ES2124891T5 - Metodo de carga de reacondicionamiento de baterias de plomo sulfatadas. - Google Patents

Abstract

DE ACUERDO CON LA INVENCION, LAS BATERIAS DE ALMACENAMIENTO DE PLOMO SE CARGAN MEDIANTE EL ENCENDIDO Y APAGADO INTERMITENTE DE UNA UNIDAD DE CARGA DE BATERIA (1,2,3) LA CUAL ESTA CONECTADA A UNA BATERIA. LOS TIEMPOS DE ENCENDIDO Y APAGADO ADECUADOS SON DE 1 SEGUNDO CUANDO SE ESTA CARGANDO LA BATERIA. EN EL CASO DE UNA CARGA DE MANTENIMIENTO, ES APROPIADO CARGAR LA BATERIA CON IMPULSOS EN LA REGION DEL PERIODO DE VOLTAJE DE LA RED ELECTRICA, CON PAUSASA DE ALREDEDOR DE 10 SEG. EL CIRCUITO SE ROMPE MEDIANTE UN MECANISMO INTERRUPTOR (4,5) EN EL LADO PRIMARIO DEL TRANSFORMADOR (1,2). EL INTERRUPTOR PUEDE TENER LA FORMA DE UN RELE CON UN CIRCUITO DE TIEMPO ASOCIADO (4), AUNQUE SEA PREFERIBLE UTILIZAR UN TRIAC.

Description

Método de carga de reacondicionamiento de baterías de plomo sulfatadas.

La presente invención se refiere a un método para cargar baterías de plomo de acuerdo con la reivindicación 1 siguiente.

La carga de baterías es bien conocida en la técnica anterior. El documento EP-A1-0 584.362 fue presentado el 27/07/92 y publicado el 02/03/94. Describe por ejemplo un método convencional y un aparato para la carga de una batería de almacenamiento de plomo. Durante una fase b de carga rápida del procedimiento de carga, se suministra corriente de modo intermitente a la batería en una serie de períodos T_{1} de carga y de períodos T_{2} de suspensión de carga que se alternan. En un ejemplo T_{1} es 10 segundos y T_{2} es 2 segundos. El documento EP-A2-0 121 325 describe un cargador de batería en el que 5 comprende un suministro de carga para suministrar impulsos a una batería que ha de ser cargada. El documento US-3.487.284 describe un método convencional que comprende las operaciones de conectar y desconectar una fuente de carga y una batería de ácido de plomo a intervalos determinados mediante la condición de la batería medidos mediante el comportamiento de la tensión 0 de batería en función del tiempo. Durante una fase de carga de impulsos cada impulso suministrado está sustancialmente en el mismo nivel de corriente que una carga alta inicial, de modo que las burbujas de gas que tienden a formarse son desalojadas de la superficie de las placas y se impide la polarización. En una realización la fuente de impulsos de carga es controlada con dependencia de dos potenciales preseleccionados. Uno de estos corresponde a un nivel por debajo del punto de gasificación de la batería, y el segundo corresponde a un punto por encima del potencial de gasificación. Cuando se alcanza el potencial inferior la fuente de impulsos es activada, y cuando se alcanza el nivel superior la fuente de impulsos es desactivada. El documento EP-A2-0 314 155 describe un sistema convencional para cargar secuencialmente una pluralidad de baterías.

La patente de EE.UU. 3.963.976 muestra la carga de baterías con un cargador de corriente pulsada para crear burbujas de gas par obtener la agitación de mezcla del ácido previamente obtenido mediante agitación mecánica.

La sustancia activa de una batería de plomo cargada se encuentra en los electrodos positivos de peróxido de plomo PbO_{2} y en los electrodos negativos de plomo metálico poroso. Cuando la batería está descargada estas sustancias activas se convierten en sulfato de plomo PbSO_{4}, en donde los iones de sulfato son tomados del electrólito que es ácido sulfúrico. El proceso es, en principio, el inverso cuando se carga la batería. No obstante, las circunstancias son complicadas y todavía no han sido completamente comprendidas. Se sabe, no obstante, que no es posible que todo el peróxido de plomo y todo el plomo metálico sean convertidos completamente al descargarse la batería, entre otras cosas porque los cambios en el volumen de los electrodos harían que los electrodos estallasen. La máxima acumulación de corriente es determinada por lo tanto por la cantidad de ácido sulfúrico que es consumida por ejemplo entre los pesos específicos de aproximadamente 1,28 y 1,18. Una complicación particular es que el producto de descarga de ambos tipos de electrodo es extraordinariamente difícil de disolver. La solubilidad del PbSO_{4} en agua es dada por 10^{-5} mol/l, y 40 mg/l respectivamente, y es incluso menos soluble en ácido sulfúrico, y consecuentemente el electrólito contiene una cantidad particularmente baja de Pb^{++}. Ha sido por lo tanto considerado que la limitación de las baterías de plomo, tanto cuando se cargan como cuando se descargan, radica en la difusión de los iones de plomo bivalentes. Además el sulfato de plomo es un conductor de la electricidad muy malo. Estas circunstancias originan a menudo como resultado problemas cuando se cargan baterías de plomo, las cuales, entre otras cosas tienen el peligro de ser destruidas por las capas de sulfato de plomo inactivas que o impiden que la batería se cargue o reducen su capacidad de carga y gradualmente hacen la batería inutilizable. Los problemas citados anteriormente de diferentes densidades antes y después de la carga de la batería, con cambios dimensionales subsiguientes, son problemas adicionales que dan lugar a lodos y debilitan también la batería mecánicamente.

