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Cuarto Congreso Nacional – Tercer Congreso Iberoamericano
Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2011
04-060
DETERMINACIÓN DE UN ESTADO DE CARGA PARTICULAR
PARA BATERÍAS DE PLOMO – ÁCIDO. PRIMEROS RESULTADOS
Roberto Federico Farfán y Carlos Cadena
(1). Facultad de Ingeniería, INENCO, UNSa- CONICET Av. Bolivia 5150, 4400, Salta, Argentina
(2). Facultad de Ciencias Exactas INENCO, UNSa- CONICET Av. Bolivia 5150, 4400, Salta,
Argentina, [email protected]
RESUMEN
Las variaciones en la radiación y en la demanda eléctrica en sistemas híbridos solares, requieren el uso
de acumulación. Al igual que las celdas FV, los acumuladores son dispositivos de corriente continua y
compatibles con las cargas del mismo tipo, pero no solo acumulan energía, sino que también en
conjunto con otros dispositivos de acondicionamiento de potencia, mejoran la estabilidad de tensión
del sistema en general. Sin embargo para un mejor aprovechamiento, el generador fotovoltaico debe
funcionar muy cerca de su punto de máxima potencia. Los acumuladores colaboran en esa tarea por un
lado, y la mayoría de los mismos no están diseñados específicamente para los sistemas fotovoltaicos,
por otro. En el presente trabajo se describe una metodología para determinar, durante el proceso de
carga de un acumulador de plomo – ácido, si el dispositivo está gaseando o no. Este hecho, es
particularmente singular en la curva de carga del acumulador, pues permite entre otras variables,
inferir su estado de carga (SOC). El método requiere para su funcionamiento de un sistema electroóptico, que consta de un par emisor-detector infrarrojo, y un espejo donde se produce la condensación
de los gases que escapan del acumulador cuando comienza a “gasear”. Esto ocurre bajo determinados
valores de corriente y temperatura, para una batería dada de capacidad C, y en mucha menor medida
de otras variables. El exceso de corriente o de temperatura provoca cuando es acentuado, una
disminución de la eficiencia del acumulador y también de su expectativa de vida, de allí la importancia
del tema.
Palabras clave: acumulador, plomo – ácido, solar, sensor
1. INTRODUCCIÓN
En los sistemas fotovoltaicos, las variaciones
en la radiación (y también bajo condiciones de
ausencia de la misma) y en la demanda
eléctrica, requieren en general del uso de
acumulación. Al igual que las celdas FV, los
acumuladores son dispositivos de corriente
continua y compatibles con las cargas del
mismo tipo, pero no solo acumulan energía,
sino que también, en conjunto con otros
dispositivos de acondicionamiento de potencia,
mejoran la estabilidad de tensión del sistema
en general. Sin embargo, el generador
fotovoltaico está diseñado para funcionar muy
cerca de su punto de potencia óptima, mientras
que la mayoría de las baterías no están
diseñadas específicamente para los sistemas
fotovoltaicos, y este hecho puede producir
desacoples importantes. La manifestación de
estos desacoples se observan en recargas
insuficientes o sobrecargas excesivas, que
terminan por deteriorar la batería.
Figura 1. Curva de Carga de una batería a
corriente y temperatura constante.
Motivado por este hecho, se desarrolló un
sensor que permite determinar si la carga de
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una batería es la óptima. Cuando la carga de
una batería se realiza a temperatura y corriente
constante, la variación de la tensión de bornes
en función del tiempo ocurre como la que se
muestra en la figura 1. En esta curva se
observan claramente dos regiones, la primera
donde la batería asimila toda la corriente que
ingresa como carga almacenada y la segunda
donde comienza la sobrecarga, con el inicio del
gaseo en inmediaciones del codo de la curva.
La determinación de la tensión de gaseo Vg, se
obtiene por medio de la intersección de las
rectas que gobiernan las zonas descriptas como
se indica en la figura 2[3].
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con intervalos de TON y TOFF controlados
por una señal modulada (PWM) que opera
variando el ciclo de trabajo del transistor para
mantener la corriente constante en la carga. El
control de corriente la realizó un PIC 16f877,
que en función de la corriente que ingresa a la
batería, cambia el ciclo de trabajo de la señal
PWM.
Figura 3. Regulador de Descenso de Tensión
(Step-down)
2.1 Sistema de adquisición de datos
Figura 2. Determinación de la tensión de
gaseo.
