para aquellas aplicaciones de gran cantidad de ciclos (1

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diario) de corriente moderada, donde se le ocasiona a la batería un ciclo de descarga profunda. Placas Planté

La placa planté está fabricada con una placa plana de plomo sobre la que se forman los óxidos como consecuencia de un proceso electroquímico de formación. Son generalmente placas de varios mm de espesor y soportan una cantidad de ciclos intermedia entre la batería de placa plana y la de tipo tubular. Es un tipo de placa para descargas lentas por tiempos de entre 5 y 10 horas. Generalmente son baterías pesadas y de volumen considerable, siendo su costo elevado. En el sistema Planté el material activo de las placas se forma a partir del plomo metálico, haciendo pasar la corriente a través del elemento, primero en un sentido y luego en sentido contrario. Este proceso transforma el plomo de la superficie de las placas en material activo. Existen dos tipos de placas Planté. En el tipo Gould, se parte de una placa lisa de plomo que se somete a un proceso de ranurado con el que se obtienen películas finas con un núcleo interno de plomo macizo, y la placa se coloca entonces en una solución oxidante y se carga. Este proceso hace que se forme el peróxido de plomo activo sobre los nervios, que se distingue por el material oscuro que queda entre ellos.

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En el tipo Exide Manchester, se ha construido en emparrillado de plomo y antimonio. El material activo consiste en cintas acanaladas de plomo, arrolladas en especial e introducidas a presión en las perforaciones de la parrilla. El peróxido tiene un volumen muy superior al plomo del cual procede. Por tanto, cuando el acumulador está cargado, dichas especiales se expansionan, con lo cual quedan aún más fijadas a la placa.

Nota: En todos los acumuladores, el número de placas negativas es superior en una unidad al de positivas. Ello permite que las placas positivas sean activas por ambos lados. Si las placas fueran activas por un solo lado, la dilatación del material activo, que tiene lugar cuando se convierte en peróxido durante la carga, haría que la lámina se abarquillase.

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Tipos de Aleaciones en Placas de Baterías de Plomo Acido

Generalmente las distintas rejillas que forman las placas de una batería están fabricadas con aleaciones de Plomo. Esta aleación del Plomo con distintos elementos aseguran que la rejilla tendrá una mayor capacidad de tolerar el ataque de agentes externos, como ser el Ácido Sulfúrico y la corriente, con respecto a una rejilla de Plomo puro, y le dará a la misma la rigidez mecánica necesaria. En una aleación de Plomo intervienen muchos elementos, sin embargo, se reconocen a las aleaciones con el nombre de: • • •

Aleaciones de Plomo-Antimonio Aleaciones de Plomo-Selenio Aleaciones de Plomo-Calcio

Aleaciones de Plomo-Antimonio

La aleación de Plomo-Antimonio es una de las más antiguas dentro de la fabricación de baterías. El porcentaje de Antimonio puede variar para distintos usos, estando entre el 10 al 2.5 %. A medida que el Antimonio se acerca a valores del 10 % se aumenta la posibilidad de ciclado de la batería, pero también aumenta la gasificación y el consumo de agua. Este tipo de baterías son de alta resistencia interna y alta corriente de flote, la cual aumenta a medida que envejece la batería, debido al envenenamiento que se va produciendo en la placa negativa, producido por la migración del ión Antimonio desde la placa positiva. No es factible fabricar baterías de libre mantenimiento y mucho menos sellada con este tipo de aleación y su uso es recomendado únicamente a baterías de ciclado profundo, como ser: para auto-elevadores, energía solar y eólica.

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La evolución tecnológica con sistemas cada vez más automáticos y en la búsqueda de reducir el mantenimiento y la contaminación ambiental, obligó a los fabricantes de baterías a buscar alternativas de bajo y libre mantenimiento, llegándose a las baterías de Plomo-Selenio y Plomo-Calcio respectivamente. Aleaciones de Plomo-Selenio

La aleación conocida como Plomo-Selenio es una aleación de Plomo-Antimonio entre el 1 y 2 %. En este tipo de aleación, la única función que cumple el Selenio es lograr que la baja cantidad de Antimonio presente en la aleación se encuentre de manera uniforme, cosa que no sería viable sin su aporte, y traería como consecuencia una rejilla quebradiza y sin las propiedades físicas y eléctricas necesarias. Las baterías fabricadas con este tipo de aleación tienen menor gasificación que una fabricada con alto contenido de Antimonio, y soportan menos ciclados. Existe gran confusión sobre si las baterías de Plomo-Selenio son de libre mantenimiento o no. La respuesta es una de las más utilizadas en Ingeniería: “depende”. Si la batería de Plomo-Selenio se utiliza en un auto, en donde la batería recibe la carga de un alternador 2 ó 3 horas. al día, entonces, esta batería se comportaría como una batería de libre mantenimiento ya que no requerirá agregado de agua. Se puede decir que en un uso automotriz promedio, la batería de Plomo-Selenio es una batería de libre mantenimiento. Cuando esa misma batería es aplicada a un uso estacionario como ser, iluminación de emergencia, alarma, UPS u otras aplicaciones en donde la batería recibe corriente de mantenimiento de carga durante las 24 horas del día, este tipo de batería pasa a ser de bajo mantenimiento quedando como única alternativa de libre mantenimiento la batería de Plomo-Calcio.

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Aleaciones de Plomo-Calcio

En la aleación de Plomo-Calcio no existe la presencia de Antimonio, el cual es suplantado por una proporción mucho menor por el Calcio, dándole a la placa las mismas propiedades mecánicas. Esta aleación es óptima para que estarán funcionando como baterías sistemas de emergencias, en donde la mayor parte del tiempo se encuentran en una condición de carga de flote con auto-descarga más baja que cualquier otra aleación, por lo que la corriente de flote por cada 100 Ah de capacidad, en 8 hs se mantiene en valores de unos pocos mili-Amperes, reduciendo la gasificación a valores despreciables. Además, al no haber presencia de Antimonio en la batería, no se produce el envenenamiento de la placa negativa a lo largo de su vida, por lo que la resistencia interna y la corriente de flote permanece invariable durante toda la vida útil de la batería. Estas propiedades de la aleación de Plomo-Calcio son las que la hacen imprescindibles para la fabricación de baterías selladas de gel o electrolito absorbido, ya que cualquier aleación con una mínima presencia de Antimonio provocará, durante su vida útil, un progresivo aumento de la gasificación deteriorando las relaciones estequiométricas necesarias para la recombinación gaseosa que debe llevarse a cabo en el interior de la batería, con la consecuente pérdida de capacidad y expectativa de vida de la misma.

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Mantenimiento Requerido por Baterías de Plomo Acido

Éste es un ítem donde normalmente nosotros, los estudiantes estamos más indefensos frente a lo que ofrece el mercado, ya que como primera medida no hay una clara definición de lo que es el libre mantenimiento. Para el usuario de una batería automotriz el libre mantenimiento representa no tener que ocuparse nunca de la batería (agregarle agua) durante toda la vida útil de la misma (3,5 años). Este objetivo puede lograrse en una batería de Plomo-Selenio; pero esta misma batería en un uso estacionario (10 a 20 años) ya no será de libre mantenimiento ya que necesitará el agregado de agua en forma periódica. Además, si el único objetivo es no agregar agua, se puede fabricar una batería de alto contenido de Antimonio (alto consumo de agua) y calcular cuánto electrolito deberá haber por sobre las placas para que nunca sea necesario el agregado de agua, pudiendo llegar a valores ridículamente desproporcionados; pero nadie se pregunta: ¿A dónde se fue el agua que gasificó la batería?

La gasificación de la batería es en forma de Oxígeno e Hidrógeno. El Oxígeno es un elemento oxidante y el Hidrógeno, en ciertas proporciones, forma con el aire una mezcla altamente explosiva. Además, ambos gases salen de un medio ácido altamente corrosivo por lo que la presencia de estos gases en el ambiente no siempre es aceptable, más aún cuando se trata de equipamiento electrónico. Cabe destacar que a medida que se consume agua, aumenta la densidad del electrolito haciendo al medio cada vez más agresivo para los componentes de la batería, reduciendo su expectativa de vida. En la actualidad se debe considerar a una batería como libre mantenimiento si su gasificación es nula o despreciable en una condición normal de uso. En general y sin tratar de entrar en casos de uso particular, una batería estacionaria puede ser de diferente tipo.

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Tipos de Mantenimiento Requerido

. Con Mantenimiento Si es de alto contenido de Antimonio. •

Mantenimiento de Acumuladores (baterías) Si el mantenimiento de la batería ha sido el correcto, puede durar cinco o más años. El echar agua natural en vez de destilada, aporta impurezas que perjudican a la batería. Cuando se cambie una batería, hay que poner en su lugar otra de igual o mayor capacidad. Para conectar una batería, primero se conecta el borne positivo y luego el negativo, y para desconectarla, primero se retira el borne negativo y después el positivo. •

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Para conservar las baterías en perfecto estado se deben de hacer las siguientes cosas: •

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Si el nivel del electrolito es bajo, se añadirá agua destilada, no debe utilizarse agua natural, pues produce impurezas que pueden corroer las placas, entre otras cosas perjudiciales. Nunca debe rellenarse la batería con ácido. Vigilar el nivel del Electrolito y no rellenarlo en exceso cuando proceda a rellenarlo. Deben de mantenerse limpios los respiradores de los tapones de llenado. Los bornes deben limpiarse periódicamente y engrasarlos con vaselina. La batería debe estar bien sujeta para evitar golpes y vibraciones excesivas. No dejar nunca herramientas sobre la batería. Si se quiere almacenar una batería durante algún tiempo, debe de almacenarse completamente cargada.

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¿Cómo alargar la vida de mi batería? Mantenimiento periódico. Verificar el nivel de agua. Chequear periódicamente el sistema de carga del automóvil o vehículo (alternador y regulador de voltaje) para evitar sobrecargas y descargas. Evitar que la batería permanezca sin recibir carga por períodos prolongados, ya que el proceso de auto-descarga, propio de todas las baterías, terminará por dañarla en forma irreversible. • •

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Bajo Mantenimiento Si es de Plomo-Selenio. •

Son aquellas que requieren alguna reposición de agua desmineralizada para mantener el nivel del Electrolito, de tal manera que siempre esté por encima (unos 5mm) de la parte superior de las placas. Para realizar la operación de agregado de agua desmineralizada, se deben retirar los tapones plásticos ubicados sobre la tapa de la caja de la batería. Las rejillas de las placas de estas baterías están constituidas por una aleación de Plomo-Antimonio y sometidas a una tensión de carga = 14,5 V consumen 2,2 gramos de agua por ampere-hora, aproximadamente. Libre Mantenimiento Si es de Plomo-Calcio. •

Batería sin mantenimiento es el nombre genérico dado a la batería producida con una tecnología que reduce significativamente el consumo interno de agua, durante el uso en condiciones normales (tensión entre 13.8V y 14.8V con el vehículo en funcionamiento), y que debe estar por debajo de un valor predeterminado. Las rejillas de las placas de estas baterías están constituidas por una aleación de Plomo-Calcio, Plomo-Plata o Plomo-Estaño. Es importante saber que todas las baterías de solución líquida poseen un consumo de agua y, ese consumo dependerá directamente de la tecnología usada en su fabricación y del diseño interno de la tapa y/o tapones. Actualmente existen diversas normas que establecen límites máximos de consumo de agua para considerarlas sin mantenimiento. A su vez las

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terminales automotrices poseen sus exigencias según sus normativas internas. La norma de VW establece un consumo máximo de 6g/Ah (6 gramos de agua por cada Ah de capacidad nominal), la norma Fiat exige un máximo de 3g/Ah y Ford 1.9g/Ah. La prueba para determinar el consumo de agua de una batería presenta pequeñas diferencias entre una norma y otra, pero básicamente consiste en: •

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Limpiar la batería completamente y pesarla inicialmente (Pi = Peso inicial). Colocar la batería en un recipiente con agua a 40°C (baño maría). El nivel de agua debe estar poco debajo del borde de la tapa. La batería debe recibir una carga constante entre 14.40V y 14.80V por un tiempo de 500h = 21 días (valor equivalente a aproximadamente un año de rodaje de un vehículo con 2 horas de uso diario). Al final de ese período, la batería debe nuevamente ser limpiada y pesada (Pf = Peso final). El consumo de agua será el resultado de la diferencia entre el peso inicial y el final dividido por la capacidad nominal de la batería.

