Las pruebas en las baterías como una herramienta para el mantenimiento preventivo.
Un programa de mantenimiento puede garantizar que las baterías estén en buenas condiciones, prolonga su vida útil y encuentra el momento óptimo para el reemplazo. Un programa que incluya inspección, medición de impedancia y pruebas de capacidad es la manera de dar seguimiento al estado de la batería. La degradación y las fallas se encontrarán antes de que se vuelvan serias y asi se pueden evitar inconvenientes operativos.
Breve historia de las baterías
Una batería eléctrica, o acumulador eléctrico es un dispositivo eléctrico activo que consiste en una o más celdas electroquímicas que convierten la energía química en corriente eléctrica en nivel DC. Cada celda consta de un electrodo positivo (+) o cátodo y un electrodo negativo (-) o ánodo. También contiene un electrolito que permite que los iones se muevan entre los electrodos, permitiendo que la corriente fluya fuera de la batería para llevar a cabo su función, alimentar a un circuito eléctrico.
Las baterías se presentan en muchas formas y tamaños, desde las celdas en miniatura que se utilizan en los audífonos y relojes de mano, a los bancos de baterías estáticas de grandes dimensiones que proporcionan energía electrica a computadores, centros de datos y sistemas de telecomunicaciones.
El 20 de marzo de 1800, Alessandro Volta comunica su invento de la pila que actualmente lleva su nombre. Tres años después, en 1803, Johann Wilhelm Ritter construyó su acumulador eléctrico; como muchos otros que le siguieron, era un prototipo teórico y experimental, sin posible aplicación práctica. Ya en 1836 John Frederic Daniell inventa la pila Daniell, a partir de la pila de Volta, pero que evita la acumulación de hidrógeno. Poco después, en 1844, William Robert Grove inventa su propia pila, que representa una evolución y aumento de potencia respecto de las anteriores. En 1860, Gastón Planté construyó el primer modelo de batería de plomo y ácido con pretensiones de ser un dispositivo utilizable, lo que no resultó más que relativamente cierto, por lo que no tuvo éxito. A finales del siglo XIX, sin embargo, la electricidad se iba convirtiendo rápidamente en artículo cotidiano y, cuando Planté volvió a explicar públicamente las características de su acumulador, en 1879, tuvo una acogida mucho mejor, de modo que comenzó a fabricarse y ser utilizado casi inmediatamente.
Batería de Varios Tamaños Comerciales.
Tipos de baterías.
Existen en la actualidad varios tipos de baterías de acuerdo a su composición química, su construcción, el estado de los materiales en su interior asi como también su tipo de encerramiento. Normalmente se pueden ubicar baterías secas, húmedas, selladas, abiertas, con aperturas para mantenimiento y tambien otras que son libres de mantenimiento.
Dentro de los principales tipos tenemos:
Baterías de plomo ácido recargables.
Plomo ácido de ciclo profundo: Con placas de plomo gruesas, con alta densidad de pasta electrolítica y separadores más gruesos. Adicionalmente las aleaciones de las placas pueden contener más Antimonio que en el caso de las baterías de arranque.
Plomo Acido de Arranque: Con placas de plomo delgadas, densidad electrolítica standard y separadores delgados. Proveen una alta corriente momentánea para el arranque. Por ejemplo para el arranque de carros y plantas eléctricas.
Tipo inundado/húmedo (FLA)
Tipo sellado regulado por válvula (VRLA): Plomo calcio y plomo antimonio selenio.
Tipo VRLA Gel
Tipo VRLA Vidrio Mate Absorbido AGM
Placa Plana
Placa Tubular
Baterías de níquel cadmio recargables.
Tipo inundado/húmedo (FLA)
Tipo Sellado
Placa de Bolsillo
Placa Plana
Diagrama de Bloques Batería de Plomo Ácido.
Por qué probar los sistemas de baterías.
Existen tres razones principales para efectuar pruebas a las baterías individualmente y también como sistema de baterías:
Para garantizar que el equipo que representa la carga este adecuadamente respaldado.
Para evitar cualquier falla inesperada en el sistema de baterías que impida el adecuado respaldo, por ello es necesario darle seguimiento a la salud de la batería.
