Lecturas bases para el mantenimiento de Baterías Open-Wet Cell

• Voltaje de las celdas
• Gravedad especifica (SG)
• Resistencia interna
• Temperatura
• AC-ripple
• Voltaje del cargador(V.Flota)
• Corriente de carga del cargador
• Nivel del electrolito

Tipo de lecturas que se deben tomar dependiendo la frecuencia del mantenimiento

Anual ( incluye el mantenimiento de cada tres meses  más lo siguiente)

• Voltaje/celda
• Resistencia interna / celda
• Temperatura de todas las celda
• Gravedad especifica de todas las celdas
• Resistencia entre conectores
• Inspección visual (apariencia)
• Inspección del gabinete o rack

Cada tres meses

• Tomar lecturas de voltaje de las celdas piloto
• Tomar lecturas de SG de las celdas piloto
• Lecturas de Temperatura de las celdas piloto
• Gravedad especifica de las celdas piloto

Mensual

• Voltaje de flota y Voltaje de las celdas piloto
• Inspección visual (apariencia)
• Amperes del cargador a la batería
• Nivel electrolito
• SG celdas pilotos
• Temperatura de celdas pilotos
• Sistema de monitoreo (si fue instalado)

Notas: Si el voltaje de flota es  menor que el voltaje mínimo entonces comienza a ecualizar la batería.

SG= Specific Gravity [Gravedad]

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La causa principal de las fallas en las baterías es la corrosión en la placa positiva que limita la vida de la batería. Mientras la batería cicla o envejece, la rejilla comienza a deteriorar perdiendo la conductividad y el contacto con el material activo. Uno de los factores de diseño de las baterías que define la duración de la batería es el del espesor de la rejilla, entre mas fina sea la rejilla, más tiempo tomara a la rejilla para corroerse.

Al igual que las baterías inundadas “Flooded” las VRLA falla debido al crecimiento de la placa positiva y corrosión en la misma. En estas baterías VRLA el polo negativo puede descargarse a través del tiempo debido a la alta eficiencia de recombinación, mientras la batería toma edad y la recombinación se vuelve mas eficiente 98% ó más. El oxigeno liberado por la placa positiva migra a la placa negativa electro químicamente reduciendo la (esponja de plomo) material activo de plomo evitando que la placa negativa se recargue al 100%.

La perdida de agua es principalmente debido a la perdida de hidrógeno emitido por corrosión en las placas positiva. Esto ocurre cuando en la placa positiva no migra a la negativa, el cual permanece en la placa. Esta reacción remueve el sulfato, que produce una gravedad especifica baja en el electrolito provocando un voltaje de circuito abierto.

Una forma para eliminar la descarga de la placa negativa es darle carga de igualación “Equalize” ó “Boost- Charge” periódicamente a la batería. El voltaje necesario para una “Boost- Charge” debe ser de 2.45-2.50 V.P.C. Este proceso provoca calor y gasificación de la batería pero solo por un corto periodo de tiempo.

En las baterías VRLA, todo el oxigeno emitido es en el momento pico de la carga. El oxigeno liberado por la placa positiva es recombinado en la placa negativa ó utilizado para corroer la placa positiva.

El hidrógeno que es emitido como el producto de la corrosión de la placa positiva a lo largo con otro hidrógeno emitido debido a la descarga interna de la placa negativa será ventilado fuera de la celda periódicamente. Esta es la razón principal para la perdida del agua en el electrolito.

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Es recomendable modificar el voltaje de flota. La regla para hacer la compensación por temperatura es de sumar 2.8mV(0.0028) por cada grado °F (5.0mV/°C) por debajo de los 77 °F (25°C). Para temperaturas por encima de los 77 °F (25°C) se restan  2.8mV(0.0028) por cada grado °F (5.0mV/°C).

Por ejemplo :

Modelo de la batería : LCT 1680

Flota nominal @  77 °F  es 2.20  Vpc

Corección de flota @ 67 °F  es 2.228 Vpc

Coreccíon de flota @ 87 °F  es 2.172 Vpc

A temperaturas mayores a la nominal de 77 °F (25°C), por cada 15 °F (8°C) adicionales la vida de la batería disminuye en un 50 %.