Sin Atención Si es sellada. •

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Tipos de Electrolito en Baterías de Plomo Acido

Existen dentro de las baterías de Plomo Acido tres tipos de estados del electrólito, el cual es siempre una solución de Ácido Sulfúrico diluido en agua destilada. El electrolito puede estar en estado: • • •

Líquido. Gelificado. Absorbido.

Electrólito Líquido

El Electrolito Líquido puede tener distintas densidades entre 1.215 gr.sp. y 1.300 gr.sp. El valor de densidad está definido por la conjunción de varios factores, pero uno de los más importantes es el volumen del contenedor. Dado que para una cantidad de material activo determinada hace falta una cantidad definida de ácido absoluto, en función del volumen total disponible para el electrolito, se definirá la densidad necesaria del mismo. Otros factores que entran en consideración son las temperaturas y el uso. Electrólito Gelificado

El Electrolito Gelificado es uno de los dos sistemas que existen para la fabricación de baterías selladas. Cabe destacar que una batería es sellada, no por el empleo del Electrolito Gelificado (el que permite se realice la recombinación gaseosa), sino por el uso de la aleación de Plomo-Calcio, que dado el bajo nivel de gasificación, permite que se pueda realizar dicha recombinación. El gel se logra a través de la mezcla del Electrolito con una Sílica amorfa dando como resultado un compuesto de la consistencia de un gel.

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Electrólito Absorbido

El Electrolito Absorbido es el otro sistema existente para la fabricación de las baterías selladas. Su principio de funcionamiento es idéntico al de una batería de Electrolito Líquido. La diferencia es que en este caso, el Electrolito está absorbido por el separador, el cual está compuesto por una fibra de vidrio microporosa que mantiene suspendido el electrolito, y permite la recombinación gaseosa. Esta absorción del Electrolito en el separador permite que la batería se instale en cualquier posición, sin que por ello se produzcan derrames (a veces, también se las denomina como baterías de Electrolito inmovilizado). Dado que la cantidad de Electrolito es escasa, estas baterías no tienen tapones para reponer agua desmineralizada sino válvulas. Estas se colocan para evitar que el agua del Electrolito se evapore durante la última parte de la carga. Asimismo, todo el diseño interno está previsto para facilitar la recombinación de gases, evitando su pérdida. Otro nombre con el que suelen designarse estas baterías es por la sigla VRLA, o sea, batería de plomo-ácido regulada por una válvula, en inglés. Las baterías de Electrolito Absorbido tienen innumerables ventajas: a la ya mencionada (instalación en cualquier posición) se agrega el bajo mantenimiento (no se debe reponer agua), el menor espacio en planta que ocupan y la posibilidad de instalarse junto a equipamiento electrónico de cualquier tipo por tener una muy baja liberación de gases. Las precauciones a tener en cuenta se relacionan con la temperatura del ambiente (lo ideal es que esté comprendida entre 15 y 30ºC y con el cargador, que debe ser de tipo autoregulado, con tensión constante y corriente limitada.

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Aplicaciones de las Baterías de Plomo Acido

Las baterías o acumuladores de Plomo Acido pueden clasificarse de acuerdo a la aplicación para las cual se encuentra destinada. Tipos de Baterías Según su Aplicación

En este tipo de clasificación tendremos: Baterías Automotrices

Destinadas al arranque de automotores. Tienen que ser capaces de descargar el máximo de corriente posible en un corto espacio de tiempo manteniendo un alto voltaje. Tienen que ser capaces de aguantar muchas descargas incluso con cambios fuertes de temperatura. El peso, el diseño y la forma son también características determinantes. Para poder cumplir su tarea principal que es arrancar un motor, se necesita mucha energía en un periodo corto de tiempo. Las baterías de arranque tienen generalmente una baja resistencia interna. Esto puede lograrse con una gran área de superficie de electrodo, un pequeño espacio entre placas y unas conexiones “heavy-duty” (resistentes a duros servicios) entre celdas.

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Funciones de la batería automotriz. Proporcionar energía al motor (“burro”) de arranque, el sistema de inyección y el sistema de ignición, para encender el motor. Ofrecer energía adicional cuando la demanda eléctrica del vehículo excede la que puede proporcionar el alternador. Proteger el sistema eléctrico, estabilizando la tensión y compensando o reduciendo las variaciones que pu-dieran ocurrir dentro del sistema. •

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Baterías de Tracción

Es una batería que ha sido diseñada para soportar un alto ciclado. Es decir una gran secuencia de descargas, seguidas de las correspondientes recargas. Obsérvese que, una batería para uso estacionario, tendrá conectado un cargador (que, a su vez estará conectado a la red pública de alterna) por lo cual su descarga será muy baja. En cambio, una batería que alimenta un vehículo eléctrico, como un autoelevador eléctrico, todos los días tendrá un ciclo de descarga, mientras la máquina se encuentra trabajando, a lo que seguirá una carga durante el tiempo en que el operador descansa. Es decir, las baterías de tracción están sujetas a una constante y relativamente pequeña descarga, durante largos periodos de tiempo, lo que supone un alto grado de descarga. Hay que procurar recargarlas, preferiblemente de 8 a 16 horas cada día antes de que se vuelvan a descargar. Se utilizan para entregar energía utilizada directamente para dar movimiento a un equipo, como ser un autoelevador eléctrico, una locomotora de minas, un carro de golf, etc. Las baterías de tracción tienen electrodos muy gruesos con rejillas pesadas y un exceso de material activo.

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Baterías para Energía Solar y Eólica

Almacenan energía eléctrica como resultado de la transformación de la energía solar o eólica.

Baterías Estacionarias

Para usos en comunicaciones, señalamientos, alarmas, iluminación, accionamiento, etc. Las baterías estacionarias están constantemente siendo cargadas y se debe tener cuidado de evitar que se sequen. Se mantienen permanentemente cargadas mediante un rectificador autoregulado. Este rectificador puede, también, alimentar a un consumo, como en el caso de las centrales telefónicas, o a otro equipo de conversión de energía, como en el caso de las UPS. En los sistemas de iluminación de emergencia, en cambio, el rectificador sólo alimenta a la batería. En cualquier caso, lo importante es que la batería se descarga con muy poca frecuencia y el rectificador debe recargarla, luego de una descarga, y mantenerla perfectamente cargada, compensando la auto-descarga interna. El Electrolito y el material de la rejilla del electrodo están diseñados de forma que se minimice la corrosión. Baterías para U.P.S.

Para altas corrientes instantáneas o descargas menores de 60 minutos. Con todo lo dicho anteriormente, nos damos cuenta, luego de esta reducida introducción, que para cada aplicación y condición de uso existe una batería adecuada.

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Capacidad Nominal de una Batería de Plomo Acido

El parámetro más importante a la hora de especificar una batería industrial es la capacidad nominal. También es el más conocido. Sin embargo, y a pesar de ambas razones, el concepto de capacidad no termina de ser bien comprendido y esto lleva a muchas confusiones cuando se comparan productos de diferentes fabricantes. Pero comencemos desde el principio, es decir, definiendo qué entendemos como capacidad de una batería. En términos sencillos, diremos que es la cantidad de electricidad contenida en ella y que podemos aprovechar para entregar corriente a una carga durante un cierto tiempo. Se la simboliza con la letra “C”. ¿Y en que unidades se mide?

Si nos atenemos a la definición que hemos dado, y hacemos un poco de memoria, resulta que la cantidad de electricidad se designaba por la letra “Q” y se medía en Coulomb. Sin embargo, el Coulomb resulta ser una unidad poco práctica para el uso con baterías, por lo que en la práctica se utiliza el Ampere hora, que se abrevia Ah. Dejamos como un ejercicio para el lector la comprobación de que 1 Ah = 3600 Coulomb. Esta definición de capacidad y su medición en Ah fue la primera y continúa siendo la más utilizada debido a su practicidad: en la mayoría de las aplicaciones la corriente es el factor importante y sujeto a control.

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El torque ejercido por un motor, el calentamiento del filamento de una lámpara, la intensidad de campo dentro de una bobina solenoide…, todos ellos son proporcionales a la corriente. En las centrales telefónicas la corriente de una central telefónica se calculaba conociendo el consumo por línea (en mA) y la cantidad de líneas que se podrían en servicio. Sin embargo, en los últimos años se han difundido mucho las aplicaciones donde lo que se toma de la batería no es una corriente constante sino una potencia constante. Un caso típico es el de los equipos que suministran energía interrumpida, denominados UPS. En este caso, se debe entregar una potencia constante durante un tiempo breve, en general, inferior a una hora. En otras palabras, lo que se está entregando es una determinada cantidad de energía. Resulta útil, entonces, expresar la capacidad de la batería en Wh (Watt hora). La misma unidad en la que se mide la energía eléctrica que consumimos en nuestros domicilios. Pero, ¿existe alguna relación entre ambas capacidades? Si, por supuesto, la capacidad en Wh de una batería se puede obtener multiplicando la capacidad en Ah por la tensión media durante el período de descarga. La tensión media puede obtenerse en forma aproximada mediante algunos cálculos sencillos pero para facilitarnos las cosas, la mayoría de los fabricantes, hoy en día, publican ambos valores de la capacidad. Consultemos, por ejemplo, el manual “rojo” de Vision (el de la serie CP) para el caso de un “caballito de batalla” en todos los mercados, el monoblock de 12V/7Ah (en nuestro caso el modelo CP1270). En la página 30 del manual, el fabricante menciona en el cuadro denominado “Especificaciones” (Specifications) que la tensión nominal es de 12 V y la capacidad nominal (en 20 h) es de 7Ah.

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Ahor Ahora a nos nos enco encont ntra rare remo moss con con un cuad cuadro ro más más pequ pequeñ eño o cuyo cuyo títu título lo es “Des “D esca carg rga a a pote potenc ncia ia cons consta tant nte e espe especi cifi fica cada da en W por por celd celda a a 25ºC 25ºC”” (Constant power discharge ratings-watts per cell at 25ºC). Así, para una descarga de 15 minutos y hasta una tensión final por celda de 1,75V (o 10,5V para todo el mono-block), el cuadro indica que la potencia constante que puede obtenerse por celda es de 24.8 W.

Si efectuamos la misma búsqueda para una batería de plomo acido de mayor tamaño, como la 6FM100 de Vision (manual azul, serie FM), encontramos que la capac capacid idad ad nomi nominal nal es de 100A 100Ah h o 271 271 W/ce W/celd lda a para para desc descarg argas as de 15 minutos y hasta 1,75 VPC (Volt por celda) a 25ºC. Dado que ambos monoblocks tienen 6 celdas, la potencia total disponible por batería para esa descarga se obtiene multiplicando los valores anteriores por esta cantidad. Ocurre que en las UPS, por ejemplo, se asocian en serie un importante número de monoblocks (por ejemplo 10, si la UPS trabaja con 120V) y entonces es más útil dividir la potencia necesaria por el número total de celdas que tendría la batería completa (en esta caso, 60). A esta altura, alguien podría preguntarse por qué el fabricante dice (para la CP1270) “7 Ah en 20h” cuando especifica la capacidad en Ah o “24.8W en 15

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minutos y hasta 1,75V” cuando especifica la potencia. En otras palabras, si la descargo en 5h, ¿la capacidad no es de 7Ah? Y si la descargo hasta 1.8V ¿Qué pasa con los 24.8W que me especifican en potencia? ¿Siguen siendo válidos? Y la respuesta es “NO”.

