Igualar la carga

¿Qué es un cargo de ecualización?

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Ecualización de la carga en la batería de plomo ácido

La intención de igualar la carga es llevar la tensión de carga de una batería de plomo-ácido a los niveles de gaseo para que todo el sulfato de plomo no convertido se cargue al plomo y al dióxido de plomo, respectivamente, en NAM y PAM.

Ecualización de la carga: cómo igualar la carga en la batería de plomo ácido

El mantenimiento adecuado de las baterías de plomo ácido ayuda a mejorar la vida útil de la batería. La equiparamiento es uno de los aspectos más importantes de este procedimiento de mantenimiento.

Ecualización de la carga de la batería inundada:

Para este tipo de baterías, la intención de igualar la carga es llevar la tensión de carga de una batería de 12V a los niveles de gaseo para que todo el sulfato de plomo no convertido se cargue al plomo y al dióxido de plomo, respectivamente, en NAM y PAM. Cuando hay gaseo libre y copioso, todos los iones de sulfato sin carga entran en el electrolito y elevan la densidad de ácido.

Vinal en su libro clásico da la relación de la tensión de las células y los niveles de gaseo.

Cell Voltage (V) Level of gassing Composition of the gases evolved H2 Percent Composition of the gases evolved O2 Percent
2.2 No gassing - -
2.3 Slight 52 47
2.4 Normal 60 38
2.5 Copious 67 33

Niveles de gaseo y voltajes celulares a cargo de células inundadas

(Créditos: Vinal, G.W., Baterías de Almacenamiento, John Wiley & Sons, Nueva York, 1954, página 262)

Del mismo modo, las baterías que no se cargan correctamente en la fábrica requieren una carga de ecualizaciónadicional. Esto puede ser evidenciado por un aumento en la gravedad específica del electrolito dentro de unos meses de la puesta en marcha de la batería, por ejemplo, una batería de inversor. Normalmente, el valor de gravedad específico será 1.240 antes del envío. Una vez alcanzado este valor, algunos fabricantes dejan de cargarse y asumen que la batería está completamente cargada.

En realidad, si hubieran continuado la carga inicial aún más, podrían haber visto un aumento sustancial en la gravedad específica. Este aspecto de la carga inicial indica la presencia de sulfato de plomo sin carga en las placas. Esta cantidad de sulfato de plomo ayudó a aumentar la gravedad específica del electrolito en el proceso de carga adicional.

¿Cómo ayuda la ecualización de la carga?

La carga de ecualización ayuda a realizar la vida útil diseñada de la batería, evitando fallas prematuras debido a una carga insuficiente. Una batería que recibe carga de ecualización regular vivirá más tiempo que una que no lo haga. Esto es particularmente cierto en el caso de la batería de carretilla elevadora, batería automotriz y baterías de inversor. Hemos visto que dar una batería de carretilla elevadora de carga de ecualización asegura un mejor rendimiento de la batería de la carretilla elevadora. La extensión de la duración de la batería a través del control de ecualización de carga es la manera establecida de mejorar el rendimiento de la batería.

En algunos países, el SAI y las baterías de fuente de alimentación estacionarias no experimentan salidas de energía incluso durante unos minutos en un año. En tales situaciones, los fabricantes de baterías aconsejan al consumidor que apague el suministro de red durante unos minutos. Esto evitará la «pasivación flotante».

Ecualización de la carga de la batería: VRLA

Todos los aspectos discutidos anteriormente también se aplican a las baterías VR. La única diferencia es que la tensión de carga para la carga de ecualización es menor. Las baterías deben cargarse a no más de 14,4 V (para una batería de 12V) durante una carga de ecualización. Las tarifas de gaseo son:

Niveles de gaseo y voltajes de flotador de celdas a cargo de células reguladas por válvulas

Cell voltage (V) Level of gassing Recombination efficiency (%) Gassing rate * Relative gassing rate
2.25 to 2.3 Negligible gassing ~ 99.87 ~ 0.0185 ~ 1
2.4 Some gassing ~ 99.74 ~ 0.037 ~ 2
2.5 Gassing ~ 97.4 ~ 0.37 ~ 20

*cc/h/Ah/cell from: Credits: C&D Technologies: Technical Bulletin 41-6739, 2012.). 1 pie cúbico a 28317 cc (12*2,54)3 x 28316,85)

¿En qué se diferencian las baterías VRLA de las baterías de plomo ácido inundadas?

La química básica de las dos versiones de la batería de plomo ácido es la misma. Las reacciones de descarga son similares, pero las reacciones de carga difieren en sus pasos intermedios.