Esta tensión sirve como referencia para
cualquier sensor que se desarrolle para
determinar si la carga de una batería es
adecuada, como la que se propone detectar con
el sensor que se presenta en este trabajo.
2. DESARROLLO
La metodología empleada para determinar el
correcto funcionamiento del sensor consistió
en cargar una batería de plomo ácido de 120Ah
a corriente y temperatura constante, y controlar
si la señal arrojada por el sensor en la zona de
sobrecarga sufre alguna perturbación. En los
distintos ensayos se midió por medio de un
sistema de toma de datos: tensión de bornes de
la batería, corriente que ingresa al acumulador,
temperatura
ambiente,
temperatura
de
electrolito y la señal entregada por el sensor.
Como fuente de energía para los ensayos se
implementó un cargador de baterías que puede
entregar corrientes superiores a los 20A, en
conjunto con un circuito regulador “step
down” que se diseñó para los ensayos, como el
que se muestra en la figura 3. Este circuito
trabaja utilizando un MOSFET P como llave,
El sistema adquisición de datos se compone
principalmente de tres ADC0832 serie de ocho
bits manejados por una computadora por
medio del puerto paralelo. El ADC0832 es un
conversor de dos canales, de manera que el
sistema consta de seis entradas independientes
de ocho bits. El circuito realizado para el
manejo de los cuatro ADC requiere de cuatro
señales del puerto paralelo por cada conversor,
tres de las cuales permiten la configuración de
cada canal (se utilizan para el clock, señal de
inicio de la conversión y elección del canal) y
la última recibe en forma serial los bits de
conversión.
Figura 4. Placa de adquisición de datos.
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Debido a que se manejan cuatro ADC, se
utilizaron los tres registros del puerto paralelo,
el DATAPORT y el CONTROLPORT para la
configuración de los distintos canales de los
tres ADC, y el STATUSPORT para recibir las
señales de cada conversión. Para este sistema
se diseñó un programa realizado en lenguaje C
manejado por un sistema operativo LINUX,
que permite sincronizar la conversión de cada
uno de los canales, convertir la señal digital en
la magnitud analógica que se está midiendo,
guardar esta información en distintos archivos
y por medio de tuberías, redireccionar el
contenido de los archivos como entradas al
programa denominado GNUPLOT para
mostrar la información medida en la pantalla.
Para medir la temperatura ambiente se utilizó
un sensor LM35 conectado a un amplificador.
La salida del amplificador se conecta a una de
las entadas de los ADC para que el programa
guarde la información. La temperatura del
electrolito también se midió por medio de un
LM35 encerrado en un tubo de vidrio pequeño,
rodeado de una grasa conductora. Esta señal se
amplificó y se conectó al sistema de toma de
datos. La corriente se midió por medio de un
sensor de Efecto Hall, el UGN3503UA, que en
conjunto con un toroide permite medir la
variación de corriente por medio de la
variación de campo magnético de la misma.
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Figura 5. Esquema del sensor.
Esta perturbación es una señal de que el
acumulador se encuentra en la zona de
sobrecarga y en consecuencia el sistema toma
de datos debe identificarla. La señal que emite
el optoacoplador se amplificó para poder
determinar con más precisión los signos de
perturbación.
El optoacoplador es el principal componente
de este dispositivo y para los ensayos se utilizó
el ITR-H-0101. En la figura 6 se observa un
esquema del mismo y sus dimensiones.
2.2 Descripción técnica del sensor
El sensor desarrollado consta básicamente de
un tubo de vidrio abierto colocado en uno de
los tapones de acumulador, como se muestra
en la figura 5. En el interior del tubo se coloca
un espejo con un ángulo aproximadamente de
45°, para recibir los vapores provenientes de la
batería y un optoacoplador reflectivo, que
trabaja con una señal infrarroja formado por un
emisor y receptor. El optoacoplador emite una
señal desde un plano horizontal, las micro
gotas de vapor debidas a la sobrecarga,
producen una perturbación en el haz que
desvía el espejo y que recibe el receptor de la
señal infrarroja. Se determinó también, que la
condensación en el espejo es ácida (debido a
una ínfima presencia de ácido sulfúrico)
mediante papel indicador.
Figura 6. Dimensiones del optoacoplador
utilizado.