La capaci capacidad dad que un fabrica fabricante nte especific especifica a para una baterí batería a es válida válida en determi determinad nadas as condic condicion iones es que deben deben ser indica indicadas das clarame claramente. nte. De otra otra manera, el número aislado de Ah o Wh puede no corresponder a nuestras condiciones de uso. Digamos entonces que la capa capacid cidad ad de una una baterí batería a depende depende,, básica básicamen mente, te, de tres tres parámet parámetros ros:: a) régimen régimen de descarga descarga;; b) tensión tensión final y c) temperatura. Decimos básicamente básicamente porque, porque, si quisiéramos quisiéramos hila hilarr fino fino,, hay hay otro otross fact factor ores es que que infl influy uyen en en el dese desemp mpeñ eño o de esto estoss productos. Pero, a los fines prácticos y de la mayoría de las aplicaciones, es suficiente con tomar en cuenta los tres anteriores. Analizando uno a uno

El primero, el régimen de descarga, significa que si una batería del tipo mono monobl bloc ockk de 12V 12V tiene tiene una una capa capaci cida dad d espec especif ific icad ada a de 100A 100Ah, h, ello ello no implica que pueda descargarla a • • •

1A durante 100 horas 10A durante 10 horas 100A durante 1 hora

Observar que, en todos los casos, y suponiendo que se trata de una descarga a corriente constante, el producto “corriente x tiempo” daría una capacidad de 100A 100Ah, h, igua iguall a la espe especi cifi fica cada da.. Sin Sin emba embarg rgo, o, una una bate baterí ría a no podr podrá á satisfacer todos los casos anteriores. Dependiendo de la construcción, en el prim primer er caso caso,, prob probab able lemen mente te nos nos entr entregu egue e hast hasta a un 10% 10% de capa capaci cidad dad adicional, en el segundo caso obtendremos el 95% de la capacidad (o sea, la descarga se “caerá” a las 9,5 horas) y, por último, en el tercero, a esa corriente de 100A difícilmente nos dure más de 35 minutos.

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La mayoría de las baterías del tipo monoblock tienen su capacidad definida para un régimen de descarga de 20 horas. En el caso de nuestra batería de 100 Ah, eso significa que el fabricante también nos está diciendo que la corriente de descarga es de 5A (100Ah/20h = 5A). Si volvemos al ejemplo anterior, parecería correcto decir que cuan-do el régimen de descarga es inferior al nominal (tiempos más largos o corrientes más pequeñas que las nomina nominales les), ), la capaci capacidad dad será mayor mayor que la nomina nominal. l. Por el contra contrario rio,, si el régimen de descarga es superior al nominal (tiempos menores o corrientes mayores que las nominales), la capacidad que se obtendrá será menor que la nominal. nominal. Los porcentajes porcentajes mencionados mencionados más arriba son más o menos típicos: típicos: cuando la capacidad de una batería definida para 20 horas se extiende a 100 horas (caso típico de baterías monoblock utilizados en sistemas de energía solar u otros no convencionales) aumenta un 10%; si la descarga es en 10 horas todavía obtendremos cerca de un 95% de la nominal; por último, si la descarga se realiza en una hora, solo el 65% de la capacidad, aproximadamente, estará disponible. Se puede consultar el manual de cualquier batería y comprobará lo dicho. Volviendo al ejemplo que realizamos con el “caballito de batalla”, la batería de 12V/ 12V/7A 7Ah, h, en el manu manual al de Visi Vision on de esta esta seri serie e (la (la CP) CP) de bate baterí rías as encontramos lo siguiente: • • •

Capacidad nominal en 20h: 7Ah Capacidad nominal en 10h: 6.5Ah (93% de la nominal) Capacidad nominal en 1h: 4.7Ah (67% de la nominal)

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Otra forma de presentar la variación de capacidad en función del régimen de descarga es la que muestra el gráfico de arriba, suministrado por Trojan Batteries para sus baterías utilizadas en vehículos eléctricos (capacidad nominal en 20h). La curva azul, indica una capacidad de 210Ah en 20h, que se reduce a 195Ah para 10h. La relación 195/210 = 0,928 nos da un valor similar al ya indicado. La curva roja indica la corriente de descarga que corresponde a la capacidad para un determinado tiempo. La pregunta que sigue, entonces, es ¿por qué ocurre esto? Antes de contestar, recordemos una situación que conocemos bien: la cantidad de Km por litro de combustible que obtenemos en un vehículo cuando circulamos a 80 o 90 Km/h y cuando decidimos ir rápido, a 120 Km/h o aún más. Sabemos muy bien que el rendimiento baja drásticamente cuando vamos a mucha velocidad. Algunos fenómenos (como la resistencia aerodinámica que el vehículo ofrece al aire) pasan a tener una gran influencia cuando pasamos de 100 Km/h. En el caso de una batería, ocurre algo similar: al aumentar la corriente de descarga, las pérdidas se hacen más importantes. Considerando, para simplificar, solo las pérdidas óhmicas, recordemos que las mismas aumentan con el cuadrado de la corriente. Duplicar la corriente

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de descarga significa, entonces, que las pérdidas se incrementan cuatro veces. Por último, antes de pasar al segundo parámetro que influye en la capacidad, digamos que todo lo dicho para descargas a corriente constante es válido cuando la descarga es a potencia constante. Por ejemplo, en el caso de la CP 12V/7Ah, como vimos en la nota anterior, si en 15 minutos nos entregaba 24.8 W/celda, al reducir el tiempo de descarga al 67% (descarga en 10 minutos), la potencia constante que podemos obtener, de ninguna manera, se incrementa en este porcentaje. Por el contrario, solo obtenemos 29.6 W/celda, o sea, un 19% más.

Pasemos ahora a considerar la influencia de la tensión final de descarga en la capacidad que podemos obtener de una batería. Es decir, la tensión a la cual el fabricante recomienda interrumpir la descarga de manera que la batería no se dañe. Este valor puede variar entre 1,9 VPC (Volt por celda) para descargas de muy larga duración (100h) y 1,6VPC para descargas muy breves (minutos). No es posible descargar la batería hasta cero Volt porque la sulfatación podría no revestirse por completo durante la carga. Es por esta razón, que el fabricante impone un límite del que sugiere no pasar. Los valores de tensión mínima que más se utilizan, cuando las descargas se realizan a regímenes comprendidos entre 5h y 20h, son estos: 1,8 VPC (o 10,8V para un monoblock de 12V) en el caso de baterías que responden a normas europeas o internacionales (como las IEC) y 1,75 VPC (10,5V para un monoblock) en el caso de las baterías que responden a normas de USA. De esta manera, si a una determinada corriente o potencia de descarga, se disminuye la tensión final de corte se podrá prolongar la duración de la

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misma. Es una forma de “sacarle más jugo” a la batería. Por supuesto, esto se podrá hacer siempre y cuando el equipo alimentado por la batería admita un funcionamiento con una tensión más baja. Veamos un ejemplo de lo anterior para que se comprenda mejor lo que decimos. Tomaremos los datos de este ejemplo del manual de Vision, serie CL (color verde).

En el gráfico se ha representado para una celda CL de 2V/300Ah la capacidad (Wh, eje y) en función de la tensión final de descarga (en el eje x) y para diferentes duraciones de la descarga. Consideremos la curva magenta, de descarga en 30’. La celda puede entregar 477 W hasta 1,8V y 509W hasta 1,75V.

En otras palabras, si admitimos que la tensión final sea un 2,8% menor, la potencia que podemos obtener puede ser un 6,7% mayor y estamos aprovechando mejor la energía almacenada en la celda. Análogamente, en el caso de descargas a corriente constante, se puede lograr una descarga a una corriente mayor si permitimos que la tensión de corte sea menor. Recordemos, no obstante, que las descargas a mayor profundidad (menores tensiones finales) también producen una disminución en la vida útil de la celda o batería. Como en muchas otras situaciones, se debe buscar el compromiso más conveniente. Por último, el tercer factor con fuerte influencia en la capacidad disponible es la temperatura. Este parámetro tiene mucha influencia en las reacciones

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químicas y las que se producen dentro de una batería no son excepción. Por otra parte, la experiencia de poner en marcha un automóvil en invierno nos confirma que esto es así, dado que la batería se comporta como si tuviera menos energía disponible.

El gráfico de arriba, realizado en base a la serie CP de Vision, muestra que la variación de la capacidad con la temperatura se puede dividir en tres zonas bien diferenciadas de variación casi lineal: a) por debajo de 0°C la capacidad disminuye 1,3% por cada grado centígrado; b) una zona intermedia, entre 0°C y 25°C, donde la capacidad varía la mitad, con un coeficiente de 0,6% por grado centígrado y c) por encima de 25°C, donde la capacidad aumenta con un coeficiente pequeño de 0,15% por grado centígrado.

Capacidad nominal a una temperatura de referencia

Los fabricantes especifican la capacidad nominal a una temperatura de referencia. Las temperaturas que se encuentran en los manuales son de 20°C o 25°C. Para un cálculo rápido, con un buen factor de seguridad, se puede adoptar directamente una variación del 1% por grado centígrado, entre 0°C y la temperatura de referencia. Pero, siempre que esté disponible, recomendamos consultar la información que da el fabricante de la batería.

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Sin embargo, la operación de una batería a temperaturas superiores a 30°C está completamente desaconsejada, puesto que la corrosión interna se incrementa significativamente. Como regla general, podemos decir que por cada 10°C de incremento de la temperatura de operación por encima de la de referencia, la vida útil se reduce a la mitad. Es decir, que si la temperatura de operación de una batería especificada para 25°C resulta ser de 35°C, el aumento de capacidad será de apenas el 1,5% (0,15% x 10), mientras que, si la vida útil a 25 °C era de 5 años, difícilmente nos dure más de 2,5 años.

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Baterías Sin o de Libre Mantenimiento

Batería sin mantenimiento es el nombre genérico dado a la batería producida con una tecnología que reduce significativamente el consumo interno de agua, durante el uso en condiciones normales (tensión entre 13.8V y 14.8V con el vehículo en funcionamiento), y que debe estar por debajo de un valor predeterminado. También se la conoce como Batería de Libre Mantenimiento. Es importante saber que todas las baterías de solución líquida poseen un consumo de agua y, ese consumo dependerá directamente de la tecnología usada en su fabricación y del diseño de interno de la tapa y/o tapones. Actualmente existen diversas normas que establecen límites máximos de consumo de agua para considerarlas sin mantenimiento. A su vez las terminales automotrices poseen sus exigencias según sus normativas internas. La norma de VW establece un consumo máximo de 6g/Ah (6 gramos de agua por cada Ah de capacidad nominal), la norma Fiat exige un máximo de 3g/Ah y Ford 1.9g/Ah. La prueba para determinar el de consumo de agua de una batería presentar pequeñas diferencias entre una norma y otra, pero básicamente consiste en: •

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Limpiar la batería completamente y pesarla inicialmente (Pi = Peso inicial). Colocar la batería en un recipiente con agua a 40°C (baño maría). El nivel de agua debe estar poco debajo del borde de la tapa. La batería debe recibir una carga constante entre 14.40V y 14.80V por un tiempo de 500h = 21 días (valor equivalente a aproximadamente un año de rodaje de un vehículo con 2 horas de uso diario). Al final de ese período la batería debe nuevamente ser limpiada y pesada (Pf = Peso final).

