6 BATERÍAS DE TRACCIÓN 6.1. CAUSAS DEL DESARROLLO

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1 6 BATERÍAS DE TRACCIÓN 6.1. CAUSAS DEL DESARROLLO
6.2. DEFINICIÓN Y COMPOSICIÓN DE UN ACUMULADOR. BATERÍA PLOMO/ÁCIDO 6.3. MAGNITUDES FUNDAMENTALES 6.4. RECTIFICADORES 6.5. NORMAS DE UTILIZACIÓN DE LAS BATERÍAS

2 6. BATERÍAS DE TRACCIÓN El problema numero uno de la electricidad en su aplicación a la tracción proviene del almacenamiento de la energía. Un litro de gasolina (750 gramos), contiene aproximadamente 7.5 Kwh de energía. Incluso teniendo en cuenta el mediocre rendimiento del motor térmico con un rendimiento inferior al 20%, ofrece el mejor índice peso/energía: Wh/kg en comparación con los 81 Wh/kg del par electroquímico (el de superior rendimiento) es decir, una relación de mas de 1 a 100. Por otro lado, las facilidades de almacenamiento del combustible en forma fluida y a la presión atmosférica ofrece (mediante un repostado en algunos minutos) una autonomía casi ilimitada en el vehículo térmico. La función de un vehículo de carretera es transportar una carga útil (medida en kg, en dm3 o en numero de viajeros) en una distancia dada y con el menor coste. Además, los rendimientos del vehículo deben ser compatibles con su inserción en la circulación.

3 Las características a optimizar de las baterías son:
Energía másica (Wh/kg) Energía volumétrica (Wh/l) Potencia disponible (W/kg) Aptitud para una recarga rápida Duración de vida (nº de ciclos carga/descarga o km recorridos)

4 6.1 CAUSAS DEL DESARROLLO DE BATERÍAS DE TRACCIÓN
económicas: - aumento de productividad - mecanización y racionalización del transporte - optimización de los procesos - mantenimiento de estructuración: - capacidad de maniobra - aprovechamiento de espacios - precisión en los movimientos de contaminación: - acústica - ambiental (gases, sólidos, líquidos, etc.)

5 Realizando una comparación de los vehículos de tracción térmica con los eléctricos se pueden observar las siguientes ventajas de estos últimos sobre los primeros: 1) Menor costo de utilización 2) Mantenimiento: - sencillo - económico 3) Capacidad de maniobra 4) Precisión en espacios reducidos 5) Limpieza de emisiones: - acústicas - gases - líquidas - sólidas

6 La utilidad de los vehículos de tracción eléctrica está condicionada por dos factores que son:
- autonomía de servicio - constancia de la velocidad en los desplazamientos Para esto, es necesario que la alimentación de sus motores se realice por medio de baterías con: - una capacidad máxima dentro de las dimensiones disponibles - una tensión que se mantenga constante cuando suministran elevadas intensidades de descarga Para ello se desarrollaron baterías de acumuladores especiales basadas especialmente en: - ensayos de laboratorio en condiciones durísimas y variadas - datos recogidos por la experiencia en la utilización Principales ventajas y características de estas baterías: 1) Máxima capacidad por unidad de volumen y peso 2) Resistencia a vibraciones y a las condiciones mas duras de servicio 3) Larga vida 4) Máximo rendimiento eléctrico

7 Sector de transporte por ferrocarril:
- maquinas autónomas - recorridos interurbanos o cercanías - subterráneos Sector industria de manutención: - carretillas - elevadores - transpaletas - transportador sin conductor Sector del transporte por ruedas: - camiones recoje-basuras - autobuses - automóviles Vehículos especiales: - escalera móvil en aeropuertos Sector Naval: - submarinos

