Clase Baterias
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  • 1. Baterías. Definiciones: Dispositivo electroquímico el cual almacena energía en forma química, pudiendo obtenerse de ella energía en forma eléctrica. Conversión IRREVERSIBLE de: Energía Química ==► Energía Eléctrica Baterías 1arias o pilas Conversión REVERSIBLE de: Energía Química ◄==► Energía Eléctrica Baterías 2arias Descripción Física Unidad básica de construcción: celda electroquímica Placa negativa: ánodo. Placa positiva: cátodo. Medio: electrolito. Las baterías se comercializan en dos formas posibles: Celda Monobloque Monobloque: conjunto de celdas elementales en serie y paralelo de forma de lograr tensión y energía deseada. Todas las celdas básicas comparten el electrolito y el recipiente. Ejemplo: batería automotriz.
  • 2. Principio de Funcionamiento. 1. Descarga. Química ===> Eléctrica. Para iniciar el proceso de descarga se debe cerrar el circuito por medio de una carga eléctrica. Durante este proceso la celda o batería se comporta como una fuente de tensión de valor aproximadamente constante que “impulsa” las cargas eléctricas a través del circuito eléctrico. El material del ánodo reacciona con el electrolito liberando electrones formando un material D. Proceso de oxidación. El material del cátodo reacciona con el electrolito ganando electrones, formando un material C. Proceso de reducción. Ánodo: bB – ne -----> dD Cátodo : aA+ne ------> cC
  • 3. 2. Carga Eléctrica ==> Química Para iniciar el proceso de carga se debe conectar en bornes de la celda o batería una fuente de corriente. El material C reacciona liberando electrones y formando el material A constituyente del Cátodo. El material D reacciona ganando electrones y formando el material B constituyente del Ánodo. cC – ne -----> aA dD+ne ------> bB Observaciones: En todo el proceso aparece una “impulsión” de la carga eléctrica cuya manifestación exterior es una fem (tensión) entre el ánodo y el cátodo que es una medida de cuanta energía se le suministra a cada coulomb de carga que pasa por la celda. Fem = f(materiales placas y electrolito) Como elemento de segundo orden la fem también depende de la temperatura. Ejemplos: Celdas Pb – Ácido: fem de celda ≈ 2.2 V Celdas Ni – Cd: fem de celda ≈ 1.2 V
  • 4. Características Físicas relevantes: • El material de las placas y el electrolito determinan el valor de la FEM. • La superficie de contacto (material activo) con el electrolito determinan la capacidad de almacenar energía de la celda. • La densidad del electrolito influencia en la velocidad de reacción (altas corrientes ==> altas densidades) • La temperatura a la que se somete una celda o batería ejerce una importante influencia en la tensión de la fem y por tanto en la vida útil de la misma. Medida de la Capacidad de una celda para almacenar energía. Es conocido que: Energía Eléctrica = V. I. T (VAh) Dado un tipo particular de celda la tensión esta impuesta. Entonces: la unidad de medida para la energía almacenada (C) en una celda electroquímica es el Ah. Modelo eléctrico de Batería. En términos ideales las baterías deberían mantener el voltaje constante durante todo el proceso de descarga y caer abruptamente al finalizar el mismo. Esto no es así y en realidad la tensión varia durante el proceso de descarga. Entonces: E = f(estado de carga, temperatura, ciclos descarga) Para modelar tales efectos se introduce el concepto de resistencia interna:
  • 5. Baterías PB-Ácido. Cátodo (+): Dióxido de Pb Ánodo (-): Plomo metálico Electrolito: Ácido sulfúrico con cierta densidad. Batería Cargada Batería Descargada Proceso de descarga: La reacción produce H2O cayendo por lo tanto la densidad del Electrolito. Proceso de carga: La reacción absorbe H2O y libera hidrógeno. Consecuencias: 1) Bancos de baterías generan hidrógeno: Peligro de explosión. Se deben instalar en un lugar con adecuada ventilación. 2) La medida de la densidad del electrolito da idea del estado de carga de la batería. Esta medida se puede hacer solo en baterías abiertas.