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Consumo de Agua de una batería

El consumo de agua será el resultado de la diferencia entre el peso inicial y el final dividido por la de la batería, como puede ser observado fácilmente en la siguiente formula: capacidad nominal

Ejemplo

Capacidad nominal de la batería = 100Ah Peso inicial = 25,5 kg = 25.500 g (antes del test) Peso final = 25,0 kg = 25.300 g (después del test) Peso final = 25,0 kg = 25.300 g (después del test)

Conclusión: La batería testeada podría ser considerada como libre de mantenimiento para algunas terminales como es el caso de VW y Fiat, pero no podría ser considerada de esa manera en Ford. En caso de sobrecarga, o sea, una carga con tensiones superiores a los 14.8V, el consumo de agua aumenta.

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Carga de una Batería de Plomo Acido

La carga de una batería es el proceso inverso de la descarga y, por lo tanto, debemos devolverle la misma energía que le fue extraída más (y aquí viene algo que solemos olvidar) un porcentaje adicional. ¿Por qué un porcentaje adicional y no exactamente lo que le sacamos? Porque, como toda máquina del mundo real, su rendimiento no es 1 (o 100%), si entendemos por este término a la relación entre la energía entregada en la descarga y la devuelta en la carga. Valores típicos de rendimiento para las baterías de plomo-ácido son los siguientes: 80 a 85% para baterías de electrolito líquido o abiertas y 90 a 95% para baterías selladas. Las variaciones de estos porcentajes se deben a las distintas modalidades de carga y descarga con las que podemos encontrarnos de acuerdo con la aplicación. Dicho esto, vamos a la pregunta concreta ¿Cómo Cargamos una Batería?

La respuesta es que existen varios métodos de carga, entre los que citamos: • • •

Suministrar corriente constante Suministrar tensión constante Suministrar una tensión creciente con corriente decreciente.

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¿Y cuál es el que más conviene?

Digamos, en primer lugar, que el tercer método debería descartarse porque corresponde a cargadores muy elementales, sin ningún tipo de control electrónico. La mayoría de los cargadores de bajo costo son de este tipo y no son aptos para una batería que pretendemos que nos dure lo que nos dice el fabricante, por ejemplo, cinco años. La mayoría de las baterías no fallan cuando se las usa como tales, es decir, entregando corriente durante un cierto tiempo. Por el contrario, se les hace daño al cargarlas con cargadores inadecuados como estos que mencionamos. Se trata de cargadores que al no tener ningún tipo de regulación, cargarán según como esté la red. En lugares donde la red esta baja, simplemente, no cargarán nada. Y cuando la red esté alta, provocarán una sobrecarga. Y, cuando la red esté normal cargarán en un tiempo mucho más largo del razonable. Nos quedan, entonces, los primeros dos métodos. El cargador ideal es el que combina ambos métodos. A este tipo de equipo se lo suele designar como “cargador de corriente constante-tensión constante” o “cargador de tensión constante con corriente limitada”. Es muy frecuente encontrar esta denominación en los manuales de baterías. ¿Cómo funciona un cargador de este tipo?

El proceso es así: en un primer estado, al inicio de la carga, entregará corriente constante, manteniéndose así hasta que la batería alcance un determinado nivel de tensión. A partir de ese momento, el cargador pasará a un segundo estado en el que mantendrá constante ese nivel de tensión. Al mantenerse estable la tensión, la corriente comenzará a disminuir hasta que, al cabo de un tiempo, habrá llegado hasta un valor mínimo que también se mantendrá aproximadamente estable. Este será el momento de considerar cargada a nuestra batería y un cargador correctamente diseñado debería desconectarse indicando “fin de carga”. Pero hay otra posibilidad, muy útil cuando se trata de baterías que, luego de cargadas, no serán utilizadas por algún tiempo. Esta es que, al finalizar la carga, el cargador pase a un tercer estado, también de tensión constante, pero de un nivel más bajo, denominado tensión de flotación. ¿Qué función cumple este estado de funcionamiento de un cargador? Mantiene la batería

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perfectamente cargada, compensando su auto-descarga. Y, entonces, estaremos seguros que, el día que la necesitemos, nuestra batería estará perfectamente cargada.

Este tipo de cargador es totalmente adecuado para cualquier batería de electrolito líquido y también para baterías selladas que se utilizan en aplicaciones de ciclado. Los valores de ajuste del mismo pueden llegar a ser diferentes según el tipo de batería a utilizar pero los estados de funcionamiento son los mismos. ¿Cómo sabremos cuando la batería ya está cargada?

Es una de las preguntas más frecuentes y engorrosas para contestar. Porque no es algo que se pueda determinar sin realizar mediciones. La primera respuesta a esta pregunta sería: “la batería estará cargada cuando hayamos devuelto los Ah que sacamos en la descarga más un porcentaje adicional debido al rendimiento de todo el proceso, por ejemplo un 10% más”. Lo complicado es que no es fácil medir los Ah entregados. Ningún cargador de los que habitualmente se consigue mide este parámetro. ¿Y calcularlos en base al tiempo? Esto puede hacerse mientras estamos en la etapa de corriente constante (Ah entregados = corriente constante x tiempo transcurrido) pero ¿cómo hacemos el cálculo cuando la tensión se estabiliza y la corriente está disminuyendo permanentemente? No es algo fácil. Recurriremos, entonces, a una regla práctica que da muy buen resultado. Consideraremos que la batería ha completado su carga cuando la corriente permanece estable, sin disminuir, durante un intervalo mínimo de tres horas. En las baterías con rejillas de aleación de plomo-antimonio, este valor de corriente mínima suele ser del 1% de la capacidad de la batería. Y en una con aleación de plomo-calcio, el valor es bastante menor, entre el 0,1 y el 0,3% de la capacidad, según el estado de la batería (aumenta con el envejecimiento). Otra regla práctica, pero aplicable solo a baterías de electrólito líquido, y con nivel suficiente por encima de las placas como para poder extraer una muestra con un densímetro, es la de monitorear la densidad del mismo en la etapa final de carga y durante un intervalo de tiempo que también es de 3

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horas. Si durante este tiempo, en el que la batería estará en franca gasificación y, por lo tanto, el electrólito en constante burbujeo, la densidad permanece aproximadamente estable, sin incrementarse, significa que la batería ya está plenamente cargada.

El gráfico que sigue a continuación muestra esta estabilización para el caso de la corriente de carga. Se muestra la carga a corriente constante-tensión constante y para dos regímenes de corriente constante, 0.1C y 0.2C, valores bastante típicos para cargar una batería.

Lo primero que vemos es que al incrementar la corriente límite del cargador de 0,1C a 0,2C se logra una reducción significativa del tiempo de carga. En ambos casos se ha supuesto que la descarga fue completa. Se puede observar que el tiempo para completar la carga se reduce en no menos de seis horas. (Considerando la estabilización de la corriente durante 3 horas) en ambos casos, la capacidad devuelta es un 105% de la nominal.

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Medición de la Capacidad de una Batería de Plomo Acido ¿Cómo se Realiza un Ensayo de Capacidad?

Generalmente después de un tiempo de uso apreciable de una batería de plomo-ácido nos solemos preguntar ¿cómo estará la batería? Existen en nuestro mercado una serie de instrumentos que permiten medir diferentes parámetros que ayudan a tener una idea del estado de una batería estacionaria, la resistencia interna, la impedancia o, incluso, la conductancia. Sin embargo, no existe nada más efectivo para conocer el estado de una batería que llevar a cabo un ensayo capacidad. La primera medida a tomar es la de asegurarnos que la batería se encuentre bien cargada. La carga se debe realizar a tensión constante con corriente limitada. La tensión adecuada para realizar esta carga previa al ensayo de capacidad es de 2,4 VPC y la corriente puede estar comprendida entre el 10 y el 20% de la capacidad nominal. Suponiendo que la batería se encontraba cargada, a los pocos minutos de conectado el cargador, la corriente comenzará a disminuir. La carga se debe mantener hasta que la corriente que toma la batería se mantenga constante, sin disminuir, durante un intervalo de, por lo menos, tres horas. El valor de corriente puede ser tan bajo como el 0,2% de la capacidad (ej: para una batería de 100 Ah, la corriente será de 0,2A). A continuación la batería debe quedar en reposo durante un lapso de tiempo. Las normas de ensayos hablan de un tiempo mínimo de una hora y un máximo de 24.

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¿Qué elementos se requieren para realizar un ensayo de capacidad?

Si se trata de un ensayo para determinar la capacidad en Ah, se debe contar con una carga resistiva ajustable, que permita mantener la corriente de descarga en un valor constante a lo largo de todo el ensayo. Esto se puede lograr mediante resistencias de alambre de Kantal u otra aleación que tenga muy bajo coeficiente de variación con la temperatura. Además, como a medida que disminuye la tensión de la batería, la resistencia debe ajustarse (disminuirse) de manera que la corriente se mantenga constante, el banco de resistencias debe armarse de manera tal que permita realizar ajustes bastante “finos” una vez iniciado el ensayo. Las normas piden que la corriente se pueda ajustar y mantener con una precisión del 1% (se tolera salir de este porcentaje durante lapsos de algunos segundos mientras se logra el ajuste). Si el ensayo pretende determinar la capacidad en Wh, lo más adecuado es conseguir un equipo UPS. En ese caso, la cosa se facilita ya que la carga que tomará la potencia de descarga se puede lograr mediante estufas eléctricas, lámparas y otros consumos de corriente alterna (siempre del tipo resistivo puro). Se debe tener en cuenta la potencia de pérdida del inversor de la UPS (el rendimiento de esta etapa de una UPS suele estar entre el 85 y el 90%, dependiendo del tamaño). El inversor está diseñado para entregar una potencia constante a la carga y, entonces, facilita la realización de este ensayo que, de otra manera, resulta casi imposible de llevar a cabo (salvo que se cuente con un descargador automático para potencia constante, fabricado a pedido). Entendemos que la pretensión de contar con una UPS para este ensayo no es desmedida porque los usuarios que desean determinar la capacidad en Wh de un banco de baterías, en general, es porque desean utilizarlas como fuente de energía de reserva en una UPS. Para medir la tensión de las celdas o monobloques se debe utilizar un voltímetro de clase 1 (o mejor). Para medir la corriente de descarga, se requiere de un shunt de clase 0,5 y un milivoltímetro de la misma clase 0,5 o mejor. Un buen multímetro digital (de 41/2 dígitos, por ej) es un buen sustituto de ambos voltímetros. Para

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medir la potencia, en descargas a potencia constante, se puede realizar un cálculo con los valores de tensión y corriente que alimentan el inversor (los instrumentos para medir potencia en forma directa son más difíciles de obtener). Otra posibilidad, si la UPS cuenta con un panel digital de medición, es tomar la potencia que indique el display e incrementarla utilizando el valor de rendimiento del inversor, como ya se mencionó (obviamente, la precisión de este método será muy inferior pero puede, de todas maneras, servir a nuestro propósito de determinar el estado de la batería para nuestro requerimiento). También es necesario contar con un termómetro con la posibilidad de apreciar 0,5ºC y escala comprendida entre 0 y 40ºC, por lo menos.

Por supuesto, lo ideal sería contar con un termómetro digital, ya sea del tipo punta de contacto o infrarrojo. Si la batería es de electrolito líquido también hay que tener un densímetro con escala comprendida entre 1000 y 1300 g/l.

Recinto para Realizar el Ensayo

En primer lugar, debe ser un lugar aislado de cualquier otra actividad, con alguna ventilación o renovación de aire (sobre todo si la batería es de electrolito líquido), libre de polvo, de humedad no superior al 80% y temperatura lo más estable posible. Lo ideal es que esta última sea de 25ºC pero, de no ser posible, que su rango de variación esté entre 20 y 30ºC. Si bien se pueden realizar correcciones de la corriente de descarga, la densidad o la capacidad, lo más aconsejable es realizar el ensayo a temperaturas que estén lo más cerca posible de las de referencia, de manera que las correcciones sean mínimas.