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La temperatura es una de las variables y factores importantes para el desempeño de una batería. Si la temperatura del electrolito esta sobre los 77 °F (25°C) resultara en una lectura baja aproximadamente igual a la pérdida de un punto 1 (0.001) por cada 3 °F (1.67°C). De lo contrario si la temperatura está por debajo de los 77 °F (25°C) las lecturas estarán aproximadamente un punto 1 (0.001) por encima por cada 3 °F (1.67°C). Altas temperaturas expanden el volumen del electrolito que reduce la gravedad especifica, mientras que las bajas temperaturas condensan el electrolito provocando que este se concentre.

Las baterías de plomo y ácido son un artefacto electroquímico. El calor acelera la actividad química, mientras que el frío la reduce. Temperaturas mayores a los 77 °F (25°C) tienen los siguientes efectos en baterías plomo- ácido:

• Aumentan el desempeño
• Aumenta la descarga interna
• Bajo voltaje de celda  para una misma corriente de carga establecida
• Aumenta la corriente de carga para un voltaje establecido
• Disminuye la vida útil
• Aumenta el uso de agua
• Aumenta los requisitos de mantenimiento

Temperaturas menores a las nominales de 77 °F (25°C) tienen el efecto opuesto a lo explicado arriba. En general una batería operando al voltaje de flota recomendado en un lugar frío aumentara la vida útil y requerirá menos mantenimiento que si operaran en un ambiente caliente.

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Para poder determinar el voltaje de equalize  hay que basarse en el voltaje máximo permitido por el equipo conectado al sistema DC.  Recuerde siempre verificar antes en las tablas del manufacturero los voltajes máximos y mínimos de voltaje de permitidos para las celdas y el tiempo al cual deben estar expuestas las mismas.

La no-uniformidad de los voltajes de las baterías es resultado de:

• Voltaje de flota bajo por ajuste impropio del cargador
• Algún medidor de voltaje en el cargador defectuoso
• Selección incorrecta del voltaje de flota de las celdas
• Variaciones en las temperaturas de las celdas, debido al ambiente ó al arreglo de baterías. La mayor diferencia de temperatura entre las celdas es de 5 ° F (3 °C ). Si la temperatura de las celdas es el problema, revise la localización de las mismas y oriéntese sobre las recomendaciones del manufacturero.

Esta tabla solo aplica a celdas con temperaturas de operación entre los 60-90 °F (16-32°C). Para celdas con temperaturas de 40-59 °F (5-15°C), utilice el doble de las horas. Para celdas con temperaturas de 39°F (4°C) ó mas bajos, utilice cuatro veces la cantidad de horas.

Nota: El voltaje de una celda tibia debe ser menor que el promedio. Su voltaje puede ser corregido por temperatura añadiéndole 0.003V por cada °F (0.005/°C) que la celda este por encima del promedio de las demás celdas.

Durante la carga de igualización, se debe monitorear la temperatura de las celdas piloto. Estas no deben subir mas allá de los 110 °F (43 °C). Si sucede, el voltaje de igualización debe ser reducido a 2.20 V.P.C hasta que las celdas enfríen a una temperatura de 100 °F (38°C) o menos.

 Flota

Las baterías están continuamente supliendo carga a circuitos de control, cargas en paralelo con “power supplies”, por lo que se hace indispensable un apoyo confiable a estas cargas en momentos de interrupciones eléctricas o apagones. Esta interconexión y operación es llamada servicio en flota.

Tabla  2.0

Voltaje de flota por celda

Celdas de antimonio

Celdas de Calcio y plomo

*Aplicable a aplicaciones de telecomunicaciones solamente

** Para aplicaciones nucleares solamente, LCT-HP y MCI II.

Recarga y estratificación del electrolito

La presencia de un gradiente químico suele ser debida a la concentración de algún tipo de compuestos químicos en las zonas profundas, de forma que son más densas que las superficiales. A esta condición se le llama estratificación. Cuando la batería es descargada, la gravedad especifica del electrolito se reduce. Esto es como resultado del uso de los iones del sulfato en la reacción química con el material activo en las placas positivas y negativas. La esponja de plomo en la placa negativa y el dióxido de plomo en la placa positiva se convierte en sulfato de plomo, combinando los iones de sulfato del electrolito con los compuestos de plomo en las placas.