A este sistema se le agregó una “celda peltier”
detrás del espejo de manera que permita
mantener la temperatura del espejo a una
temperatura más baja que la del medio donde
se encuentra. Al sistema se le agregó esta
variante para mejorar la condensación en caso
que se las condiciones ambientales lo
requieran.
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compensar cualquier variación de temperatura
que se intensifica cuando en la carga se ingresa
a la zona de sobrecarga.
Figura 7. Foto del sensor utilizado en los
ensayos.
2.3 Preparación de los ensayos
Los ensayos se realizaron bajo distintos
regímenes de carga, midiéndose tensión de
bornes de la batería, temperatura ambiente,
temperatura de electrolito, corriente de carga y
señal del optoacoplador reflectivo. El
acumulador ensayado es una Batería de plomo
ácido de 120Ah. Los primeros ensayos se
realizaron con corrientes elevadas, lo que
produjo distintos aumentos de la temperatura
del electrolito a medida que se produjo la carga
como se observa en la figura 8 y 9.
Figura 9. Variación de la temperatura en la
carga para una corriente de 7A.
Estas modificaciones ayudaron a que la
temperatura oscile alrededor de un grado como
se observa en la siguiente figura 10.
Figura 10. Variación de la temperatura del
electrolito para baja carga y en baño
termostático.
Figura 8. Variación de la temperatura en la
carga para una corriente de 9A.
Debido a que los ensayos deben ser a corriente
constante y temperatura constante de
electrolito, se disminuyó el régimen de carga
por un lado y se introdujo la batería en un baño
térmostatizado, de manera que
permita
Por otro lado, una variable importante al igual
que la temperatura en el ensayo, es la corriente.
Los datos tomados en los ensayos
determinaron que el control de corriente
basado en el sistema step down controlado por
una señal PWM proveniente de un pic 16F877
respondió adecuadamente, como se observa en
la figura 11.
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Figura 11. Medición de corriente en un ensayo
a 3A.
3. RESULTADOS OBTENIDOS
Por medio de las medidas obtenidas se calculó
la tensión de gaseo Vg que indica el comienzo
de la zona de sobrecarga, y se comparó esta
medida con la señal entregada por el sensor en
inmediaciones de este punto de referencia. En
la figura 12 se observa la variación de la de
bornes de batería y el trazado de las rectas para
determinar la tensión Vg.
Figura 12. Determinación de Vg en la curva
de carga.
La señal arrojada por el optoacoplador se
observa en la figura 13, junto a la tensión de
bornes de la batería. La señal del sensor
permanece prácticamente continua y se
produce una alteración de la señal algunos
pocos minutos después de detectar el inicio del
gaseo. En los distintos ensayos realizados, esta
secuencia de alteraciones se repitió.
Figura 13. Tensión de batería y señal del
sensor.
4. CONCLUSIONES
Se diseñó un sensor permite determinar
cuándo una acumulador de plomo – ácido en el
proceso de carga ingresa en la zona de
sobrecarga. El mismo fue ensayado bajo
diferentes condiciones de corriente constante,
pero en regímenes relativamente bajos de la
misma, y tratando que la temperatura del
electrolito no cambie. En cada uno de estos
ensayos se calculó Vg y se comparó la señal de
inicio del gaseo, un indicativo que el
acumulador ingresó a la zona de sobrecarga,
con la señal que entregaba el sensor. Al
comparar ambas curvas se observa en los
ensayos una perturbación que se inicia (en un
promedio) diez minutos después del comienzo
del gaseo (en el punto donde se cruzan las
tangentes a la curva voltaje vs. tiempo), un
margen que a priori parece aceptable. Con los
ensayos realizados se obtuvo información del
comportamiento de la temperatura del
electrolito, la temperatura ambiente y la señal
emitida por un sensor como consecuencia de la
sobrecarga. La información obtenida permite
realizar un buen estudio del comportamiento
de las baterías de plomo ácido en el proceso de
carga y determinar cuándo la batería se
encuentra en la región de sobrecarga. En un
trabajo futuro se debe ensayar y simular el
prototipo bajo diferentes condiciones de carga,
optimizar la amplificación del optoacoplador y
mejorar el control de corriente para que los
ensayos puedan optimizarse.
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Photovoltaic Power,” presented at the Energy
Storage Association meeting.
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Perez,
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04-060
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