Para prevenir el final de la vida útil de las batería.
Existen tres preguntas básicas que los usuarios de baterías se plantean:
Cuál es la capacidad y el estado de carga de la batería actualmente?
Cuándo será necesario reemplazarla?
Qué se puede hacer para mejorar su calidad de funcionamiento y no reducir su vida útil?
Las baterías están compuestas de elementos químicos complejos y de varias partes y piezas, por lo que podríamos afirmar que conforman un sistema complejo. Dentro de los componentes más importantes de la batería tenemos la rejilla, placas de ánodo (Terminal negativo), placas de cátodo (Terminal positivo), los separadores y conectores conformando estos últimos la celda, el electrolito, elementos de soporte de las celdas, el espacio para los sedimentos, aperturas de llenado de electrolito en el caso de baterías con venteo o del tipo inundado/húmedo, el elemento de agarre o sujeción manual de la batería y finalmente la carcasa metálica o plástica de la batería.
Una batería implica dos materiales metálicos de diferente electronegatividad inmersos en un electrolito. El electrolito permite la transferencia de iones desde el polo negativo al polo positivo de la batería. De hecho se puede colocar un pedazo de Zinc y otro de Cobre con valores de Electronegatividad Pauling-Werte Zn(1.65) y Cu(1.90) dentro de una papa, un limón o una toronja y se puede tener una diferencia de potencial en terminales. La papa contiene ácido fosfórico y el experimento funciona bastante bien. De hecho hirviendo las papas por ocho minutos mejora la efectividad eléctrica al utilizarla como electrolito solido de una batería. Aun asi para que una batería funcione bien, tiene que ser mantenida adecuadamente. Un buen programa de mantenimiento de la batería puede evitar, o al menos reducir los costos y daños a los equipos críticos debido a pérdidas de la alimentación eléctrica principal.
Batería de papa. La papa funciona como electrolito entre los electrodos de zinc y cobre.
Visión general del plomo-ácido.
La reacción química dentro de una batería de plomo ácido durante la descarga con terminales de plomo (PbO2) en un electrolito de ácido sulfúrico (H2SO4), ambos terminales se convierten en sulfato de plomo (PbSO4), y el electrolito pierde parte de su ácido sulfúrico y se convierte en agua. El proceso de descarga es regido principalmente por la conducción de electrones desde la placa negativa hacia la placa positiva a través de un circuito externo.
Descarga Reacción en la Placa Negativa (Pb) con la liberación de dos (02) electrones le da al electrodo una carga neta negativa
Cuando los electrones se acumulan se crea un campo eléctrico que atrae los iones de hidrógeno y repele los iones sulfato, lo cual crea una doble-capa cerca de la superficie. Los iones de hidrógeno filtran el electrodo cargado de la solución, lo que limita otras reacciones a menos que se permita que la carga fluya fuera del electrodo.
Descarga Reacción en la Placa Positiva
La Reacción Total se puede escribir:
Al final de la descarga las dos placas contendrán finalmente PbSO4 y el electrolito de H2SO4.
Cuando ocurre nuevamente la carga se revierte el estado de la placa negativa hasta obtener nuevamente una placa positiva o cátodo (PbO2) y una placa negativa o ánodo (Pb). El ácido también se regenera subiendo nuevamente su concentración.
Sin embargo, en algunas oportunidades en las baterías con venteo del tipo inundado/húmedo (FLA) debe agregarse agua periódicamente. En las baterías reguladas por válvula y las plomo ácido selladas, los gases hidrógeno y oxígeno se recombinan para formar agua internamente. En las baterías selladas (VRLA) el electrolito ácido se inmoviliza mediante un Cristal Vidrio Mate Absorbido (AGM) o en un Gel. El Cristal Vidrio Mate es muy parecido al aislamiento de fibra de vidrio.