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Régimen de Descarga

El régimen de descarga significa elegir la corriente (o la potencia) constante a la que realizaremos el ensayo. Siempre se debe elegir un valor que figure en las especificaciones del fabricante y se acerque lo más posible al uso que nosotros le estamos dando a la batería. En otras palabras, si la batería la utilizamos en una descarga de 1h, no es aconsejable realizar un ensayo para verificar la capacidad nominal que, generalmente, viene expresada para tiempos más largos, como 8h, 10h o 20h. Busquemos, en las tablas de descarga, el valor de corriente (o potencia) correspondiente a 1h y realicemos el ensayo con este valor. Otro dato importante a tomar de las hojas de datos es la tensión final o mínima del ensayo, o sea, cuál es la tensión a la que el fabricante especifica que el ensayo se debe interrumpir para no sobre descargar la batería. Los valores más utilizados, son 1,75VPC o 1,8VPC. En el caso de monoblocks para UPS, dado que se trata de descargas en tiempos inferiores a 1h, se suelen especificar valores de 1,67; 1,6 o incluso menores, como 1,3 VPC (Volt por celda). Lo recomendable es realizar el ensayo a la temperatura nominal que se especifica para la batería. Es decir, 20 o 25ºC. Y que dicha temperatura se mantenga lo más estable que sea posible durante el ensayo. Si no se puede lograr esto, entonces es inevitable realizar correcciones. Revisando las normas para baterías de plomo-acido, nos encontraremos ante dos alternativas. La primera, utilizada por las normas internacionales (por ejemplo IEC-896/EN60896), es registrar la temperatura real del ensayo y proceder a realizarlo

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como si estuviéramos a la temperatura nominal, sin corregir nada, hasta alcanzar la tensión final. Se registra el tiempo real de descarga y se calcula la capacidad que ha resultado a esa temperatura. Por último, se procede a corregir la capacidad obtenida mediante una expresión matemática. Un detalle a mencionar es que la temperatura ambiente real a registrar es la inicial del ensayo, para ensayos de hasta 5 horas. En cambio, si la duración del ensayo es superior, la temperatura a registrar es la media aritmética de todas las registradas a lo largo del ensayo.

La segunda, preferida en normas americanas (como la IEEE-1188), requiere una corrección inicial de la corriente de acuerdo con un factor k, suministrado por el fabricante o tomado de la tabla de normas como la mencionada. El ensayo se realizará durante el tiempo elegido con la corriente corregida, debiendo las celdas o batería terminar con una tensión mayor o igual a la mínima especificada para no ocasionar daños. ¿Cómo se realiza el Ensayo?

Primero se conecta la carga y se inicia la descarga a la corriente o potencia previstas. Si la descarga se realizará con la idea de corregir la capacidad al final, registrar las mediciones de tensión de todas las celdas o monoblocks y la temperatura de las que se elijan como piloto (por ejemplo, una celda cada 6 o cada 12) a lo largo de la descarga, como mínimo, al 0%, 10%, 20%, 50% y 80% de la duración esperada para la misma. A partir de este último porcentaje, se deberán tomar lecturas que permitan determinar con exactitud el pasaje por la tensión final o mínima. La duración esperada, para no equivocarse, puede tomarse como la que figura en las tablas del fabricante para la temperatura de referencia, con un porcentaje en más (si la temperatura es mayor que aquella) o en menos (si la temperatura es menor) igual a la diferencia entre la temperatura real y la de referencia. Por ej, si no hay más remedio que realizar el ensayo a 15ºC y la temperatura de referencia es 25ºC, la duración esperada del ensayo será la que hemos elegido (por ej 5h=300 minutos) menos un 10% (que surge de la

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diferencia: 25 – 15). O sea, 270 minutos. Pero, reiteramos, esta es una duración esperada: el ensayo se debe cortar cuando alguna celda o monoblock llega a la tensión final fijada. Si la descarga se realizará corrigiendo de entrada la corriente de descarga, efectuar esta corrección de acuerdo con el factor k y proceder de la misma manera que en b) pero, ahora, la duración esperada es la que se ha elegido (1h, 5h, etc.). Al cumplirse este tiempo, las celdas o monoblocks deberían estar por encima del valor de tensión mínimo. Recordar que es importante seguir de cerca la caída de tensión de las celdas o monoblocks a partir del momento en que llegamos al 80% del tiempo de descarga.

Corrección de Capacidad según Normas Internacionales C25 = Ct / [ 1 + λ (T - 25) ]

Siendo C25 la capacidad a la temperatura de referencia 25ºC y Ct la capacidad calculada con los datos obtenidos en el ensayo a la temperatura T. Por su parte el coeficiente k  de las normas IEEE, asume los valores típicos que figuran en la tabla siguiente (la corriente de descarga a la temperatura indicada se obtiene dividiendo la corriente de la tabla del fabricante a la temperatura de 25ºC por este factor).

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Normas Internacionales sobre Baterías de Plomo Acido

Lo primero que trataremos de aclarar es que no todas las normas a las que se hace referencia cuando se trata de productos eléctricos (y las baterías de plomoácido entran en esta categoría, al menos, en parte) se refieren a lo mismo. Existen normas que, específicamente, se refieren al desempeño del producto que nos interesa, otras se refieren a sus características de seguridad al operarlo (lo que no necesariamente está relacionado con el cumplimiento de nuestras expectativas en cuanto a desempeño) y, por último, un tercer conjunto se refiere al sistema de gestión de la empresa, ya sea en lo que hace a cuestiones de calidad, medio ambiente o seguridad e higiene laboral. Lamentablemente, una empresa puede tener una excelente gestión y, sin embargo, fabricar productos que no cumplan con nuestras necesidades o, peor aún, que a la hora de utilizarlos, traigan aparejado algún riesgo para la salud o seguridad de las personas. Lo inverso también podría ser válido, es decir. En otras palabras, deberíamos tener en claro qué es lo que estamos pretendiendo para poder evaluar si las normas que nos ofrecen son las que realmente necesitamos. Por supuesto, los límites, a veces, no son tan estrictos, y los alcances de las normas tienen cierta superposición. Pero a los fines de poder dejar en claro algunas ideas, es conveniente hacer una separación como la que aquí hemos realizado.

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Ejemplos: (Las siglas de normas que utilizamos se aclaran al final). Es muy frecuente que, al relacionarnos con un fabricante, hoy en día, se nos explique que su empresa “ha certificado la norma ISO 9001”. Esta es una norma que se refiere al desempeño del sistema de gestión de calidad de la empresa.

Por ser una norma general referente a instituciones (se puede aplicar a una empresa comercial o a un club deportivo) nada nos asegura que los productos fabricados o servicios brindados cumplan con determinadas especificaciones técnicas. Aclaremos de paso que la expresión “ha certificado” significa que un tercero (como nuestro instituto IRAM) verificó, mediante una auditoria, que los preceptos de la norma, efectivamente, se cumplen. Y, obviamente, no tiene el mismo valor que la empresa lo afirme o que un tercero independiente sea quien lo declare. En cambio, si al conversar con el fabricante, nos aclara que el producto por el que estamos interesados cumple con una norma IEC, estaremos en presencia de algo mucho más específico, si lo que nos interesa es saber si el interruptor eléctrico, por ejemplo, servirá o no para ser instalado en nuestro circuito, o si la batería que queremos comprar tendrá la capacidad que necesitamos. Nuevamente, aclaremos, que la declaración del fabricante tendrá mucho más valor si este cumplimiento ha sido verificado con ensayos realizados en un laboratorio o institución independiente y de prestigio reconocido, por lo que no se trata de una mera “auto-declaración”.  También, resulta muy claro que si, además de cumplir con normas específicas sobre desempeño del producto, el fabricante nos aclara que la empresa cuenta con una certificación de su sistema de gestión de la calidad, podremos estar seguros que sus procesos están bajo control y que si compramos un producto hoy y otro el mes que viene, su calidad será idéntica. Avancemos un paso más, ahora, y supongamos que, se trata de evaluar lo que podría ocurrir con nuestro producto en caso de un incendio. Sería el caso de una batería pequeña instalada en una luminaria de emergencia. Al examinar el folleto con las características técnicas, el fabricante debería decirnos que el mismo cuenta con una certificación de UL. En ese caso, dado el reconocido prestigio de esta institución, logrado a lo largo de más de 100 años de dedicación a los temas de seguridad en productos eléctricos,

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podremos estar seguros que la batería no contribuirá de ninguna manera a la propagación de llamas, en caso de un incendio en el local o un calentamiento anormal de la luminaria. Aclaremos, desde ya, que encontraremos normas nacionales y normas internacionales. Entre las primeras, mencionaremos las IEEEBSI (del Reino Unido), DIN (de Alemania) y JIS (de Japón). (de Estados Unidos), las  Y entre las segundas, las IEC e ISO. Referencias: BSI: Siglas en inglés del Instituto Británico de Normas (British Standards Institute). En la web: www.bsi-global.com •

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DIN: Siglas en alemán del Instituto Alemán de Normas (Deutsches Institut für Normung) En la web: www.din.de IEEE: Siglas en inglés del Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos de Estados Unidos, la mayor organización profesional representativa de los ingenieros a nivel mundial (Institute of Electrical and Electronics Engineers). En la web consultar: www.ieee.org ISO: Siglas en inglés de la Organización Internacional para la Estandarización (International Standards Institution), con sede en Ginebra (Suiza) y representada en nuestro país por el Instituto Argentino de Normalización (IRAM). En la web: www.iso.org IEC: siglas en inglés del Comité Internacional de Electrotécnica (Internacional Electrotechnical Committee), con sede en Ginebra (Suiza) y representado en nuestro país por la Asociación Electrotécnica Argentina. En la web: www.iec.ch  JIS: siglas en inglés de las Normas Industriales Japonesas (Japanese Industrial Standards) publicadas por la JSA, Asociación Japonesa de Normas (Japanese Standards Association). En la web: www.jsa.or.jp UL: siglas en inglés del Underwritters Laboratories, institución fundada en 1894 por las compañías de seguros de USA para que se abocara a especificar la seguridad de los productos como una forma de poder

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acotar el riesgo asumido al otorgar una póliza de seguros. En la web: www.ul.com

Haremos ahora referencia a las normas que se refieren al desempeño, ensayos, instalación, etc. de baterías Industriales de plomo-ácido. Con relación a las normas de seguridad solo recordaremos lo ya dicho en el sentido que las más reconocidas y respetadas son las realizadas por UL, institución fundada en 1894 por las compañías de seguros de USA. Por último, con relación a las normas relacionadas con sistemas de gestión, como las de la serie ISO 9000, se trata de un tema más general y no solo relacionado con la fabricación de baterías. La norma internacional más conocida en relación con baterías industriales de plomo-ácido es la IEC 896, también identificada como IEC 60896 y EN 60896. Recordamos que IEC es la sigla del International Electrotechnical Committee, con sede en Ginebra, y representado por la Asociación Electrotécnica Argentina en nuestro país (en esta institución se puede obtener una copia). “EN” son la siglas de European Norm, es decir que la Comunidad Europea ha adoptado a esta IEC como norma propia. La norma, a su vez, tiene dos partes: la primera, IEC 60896-1, se refiere a baterías de plomo-ácido abiertas o ventiladas y la IEC 60896-2 se refiere a baterías selladas. En ambos casos, se trata de baterías estacionarias. A continuación mencionaremos brevemente los principales temas que abarcan las dos partes de esta norma: IEC 60896-1

Requisitos generales y métodos de ensayo de baterías de plomo-ácido del tipo ventiladas. Es sumamente importante cuando se realizan ensayos de capacidad nominal, adaptación al funcionamiento a tensión de flote, ciclado, retención de carga, resistencia interna y corriente de corto-circuito. IEC60896-2

Requisitos generales y métodos de ensayo de baterías de plomo-ácido del tipo VRLA. Al igual que la anterior es muy utilizada para la realización de ensayos de desempeño en este tipo de productos (los ensayos son similares a los de la norma IEC 60896-1).