En la recarga el sulfato de plomo en las placas en convertido de vuelta a sus compuestos originales y los iones de sulfato son liberados de las placas. Los iones de sulfato se combinan para producir ácido sulfúrico con una densidad mayor a la del electrolito. Como resultado obtenemos un nuevo y regenerado ácido, el cual cae al fondo de la celda. Lecturas de gravedad específica tomadas en la parte superior de la celda serán más bajas que si se tomaran en la parte inferior de la celda. A esta condición de le llama “estratificación del electrolito”. Esta condición no inhibe la habilidad de la batería para suplir la potencia. Hay dos formas de eliminar este problema, la primera es proveer suficiente tiempo para la difusión química. Esto pudiera tomar varias semanas en voltaje de flota, dependiendo del gravo de estratificación.

Un método más eficiente es el de darle una carga de igualizacion. Los gases producidos por el igualización subirán el electrolito, causando uniformidad en la celda. Luego de un tiempo relativamente corto el electrolito se homogenizará. La cantidad de gases que se produzcan y el ajuste del igualización estará directamente asociados con el tiempo que requerirá la homogenización.

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El voltaje de la batería debe ser ajustado al voltaje promedio por celda multiplicado por el número de celdas en la batería

Luego de cargarlas por los periodos de tiempo estipulados en las tablas, se deben tomar lecturas de voltaje y gravedad especifica. La carga debe ser reducida a voltaje de flota cuando el voltaje mas bajo por celda es menos de 0.005 V por debajo del promedio del banco de baterías. Las gravedades especificas deben de estar en por lo menos +0.010/-0.005 del promedio del banco.

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Las baterías se clasifican en tres categorías

• Larga Duración
• Para uso General
• Alto Desempeño

Larga duración:

• Placas positivas finas (0.25 – 0.35 pulgadas)
• Separadores finos (Naranja, marrón, amarillo)
• Mallas de retención ( Aguanta el material activo)
• Postes de plomo ( son de plomo puro)
• Baja gravedad especifica ( SG = 1.215)
• Aplicaciones comunes: Telecomunicaciones

Celdas de Uso General

• Placas positivas medianas – finas  ( 0.25 – 0.30 pulgadas)
• Separadores Medianos / Finos
• Malla retenedora
• Postes de plomo o cobre
• Gravedad especifica Baja ( SG = 1.215)

Aplicaciones comunes:

Estaciones generatrices / Subestaciones

Controles industriales Switchgears

Celdas de Alto Rendimiento

• Placas positivas finas (0.20 pulgadas )
• Separadores Finos
• Copper – inserted ó cobre puro, lead – plated post
• Alta gravedad especifica (SG = 1.250)
• Aplicaciones comunes (UPS Systems)

Nota : Entre mas cerca estén las placas positivas y negativas mejor desempeño lo que implica que tienen un separador más fino.

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La placa esta compuesta por la Rejilla (positiva o negativa), y la pasta o material activo.

Rejilla

Fabricada con una aleación en caso de las baterías VRLA de PLOMO CALCIO que proporciona resistencia y flexibilidad a la rejilla y minimiza la gasificación del electrolito.

Pasta

Material Activo

• Placa Positiva: Oxido de Plomo + Perborato de Sodio + Fibra de Vidrio.
• Placa Negativa: Plomo esponjoso + Carbonato Mineral (expansor) + Fibra de Vidrio.

Separador de Polietileno

• Los separadores se usan para evitar el cortocircuito entre la placa positiva y negativa.
• Fabricados de polietileno de alta resistencia.
• La porosidad del separador permite que el electrolito penetre y haga contacto con la placa activando una reacción química eléctrica.Mayor resistencia a la perforación.Menor resistencia a la conductividad.
• Mayor durabilidad.

Electrolito

• Es la mezcla de 65% de agua y 35% de ácido sulfúrico.
• El electrolito se mide de acuerdo a su gravedad específica con un hidrómetro.
• Entre mas baja sea la gravedad específica del electrolito mas baja será la carga de la batería. Esto es, el estado de carga de la batería esta determinada por la gravedad específica del electrolito.