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9 6.2 DEFINICIÓN Y COMPOSICIÓN DE UN ACUMULADOR. BATERÍA PLOMO/ÁCIDO
Acumulador: depósitos de corriente continua, que almacenan (proceso de carga) y ceden (descarga) energía eléctrica a través de una transformación química. Formados por los siguientes elementos: - dos electrodos, uno positivo y uno negativo - electrolito, medio conductor de la corriente continua entre los electrodos - separadores, impiden el contacto entre las placas positivas y negativas - recipientes, contienen todos los elementos citados anteriormente Estos elementos se combinan para dar lugar a un acumulador, cuya asociación da lugar a la batería. Las baterías de tracción son diferentes de las baterías de arranque puesto que estarán solicitadas de forma distinta, esta solicitación es mas capacitiva y no tan intensa o de choque como las de arranque.

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11 FUNCIONES Y CARACTERISTICAS DE CADA ELEMENTO
Tapones. - Impide el derrame del electrolito - Facilita la expulsión de gases - Cierre perfecto - Dotados de sistema laberinto: - retiene las gotas de electrolito - facilita la expulsión de gases secos Recipiente y Tapas. - El diseño se realiza en función de: · duración de los elementos · capacidad de los elementos (adecuado volumen de reserva de electrolito) - Dependen del modelo (que a su vez depende de la aplicación) - Usualmente se hacen en: · polipropileno · en ebonita, de calidad especial anti-impacto

12 Conexiones. - Dan rigidez a la batería completa, y evitan roturas por vibraciones - Su sección se sobredimensiona para poder ofrecer: · una conductividad máxima · mínimas pérdidas por el efecto Joule - Las conexiones entre elementos se realizan fundidas en plomo. Separadores. - Garantizan el perfecto aislamiento entre placas, evitando la formación de cortocircuitos - Suponen un soporte eficaz de la materia activa negativa - Deben poseer cualidades de duración y rendimiento en las condiciones mas duras - Formadas por láminas de plástico microporoso, inalterable por la acción química del ácido sulfúrico Cofres Metálicos. - Agrupa a los elementos - Están protegidos por pintura epoxi anti-corrosión de ácido sulfúrico.

13 Placas Negativas. - Rejilla fundida en aleación de plomo en la que se empasta materia activa - La materia activa usada tiene la propiedad de: · reducir considerablemente la pérdida de capacidad · recuperar después de la recarga la porosidad del plomo esponjoso - El entramado de la rejilla está estudiado para servir de soporte de la materia activa y conducir la corriente con mínimas pérdidas

14 Placas Positivas. - Contienen los tubos mas materia activa que las baterías convencionales (poseen por tanto mayor densidad energética (capacidad/unidad de volumen)) - Las rejillas de las placas positivas están formadas por unos vástagos de aleación de plomo que hacen de ejes de los tubos, cuya misión es: · conducir la corriente · servir de soporte a la materia activa - Son placas normalmente tubulares (formadas por tubos) - Soporte de la materia activa que hay en el interior, compuestas de dos capas · una exterior de plástico perforado · otra interior de fibra de vidrio tejido y resistente al ácido - Al estar totalmente recubiertos de materia activa, quedan protegidos contra la acción corrosiva del electrolito - Se evita la migración de antimonio a la placa negativa con lo que se reduce la posibilidad de autodescarga.

15 6.3 MAGNITUDES FUNDAMENTALES 6.3.1 TENSIÓN
Cada elemento tiene una tensión en circuito abierto que dependerá del tipo de acumulador. En el caso de un elemento de plomo con densidad 1.25, la tensión es de Voltios. Dicho valor varía con : - la temperatura - la densidad del electrolito Durante el funcionamiento de la batería, en el momento que se somete a carga o descarga, la tensión pasa a ser variable siguiendo unas curvas características.

16 6.3.2 TENSIÓN DE CARGA Tensión en carga = Tensión en circuito abierto + Intensidad * Resistencia Interna Desde el principio de la carga, la tensión del elemento aumenta lentamente, hasta llegar a un punto en que la elevación es fuerte. Este punto se le conoce como punto de “desprendimiento de gases”, ya que es el principio de un periodo durante el cual, se desprenden hidrógeno y oxígeno. Para un elemento de plomo: - La tensión en este punto vale 2.4 Voltios - Al final de la carga la tensión por elemento está entre 2.6 y 2.7 Voltios.