Existe una opinión general muy extendida, basada en la experiencia, de que las baterías de plomo deberían ser cargadas preferiblemente de un modo comparativo lento, por ejemplo una batería de coche de 75 Ah debería cargarse a partir de un estado bajo de carga hasta un estado de carga completa en unas 10 horas. La denominada carga rápida normal da como resultado temperaturas más altas y reduce la vida útil de la batería. Esta opinión es bastante correcta cuando es cargada la batería de un modo convencional.

No obstante, se ha hallado sorprendentemente que las baterías de plomo pueden ser cargadas con corrientes eléctricas altas y con muy buenos resultados sin incremento apreciable de la temperatura cuando la batería es cargada durante intervalos cortos de tiempo que son interrumpidos con intervalos de tiempo durante los cuales no se aplica carga.

El objeto de la invención se logra por medio de un método y de un dispositivo según la reivindicación 1.

Consecuentemente, se aplica una corriente continua, normalmente una tensión alterna rectificada de media onda desde una unidad de carga convencional durante períodos de suministro de corriente intermitentes que son interrumpidos por períodos en los cuales no se suministra corriente, teniendo estos períodos una duración comprendida entre 0,5 y 10 segundos, preferiblemente entre 0,5 y 1,5 segundos. Cuando se carga una batería, los intervalos de suministro de corriente y los intervalos de pausa tendrán de modo adecuado aproximadamente la misma duración. Por otra parte, en el caso de la carga de mantenimiento, los períodos de suministro de corriente serán preferiblemente muy cortos y, de acuerdo con una realización preferida, tendrán una duración de un medio a un período completo de la tensión de red. No obstante, puede estar más indicado en el caso de algunas unidades de carga de baterías que este período de tiempo no sea de una duración menor de algunas décimas de segundo. En el caso de una carga de mantenimiento, lo más importante es cargar la batería durante períodos de carga cortos entre intervalos de tiempo relativamente largos mientras se aplica un impulso de corriente de esa magnitud para así mantener cualquier empeoramiento de la batería en observación. Si se utiliza un triac (tiristor bidireccional), el triac es adecuadamente disparado después de una transición de cero y es extinguido con la transición de cero que siga a continuación, lo que significa que la corriente será conducida todo lo más durante medio período en el caso de una unidad rectificadora de media onda. En este caso, se les da a los períodos de pausa una duración mucho más larga, por ejemplo una duración de 10 segundos o aun mayor. La corriente debería alcanzar al menos 4 A, preferiblemente al menos 6 A durante los períodos de suministro de corriente. Cuando la batería sea almacenada durante los meses de invierno, habrá de considerarse que la batería necesitará ser cargada con agua en algún momento.

Se supone actualmente que el efecto está relacionado con el desarrollo que tiene lugar cuando se carga con los respectivos gases, oxígeno en el polo positivo e hidrógeno en el polo negativo, que tienen propiedades asociadas con el término "in statu nascendi" (en estado naciente), que dan como resultado una actividad particular que permite que el sulfato de plomo se convierta en plomo y peróxido de plomo con mayor facilidad. Esta probablemente atañe a efectos superficiales de una naturaleza más o menos microscópica muy difíciles de observar experimentalmente, y también a unos efectos de estado sólido, efectos de estructura cristalina, etc., de una naturaleza transitoria sobre los cuales a lo mejor solamente es posible especular con puntos de vista científicos hoy día.

El concepto de cargar baterías de plomo con una corriente pulsatoria no es nuevo por sí mismo. Por ejemplo, dispositivos denominados "Pulstronic" pueden ser adquiridos en el comercio, los cuales suministran una carga pulsatoria de 20 kHz y 90 kHz respectivamente y con los cuales puede cargarse completamente una batería de coche descargada en unas 5 horas. Como se entenderá, un dispositivo de esta clase es, necesariamente, relativamente caro. Tampoco resulta posible disolver la sulfatación como es posible con el gaseado descrito.