Rejillas de la batería

La rejilla es el corazón de la batería porque transporta la energía dentro y fuera de las placas. Las rejillas de la batería están hechas de plomo mezclado con otros metales para que tengan una mayor fortaleza. En el pasado el antimonio era el agente preferido para fortalecer. Ahora muchas baterías libres de mantenimiento comúnmente usan rejillas hechas de calcio y plomo. La corrosión gradual es normal durante la vida de servicio de una batería. Es el enemigo natural de la rejilla positiva. La corrosión comienza en la superficie de la rejilla, en los sitios donde el electrolito deposita gránulos de materia sólida y poco a poco penetra dentro de la misma. Mientras la rejilla se corroe, se debilita, porque las divisiones de metal se adelgazan. Esto disminuye su capacidad de transporte de energía. En casos extremos, algunos alambres o secciones de la rejilla se dañan completamente y se excluyen del circuito eléctrico.

La corrosión tiene lugar primeramente en la rejilla positiva. El proceso es más pronunciado en baterías que rutinariamente experimentan sobrecarga.

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La batería tiene varios componentes, cada uno de los materiales dentro de la batería tienen diferentes composiciones químicas. La placa positiva contiene dióxido de plomo, que consiste en plomo y oxígeno y tiene un color café oscuro mientras que la placa negativa contiene plomo esponjoso y es de color gris. El electrolito está hecho de agua y ácido sulfúrico. Dentro de la batería, los químicos activos reaccionan para crear una corriente directa siempre que haya una carga eléctrica (encendiendo del motor, luces, radio u otros accesorios). Esta corriente directa es producida por las reacciones químicas entre las diferentes placas y el ácido sulfúrico en el electrolito. La corriente disponible está limitada por el área activa y el peso del material de las placas, así como la cantidad de ácido sulfúrico en el electrolito. Una vez que han reaccionado la mayoría de los materiales activos, la batería puede crear poco o ninguna  energía. Entonces la batería se descarga y debe ser recargada para volver a ser usada.

Reacciones químicas mientras la batería se recarga

Dentro de cada batería, la celda es un contenedor de electrolito. El electrolito es usado para conducir corriente entre las placas positivas y negativas. A medida que una batería pierde su carga, la composición química del electrolito se asemeja más al agua. Cuando esto ocurre, la batería debe ser cargada para que retorne a su mejor rendimiento.  La composición química durante la recarga de la batería (los químicos regresan a su composición original). El sulfato radical, en el sulfato de plomo encontrado en ambas placas, positiva y negativa, regresan al electrolito. Los dos átomos de oxígeno en el electrolito regresan a la placa positiva.

Reacciones químicas mientras la batería se descarga

El dióxido de plomo en la placa positiva reacciona con un sulfato radical desde el electrolito a la forma de sulfato de plomo. El oxígeno se combina con hidrógeno en el electrolito para formar agua y gas hidrógeno. El plomo en la placa negativa reacciona con un sulfato radical del electrolito para también formar sulfato de plomo. A medida que aumentan los sulfatos radicales, el electrolito se asemeja más al agua.

Teoría de operación

En las baterías con válvulas reguladoras  (VRLA) el ensamblaje consiste en materiales activos de dióxido de plomo (PbO2) placa positiva, ácido sulfúrico (H2SO4) electrolito esponjoso (poroso), plomo (Pb) placa negativa. Cuando una carga es conectada entre las placas positivas y negativas, comienza una reacción química en la celda la cual produce una energía eléctrica (corriente) a través de la carga mientras que estos materiales son convertidos en sulfato de plomo (H2SO4) y agua (H2O). Cuando la carga es removida y reemplazada por una fuente de corriente DC (cargador) una corriente eléctrica comienza a fluir a través de la batería en dirección opuesta a la descarga, convirtiendo los materiales activos a sus estados originales de dióxido de plomo, ácido sulfúrico y plomo. Esta recarga devuelve a la batería su energía potencial haciéndola disponible de nuevo para producir corriente eléctrica. Este proceso es demostrado por las ecuaciones 1,2 y 3: 

En teoría, este proceso de carga y descarga puede continuar indefinidamente donde las rejillas de dióxido de plomo (PbO2) y plomo (Pb) no sufren de corrosión , el deterioro del dióxido de plomo y el plomo en las placas positivas y negativas provocan que el electrolito se seque, terminando así la vida útil de la batería.

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