Los gases (hidrógeno y oxígeno) evolucionaron cerca del final de la carga en una batería de plomo ácido inundada se ventilan. El gas de oxígeno te evolucionó en la placa positiva de las células VR se mueve fácilmente a la placa negativa y oxida el plomo, debido a los coeficientes de difusión más altos en un medio gaseoso. Esta es una reacción rápida en VR Cell. Este movimiento de gases no es posible en las células inundadas debido a los coeficientes de difusión más bajos. Las condiciones similares a las células inundadas ocurrirán en las células de realidad virtual también si el AGM está completamente saturado y la reacción de recombinación de oxígeno comenzará sólo cuando la condición de electrolitos hambrientos comienza a desarrollarse debido a la electrólisis del agua y la pérdida de un poco de agua.

En una célula regulada por válvula la evolución del hidrógeno se ve inhibida por la formación de sulfato de plomo durante la carga. Este sulfato de plomo lleva el potencial de la placa negativa a valores más positivos para que la evolución del hidrógeno se reduzca mucho. Las aleaciones especiales también se utilizan en la rejilla negativa que tendrá una mayor sobretensión de hidrógeno.

Las baterías VRLA para la construcción tienen las siguientes diferencias:

  • El volumen de electrolitos es menor en la batería VRLA. Esto se mantiene intencionalmente porque debe haber un pasaje para el oxígeno evolucionado desde el PAM para entrar en contacto con NAM a través de poros insaturados en el separador de estera de vidrio absorbente (AGM). Para compensar el volumen reducido del electrolito, se utiliza ácido de mayor densidad en las baterías vr. Esto también compensará la reducción de las capacidades de baja velocidad.
  • Los elementos están altamente comprimidos en la batería VRLA. Este aspecto juega el papel más importante en la mejora de la vida útil de las baterías. La compresión de pared separador-contenedor de placas es una parte integral del diseño. Esto garantiza una buena difusión de electrolitos entre las placas y el separador. La vida también aumenta debido a la reducción de la expansión positiva del material activo y la pérdida de capacidad resultante.

  • Las baterías VRLA tienen una válvula de resellado unidireccional en cada celda o puede haber una válvula común para unas pocas células (particularmente en células de pequeña capacidad). Esta válvula multifuncional funciona de la siguiente manera:
    Yo. Previene la entrada accidental de aire atmosférico (oxígeno).
    Ⅱ. Ayuda en el transporte de oxígeno asistido por presión de PAM a NAM
    Ⅲ. Evita la explosión en caso de desarrollo indebido de presión dentro de la batería debido a una carga abusiva o mal funcionamiento del cargador.
  • El correcto funcionamiento de las baterías VRLA depende del ciclo interno de oxígeno, que a su vez depende de una construcción a prueba de fugas: la tapa para cubrir el sello y la olla para cubrir el sello. El ciclo interno de oxígeno ayuda a reducir la evolución del hidrógeno y, por lo tanto, reduce la pérdida de agua.

Ciclo interno de oxígeno

Durante la carga de la batería VRLA:
En la placa positiva, el gas O2 se desarrolla y se producen protones y electrones.
2H2O a 4H+ + O2 a + 4e- ……… Eq. 1

El gas de oxígeno, los iones de hidrógeno y los electrones evolucionaron como resultado de la electrólisis del agua en la placa positiva pasan a través de poros vacíos, poros llenos de gas y canales de electrolitos en el separador AGM (o las grietas finas en la matriz de electrolitos gelificadas en el caso de baterías de realidad virtual gelizadas) y alcanzan las placas negativas. Este gas se combina con el plomo en el NAM para convertirse en PbO y el oxígeno reducido se combina con los iones de hidrógeno para formar agua. Este óxido se combina químicamente con los iones de sulfato para formar sulfato de plomo

2Pb + O2 a 2PbO
2PbO + 2H2SO4 á 2PbSO4 + 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4 á 2PbSO4 + 2H2O + Calor ……… Eq. 2
—————————————————–
Pero, siendo este un proceso de carga, el sulfato de plomo así producido de nuevo tiene que ser convertido a plomo; el ácido sulfúrico es generado por una ruta electroquímica reaccionando con los protones (iones de hidrógeno) y electrones resultantes de la descomposición del agua en las placas positivas cuando se cargan.

2PBSO4 + 4H+ + 4eá 2Pb + 2H2SO4 ……… Eq. 3

Cuando el NAM se convierte a PbSO4 durante una carga, el potencial de la placa negativa se vuelve más positivo (como en el caso de una descarga). Esto ayuda a obstaculizar la reacción de evolución del hidrógeno. Se producen cantidades muy pequeñas de gas hidrógeno, pero la válvula unidireccional asegura que la presión dentro del frasco no alcance niveles peligrosos al ventilar el hidrógeno a la atmósfera, protegiendo así la batería de protuberancias y otros defectos.