Las celdas de la batería donde se produce la reacción química tiene placas alternas positivas (PbO2 ) y negativas (Pb) separadas por goma micro porosa inundado en H2SO4, en Cristal Vidrio Mate Absorbido en VRLA, Acido Gel en baterías de Gel VRLA o Láminas de Plástico en las Celdas NiCD. Todas las placas de polaridad similar están soldadas juntas al conector adecuado. En el caso de las celdas VRLA se ejerce cierta compresión tipo Sandwich Placa-Electrolito-Placa para mantener buen contacto entre ellas. También tienen válvula de alivio de presión (PRV) auto resellable para ventilar gases cuando se produce sobre-presurización.
Modos de falla en las baterías de plomo-ácido.
Los modos de falla principales de las Baterías de Plomo-Acido son los que a continuación se mencionan:
Corrosión de Rejilla Positiva
Acumulación de Sedimentos
Corrosión de los Contactos de Plomo Superiores
Sulfatación de Placa
Secado del Electrolito
Cada tipo de baterías puede tener varios modos de falla, algunos más frecuentes que otros. Algunos modos de falla se manifiestan con el uso continuo, o con el uso en exceso, como lo son la acumulación de sedimentos. Otros ocurren naturalmente, como la oxidación de la rejilla positiva.
El mantenimiento y las condiciones ambientales pueden aumentar o disminuir los riesgos de falla en las baterías. La corrosión de la rejilla positiva es el modo de falla más común en las Baterías de Plomo Acido Venteadas. Las rejillas son aleaciones de plomo (Plomo-Calcio, Plomo-Antimonio y Plomo-Antimonio-Selenio) que se convierten en oxido de plomo a lo largo de un tiempo. Dado que el óxido de Pb es un cristal más grande que la aleación de metal plomo, la placa crece en tamaño. Esta tasa de crecimiento ha sido caracterizada y se tiene en cuenta al diseñar las baterías de acuerdo a su vida nominal de por ejemplo 20 años.
Al final de su vida útil diseñada, las placas habrán crecido lo suficiente para sacar las tapas de las baterías. Pero el exceso de ciclado, la temperatura y el exceso de carga tambien puede aumentar la velocidad de la corrosión de las rejillas positivas. La medición de la Impedancia, una prueba óhmica interna que mide la resistencia en términos de AC aumentara con el tiempo, lo que corresponde al aumento de la resistencia eléctrica de las rejillas para transportar la corriente. La impedancia también aumentara a medida que disminuya la capacidad.
La acumulación de sedimentos es una función de la cantidad de ciclado que la batería puede aguantar. Esto se ve más a menudo en las baterías de UPS pero puede verse en otras aplicaciones también. El desprendimiento de material activo de las placas convirtiéndose en sulfato de plomo blanco dentro del interior de la carcasa de la batería. La acumulación de sedimentos es la segunda razón por la cual los fabricantes de baterías tienen espacio en el fondo de los recipientes para permitir una cierta cantidad de contenido antes de que se acumule hasta el punto del cortocircuito en la parte inferior de las placas. La colocación de una válvula para la extracción y filtrado del electrolito sería una solución parcial para el aumento de la vida útil de la batería. Adicionalmente se tiene una solución con el diseño de placas envueltas en donde el sedimento se sostiene con la placa y no permite que caiga en el fondo. En caso de alta acumulación el voltaje de flotación disminuirá y la caída de voltaje dependerá de la cantidad de celdas en cortocircuito.
La corrosión de los contactos de plomo superiores, que es la conexión entre las placas y los conductores principales internos de la batería, es difícil de detectar incluso con inspección visual ya que se produce cerca de la parte superior de la batería y esta oculta por la cubierta.
La batería seguramente fallará debido al alto consumo de corriente cuando se requiera el funcionamiento con carga plena de la batería. La acumulación de calor durante la descarga probablemente derrita y luego agriete la tapa superior de la batería, entonces podría provocarse una falla de cortocircuito en la batería.
La sulfatación de la placa es un problema. Una inspección visual minuciosa a veces puede encontrar rastros de sulfatación de placas. La sulfatación es el proceso de conversión del material de la placa activa a sulfato de plomo blanco inactivo. La sulfatación se debe a la configuración baja del voltaje del cargador o a la recarga incompleta después de una interrupción. Los sulfatos se forman cuando el voltaje no está lo suficientemente alto. La sulfatación dará lugar a una mayor impedancia y una menor capacidad.
