El carácter fundamental del mantenimiento de las baterías estacionarias

Rick Raczak, P.E. (Power Engineer, ingeniero eléctrico)

Caterpillar, corriente eléctrica

Abril de 2016

INTRODUCCIÓN

Las baterías estacionarias son uno de los aspectos más esenciales de un sistema de suministro de energía de emergencia y, sin embargo, son lo que más se ignora y descuida del sistema. Durante los cortes de energía, son necesarias para proporcionar potencia de respaldo a los sistemas eléctricos esenciales que mantienen los datos, la seguridad de la vida y los equipos de producción clave en funcionamiento hasta que un grupo electrógeno u otra fuente de energía secundaria entre en funcionamiento.

Por ejemplo, los grupos electrógenos de un hospital pueden tardar hasta 10 segundos en empezar a aceptar cargas, por lo que las baterías proporcionan la energía necesaria para cubrir ese período. Ningún cirujano quiere estar en medio de una operación y que, cuando se produce un corte de suministro del servicio público, las baterías no estén en buen estado.

Las aplicaciones que se protegen con las baterías son varias y esenciales, y no se suele pensar en las baterías hasta que se produce un corte. La falta de mantenimiento se suele evidenciar solo cuando las baterías no son capaces de soportar la carga prevista.

FUNCIONAMIENTO DE BATERÍAS DE PLOMO ÁCIDO

Las baterías de plomo ácido producen electricidad a través de reacciones químicas en las que intervienen dos materiales metálicos distintos en una solución conductora de corriente, llamada electrolito. Esto se aplica tanto a las baterías primarias desechables como a las baterías secundarias recargables, que se encuentran en los automóviles y las aplicaciones SAI (suministro de alimentación ininterrumpida).

En las baterías de plomo ácido, los dos materiales metálicos distintos son el plomo y el óxido de plomo en un electrolito de ácido sulfúrico, que reaccionan para producir electricidad.

En el pasado, el voltaje y la densidad se utilizaban, en esencia, para probar las baterías. El voltaje y la densidad de las baterías de plomo ácido siguen básicamente el estado del sulfato. Si una batería tiene carga completa, el sulfato estará en el ácido y, en pocas excepciones, el voltaje y la densidad de la batería tendrán valores normales. Si la batería está descargada, el voltaje será bajo y, como hay algo de sulfato en las placas, la densidad también tendrá un valor bajo. Lo ideal es que la suma de todos los voltajes de las celdas sea igual al voltaje de salida del cargador.

Con estos métodos, se mide la carga de la batería y no su estado, que es mucho más importante. Si la batería tiene un voltaje normal, esto no refleja el estado de la batería. Cuando el voltaje es anormal, puede indicar un problema potencial o tan solo implicar que la batería está descargada en cierta medida.

PRUEBAS DE BATERÍAS

Las pruebas de baterías se pueden ejecutar con demasiada frecuencia o con una frecuencia insuficiente. La frecuencia de las pruebas suele estar ligada a la percepción que tiene el cliente de su riesgo y lo que está dispuesto a hacer para mitigarlo. Se pueden realizar varias pruebas, entre estas: la de densidad, voltaje, temperatura de la celda, temperatura ambiente, corriente de flotación, corriente de ondulación, corriente y tiempo de descarga, resistencia de la conexión entre celdas, pruebas óhmicas internas y pruebas de capacidad o carga. A continuación, se explican varias de estas pruebas para que comprenda mejor cómo determinar por completo el estado de una batería estacionaria.

TEMPERATURA

Tanto la temperatura ambiente como la de la batería pueden tener un efecto significativo en la vida útil de una batería. Por cada aumento de 10 °C de la temperatura de la batería por encima de los 20 °C, la vida de la batería se reduce a la mitad. Por ejemplo, una batería de plomo ácido ventilada de 20 años mantenida a 35 °C, en lugar de los 25 °C especificados, es posible que solo dure unos 10 años.

VOLTAJE DE FLOTACIÓN

Las lecturas de voltaje son una parte importante del proceso de prueba, y la suma de los voltajes de todas las baterías del banco debe ser igual al voltaje de salida del cargador, sin incluir las pérdidas resistivas. Si la lectura de voltaje es anormal, hay que investigar más a fondo el estado de la batería.

Sin embargo, la lectura del voltaje puede ser uno de los indicadores más engañosos del estado de un sistema de baterías. Si una lectura es normal, significa que el cargador funciona de forma correcta, pero no dice nada en absoluto sobre el estado de la batería. Mientras que en una lectura de voltaje normal no se obtiene una indicación de la capacidad de la batería, en caso de un voltaje anormal, se debe investigar aún más.

DENSIDAD

La densidad mide la cantidad de sulfato en el ácido de una batería de plomo ácido. Con las mediciones de la densidad, no se obtiene realmente mucha información para determinar cuándo puede fallar una batería, ya que no hay estudios en los que se demuestre una correlación entre la densidad y el estado de la batería.

Por lo general, la densidad de una batería cambia muy poco después de los primeros tres a seis meses de vida útil, y cualquier cambio inicial se debe a la finalización del proceso de formación, en el que se convierte el material inactivo de la pasta en material activo mediante la reacción al ácido sulfúrico.