La carga rápida de una batería de almacenaje que resulta posible, con un calentamiento básicamente imperceptible de la batería, no se logra sin embargo con esta técnica conocida. Se deduce por lo tanto que se ha tenido éxito al utilizar una "constante de tiempo química" que tiene una cierta relación con el curso de los acontecimientos que tienen lugar cuando se carga una batería de almacenaje. Se sabe que hay presentes constantes de tiempo cuando se descargan baterías de almacenaje de plomo. Cuando una batería completamente cargada empieza a descargarse, la tensión desciende desde alrededor de 2,2 V por celda hasta alrededor de 1,83 V a lo largo de los primeros 10 segundos, y luego aumenta exponencialmente aproximadamente 0,1 V con una constante de tiempo de aproximadamente 10 segundos. Se considera generalmente que esto se debe a la supersaturación del sulfato de plomo en la ausencia de la condensación causada en la forma de cristales de sulfato de plomo.

En el caso de un dispositivo para cargar baterías de almacenaje de plomo de acuerdo con dichos principios, es conveniente permitir que tenga lugar la conmutación abriendo un conmutador automático y cerrando la corriente en el devanado primario del transformador, cuya corriente transformada es rectificada. Se ha encontrado que se obtiene luego un impulso de corriente inicial de buen efecto.

La presente invención puede ser utilizada para beneficiar particularmente el reacondicionamiento de baterías de almacenaje que han sido utilizadas durante un largo período de tiempo y han perdido su eficacia a causa de la sulfatación. En esos casos, las celdas tienen condiciones diferentes y debería ser seguido el procedimiento siguiente de acuerdo con la invención para "refrescar" las celdas. La batería es cargada hasta que el contenido de ácido de las "mejores" celdas alcanza un valor normal. La batería es descargada luego a través de una resistencia seleccionada adecuadamente y luego recargada. Las celdas "malas" son mejoradas cada vez que se efectúa este procedimiento y bajo el aspecto de utilización, la batería es a menudo tan buena como nueva después de tres a cinco de tales ciclos. Se ha encontrado que el procedimiento de reacondicionamiento proporciona buenos resultados incluso en el caso de baterías de almacenaje muy grandes, por ejemplo baterías para alimentar camiones eléctricos, en las que por otra parte existen problemas importantes y los costes de las baterías son altos. La invención permite por tanto obtener considerables economías en los gastos.

La carga se describirá a continuación detalladamente con referencia a una realización a modo de ejemplo de la misma y con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales la figura 1 ilustra esquemáticamente un dispositivo por medio del cual puede aplicarse el método. La figura 2 es un diagrama de circuito para un dispositivo pulsatorio que puede ser conectado al lado de entrada de una unidad de carga convencional.

La figura 1 ilustra el principio del dispositivo para cargar una batería de almacenaje de plomo. Un transformador 1, 2 es alimentado con la tensión de red en el lado primario 1 y la corriente del lado secundario 2 es rectificada, en el caso más sencillo mediante un único diodo. La corriente rectificada es suministrada a una batería de almacenaje 6. Normalmente es incluido un instrumento de medición de corriente, que puede ser un instrumento de hierro dulce convencional (no mostrado). En el caso ilustrado, el suministro periódico de corriente a la batería 6 es efectuado con la ayuda de un conmutador 4 que conecta y desconecta la tensión del primario y que se considera que proporciona el medio más sencillo de obtener el suministro periódico. Este puede obtenerse con un sencillo relé que tenga circuitos de activación adecuados, aunque se prefiere utilizar alguna forma de conmutador de tiristores puesto que entonces no es necesario preocuparse acerca del desgaste en los contactos.

La figura 2 ilustra una realización preferida del conmutador 4. No se muestra una fuente de corriente de 12 V que es alimentada desde la red de distribución.

La función de conmutación es efectuada mediante el componente 20 de conmutación controlable, que en el caso de la realización ilustrada es un triac designado BT139-800E. Otros componentes están disponibles comercialmente como componentes estándar bajo las designaciones dadas en la figura 2. Un componente 4060 de contador es fijado para que produzca impulsos regularmente para el componente monoestable, conmutando entre un estado positivo y uno negativo con un período de dos segundos. Estos impulsos son conducidos al dispositivo monoestable 555, que es disparado con ellos una vez cada segundo alterno a través de C2. La duración del estado de disparado puede ser variada con el potenciómetro P1. La señal de salida desde el circuito 555 guía la corriente a través de un transistor que alimenta un diodo emisor de luz en el conmutador óptico MOC3040 que está adaptado para disparar un triac en el mismo después de la transición cero de la tensión de red, para así disparar el triac 20, que permanece disparado mientras el circuito temporizador 555 produce señales de salida.