Pruebas y mantenimiento de las baterías.
Existen diferentes filosofías y metas de requerimientos operativos para mantener y probar baterías.
Reemplazar las baterías cuando fallen o al término de su vida útil. Mínimo o ningún mantenimiento ni pruebas. Obviamente, no probar las baterías en absoluto es menos costoso si solo se consideran los costos de mantenimiento, pero se crean riesgos operativos. Se deben tener en cuenta las consecuencias al evaluar el análisis de costo-riesgo ya que los riesgos están asociados con el equipo que respaldan. Las baterías tienen una vida útil limitada y pueden fallar antes de lo esperado. El tiempo entre interrupciones suele ser largo y si las interrupciones son las únicas ocasiones en que la batería muestra su capacidad, hay un riesgo alto de reducción o falta de respaldo cuando se necesita.
Reemplazar las baterías después de cierto tiempo. Mínimo o ningún mantenimiento ni pruebas. Esto también podría ser un enfoque de riesgo. Las baterías pueden fallar antes de lo esperado. También es una pérdida de capital si las baterías se reemplazan antes de lo necesario. Las baterías correctamente mantenidas pueden vivir más tiempo que el tiempo de reemplazo determinado.
Un programa de mantenimiento y pruebas. Para garantizar que las baterías estén en buenas condiciones, prolonga su vida útil y encuentra el momento óptimo para el reemplazo. Un programa de mantenimiento que incluya inspección, medición de impedancia y pruebas de capacidad es la manera de dar seguimiento al estado de la batería. La degradación y las fallas se encontraran antes de que se vuelvan serias y asi se pueden evitar inconvenientes operativos. La degradación y las fallas se encontraran antes de que se vuelvan serias y asi se pueden evitar sorpresas. Los costos de mantenimiento son más altos, pero esto es lo que se debe pagar para obtener la confiabilidad que se desea para un sistema de respaldo.
El mejor esquema de pruebas es el equilibrio entre los costos de mantenimiento y los riesgos de perder la batería y la confiabilidad de respaldo al equipo alimentado. Cada empresa es diferente y debe sopesar individualmente el costo- riesgo del mantenimiento de la batería.
Hay una serie de estándares y prácticas recomendadas para las pruebas de las baterías. Comprende las inspecciones, acciones y mediciones en condición de flotación normal y también las pruebas de capacidad. Los más conocidos son los estándares IEEE
IEEE 450 Para Baterías de Plomo Ácido con Venteo inundado/húmedo
IEEE 1188 Para Baterías Plomo Ácido Selladas
IEEE 1106 Para Baterías Nickel Cadmio
Centrándonos en las Baterías de Plomo Ácido con Venteo inundado/húmedo y tomando las indicaciones de IEEE 450 “Prácticas Recomendadas por IEEE para Mantenimiento, Pruebas y Reemplazo de Baterías de Plomo Ácido con Ventilación Para Aplicaciones Estacionarias” se presenta la frecuencia y el tipo de mediciones que deben tomarse para validar las condiciones de las Baterías. El estándar cubre las inspecciones, pruebas de impedancia, pruebas de capacidad, acciones correctivas, criterios de reemplazo, entre otros. A continuación se presenta una descripción resumida.
Inspecciones. Se necesita equipo de medición de resistencia de baterías y sistema de monitoreo de baterías.
La inspección mensual incluye: el voltaje de flotación medido en terminales de las baterías, apariencia general y limpieza de las baterías los racks gabinetes y áreas cercanas a las baterías, corriente de salida y voltaje del cargador, nivel del electrolito, verificación de rupturas o fugas de electrolito, evidencias de corrosión en los terminales conectores racks o gabinetes, temperatura ambiente y ventilación, voltaje y temperatura del electrolito en celdas piloto, corriente de carga de flotación o densidad especifica del electrolito en celda piloto, puestas a tierra no intencionales de baterías, verificación si el sistema de monitoreo de todas las baterías funciona correctamente si existe alguno instalado.