  • 6. 3) En baterías abiertas el balance de H2O es negativo debiendo controlarse el nivel de agua y eventualmente reponer el faltante. 4) La temperatura del electrolito es critica para la reacción. Se debe acondicionar térmicamente el lugar de instalación. 5) La medida de tensión da una idea del estado de carga de una batería. En este tipo de batería la tensión por celda varía entre: E = 2.2 V para batería a plena carga. E = 1.75 – 1.8 V para batería totalmente descargada. 6) A efectos de no acortar la vida útil de la batería no es conveniente llegar a descargas muy profundas (valor límite típico: 80% de su capacidad) Lo ideal para preservar la batería es no llegar a este límite. Efecto de la corriente de descarga en el parámetro C (Ah) La capacidad real C en Ah de una batería depende de la corriente a que se descargue la misma. La capacidad (C) expresada en Ah dada por un fabricante de baterías se refiere a la capacidad “optima” de la batería. Ejemplo: Dada una batería de 70 Ah el fabricante indica que este valor es para un régimen de descarga de 10 hs, esto es: la bateria puede entregar 70/10 A durante 10 hs. ¿Puede entregar la batería 70A durante 1 h? Respuesta: NO!!!
  • 7. Existe un margen muy pequeños de valores de corrientes de descarga para los cuales es posible entregar el total de la capacidad C. Este valor (C) disminuye al subir la corriente de descarga. En el ejemplo si la batería es descargada a una corriente mayor a 7 A la capacidad real de la batería disminuye. Consecuencia: la capacidad de las baterías se especifica mediante dos valores: 1) El valor de C en Ah 2) El numero de horas para descargar la batería y obtener la energía C. Notación: Cn ===> Ides = C/n A. Para corrientes de descarga mayores a Ides la capacidad C baja; seria necesario conocer gráficos de curvas de descarga de la batería obtenidos de ensayos. Curvas de tensión en función del tiempo para distintos régimenes de descarga:
  • 8. Autodescarga. Proceso mediante el cual las baterías pierden carga en forma permanente estando sus bornes en circuito abierto. Si una batería es sometida a un largo periodo de autodescarga puede perder capacidad en forma irreversible debido a la sulfatación de sus placas. Consecuencia: las baterías nunca se almacenan “formadas”; el electrolito se almacena aparte. Normativa sobre Baterías Pb - Ácido. Acorde a la aplicación que se le de a las baterías Pb – Ácido se puede decir que la normativa internacional establece un clasificación. Solo a modo de ejemplo: algunas Normas: IEC 61056 Baterías de acumuladores de Pb – Ácido para uso general. IEC 610896 Baterías Pb – Ácido estacionarias. IEC 60254 Baterías Pb – Ácido para tracción. IEC 95 Baterías Pb – Ácido para arranque. Estas normas regulan las características funcionales y requisitos generales que deben cumplir las baterías a utilizar en cada una de las aplicaciones en cuestión. Estas normas establecen, en algunos casos, diferencias funcionales entre baterías abiertas y baterías reguladas por válvulas.
  • 9. Baterías para uso general: • Aplicaciones de carga cíclicas tales como en equipos portátiles y alumbrado de emergencia. • Capacidad para un régimen de carga de 20 hs. Baterías para arranque. • Aplicaciones de arranques de vehículos, se demanda alta corriente durante un periodo de tiempo corto. • Parámetro importante corriente de arranque en frío: corriente de descarga indicada por el fabricante que la batería puede suministrar a –18ºC por 60 seg. a un voltaje no inferior a 8.4 V. • Capacidad para un régimen de carga de 20 hs. Baterías para tracción. • Aplicaciones en tracción de vehículos y maquinaria. • Capacidad para un régimen de carga de 5 hs. • Se puede indicar como complemento a lo anterior un régimen de descarga de 0.5 hs para aplicaciones que lo requieran (se llega a 1.5 V por celda) Baterías estacionarias. • Aplicaciones en carga flotante en instalaciones fijas e instaladas en equipos estacionarios o en salas de baterías para equipos de telecomunicación, UPS, etc. • La Capacidad se da puede dar para alguno de los siguientes regímenes: 240 h, 20 h, 10 h, 5 h, 2 h. 1 h, 0.5 h. Para estos regimenes de descarga la tensión final será 1.8 V. Los fabricantes pueden especificar otro régimen de descarga.
  • 10. Carga de una batería. Batería en régimen Flotante: Batería cuyos bornes están permanentemente conectados a una fuente de energía que proporciona una tensión constante y suficiente como para mantener la batería casi completamente cargada, de manera que pueda alimentar un circuito en caso que la fuente principal de energía falle. Para las baterías estacionarias que trabajan en un régimen fondo - flote la norma establece ciertas condiciones que deben cumplir en cuanto a perdida de densidad de electrolito, capacidad y tensión de celda. Bancos de Baterías. Usualmente las aplicaciones requieren de tensiones mayores a las de una batería monobloque; para lograr esto se forman bancos de baterías mediante la conexión serie de un determinado número de elementos de forma tal de lograr la tensión deseada. Conexión paralelo de bancos: no se recomienda.