17 6.3.3 TENSIÓN DE DESCARGA Tensión de descarga = Tensión a circuito abierto - Intensidad · Resistencia Interna Hay diferentes curvas de descarga, la tensión varía para diferentes regímenes de descarga dependiendo de: - La magnitud de la intensidad de descarga - El tiempo empleado en la descarga - El tipo de acumulador.

18 6.3.4 CAPACIDAD Cantidad de corriente eléctrica que bajo unas condiciones dadas puede suministrar la batería. Se define como: el producto de la intensidad de descarga por el número de horas que dura hasta llegar a un determinado valor de la tensión final. Se expresa en Amperios por hora (Ah), depende de: - La intensidad de descarga - La temperatura del electrolito - El tiempo de descarga - La densidad del electrolito

19 El tiempo de descarga está normalizado a 5 horas para aplicaciones de tracción. De forma aproximada, la descarga intermitente que se produce en el trabajo real de la batería durante una jornada de 8 horas equivale a una descarga continua de 5 horas. Ejemplo: Una batería de 500 Ah de capacidad en 5 horas A 25 ºC de temperatura y descargándose con una intensidad de 100 amperios la duración de la descarga hasta el voltaje de 1.7 voltios será de 5 horas. A 25 ºC de temperatura pero descargándose con una intensidad de 150 amperios la duración de la descarga será de 3 horas y por lo tanto la capacidad será de 450 Ah en 3 horas (el 90% de 500 es 450)

20 Influencia del tiempo de descarga en un elemento de plomo

21 La temperatura del electrolito es otro factor que influye en el valor de la capacidad y este aumenta o disminuye en el mismo sentido que la capacidad. La capacidad se refiere siempre a 25 ºC

22 6.3.5 DENSIDAD Si el elemento está cargado las lecturas de la densidad alcanzan un valor máximo, mientras que este valor es mínimo cuando el elemento está descargado. Las baterías de tracción de par electroquímico acido-plomo tienen una densidad de 1,250 p.e. cuando están cargadas. Al final de una descarga de 5 horas la densidad toma el valor de 1,140 p.e. y la variación a lo largo de la descarga es lineal.

23 6.3.6 RENDIMIENTO Indica la eficacia de una batería en función del uso que se hace de ella. Rendimiento en amperios-hora. Se define como el cociente entre el número de amperios-hora obtenidos durante la descarga y el número de amperios-hora suministrados en la carga. Su valor gira en torno al 90% aunque depende de las condiciones de trabajo que se le impongan. Rendimiento en watios-hora. Es un ratio mas importante que el anterior ya que representa el rendimiento energético. Se define como el producto del rendimiento en amperios-hora por el cociente entre la tensión media en descarga de 5 horas y la tensión media en la carga. En una batería de acido-plomo, el rendimiento en amperios-hora suele ser del 90% y la tensión media durante la descarga es de 1,9 Voltios y la de carga de 2,4 Voltios, se obtiene un rendimiento energético de 71,3%

24 6.4 CARGA DE LA BATERÍA Los procedimientos mas utilizados en la práctica para realizar la carga son dos : - carga con intensidad decreciente - carga con dos escalones Ambos métodos se basan en las siguientes consideraciones. : 1. La intensidad inicial de carga puede alcanzar un valor suficientemente grande, que en la práctica es : donde : C5 = capacidad de la batería medida en una descarga de 5 horas (Ah) Ii = intensidad inicial de carga (A)