La inspección trimestral debe ser aumentada de la inspección mensual agregándole los siguientes puntos: el voltaje en cada celda, la densidad específica del 10% de las celdas baterías si la corriente de carga por flotación no es utilizada para monitorear el estado de carga, temperatura del 10% o más celdas baterías.
La inspección anual debe incluir todos los puntos de la inspección trimestral agregándole los siguientes puntos: la densidad específica de cada celda, las condiciones de cada celda lo cual es una inspección visual detallada según el Anexo E IEEE 450, resistencia de conexión y resistencia celda-celda, verificación de la integridad estructural del rack de baterías y el gabinete.
Prueba de Capacidad. Se necesita equipo descargador de baterías. Las pruebas de descarga de baterías se realizan en los siguientes intervalos.
En la instalación, dentro de las pruebas de aceptación.
Dentro de los primeros dos años de servicio.
Periódicamente. Los intervalos no deben ser mayores al 25% de la vida útil esperada.
Anualmente, cuando la batería muestra signos de degradación o ha alcanzado el 85% de la vida útil prevista. La degradación se indica cuando la capacidad cae más del 10% de su capacidad en la prueba de capacidad anterior o está por debajo del 90% de la calificación del fabricante. Si la batería ha alcanzado el 85% de la vida útil, ofrece el 100% o más de la capacidad nominal del fabricante y no presenta signos de degradación, puede probarse en intervalos de dos años hasta que muestre signos de degradación.
Resumen de la mejor manera de probar y evaluar las baterías.
Los resultados de las pruebas de las baterías de plomo ácido nos permitirán determinar el estado de calidad de funcionamiento, la capacidad de las mismas asi como también un estimado de la vida útil restante. Se debe realizar una prueba de capacidad cuando la batería sea nueva, como parte de la prueba de aceptación. Adicionalmente se debe realizar una prueba de resistencia interna al mismo tiempo para establecer los valores de referencia para todas la baterías y asi poder estimar su calidad de funcionamiento durante el resto de su vida útil. A los dos (02) años siguientes se deben realizar una prueba de capacidad y también prueba de resistencia interna para fines de garantía. Se debe realizar una prueba de resistencia interna cada año en celdas inundadas/húmedas y trimestralmente en cada celdas VRLA.
Se debe realizar también una prueba de capacidad al menos por cada 25% de la vida útil esperada. Se debe realizar una prueba de capacidad cuando la batería muestra signos de degradación o ha alcanzado el 85% de la vida útil prevista. La degradación se indica cuando la capacidad cae más del 10% de su capacidad en la prueba de capacidad anterior o está por debajo del 90% de la calificación del fabricante.
Se debe realizar una prueba de capacidad si el valor de resistencia interna ha cambiado significativamente.
Se deben seguir las recomendaciones de IEEE 450 para todas las mediciones de temperatura, voltaje, densidad, entre otros. Se debe completar un informe con gráficos y analisis de tendencias. Esto será de gran ayuda para el análisis de las tendencias y el rastreo de las fallas en las baterías.
Regeneración de baterías de plomo ácido.
Un equipo de regeneración de baterías es un dispositivo que restaura la capacidad de las Baterías de Plomo Ácido extendiendo de esta forma su vida útil. También son conocidos como desulfatadores, reacondicionadores o dispositivos de acondicionamiento de pulso. Cuando las baterías son almacenadas en un estado descargado por un periodo extendido, se formaran depósitos de sulfato de plomo y se endurecerán en las placas de plomo dentro de la batería. Esto provoca lo que es denominado “Batería Sulfatada” lo cual impedirá que se cargue a su capacidad original. Los regeneradores envían pulsos de corriente electrica a la batería, los cuales provocan que las hojuelas de sulfato se despeguen de las placas y eventualmente se disuelvan.
En la actualidad la industria de baterías favorece la venta de baterías de reemplazo y presentan baja motivación a la disolución de los problemas de la sulfatación, sin embargo la industria de los regeneradores de baterías está a favor de la resolución de la sulfatación de manera efectiva con los regeneradores de baterías.