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Otras normas IEC que nos parece conveniente mencionar para integrar en nuestro informe son las siguientes: IEC 61056-1

Requisitos generales y características funcionales para baterías VRLA de plomo-ácido portátiles. Métodos de en-sayo, y su equivalente en el sistema  japonés de normas:  JIS C-8702-1. Esta norma se aplica a todas las baterías VRLA pequeñas como las Vision, NP, etc que se utilizan en UPS, sistemas de alarma e incendio, luminarias de emergencia, etc. IEC 60254

Requisitos generales y métodos de ensayo de baterías de plomo-ácido para uso en tracción eléctrica. Dimensiones de las celdas y bornes Otras normas muy utilizadas y citadas en los pliegos de licitaciones públicas son las BS. Mencionamos la BS 6290, prácticamente idéntica a la IEC 60896. BS 6290-1

Especificación de requisitos generales de baterías de plomo-ácido estacionarias del tipo ventiladas. BS 6290-4

Idem para baterías reguladas por válvula.

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En nuestro país, cuando se trata de ensayos, criterios de mantenimiento y reemplazo de baterías industriales estacionarias, también son muy utilizadas las normas IEEE. Esta es la sigla del Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos de Estados Unidos, una de las instituciones profesionales más importantes del mundo. En este caso, las más importantes son las siguientes: IEEE-450 para baterías ventiladas y su similar para baterías selladas, la IEEE-1188. Una rápida reseña de los temas tratados en ellas (las últimas ediciones son del año 2002 para la 450 y del año 1996 para la 1188) son los siguientes: mantenimiento, esquema de ensayos, procedimientos para realizar los ensayos, criterios de reemplazo de una batería, reciclado y disposición al final de la vida útil y varios anexos donde se encuentran diversos factores de corrección relacionados con la temperatura. Un detalle que algunas veces ha dado lugar a discusiones es el establecido en un párrafo del capítulo “Aceptación” y que se refiere al criterio de aceptación de la capacidad inicial de una batería nueva. Dada las veces que nos hemos enfrentado a estas discusiones nos parece un aporte impactante transcribirlo textualmente y tal como figura en la IEEE-450. El párrafo al que hacemos referencia, entonces, dice así: “La batería podrá tener una capacidad inferior a la especificada en el momento de enviarla. A menos que se especifique una capacidad del 100% en el momento del envío, la capacidad inicial podrá tener un valor tan bajo como el 90% de la capacidad nominal. Bajo condiciones normales de operación, después de varios años de servicio a la tensión de flote, la capacidad podrá aumentar hasta, por lo menos, la capacidad nominal.”

Queda claro que, si compramos una batería cuyo fabricante se rige por esta norma, y a menos que le indiquemos explícitamente que la queremos con un 100% de capacidad en el ensayo de aceptación que realicemos, el fabricante podría entregarla, bajo el paraguas de esta norma, con una capacidad de hasta 90%. Vale la pena aclarar que, “…varios años de servicio a la tensión de flote” pueden ser reducidos a unos pocos ciclos de carga y descarga para completar la formación de las placas y lograr el 100% de capacidad. Este ciclado es el que la norma le autoriza al fabricante a evitar (a menos que se

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especifique lo contrario, reiteramos) encarecimiento del producto.

dado

que

suele

implicar un

Otras normas IEEE importantes de mencionar en nuestro informe IEEE484 – IEEE 485

Este conjunto contiene las prácticas recomendadas para dimensionar y diseñar la instalación de baterías de plomo-ácido estacionarias cuya carga es variable. Esto suele darse, como ejemplo típico en sub-estaciones y estaciones transformadoras. Es una norma sumamente práctica ya que incluye ejemplos de aplicación. IEEE 937

Prácticas recomendadas para instalación y mantenimiento de baterías de plomo-ácido para sistemas fotovoltaicos. IEEE 1013

Práctica recomendada para dimensionar baterías de plomo-ácido para sistemas fotovoltaicos. Además de la teoría incluye hojas de trabajo (worksheets) sumamente útiles para realizar diseño. IEEE 1189

Es un complemento de la 1188 ya mencionada y contiene una “Guía para la selección de baterías VRLA para aplicaciones estacionarias”  Tal vez la diferencia más importante entre las normas IEC y las IEEE se relaciona con la forma de evaluar la capacidad, aunque los resultados suelen ser compatibles. En efecto la norma IEC realiza la descarga de la batería sin corregir la corriente por temperatura. Al finalizar el ensayo, corrige la

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capacidad medida mediante una expresión que figura en la norma. En cambio la IEEE, antes de comenzar el ensayo, corrige la corriente de descarga de a-cuerdo con la temperatura ambiente y con el valor resultante realiza la descarga. En la norma figura una tabla para poder realizar esta corrección.

Muchos países generan sus propias normas de baterías a partir de las IEC internacionales, modificando algunos detalles de acuerdo con sus necesidades. Como un ejemplo cercano, mencionamos las normas de la ex Telebras (de Brasil) todavía vigentes: 240-500-507

Procedimientos de ensayo de tipo para acumuladores ácidos estacionarios ventilados (muy similar a la IEC 60896-1) 240-500-509

Procedimientos de ensayos de tipo para baterías de plomo-ácido reguladas por válvula.

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Definiciones: Dendritas:

Las dendritas son pequeños hilos metálicos que se forman por la aglomeración de partículas de plomo de la placa negativa en una batería de  plomo-acido, disueltas por el agua en exceso del electrólito. En las baterías de electrólito absorbido quedan adheridas al separador. Cuando una batería se descarga por completo, la utilización de ácido sulfúrico del electrólito es total y el electrólito ahora se compone solo de agua. Durante la recarga, esta condición puede producir dendritas metálicas que pueden penetrar el separador y ocasionar un cortocircuito en la celda. La sulfatación de las placas y la resistencia interna asumen sus máximos valores. Batería para tracción eléctrica:

Una batería para tracción eléctrica, es una batería que ha sido diseñada para soportar un alto ciclado. Es decir una gran secuencia de descargas, seguidas de las correspondientes recargas. Obsérvese que, una batería para uso estacionario, tendrá conectado un cargador (que, a su vez estará conectado a la red pública de alterna) por lo cual su descarga será muy baja. En cambio, una batería que alimenta un vehículo eléctrico, como un auto-elevador eléctrico, todos los días tendrá un ciclo de descarga, mientras la máquina se encuentra trabajando, a lo que seguirá una carga durante el tiempo en que el operador descansa. Ciclo de una Batería:

Se denomina ciclo de una batería a la sucesión de una descarga seguida de su posterior recarga hasta recuperar completamente la energía extraída. Las normas IEEE, DIN, BS, JIS, IEC, también definen la duración de ciclos batería de plomo-acido. Por ejemplo, en la norma IEC 60896, el período de descarga es de 3 horas, mientras que el de carga dura 21 horas. Es decir, la norma permite realizar un ciclo completo por día. Normalizados para probar una Se denomina profundidad de una descarga a la relación entre la capacidad descargada y la capacidad nominal de la batería. Cuanto mayor la

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profundidad de la descarga, menor será la cantidad de ciclos que la batería nos podrá entregar. Por ejemplo, si una batería de tipo monoblock para aplicaciones estacionarias entrega 180 ciclos con una profundidad de descarga de 80%, reduciendo las descargas a un 30%, la misma batería entregará más de 1000 ciclos. Batería de Ciclo Profundo (deep cycle)

Una batería de ciclo profundo o “deep cycle” es aquella que ha sido especialmente diseñada para operar en ciclado de profundidad superior a 50%. No se debe utilizar una batería de propósitos generales cuando los ciclos son profundos (por ejemplo, en un carro de golf). Las baterías de ciclo  profundo poseen placas reforzadas para evitar su agotamiento prematuro y poder soportar mejor la exigencia del ciclado. Expectativa de Vida Útil de una Batería

La expectativa de vida útil de una batería es el tiempo de funcionamiento que el fabricante pronostica para ella si se mantienen las condiciones especificadas. Por ejemplo, funcionamiento en condiciones estacionarias a una temperatura de 25ºC y una tensión de flote estabilizada. En algunos casos, el tiempo ha sido extrapolado a partir de los datos obtenidos en un ensayo realizado a la batería denominado de “vida acelerada”: la batería se ensaya a una temperatura elevada (por ejemplo, 70 ºC) hasta llegar al 80% de su capacidad. El tiempo obtenido (por ejemplo, 6 meses) se convierte luego a las condiciones de operación nominales de 25ºC (en USA) o 20ºC (en Europa). ¿Cómo Alargar la Vida Útil de una Batería?

Los fabricantes de baterías suelen proveer en las hojas de información la expectativa de vida útil de una batería, pero la puede alargarse el tiempo de funcionamiento óptimo de una batería siguiendo unos simples pasos: •

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Mantenimiento periódico. Verificar el nivel de agua y limpiar los bornes. Chequear periódicamente el sistema de carga del automóvil o vehículo (alternador y regulador de voltaje) para evitar sobrecargas y descargas.

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Evitar que la batería permanezca sin recibir carga por períodos prolongados, ya que el proceso de auto-descarga, propio de todas las baterías, terminará por dañarla en forma irreversible.

¿Cómo saber si una Batería está Cargada?

La manera de averiguar si una batería está cargada correctamente consiste en medir la tensión de vacío es una forma sencilla y práctica. La tensión, en baterías de plomo-ácido, depende de la densidad del electrolito. La regla práctica dice que, si se conoce la densidad del electrolito (expresada en Kg/l) sumando el coeficiente 0,845 obtendremos la tensión a circuito abierto o en vacío (por celda) de esa batería. Veamos un ejemplo. La densidad del electrolito de las baterías selladas es de 1,3 Kg/l. Por lo tanto, 1,3 + 0,845 = 2,145. Este será el valor en Volt de la tensión a circuito abierto. Si la batería es un monoblock de 12V (6 celdas), la tensión a circuito abierto que mediremos, cuando se encuentra bien cargada, será de 12,87V. Batería Automotriz

Una batería automotriz es un dispositivo que almacena energía química para ser liberada después en forma de energía eléctrica en el momento de poner en marcha el motor del vehículo. Cuando la batería se conecta a un consumo externo de corriente, como un motor, la energía química se convierte en energía eléctrica y fluye a través del circuito. Una vez encendido el vehículo el alternador se encarga de recargar la batería convirtiendo la energía eléctrica en energía química nuevamente (proceso reversible). Las funciones de las baterías automotrices son: •

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Proporcionar energía al motor (“burro”) de arranque, el sistema de inyección y el sistema de ignición, para encender el motor. Ofrecer energía adicional cuando la demanda eléctrica del vehículo excede la que puede proporcionar el alternador.

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Proteger el sistema eléctrico, estabilizando la tensión y compensando o reduciendo las variaciones que pudieran ocurrir dentro del sistema.

¿Cómo Cambiar la Batería de un Auto?

Para desinstalar o cambiar la batería de un auto (batería gastada) por una nueva solo es necesario seguir una serie de pasos simples. Si la batería está caliente o se observan burbujas al retirar los tapones, se deberá esperar unos minutos para que se enfríe. •

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Desconectar el terminal negativo (o de masa) y, posteriormente, el positivo de la batería. En caso de que los terminales estén sulfatados, no los golpees; lo correcto es limpiarlos con una solución de bicarbonato de sodio (prepararla con 30g de bicarbonato disueltos en 250 ml de agua). Utilizar llaves fijas para aflojar las tuercas y una pinza para sostener el terminal. Quitar las fijaciones mecánicas utilizadas para inmovilizar la batería en su base. Retirar la batería. Limpiar los terminales del vehículo con la solución de bicarbonato y un cepillo redondo de alambre. En caso de ser necesario, reemplazarlos. Limpiar bien la base, empleando el mismo método. Si fuera necesario, recurrir a un chapista para reparar, proteger y pintar las partes de chapa que pudieran haberse dañado por acción del ácido sulfúrico contenido en la batería reemplazada. Colocar la batería nueva en la base. Asegurarse que los bornes queden en la posición adecuada. Rotarla 180º de ser necesario. Si la batería nueva es del modelo que corresponde los cables del vehículo deberían llegar a los nuevos bornes sin ningún inconveniente.