La última reacción restaura el equilibrio químico de la célula. La suma neta de las reacciones (Eq 1) a (Eq 3) siendo cero, la energía eléctrica gastada durante la carga se convierte en calor en lugar de a energía química [Ref R.F. Nelson, Proc. 4th Int Lead Acid Seminar, 25-27 apr 1990, San Francisco, USA, ILZRO, Inc.,1990, pp.31-60].

igualar la carga
Célula de ácido plomo - reacciones de descarga explicadas
igualar la carga
Reacción de recombinación en una célula VRLA

La ventaja más importante de una célula VRLA es que no se requiere adición de agua como procedimiento de mantenimiento. La siguiente ventaja es que evoluciona una cantidad insignificante de gases en el curso de su funcionamiento, debido a la recombinación cercana al 100 % a las tensiones de flotación recomendadas de 2,25 a 2,3 V por célula. Además, no hay restricciones de transporte en el traslado de estas baterías de un lugar a otro.

Baterías primarias y recargables

Una batería se define como un dispositivo electroquímico que puede convertir la energía química en energía eléctrica a través de reacciones redox y así actuar como una fuente de energía electroquímica. Pero, no es una fuente perenne de poder. La batería suministrará energía sólo hasta que haya suficientes materiales activos para sostener las reacciones de producción de energía. Una vez que el nivel de tensión de la batería alcanza un cierto nivel inferior definido por la química del sistema, las reacciones tienen que ser revertidas, es decir, la batería tiene que recibir corriente directa. Este acto de suministrar una corriente directa en la dirección inversa de la descarga a una batería descargada para revertir las reacciones de descarga se denomina «carga».

Esto regenerará los materiales activos originales de los productos de descarga y también aumentará el voltaje de la batería a valores más altos, de nuevo definidos por la química del sistema. Esta declaración es aplicable a las baterías que se denominan baterías secundarias o de almacenamiento. No es relevante para las células primarias como las utilizadas en antorchas eléctricas y relojes de pulsera. La reducción de la tensión de la batería durante una descarga se produce debido al agotamiento de los materiales activos y varias otras razones.

Una unidad independiente de la batería se llama «célula». Una batería es una combinación de dos o más celdas conectadas de varias maneras diferentes para alcanzar las clasificaciones de voltaje y capacidad diseñadas o la clasificación total de kWh. Más comúnmente, una batería monobloque se emplea en automóviles y baterías de plomo de plomo reguladas por válvula de pequeña capacidad (VRLA) y baterías tubulares (hasta 12V/200 Ah); más allá de esta capacidad, las celdas individuales se utilizan para obtener las clasificaciones de kWh requeridas combinándolas en arreglos en serie o en series paralelas.

Una batería de plomo ácido de 48V/ 1500 Ah (o 72 kWh) puede tener 24 números de células de capacidad de 2V/1500 Ah conectadas de una manera simple de serie o 48 celdas de células de capacidad de 2V/750 Ah conectadas de una manera paralela de serie. Es decir, 24 celdas conectadas en serie para hacer una batería de 48V/750Ah (o 36 kWh). Otra batería de este tipo de 48V / 750 se conectará en paralelo a la primera para que sea una batería de 48V / 1500 Ah (72 kWh).

Otro ejemplo de una batería de vehículo eléctrico de iones de litio (Li-ion):
Dependiendo del tamaño de la batería, el fabricante de EV Tesla utiliza alrededor de 6,000-8,000 celdas por paquete, cada celda tiene una capacidad de 3.6V/3.1 a 3.4 Ah para construir una batería de 70 o 90 kWh.

La batería Tesla EV de 70 kWh utiliza alrededor de 6000 células del tipo 18650 células NCA de 3.7 V/3.4 Ah, conectadas en una complicada disposición en serie paralela. Tiene un alcance de 325 km por carga. (Aquí la figura 18650 se refiere a un tipo particular de celda de iones de litio que tiene dimensiones aproximadas de longitud (o altura) 65 mm y diámetro de 18 mm. El término «NCA» significa el material cátodo utilizado en esta célula, por ejemplo, N -Níquel, Cobalto y A – aluminio, que es material cátodo de óxido de níquel-cobalto-aluminio)
El paquete 90kWh tiene 7.616 celdas en 16 módulos. El peso es de 540 kg. Tiene un alcance de 426 km por carga.