Cuando una batería se descarga la densidad del sulfato de plomo PbSO4(s) en solución se incrementa. En diseños comunes, alcanza una densidad crítica cuando la descarga es cerca del 75%, o por debajo. Por ejemplo, una batería de 12V con una capacidad de 100Ah alcanzará esta densidad cuando alcance 25Ah o más Ah hayan sido consumidos de la batería. En este punto el sulfato de plomo comienza a precipitarse fuera de la solución en las placas de la batería, formando una capa esponjosa amarilla. Si la batería es inmediatamente recargada, la capa amarilla desaparece disolviéndose en el ácido.
Si la batería es almacenada o se coloca repetidamente en su estado de carga parcial por un periodo extendido, la capa de sulfato de plomo PbSO4(s) se convertirá en cristales sólidos. Este proceso de “sulfatación” toma tiempo, y solo ocurre si la descarga de la batería se repite por debajo de sus niveles críticos.
Las baterías también tienen una pequeña resistencia interna que descargara la batería aun cuando este desconectada. Si la batería es dejada desconectada, cualquier carga interna drenará lentamente y eventualmente alcanzará el punto crítico. A partir de allí la capa de Sulfato de Plomo PbSO4(s) crecerá y se engrosará. Esta es la razón por la cual las baterías se cargan pobremente o no si son dejadas en un almacén por largos periodos de tiempo.
Regenerador de baterías marca Interberg.
Los cargadores de baterías usan normalmente una, dos o tres etapas en el proceso de recarga de baterías, utilizando fuentes de alimentación conmutadas, pudiendo incluir más etapas para recargar la batería más rápidamente y completamente. Común a todos los cargadores, es la etapa denominada de “absorción”. En este modo el cargador mantiene un voltaje estable ligeramente superior al de la batería cargada para inyectar corriente en las celdas. Cuando la batería se carga, su voltaje interno sube hasta alcanzar el voltaje fijo que está siendo provisto y la corriente baja. Eventualmente el cargador se apaga cuando la corriente cae por debajo de un nivel de seguridad.
Cuando la batería esta sulfatada tiene una alta resistencia eléctrica superior a una batería no sulfatada de idéntica construcción. Debido a la ley de Ohm, una batería sulfatada tendrá un menor flujo de corriente. Cuando el proceso de recarga se efectúa, esta batería alcanzará el punto de desconexión más rápido, mucho antes de poder aceptar la carga completa. A pesar de esto el cargador indicara carga completa, pero en realidad la batería solo pudo recargarse muy poco. Al usuario le parecería que la batería está cerca del final de su vida útil.
Regeneración
La capa de Sulfato de Plomo PbSO4(s) puede ser disuelta aplicando alto voltaje nuevamente. Normalmente, aplicando alto voltaje a la batería podría causar también calentamiento y potencial escape térmico lo cual pudiera causar explosión. Algunos acondicionadores de baterías utilizan pulsos cortos de alto voltaje, muy cortos para causar flujo de corriente significativo, pero lo suficientemente largos para revertir el proceso de cristalización. Sin embargo, el uso continuo de pulsos de alto voltaje pueden dañar las placas de las baterías cuando las baterías son húmedas y con baterías selladas de plomo-ácido podrían causar secado de la batería. Los últimos avances en la regeneración de baterías usan pulsos de frecuencia de manera opuesta al alto voltaje para disolver el Sulfato de Plomo hacia dentro del electrolito nuevamente.
Dependiendo del tamaño de la batería, la regeneración de la batería tomaría de 48 horas hasta semanas para completarse. Durante este período, la batería también se carga lentamente para continuar reduciendo la cantidad de azufre en la solución. Los regeneradores comerciales a menudo admiten varias baterías para proporcionar una operación paralela para mejorar el rendimiento.
Bibliografía.
[1] Guía de Ensayo de la Batería. Interberg Batteries. Madrid. 2017. España
[2] IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Vented Lead Acid Batteries for Stationary Applications. IEEE Standard 450-2002. IEEE. New York. 2002. USA
[3] Manual Comprobador de Baterías Amperis APBT 3915. Amperis. Lugo. 2017. España
[4] Manual de Sistema de Monitoreo de Baterías Amperis 3926. Lugo. 2017. España
Más información:
Tlf: +52 442 4030370 / 442 6545625
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