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Volver a poner en su sitio los soportes de fijación retirados en la operación 3. Conectar nuevamente los terminales positivo y negativo, asegurándose que el contacto con cada borne sea firme.

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Cold Cranking

La Capacidad de Arranque en Frío, también conocida como Cold Cranking (C.C.A.) es la corriente de alta intensidad que la batería puede proporcionar a muy baja temperatura. Para medirla, la batería se debe someter a una descarga de corriente constante, bajo condiciones dadas de temperatura (18º C), tensión final y tiempo. El criterio de aceptación para este ensayo es que la tensión entre terminales sea mayor o igual que 1,2 Volt por celda (VPC) o 7,2 Volt de tensión para baterías de 12 Volt, transcurridos 30 segundos de iniciada la descarga. Diferencia entre Capacidad de Arranque y Capacidad de Arranque en Frio

La diferencia está dada por la temperatura a la que se realiza el ensayo. La capacidad de arranque en frío o cold cranking (C.C.A), como vimos, se mide a -18º C, mientras que la capacidad de arranque (C.A) se mide a 0º C. Este valor siempre es mayor, ya que la batería a mayor temperatura tiene un mejor rendimiento. ¿Por qué se Inflan las Baterías?

Existen muchas causas por las cuales las baterías se inflan, pero una de las más frecuentes es una fuerte sobrecarga que genera calentamiento de las rejillas. Al calentarse estas, todo el conjunto de placas se curva y deforma, lo que, a su vez, produce una deformación de la caja. Además, se genera mucha gasificación que no puede ser liberada por los tapones. ¿Por qué Explotan las Baterías?

Cuando la tensión de carga alcanza un valor de 14,4 V comienza a producirse el fenómeno de la electrólisis . Es decir, el agua del electrolito se descompone en sus componentes básicos, hidrógeno y oxígeno. Como se sabe, el hidrógeno es un gas fácilmente inflamable. Si la tensión sigue aumentando (lo cual puede deberse a un mal funcionamiento del regulador de tensión) la velocidad de generación de los gases puede dar lugar a una concentración de hidrógeno tal que, si no se ventila adecuadamente, podrá ser inflamada por cualquier chispa interna o externa provocando la explosión de la batería. Para tranquilidad, esta condición no se da con mucha frecuencia.

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Como consejo, se sugiere descartar lo antes posible las baterías que llegaron al final de su vida útil , ya que en estas la carga suministrada no es absorbida con buena eficiencia y se utiliza, de manera importante, para producir gasificación, y ya vimos que entre los gases generados está el hidrógeno. ¿Afecta la Temperatura el funcionamiento de una Batería?

La temperatura puede afectar el desempeño de una batería debido a las siguientes causas: •

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Las altas temperaturas aceleran la corrosión de las rejillas y la degradación de los materiales activos. A bajas temperaturas, la capacidad de entregar corrientes de arranque importantes disminuye y esto se evidencia porque al motor le cuesta más arrancar. Cuando una batería ya esté sobre el final de su vida útil, la falla se hará evidente cuando las temperaturas sean bajas (por debajo de 5-10ºC).

Sin embargo, si bien el rendimiento disminuye, una batería de plomo-acido dura más tiempo en climas fríos. Esto se debe a que todos los procesos de corrosión interna se hacen más lentos. A la inversa, si bien “vivirán” menos tiempo, el rendimiento de las baterías se incrementa con las altas temperaturas.

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Actividad práctica La actividad que se presenta a continuación está desarrollada en base a los ejercicios realizados en las baterías didácticas que se encuentran en el pañol del instituto. A la vez, se realizaron mediciones en un vehículo que hemos seleccionado para nuestro estudio de una batería en funcionamiento. El automóvil destinado para esto fue un Chery Beat GL, auto de origen chino, con un motor de 1.6 cc de 16 válvulas. Es un vehículo full equipo, que posee varios extras del tipo confort, como lo es aire acondicionado, alzavidrios eléctricos, alarma, entre otros. Esto hace que en su sistema eléctrico tenga un alto consumo eléctrico. En primer lugar se realizará el estudio y el desarrollo de los ejercicios prácticos en las baterías didácticas. Estas actividades están relacionadas con el tema de la inspección y la mantención que se puede realizar en una batería.

En esta fotografía se puede observar la batería que se utilizó para la medición de densidad de la batería. Junto a esta se encuentra el densímetro, también proporcionado por el pañol del instituto.

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Despiece de una batería

A modo de conocer de manera íntegra lo que es una batería, se ha desarrollado la siguiente actividad práctica sobre una “batería didáctica” proporcionada por el pañol del instituto. Esta se encuentra desarmada completamente, en donde podemos observar sus placas y divisiones. De lo único que carece es del electrolito, por razones de seguridad y comodidad para su utilización. Esta actividad es sencilla y solo consta del reconocimiento de las partes. A continuación se presentan las imágenes obtenidas de este ejercicio

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En la imagen anterior se puede observar los distintos compartimientos que tiene la “batería didáctica”. Podemos observar como se disponen las placas de plomo, y a la vez, la posición de los bornes, pudiendo ver como se disponen estos para su instalación final. Posee 6 compartimientos, en donde las placas se encuentran intercaladas, dando la instalación final.

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Mantención de la batería.

En relación a la mantención que se puede realizar a una batería, no es una tarea complicada ya que son pocas las acciones que se nos permite realizar.  Tenemos que observar el estado externo de la batería, es decir, los bornes y las tapas plásticas. Es importante que no observemos ningún tipo de fugas del electrolito. En este caso, la batería no tenía fugas. Un dato a recalcar si, es el estado de los tapones de esta, ya que debido a la gran cantidad de mediciones y estudios que se han hecho en ella, estos se encuentran bastante dañados. Otro punto que debemos observar es el estado de los bornes, ya que se podrían encontrar sulfatados o dañados. En este caso se encontraban restos de sulfato, dando la impresión de que había sido limpiada no hace mucho tiempo. Para realizar esta tarea se debe hacer con un cepillo de fierro, recomendable, para luego limpiar con agua.

Como observaremos en la siguiente imagen, la batería que se encontraba en el vehículo estudiado en el taller era una batería de libre mantención. Este punto ya fue estudiado anteriormente, por lo tanto se sabe que estas baterías vienen selladas, y lo único que nos podría llevar a realizar un trabajo sería encontrarnos con bornes sulfatados. Según las características encontradas en la descripción de la batería del Chery, podemos decir que es una batería 12V de libre mantención de origen chino. Tiene

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una carga efectiva de 45 amph., un CCA de 430 amp., con el borne positivo ubicado al lado izquierdo de esta. Este punto, relacionado con la posición del bornes positivo, es un detalle importante, y que el usuario o el personal de mantención debe tener en cuenta al momento de la sustitución de la batería, ya que los distintos fabricantes utilizan esta diferencia según los requerimientos de espacio y posición aceptable de los elementos de conducción y elementos de protección para el vehículo.  También, a la hora de comprar nuestra batería, debemos tener claro a que se refieren todos estos datos que nos proporcionan. Según lo estudiado anteriormente, ya sabemos que es sumamente importante entender a que se refiere el CCA (Cold Cranking Amper), que será el cranking de arranque en frío que nos va a proporcionar la batería. En la siguiente imagen se encuentra la disposición de la batería en el vehículo estudiado.

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Medición de la densidad

Para medir la densidad de la batería, se utilizó el densímetro proporcionado por el pañol del instituto, el cual lo podemos observar en las siguientes imágenes. En

la

imagen se puede observar las medidas que nos entrega el densímetro. Estas medidas, a la vez, están divididas en secciones demarcadas con distintos colores, a fin de ayudar en la interpretación de los resultados obtenidos. La batería utilizada para este ejercicio fue la misma estudiada anteriormente, pero como se pudo observar, esta no se encontraba en buenas condiciones. Las medidas de densidad obtenidas se pueden observar a continuación:

Como se observa en la imagen obtenida de la medición del vaso número uno, el densímetro nos marca en la sección roja con una densidad de 1170 kg/m3. Nos indica que la densidad de la batería es precaria.

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Al realizar la medición del cuarto vaso, nos da como resultado el mismo valor de densidad, he incluso más bajo, en este caso 1150 kg/m3. Esto nos da la seguridad para determinar que esta batería se encuentra en malas condiciones, y que el electrolito que tiene posiblemente se encuentra deteriorado.

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Medición de tensión

Para el siguiente ejercicio, se ha decidido realizar la actividad en otro vehículo, un citroen saxo año 2002, motor 1.4cc, el cual es un vehículo de uso diario, con una batería que tiene un uso aproximado de unos 18 meses. Los instrumentos utilizados en esta experiencia fueron: - Tester digital. - Probador de baterías análogo. - Batería en uso diario. El probador de baterías utilizado es un instrumento análogo, el cual nos brinda una serie de rangos bastante útiles a la hora de poder diagnosticar el estado de una batería y de forma paralela, el estado del sistema de carga del vehículo en cuestión, ya que dicho sistema es fundamental para el buen desempeño y durabilidad de una batería. En las siguientes imágenes podemos observar el probador utilizado:

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En la pantalla podemos observar de manera análoga los distintos comportamientos de la batería que pueden llegar a ser observados. La primera sección que encontramos está relacionada con el análisis de la batería al momento del arranque del vehículo. Para esto, el probador trae incorporado una caída de tensión, la cual puede ser aplicada a la batería sin necesidad de tenerla conectada al automóvil. La sección que sigue nos indica de manera directa si la carga de la batería está aceptable o deficiente al momento de conectarla al instrumento. Para la última sección, tenemos la medición del funcionamiento del sistema de carga del vehículo. Esto nos va a indicar si el sistema de carga está funcionando de manera correcta, si es que genera poca carga, o si es que está generando una carga excesiva. A continuación se realizará la aplicación de este instrumento en el vehículo seleccionado, y en otras baterías para poder comparar los resultados obtenidos. Análisis en el vehículo Medida del estado de la batería.

Como primera actividad se instaló el probador de baterías en el vehículo. Las imágenes obtenidas de este ejercicio fueron las siguientes:

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En la imagen se ha conectado el probador con el vehículo apagado, por lo tanto, nos entrega la primera señal de que la batería se encuentra en buen estado. Esta lectura la entrega en el área señalada como de Battery Test, que es la sección central del probador. Al posicionar la aguja en el área verde de la sección, nos indica que la batería está en buen estado de carga inicial.

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Medición del sistema de carga

La siguiente experiencia está relacionada con el sistema de carga. Para esta experiencia, es necesario dar arranque al vehículo. Al dar arranque, el probador inmediatamente nos muestra, tal como podemos apreciar en la imagen, el estado del sistema de carga. Para esto la aguja se posiciona en el área de “Charging System” que corresponde a la sección ubicada en la parte derecha de la imagen.

Como podemos observar, la aguja se encuentra en la parte verde se la sección, indicando que el sistema de carga se encuentra en buenas condiciones. En teoría, lo que está

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realizando el instrumento es medir la carga que nos está generando el alternador.

Medición sistema de arranque

El probador, como se nombró anteriormente, posee un sistema que simula un arranque del vehículo. El motor de partida, encargado de romper la inercia del motor de combustión, debe girar con una gran fuerza, por lo tanto provoca una gran caída de tensión. Una batería en mal estado, no soportará esta caída de tensión, y como consecuencia, no se podrá dar arranque al vehículo de manera autónoma. En la siguiente actividad, aplicaremos este sistema que nos proporciona el probador, para lo cual usaremos dos baterías; una en buen estado, y otra que ya se encuentra en malas condiciones. Esta experiencia se realizó con las baterías fuera del sistema eléctrico del automóvil, a fin de apreciar de mejor manera la utilidad del probador.