25 2. La intensidad final de carga debe mantenerse por debajo de un cierto valor por las siguientes razones : a) Es necesario evitar la elevación de la temperatura que daña tanto a las placas como a los separadores. b) Cuando la carga ha llegado a restituir el 75% de la capacidad de la batería, una parte de la corriente de carga, disminuye su efecto en cuanto a regeneración de la materia activa y comienza a producir la descomposición del electrolito liberando oxígeno e hidrógeno. Si la Intensidad final es muy grande, la producción de gases será excesiva y tenderá a desalojar partículas de materia activa de las placas positivas e incluso se iniciará la corrosión de las rejillas. c) La producción de gases tiene una misión positiva ya que produce la mezcla y homogeneización del electrolito. Es necesario por tanto que la intensidad final sea superior a un valor mínimo que asegure un desprendimiento de gases adecuado. El valor que generalmente se aplica es :

26 6.4.1 PROCESO DE CARGA CON INTENSIDAD DECRECIENTE
Mediante este procedimiento de carga, la intensidad disminuye paulatinamente desde su valor inicial y a medida que la carga prosigue la tensión de la batería va aumentando simultáneamente. La intensidad de carga debe alcanzar un valor determinado en el punto en que la tensión de los elementos alcanza el valor de 2,4 Voltios, precisamente para conseguir una gasificación adecuada. La duración de la carga en estas condiciones es de 10 horas aproximadamente, dependiendo del estado de descarga en que se encontraba al principio.

27 6.4.2 PROCESO DE CARGA EN DOS ESCALONES
Este procedimiento es mas rápido que el anterior y se consigue un tiempo de carga de 8 horas aproximadamente. Consiste en aplicar una intensidad constante de valor C5/5 Amperios hasta alcanzar el punto de 2,4 Voltios de carga y reducir entonces la intensidad a C5/20 Amperios, manteniendo constante este valor hasta completar la carga.

28 6.5 RECTIFICADORES - Formados por diodos de silicio sobredimensionados para resistir sobrecargas y envejecimiento. - Poseen sistemas de carga con intensidad decreciente. - Cuatro regímenes distintos de intensidad de carga mediante conmutadores de cuatro puntos. - Tiene amperímetro de precisión de cuadro móvil - Se puede realizar la carga automática mediante un relé de tensión que actúa al llegar los elementos al desprendimiento de gases (2,4 Voltios). Este relé pone en servicio un reloj eléctrico que controla el tiempo necesario para la finalización de la carga, cortándola cuando esta termina. - Carga manual mediante accionamiento de conmutador, lo que permite dar cargas de igualación. - Posibilidad de conectar el equipo a 220 ó 380 V con oscilaciones del 10%. - Sencillez de utilización y conservación mínima.

29 6.6 NORMAS DE UTILIZACIÓN DE LAS BATERÍAS
1) Si se descargan profundamente y después se recargan con un régimen excesivo, se ocasiona una gran expansión de la materia activa de las placas y por tanto una fuerte elevación de la temperatura de la batería. Esta elevación de la temperatura produce los siguientes efectos perjudiciales : 1.- Se dañan los separadores. 2.- Aumenta la acción corrosiva del ácido sulfúrico. 3.- Aumenta la cantidad de materia activa positiva por corrosión de las espinas de los tubos 4.- Se favorece el aumento del volumen de la materia activa por incremento del sulfato de plomo producido en las descargas profundas. 2) Si la batería se descarga profundamente y las recargas posteriores son insuficientes, las placas van acumulando cristales de sulfato de plomo con pérdida por tanto de capacidad. Este proceso acumulativo, ocasiona al cabo del tiempo la imposibilidad práctica de recargar la batería.

30 6.6.1 FACTORES QUE AFECTAN A LA DURACIÓN DE LA BATERÍA
a) la prolongación excesiva del periodo de desprendimiento de gases durante la carga, ya que se produce una elevación de la temperatura y por tanto un calentamiento de la batería. b) el abandono de la batería estando descargada durante un tiempo largo, hace que sea mas difícil obtener una recarga perfecta. Estudios de la vida de las baterías de tracción (ciclos de funcionamiento) y los resultados obtenidos son : - Sea 100 el valor de la capacidad de una batería. Si habitualmente se descarga mas del 90% la vida de la batería puede reducirse hasta un 40%. - La duración máxima se consigue cuando la descarga habitual de la batería está comprendida entre el 75% y el 80% de su capacidad nominal.