A veces, una lectura de densidad baja refleja la sulfatación de la placa, que puede deberse al ajuste del voltaje del cargador demasiado bajo.

Las baterías de plomo ácido contienen sulfato en uno de dos estados: en las placas (descargadas) o en el ácido sulfúrico (cargadas). La lectura de la densidad imita la lectura del voltaje, por lo que es un indicador del estado de carga. Si la batería se descarga, parte del sulfato migra a las placas, y el ácido tiene una densidad menor. Si la batería tiene carga completa, todo el sulfato está en el ácido, y la densidad es normal.

CORRIENTE DE FLOTACIÓN

Hay dos tipos de corriente continua en una batería: la corriente de recarga y la de flotación. La corriente de recarga fluye hacia una batería para recargarla después de un evento de descarga, mientras que la corriente de flotación se aplica a una batería para mantenerla en un estado de carga completa. Siempre que haya una diferencia entre el voltaje de la batería y el ajuste del cargador de la batería, fluirá una corriente. Cuando una batería tiene carga completa, la única corriente que fluye es la corriente de flotación, ya que las baterías de plomo ácido intentan autodescargarse de forma natural y constante. Como la autodescarga es pequeña, por lo general, menos del 1 % por semana, la diferencia entre el voltaje del cargador y el de la batería es leve, por lo que la corriente de flotación también es baja. La corriente de flotación variará en función del tamaño de la batería; cuanto mayor sea la batería, mayor será la corriente de flotación.

La corriente de flotación puede aumentar por distintos motivos, incluso las fallas de puesta a tierra y las fallas internas de la batería. Las fallas de puesta tierra se producen en un sistema flotante cuando la corriente pasa de la batería a los bastidores o recintos metálicos de un sistema de baterías, lo que hace que fluya una corriente adicional desde el cargador de la batería para compensar la pérdida de corriente en la batería conectada a tierra. Las fallas internas de la batería hacen que fluya más corriente hacia una celda de la batería y tienden a provocar la sobrecarga del resto de las celdas, lo que causa una falla prematuro de la batería.

En las baterías de plomo ácido reguladas por válvula (VRLA valve-regulated lead acid), la corriente de flotación puede señalar una condición de fuga térmica, que ocurre cuando una batería se sobrecarga o experimenta altas temperaturas ambiente. Si la batería no es capaz de disipar el calor lo suficientemente rápido, se sobrecalentará y es posible que explote o cree un evento térmico. Con la medición de la corriente de flotación de una batería VRLA, se puede evitar una falla y posibles daños al equipo protegido por la batería.

CORRIENTE DE ONDULACIÓN

La corriente de ondulación es otro parámetro que se debe medir con regularidad para garantizar el buen funcionamiento del cargador. La corriente de ondulación se produce cuando un cargador convierte la CA en CC. Ningún cargador tiene un proceso de conversión 100 % libre de ondulaciones, por lo que se suelen añadir filtros en determinadas aplicaciones. La corriente de ondulación no suele ser un problema hasta que el equipo de carga comienza a degradarse con el tiempo. Si se produce una falla en un rectificador o en un diodo (componentes principales de un cargador), la corriente de salida se duplicará y dañará la cadena de baterías. Un aumento de la corriente de ondulación hasta un punto superior a unos 5 amperios de rms por cada 100Ah de capacidad de la batería (5%) aumenta la temperatura y acorta la vida útil de la batería.

MONITOREO DE LAS DESCARGAS DE LAS BATERÍAS

Los sistemas de monitoreo de baterías ahora se utilizan con más frecuencia para controlar los parámetros de funcionamiento de los sistemas de baterías. Mediante el monitoreo de la corriente y el tiempo de descarga de una batería estacionaria, es mucho más fácil determinar cuánta vida útil le queda al sistema de baterías. Medir la corriente y el tiempo de descarga y, luego, calcular los amperios-hora extraídos y sustituidos sirve para determinar mejor la capacidad de la batería. Realizar estos cálculos puede ser útil para evitar pruebas de capacidad innecesarias, que son costosas y dañan la batería.

RESISTENCIA DE LA CONEXIÓN ENTRE CELDAS

Casi la mitad de los problemas de las baterías se deben a conexiones flojas o deficientes, por lo que la resistencia de las conexiones entre celdas es una de las pruebas más importantes que se pueden realizar con regularidad para garantizar que el sistema de baterías funcione de forma correcta. Si los cortes de la red eléctrica o la fuente de alimentación primaria son frecuentes, las pruebas de resistencia de las conexiones entre celdas son cruciales para detectar conexiones flojas y corroídas del cable o el bus que vincula el sistema de baterías a la carga.

La prueba de resistencia de la conexión entre celdas se suele realizar junto con la prueba óhmica y se puede completar muy rápido. Mediante el uso de un ohmiómetro digital de baja resistencia (DLRO, digital low resistance ohmmeter) y el software adecuado, los resultados se pueden registrar en una base de datos para detectar cualquier problema del sistema.