Componentes de una celda:

Los componentes más esenciales de una batería son:
Un. Ánodo (placa negativa)
B. Cátodo (placa positiva)
C. Electrolito (En la batería de plomo ácido, el electrolito también es un material activo, pero no así en la mayoría de los otros sistemas)
Los tres anteriores se denominan componentes activos
Por supuesto, hay componentes inactivos como
Un. Tarro
B. Redes de recogida actuales
C. Correas de barra de bus o conector
D. Separadores
e. Conectores entre celdas
F. Puestos terminales, etc.

En una batería de plomo-ácido, el electrolito (ácido sulfúrico diluido) participa en la reacción de producción de energía como se puede ver en la reacción celular que se indica a continuación. El ácido sulfúrico se consume para convertir el dióxido de plomo y conducir al sulfato de plomo y por lo tanto la densidad del electrolito disminuye a medida que avanza la reacción de descarga. Por el contrario, cuando se carga la célula, la densidad del electrolito aumenta a medida que avanza la reacción de carga. La razón es que los iones de sulfato absorbidos por ambos materiales activos durante la descarga se liberan en el electrolito y por lo tanto la densidad del electrolito aumenta.

Reacción de descarga y carga

Las reacciones de una célula galvánica o batería son específicas del sistema o de la química:

Por ejemplo, la célula de plomo ácido:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 Carga ↔ de descarga 2PbSO4 + 2H2O E a 2,04 V

En una celda de Ni-Cd

Cd + 2NiOOH + 2H2O Descarga ↔ Carga Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 E a 1.32 V

En una celda Zn-Cl2:

Zn + Cl2 Carga de ↔ de descarga ZnCl2 E a 2,12 V

En una celda Daniel (Esta es una celda primaria; aquí nota la ausencia de flechas reversibles)

Zn + Cu2+ Descarga ↔ Carga Zn2+ + Cu(s) E á 1.1 V

Ecualización de la carga: más sobre la carga de una batería

Como se describió anteriormente, una batería de almacenamiento no es una fuente perenne de energía. Una vez que se agota, tiene que ser recargado para obtener energía de ella de nuevo. Se espera que las baterías den una cierta vida útil, llamada esperanza de vida. Para obtener la vida útil y la fiabilidad diseñadas, las baterías de almacenamiento deben cargarse y mantenerse correctamente de acuerdo con las instrucciones proporcionadas por los fabricantes. Se deben utilizar métodos de carga adecuados para obtener la máxima vida útil posible de la batería.

Reacciones en células de plomo ácido:

Durante la descarga: PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O

La descarga se llevará a cabo sólo hasta que ciertas cantidades de materiales de conducción estén allí en la celda; a partir de entonces, la tasa de caída de la tensión será tan rápida que la tensión final se alcanzará pronto. Así que hay lo que se llama una tensión de corte o voltaje final, más allá de lo cual la descarga no debe continuar. Una descarga adicional dificultará la recarga y puede dar lugar a resultados catastróficos inesperados.

Las baterías deben cargarse inmediatamente después de la descarga a las tarifas recomendadas por el fabricante o según las instrucciones suministradas por ellas.

¿Qué sucede durante una descarga y las reacciones de carga dentro de una célula?

Electrolito: 2H2SO4 á 2H+ + 2HSO4 ̅

Placa negativa: Pb á Pb2+ HSO4 + 2e

Pb2+ + HSO4 ̅ á PbsO4 ↓ + H+

⇑ ⇓

Placa positiva: PbO2 á Pb4+ + 2O2-

Pb4+ + 2e á Pb2+

Pb2++ 3H+ + HSO4 ̅ +2O2- á Pbso4o ↓+ 2H2O

El ácido sulfúrico es un electrolito fuerte, se disocia como iones de hidrógeno e iones bisulfatos (también llamado ion sulfato de hidrógeno).

Igualación de la carga: reacción de recombinación en una célula VRLA
Reacción de recombinación en una célula VRLA

Al iniciar una descarga, el plomo poroso en la placa negativa se oxida a iones de plomo (Pb2+) y debido a que siempre está en contacto con el ácido sulfúrico electrolito, se convierte en sulfato de plomo (PbSO4); este último se deposita como un material blanco en los poros, la superficie y las grietas de las placas negativas. La primera reacción (el plomo que se convierte en iones de plomo) es de naturaleza electroquímica, mientras que la segunda (los iones de plomo que se convierten en sulfato de plomo) es una reacción química.