31 6.6.2 REGLAS PARA EL SERVICIO DE BATERÍAS DE TRACCIÓN
1.- Cargar la batería diariamente con el régimen que corresponde según las características. 2.- Controlar la temperatura, la cual no debe nunca subir mas de 40º. 3.- Intentar no descargar habitualmente mas del 80% de la capacidad. 4.- Controlar las densidades y el nivel del electrolito, rellenar con agua destilada cuando el nivel descienda. 5.- Mensualmente dar cargas de igualación. 6.- Mensualmente limpiarla y engrasar los terminales con vaselina neutra. 7.- No almacenar nunca la batería estando esta descargada. 8.- Si se almacena por inactividad, durante mas de un mes, es recomendable dar periódicamente cargas de igualación.

32 Ejemplo 6.1 Ejemplo de cálculo de una batería de tracción para un vehículo mediante la utilización de catálogo de baterías. Sea un vehículo con la siguiente tabla de características : Capacidad de carga : Kg Peso del vehículo vacío : Kg Peso del vehículo cargado : Kg Número de viajes que realiza el vehículo cargado por jornada : 150 Número de viajes de retorno en vacío : Distancia media recorrida en cada viaje : m Elevación media : m Rampa salvada en cada viaje : m Longitud de la rampa : m Horas de funcionamiento al día : horas Tensión del equipo eléctrico : Voltios

33 1) Cálculo de la energía consumida en cada viaje :
Mediante el gráfico que da el catálogo se calcula la energía consumida en cada desplazamiento del vehículo cargado y en cada desplazamiento del vehículo descargado.

34 Este procedimiento se basa en el cálculo de la energía cinética necesaria para vencer la resistencia al avance debida a ese peso y teniendo en cuenta un coeficiente de rodadura (m) que vendrá dado por las particularidades del terreno y del material de la rueda. En primer lugar se calcula la resistencia al avance : (N) P = peso desplazado (Kg) g = aceleración normal de la gravedad (9.81 m/s2) m = coeficiente de rodadura R = resistencia al avance (N) Después se calcula el trabajo realizado durante el desplazamiento : (J) T = trabajo realizado durante el desplazamiento (J) d = desplazamiento (m) Por último se obtiene la energía necesaria expresada en watios-hora E = T / (wh)

35 1.a) Vehículo cargado : P = 5400 Kg R = · 9.81 · 5400 = N g = 9.81 m/s2 T = · 45 = J m = E = / 3600 = 35 wh d = 45 m 1.b) Vehículo descargado : P = 3600 Kg R = · 9.81 · 3600 = N g = 9.81 m/s2 T = · 45 = J m = E = / 3600 = 23 wh

36 2) Cálculo de la energía consumida en cada elevación
Con el gráfico de catálogo se calcula la energía consumida para elevar una carga a una altura determinada.

37 Este proceso proviene del cálculo de la energía potencial necesaria para realizar el movimiento de elevación. De la gráfica se puede obtener, que para el régimen de funcionamiento en elevación se parte de una cierta energía consumida que para una altura de 2.4 metros sin carga, corresponde a T0 = 17.3 wh. En la elevación es necesario tener en cuenta el rendimiento del sistema de elevación debido a los rozamientos existentes en la transmisión. Supondremos un rendimiento del 75 %. En primer lugar se calcula la energía necesaria para elevar la carga una cierta altura h. T = T0 + P · g · h / h (J) T0 = Energía inicial de elevación (J) P = carga a elevar (Kg) g = aceleración normal de la gravedad (9.81 m/s2) h = altura de elevación (m) T = trabajo realizado durante la elevación (J) Por último se obtiene la energía necesaria expresada en watios-hora E = T / (wh)

38 Elevación de la carga : P = 1800 Kg T0 = 17.3 wh = (J) g = 9.81 m/s2 T = (1800 · 9.81 · 2.4) / 0.75 = (J) h = 2.4 m T = / 3600 = 33 (wh) h = 75 %

39 3) Cálculo de la energía consumida en las rampas
Con los gráficos proporcionados por el catálogo se calcula la energía consumida por el vehículo cuando va cargado y tiene que salvar la rampa correspondiente.