Si los cortes son frecuentes, es necesario realizar esta prueba, ya que los materiales que componen la tornillería de conexión se expande y contrae cuando pasan grandes corrientes a través de estas conexiones. Estos sucesos debilitan la tornillería, lo que causa problemas de conexión que generan más calor y deterioran aún más la conexión. En última instancia, esto puede resultar en la pérdida de una parte de la cadena de baterías, lo que afecta a la capacidad restante del sistema. Estas conexiones se deben apretar con el par de apriete adecuado de forma regular para mantener una buena conexión de la tornillería.

PRUEBAS DE CAPACIDAD

La prueba de capacidad es la única forma efectiva de obtener un valor exacto de la capacidad real de una batería. Cuando esta prueba se realiza de forma correcta, se puede evaluar el estado de una batería, determinar su capacidad real y calcular su vida útil restante.

El fabricante de la batería proporciona los valores de capacidad nominal. Todas las baterías cuentan con tablas en las que se ilustra la corriente de descarga para la cantidad específica de tiempo que se necesita a modo de reducir el voltaje de la celda a un valor específico, que suele ser 1,75 o 1,80 voltios por celda.

Durante la prueba, la corriente se mantiene en un valor constante. Se debe seleccionar un tiempo de prueba que coincida con el ciclo de trabajo de la batería, que suele ser de 5 u 8 horas. Establecer el procedimiento de prueba para estos períodos de tiempo es costoso y muy laborioso, que en parte es el motivo por el que este tipo de prueba no se realiza muy a menudo. Esta prueba puede tardar hasta 4 días en completar todo el proceso en función del tamaño del banco y la cantidad de descarga necesaria.

Si la batería alcanza el voltaje de descarga final al mismo tiempo que el tiempo de prueba especificado, entonces la capacidad de la batería equivale al 100 % de su capacidad nominal. Si la batería llega al final de su tiempo de descarga al 80 % o menos de su capacidad, entonces se debe reemplazar.

Si se aumenta la cantidad de corriente utilizada para descargar la batería, las baterías se pueden probar durante un período más corto que el ciclo de trabajo, tan solo una hora en algunos casos. Con un tiempo de prueba más corto, se elimina menos capacidad de la batería, lo que reduce las horas de trabajo necesarias para realizar el procedimiento de prueba, así como el tiempo necesario para recargar la batería después de la prueba. Sin embargo, es importante controlar la temperatura de la batería cuando el flujo de corriente es mayor.

IMPEDANCIA Y RESISTENCIA

La impedancia es una prueba óhmica interna con la que se mide la capacidad de una celda para suministrar corriente. Aunque no existe una correlación directa entre las mediciones óhmicas internas y la capacidad de la batería, esta prueba es un método excelente para buscar baterías débiles del banco. En estudios, se ha revelado lo bien que funcionan la impedancia y otras pruebas óhmicas internas para buscar celdas débiles.

En la prueba de impedancia, se aplica y se mide una señal de CA mientras mide en simultáneo la caída de voltaje en toda la batería. La impedancia se calcula mediante la ley de Ohm: Z=E/i. La impedancia es inversamente proporcional a la capacidad, por lo que cuando esta disminuye, la impedancia aumenta.

Esta prueba se puede completar con rapidez, por lo general en alrededor de una hora para una instalación de SAI de 40-jar. Además, no es invasiva, lo que significa que se puede realizar mientras el equipo sigue funcionando.

ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN

¿Qué se hace con la información y los resultados obtenidos durante las pruebas? ¿Cómo se interpretan los datos para determinar la capacidad existente? Lo más importante: ¿cómo se determina la vida útil restante de la batería?

Con la llegada de métodos de prueba mejores, como las pruebas de impedancia, ahora se pueden obtener datos más útiles que el voltaje y la densidad. Con una base de datos especializada, que incluye todos los parámetros medidos, se puede realizar un seguimiento y crear una tendencia de todos los datos de la batería a lo largo del tiempo, lo que proporciona un recurso fundamental para determinar el estado de las baterías y los bancos.

El establecimiento de límites adecuados puede servir a los usuarios para obtener la máxima vida útil de una batería sin aumentar el riesgo, y los límites se deben establecer para cada parámetro medido. Por ejemplo, los límites de voltaje de flotación deben seguir las pautas del fabricante. Los límites de las pruebas óhmicas internas son más debatibles. En algunos casos, los usuarios establecen un "límite de falla" del 50 % de aumento de la impedancia para las baterías VRLA a partir de un valor de referencia predeterminado. Los límites de la corriente de flotación tienden a ser menos precisos en función del tamaño, la antigüedad y la aleación de la batería.

CONCLUSIÓN

Las baterías pueden fallar o tener un rendimiento inferior por varios motivos. Con las pruebas y el mantenimiento adecuados, muchos de estos modos de falla se pueden reducir o eliminar, lo que permite a los clientes tener total confianza en la capacidad de las baterías para soportar los equipos críticos cuando es necesario. Si se realizan estas pruebas de forma periódica, se pueden eliminar las fallas imprevistas y prolongar el ciclo de vida útil de la batería hasta su máximo potencial, lo que maximiza el rendimiento de todo el sistema de baterías y mantiene bajos los costos.