Decimos que el plomo se disuelve como iones de plomo en las proximidades del sitio de reacción e inmediatamente se deposita como sulfato de plomo después de combinar con los iones bisulfatos del electrolito en el material activo negativo (NAM). Este tipo de reacción se denomina mecanismo de disolución-deposición o disolución-precipitación en la electroquímica.
Del mismo modo, el material activo positivo (PAM) se combina con los electrones procedentes del NAM y se convierte en iones de plomo, que se combina con los iones bisulfatos del electrolito y los depósitos como sulfato de plomo en el material activo positivo, siguiendo el mismo mecanismo de disolución-deposición.

Durante una recarga: 2PbSO4 + 2H2O Charge – PbO2 + Pb + 2H2SO4

Los productos de reacción obtenidos durante la descarga en las placas positivas y negativas se convierten de nuevo en los materiales originales durante una carga. Aquí, las reacciones tienen designaciones inversas a las de una descarga. La placa positiva sufre oxidación, mientras que la placa de polaridad opuesta sufre reducción.

Igualar la carga: cuándo se completa la carga completa

Se supone que las baterías han completado la recarga normal si se cumplen las siguientes condiciones:

Parameter Flooded Lead acid Battery Valve Regulated Lead Acid Battery (VRLA)
Charging voltage & current A constant current charge is assumed here: the voltage of a battery at the end of a charge should be constant for a particular current. The value may be 16.2 to 16.5v for a a 12v battery For a constant impressed voltage (say 13.8v to 14.4v for a 12v battery), the current should be constant for at least two hours
Specific gravity of electrolyte Specific gravity of electrolyte should also reach constant value. This value will depend on the fully charged battery when it was supplied by the manufacturer. Specific gravity of electrolyte cannot be measured.
Nature of gassing Uniform and copious gassing on both the plates. The volume of gases evolved will be 1:2 as in water, i.e., 2 volumes of hydrogen for 1 volume of oxygen. At the levels of charging voltage recommended for VRLABs, negligible gassing is observed. At 2.25 to 2.3 volts per cell (Vpc) float charge, no gas evolution is observed. At 2.3 Vpc, a 12V 100Ah VRLAB may emit 8 to 11 ml/h/12V battery. But at 2.4 Vpc it is almost double, 18 to 21 ml/h/12V battery. (i. pbq VRLA Batteries, January, 2010. ii. C&D Technologies: Technical Bulletin 41-6739, 2012.)

Ecualización de carga: ¿Cuándo requieren carga las baterías?

  • Una batería de plomo ácido recién montada requiere llenado inicial y carga inicial.
  • Una batería descargada requiere una recarga normal.
  • Las baterías conectadas a aparatos y equipos normalmente no están completamente cargadas, en el sentido de que no alcanzan la tensión de carga completa de > 16 V para una batería de 12V. Por ejemplo, en la aplicación SLI (inicio, iluminación e ignición) en automóviles, el voltaje máximo que la batería puede alcanzar es de aproximadamente 14,4 V para una batería de 12V. Del mismo modo, los voltajes de carga de la batería del inversor/UPS no van más allá de 13.8 a 14.4 V. En tales aplicaciones, el proceso de acumulación de sulfato de plomo no convertido en placas positivas y negativas continúa aumentando a medida que aumenta la vida de la batería.

La razón es que los valores de los voltajes mencionados anteriormente no son suficientes para restaurar todos los productos descargados a los materiales activos originales. Estas baterías requieren recarga periódica para llevar todas las células a plena carga y al mismo nivel. Esto también ayudará a eliminar los efectos de la estratificación del electrolito. Esta carga adicional se denomina carga de banco o carga de ecualización.

Conclusiones sobre la equiparación de la carga:

La carga de ecualización es una parte del procedimiento de mantenimiento. El voltaje máximo al que se puede llevar a cabo la carga de ecualización depende del tipo de batería de plomo ácido, ya sea de tipo inundado o de tipo VRLA. El tipo anterior de celdas se puede cargar a corriente constante a una tensión de 16,5 V para una batería de 12V para llevar todas las celdas de una batería al mismo nivel.

Sin embargo, las celdas VRLA deben cargarse sólo por un método de voltaje constante y este voltaje impresionado no debe exceder el voltaje máximo recomendado de 14.4 V para una batería de 12V. Cuando la instalación de carga de voltaje constante no está disponible, las baterías VRLA se pueden cargar a corriente constante con monitoreo constante de la tensión terminal (TV) de la batería. Siempre que el televisor se acerque o supere el nivel de 14,4 V, la corriente de carga debe reducirse continuamente para que el televisor no pueda ir más allá de 14,4 V

Por favor, no dude en escribirnos para obtener más información.

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