40 Este gráfico se basa en el cálculo de la resistencia al avance cuando nos encontramos una pendiente, el procedimiento de cálculo es el siguiente. Se calcula la resistencia al avance, que en este caso será la suma de las resistencias debidas a la rodadura y a la superación de pendientes : (N) donde : P = peso desplazado (Kg) g = aceleración normal de la gravedad (9.81 m/s2) p = pendiente superada (%) RT = resistencia total al avance (N) Rp = resistencia a pendientes (N) Rr = resistencia a la rodadura (N) La pendiente se calcula teniendo en cuenta la longitud y la altura de la rampa que se va a superar, así : (%) donde: l = longitud de la rampa (m). h = altura de la rampa (m). p = pendiente de la rampa en (%)

41 Después se calcula el trabajo realizado al salvar la rampa :
T = RT · l (J) T = trabajo realizado al salvar la rampa (J) l = longitud de la rampa (m) Por último se obtiene la energía necesaria expresada en watios-hora E = T / (wh) Superación de la rampa : P = 5400 Kg Rp = · 9.81 · 5400 = N g = 9.81 m/s2 Rr = · 9.81 · 5400 = N h = 1.2 m RT = = N l = 23.5 m T = · 23.5 = (J) p = 1.2 · 100 / 23.5 = 5.1 % E = / 3600 = 36 wh

42 4) Cálculo de la energía total consumida en un viaje completo (ida + vuelta).
Se obtiene mediante la suma de las energías consumidas en cada una de las etapas calculadas anteriormente : Energía consumida en cada viaje con carga = 35 wh Energía consumida en cada viaje de vacío = 23 wh Energía consumida en cada elevación = wh Energía consumida en cada rampa = wh Energía total consumida para cada viaje (ETv) = wh

43 5) Cálculo de la energía consumida en una jornada laboral.
Como el número de viajes que realiza en una jornada laboral es de 150 y las horas de trabajo al día son 6.5, por lo tanto cada viaje le cuesta 2.6 minutos. La energía consumida en una jornada laboral será la resultante de multiplicar el número de viajes por la energía consumida en cada uno de esos viajes. ET = ETv · N donde N = número de viajes en una jornada laboral ET = energía consumida en una jornada laboral. ET = 127 · 150 = wh

44 6) Cálculo de la capacidad inicial necesaria de la batería.
Sabiendo la tensión de trabajo del motor, la capacidad inicial de la batería se obtiene al dividir la energía consumida durante la jornada laboral por la tensión de trabajo del motor. donde : Ci = capacidad inicial de la batería (Ah) V = tensión de trabajo del motor de accionamiento (V) Así en nuestro caso : Ci = wh / 36 V = 529 Ah Esta capacidad es la que se tendría justamente para desarrollar el trabajo en la jornada laboral y después de acabar la jornada la batería habría sufrido una descarga completa.

45 Para conseguir una duración óptima de la batería es necesario que no se descargue habitualmente mas de un 80%. Por ello es necesario incrementar su capacidad en un porcentaje tal que Ci sea sólo el 80% de la capacidad total de la batería (C). Es decir : C = Ci / 0.8 Por lo tanto en nuestro caso : C = 529 / 0.8 = 661 Ah C es la mínima capacidad de la batería para esa jornada laboral y esas condiciones de trabajo. En la práctica son los constructores de las máquinas quienes al realizar el diseño dimensionan las baterías mas adecuadas al servicio que va a prestar, especificando en la tabla de características los límites de utilización.