Batería en malas condiciones.

En la siguiente imagen se ha conectado el probador directamente a los bornes de la batería. A la vez, en paralelo, se ha conectado el multitester digital, ya que el probador carece de la lectura de los distintos voltajes obtenido en las mediciones. Podemos observar que según el probador, la batería está entre el área verde y rojo, el cual nos indica el estado de la batería. En el multitester digital obtenemos una lectura de 12.34 Volt.

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A continuación, se procede a realizar la simulación de arranque. Para este proceso, se activa el interruptor del simulador durante 10 segundos. De esto obtuvimos el siguiente resultado.

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Se puede observar claramente como la aguja del probador se encuentra posicionada en el area denominada como “Starting System”, llegando hasta la zona roja de la sección. En el multitester obtenemos una lectura de 6.75 Volt. , lo cual es demasiado bajo como para poder generar el giro del motor de partida. Como conclusión, esta batería no sería capaz de soportar un arranque de un vehículo, por lo tanto está en malas condiciones.

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Batería en buenas condiciones

Ahora realizaremos la misma experiencia en una batería que tiene poco tiempo de uso, y que se encuentra en buenas condiciones de carga y funcionamiento. En la siguiente imagen se encuentra la batería conectada directamente al probador, y en paralelo el multitester digital, para poder tomar la lectura del voltaje que posee inicialmente. El voltaje obtenido según el multitester es de 12.39 Volt.

 También podemos ver que la aguja del probador se encuentra aun en el área verde de la sección que nos muestra el estado de la batería. También se puede apreciar el estado de esta por un sistema que trae incorporado la misma batería. En la cara superior posee tres círculos, los cuales, al observarlos, podríamos llegar a dilucidar ciertos tonos en estos que nos daría una idea del estado de la batería. Cabe destacar que, según experiencias propias, este sistema en muchas ocasiones no funciona de manera correcta, por lo tanto no es confiable.

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A continuación se procede a realizar la simulación de arranque. Podemos observar en el multitester una lectura de 10.13 Volts. La aguja del probador en la imagen no ha alcanzado a entrar en la sección del testeo de partida.

Finalmente, se concluye que la batería, es capaz de soportar una caída de tensión como la que provoca un motor de partida, por lo tanto, la batería está en buenas condiciones.

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Conclusiones - Es necesario conocer los distintos diseños de baterías que podemos encontrar en el mercado, ya que esto es un tema importante a la hora de seleccionar la batería adecuada para cada vehículo.

- Las baterías de libre mantención están diseñadas para reducir al máximo cualquier pérdida de agua que podría tener esta, con el fin de extender los periodos de servicio.

- El principio de funcionamiento de la batería está basado en un proceso químico, el cual, cumpliendo con los requisitos de funcionamiento, podrá realizar el proceso de carga y descarga de voltaje y corriente eléctrica. Es un proceso electroquímico.

- Para poder diagnosticar una batería es necesario disponer de las herramientas e instrumentos necesarios, entre los que tenemos, un densímetro, para medir la densidad del electrolito en las baterías abiertas con mantención, un multitester, y si disponemos, un probador de batería sería de gran ayuda. Esto no permitirá desarrollar un diagnóstico certero.

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Bibliografía -

http://www.batebol.com/web/productos/bateria-automotriz http://www.maquinaria.cl/baterias.htm http://automecanico.com/auto2001/Bateria.html http://ayudaelectronica.com/que-es-una-bateria-automotriz/ http://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_de_autom%C3%B3vil

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Anexo Glosario de Términos Referidos a las Baterías de Plomo-Ácido en nuestro informe •

A

Autonomía: Tiempo mínimo durante el cual, en caso de defecto de la fuente de alimentación primaria, el S.A.I. asegura la permanencia de la alimentación de la carga, en las condiciones de servicio especificadas, con las baterías totalmente cargadas. Acumulador de plomo: Batería recargable, basada en la tecnología de plomo-ácido. Amperio (A): Intensidad de corriente. Amperio hora (Ah): Intensidad de corriente medida en amperios y multiplicada por el tiempo (horas) durante el cual la corriente se puede tomar desde la batería. Antimonio: Material utilizado en aleación junto al plomo, para lograr una resistencia mecánica mayor. El antimonio también mejora las características de los ciclos de las baterías, pero aumenta el consumo del agua. La Optima 850 no contiene antimonio. Auto descarga: La corriente que se disipa de la batería y que, al cabo del tiempo, puede dejar la batería sin energía. •

B

Batería: Serie de elementos, conectados de forma tal que en sus terminales extremos presenten una tensión igual a la suma de las tensiones de las unidades que la constituyen. Batería Abierta: Se denomina así, a la que está constituida por elementos que emiten libremente los gases de electrólisis, motivo por el que se le debe reponer periódicamente el agua consumida en este proceso. Batería Estacionaria: Es una batería que habiendo sido instalada en un lugar, no es habitualmente movida de un lugar a otro.

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Batería regulada por válvula (V.R.L.A.): Batería constituida por elementos regulados por válvula. BCI: Consejo Internacional de Baterías. •

C

Capacidad: Número total de amperio – horas que pueden ser retirados de una batería totalmente cargada, a un régimen de descarga, a una temperatura y a una tensión de corte definidos. Capacidad inicial (Ci): Capacidad real de la batería descargada a un régimen de 8 h, a 25 °C, hasta una tensión de 1,75 V. Deberá ser por lo menos el 90 % de su capacidad nominal. Carga de flotación: Carga de baja magnitud aplicada en forma ininterrumpida con el objetivo de compensar las pérdidas por auto descarga, manteniendo la batería en estado de carga plena. Contenedor: Recipiente de material inatacable por el ácido en cuyo interior se alojan las placas de ambas polaridades y el electrólito. Coup de fouet (Latigazo): Es el fenómeno transitorio que experimenta un elemento o batería tipo plomo-ácido cuando luego de ser retirado de una carga de flotación es descargado. El mismo se manifiesta en los primeros instantes de la descarga por una merma de la tensión que disminuye hasta llegar un valor mínimo, para ascender luego y normalizarse. Carga rápida: Recarga parcial de la batería hasta llegar a la carga completa de la misma. Se lleva a cabo en un corto periodo de tiempo y su objeto es mantener la capacidad y compensar la descarga. CCA (Cold Crancking Amps): Capacidad de arranque en frío. Corriente de arranque durante 30 segundos a -18ºC con una tensión final mínima de al menos 7,2V Ciclo: Una carga y descarga. Corrosión: Es el término usual para describir la gradual oxidación de las conexiones, de plomo a óxido de plomo.

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D

Descarga a potencia constante: Descarga en el curso de la cual el producto de la tensión en los bornes por la corriente extraída se mantiene constante. Descarga: Disipación de energía eléctrica de una batería. DIN (Deutsche Industrie Norme): Norma industrial alemana. •

E

Embalaje térmico (Thermal runaway): Condición crítica que se origina durante la carga a tensión constante, en la que la corriente y la temperatura interactúan entre sí generando un efecto acumulativo creciente, que podría derivar en la destrucción de la batería. Electrolito para baterías plomo-ácido: solución formada por agua destilada o deionizada y ácido sulfúrico, cuya proporción está definida por su densidad. Electrolito absorbido: está constituido por una solución de ácido sulfúrico que es absorbida mediante el empleo de separadores porosos fabricados con microfibras de vidrio. Elemento de batería: (También denominado celda) Unidad electroquímica básica, formada por un ánodo, un cátodo y un electrolito, empleada para recibir, almacenar y entregar energía eléctrica. Los elementos de plomo – ácido poseen una tensión nominal de 2 V. Elemento regulado por válvula: Elemento secundario cerrado bajo condiciones normales, pero que dispone de una válvula que permite el escape de los gases si la presión interna excede un valor predeterminado. Normalmente a su electrolito no se le pueden efectuar adiciones. Electrólito: El líquido contenido en la batería. Este es el ácido sulfúrico diluido en agua. El electrolito transporta iones entre las placas positivas y negativas.

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G

Grilla: Soporte conductor utilizado en los elementos de plomo-ácido para sostener la materia activa. Gas: En los ciclos de carga y descarga de las baterías de plomo-ácido, éstas producen oxígeno e hidrógeno. Como este gas escapa fuera, disminuye la proporción de agua en la concentración del electrolito y debe ser periódicamente repuesta. Gases Oxígeno e Hidrógeno: El gas oxhídrico es una mezcla de hidrógeno y oxígeno en la relación de 1:2. El hidrógeno y el oxígeno son formados por los electrodos negativos y positivos respectivamente. En baterías convencionales abiertas, estos gases se escapan a la atmósfera, pero si se inflaman en el interior de la batería pueden provocar la explosión de ésta. Gel: En algunas baterías el electrólito está en la forma de gel. Las baterías de gel son de libre mantenimiento. •

I

IEC: Comisión Electroquímica internacional. •

L

Libre mantenimiento: Esto significa que no hay nunca necesidad de rellenar la batería con agua y que los electrodos no están sujetos a corrosión. •

M

Materia activa: Material componente de las placas que reacciona químicamente produciendo energía eléctrica cuando el elemento o batería son descargados y que es vuelto a su estado original durante la carga.

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Monobloc: Batería secundaria en la que los elementos son instalados en un contenedor. •

O

Oxido de plomo: La masa activa contenida en las placas de la batería. •

P

Pulsar la carga: El cargador de la batería controla y adapta él mismo el estado de la batería. Después de que la carga es completada, la batería es sometida a una carga de mantenimiento que no tiene ningún riesgo de sobrecarga. •

R

Recombinación: Las reacciones químicas forman hidrógeno y oxígeno en una batería. La recombinación hace reaccionar las moléculas de oxígeno e hidrógeno formando agua. •

S

Separador: Lámina intercalada entre las placas para evitar los cortocircuitos y retener la materia activa. Por su textura o porosidad permite el pasaje de los iones, la difusión del ácido y el desprendimiento gaseoso. En los elementos de plomo-ácido con electrolito absorbido actúa también como soporte del ácido. Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (S.A.I.), Uninterruptible Power Systems (U.P.S.): Conjunto de convertidores, interruptores y baterías que componen un equipo capaz de asegurar la continuidad de la alimentación de la carga en caso de falla en la fuente primaria. SAE: La norma estadounidense de medida, correspondiendo a la norma Alemana DIN. SEN: La norma sueca de medida, que se corresponde con SAE y DIN. Sobrecarga: Se denomina así al hecho de seguir cargando la batería después de estar ésta completamente cargada, lo cual acorta su durabilidad.

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Sulfato de plomo: Es el producto de la reacción química entre el plomo y el ácido sulfúrico, que ocurre durante una fuerte carga o descarga. Esto crea una película que cubre las placas y forma una pequeña superficie impermeable.

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T

Tensión de corte: Es la tensión límite a la que se considera terminada la descarga de un elemento o monobloc. Tiempo de recarga:  Tiempo mínimo necesario para recargar suficientemente la batería del S.A.I. o rectificador, con su propio dispositivo de recarga, después de una descarga que brinde la autonomía requerida, funcionando en las condiciones de servicio especificadas, para asegurar una descarga idéntica a esta. Tensión latente: El voltaje que posee la batería después de estar desconectada durante 1.620 horas. •

U

UPS ( Uninterruptible Power Systems): Ver Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (S.A.I.). •

V 

Válvula de seguridad: Válvula auto sellante que se activa si la presión de gas en la batería es demasiado alta. Válvula reguladora de la batería: Ver Recombinación. Voltaje de celda: El voltaje que tiene cada celda de la batería.

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