En una realización preferida que es una modificación de la realización de la figura 2, el potenciómetro P1 es sustituido por dos resistores conmutables que tienen respectivamente una resistencia de 10 kohm para un tiempo de carga de 0,5 segundos y una resistencia de 25 kohm para un tiempo de carga de 1 segundo. La conmutación es efectuada adecuadamente en el mismo instante en el que la salida en 4060 es conmutada desde la conexión 1(Q_{12}) a la conexión 3(Q_{14}), que hace el intervalo de tiempo cuatro veces más largo.

Conmutando resistores y contactos de salida simultáneamente, es posible conmutar desde un estado en el cual la batería es cargada a lo largo de un período de 1 segundo y un período de pausa de 1 segundo, a un estado que mantiene la carga de batería en el cual las baterías son cargadas durante 0,5 segundos con pausas de 7,5 segundos. Se entenderá que estos son solamente ejemplos de tiempos y procedimientos de conmutación imaginables, y que los tiempos pueden fijarse en cualquier valor seleccionado, particularmente cuando el condensador conectado al contacto 9 en 4060 es aumentado para que permita la utilización de la totalidad del intervalo de división del circuito, teniendo dicho circuito salidas para división con catorce potencias de dos.

La experiencia de carga se describirá ahora con referencia a un cierto número de ejemplos de trabajo basados en experiencias obtenidas cuando se cargan baterías de almacenaje de plomo.

Ejemplo I

Una batería de almacenaje de coche descargada (densidad de ácido 1,18) de 75 Ah fue cargada con tiempos de carga y períodos de pausa de 1 segundo de duración, y una corriente de carga (valor eficaz medido con un instrumento de hierro dulce) de 90 A. La batería no se calentó de modo apreciable. Fue generado gas desde el principio. Después de 25 minutos, se encontró que la batería estaba completamente cargada con una densidad de ácido de 1,28. Las densidades de ácido fueron medidas con un dispositivo de medición de índice de refracción.

La batería fue descargada luego con una corriente de aproximadamente 8 A, donde la corriente fue medida e integrada de modo continuo, siendo obtenido un valor de 68 Ah al descender al mismo estado de descarga.

Cuando se cargó la misma batería con una carga continua, no fue posible suministrar más de 7 A sin que la batería se pusiese muy caliente.

Ejemplo II

Una batería plana o descargada aproximadamente similar, esta vez de 60 Ah, fue cargada con períodos de carga y pausas de un segundo de duración y con una corriente de carga de 12 A, que finalmente descendió a 10 A. Se encontró que la batería estaba completamente cargada después de 2 horas.

Ejemplo III

Varias baterías de coche de 60-75 Ah, que habían permanecido de 6 a 12 meses sin carga de mantenimiento y estaban por lo tanto intensamente sulfatadas fueron cargadas a modo de prueba según el Ejemplo II. Se encontró que el 80% de las baterías aceptaba una carga y parecían completamente normales. Entre las baterías insatisfactorias, se encontró que algunas estaban gravemente averiadas debido a las vibraciones de los motores diesel.

Ejemplo IV

Cuatro baterías de coche denominadas planas cerradas o agotadas fueron cargadas a modo de prueba según el Ejemplo II. La totalidad de las baterías aceptó la carga con la excepción de una y permanecieron frías. Una de las baterías se calentó. Una inspección más detallada de la batería mostró que una de las celdas estaba corto-
circuitada.

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Ejemplo V

Se llevó a cabo una prueba en 1.000 baterías durante un largo período de tiempo, teniendo estas baterías entre 5 y 15 años de antigüedad y teniendo capacidades entre 55 y 700 Ah. Antes de la regeneración, la distribución fue la siguiente:

1

Cuando se probaron con procedimientos de carga de baterías convencionales fueron obtenidos los resultados siguientes:

2

Cuando fueron regeneradas según la invención se obtuvieron los siguientes resultados:

3

La experiencia ha mostrado que el problema de la sulfatación es eliminado completamente cuando se usa la invención.

En experimentos anteriores con la invención, fue utilizado un cargador de baterías convencional (rectificación de media onda) en combinación con un relé para abrir y cerrar el circuito primario. Aunque el cargador de baterías trabajó bien durante largo tiempo, los contactos eléctricos desaparecieron gradualmente. Es por lo tanto preferible usar un triac con circuitos de control asociados como elementos de apertura y cierre en serie con el devanado primario del dispositivo de carga de baterías. En este caso, la conmutación es controlada adecuadamente de transición cero.

Existe en la naturaleza de las cosas el deseo de utilizar preferiblemente fuentes de corriente que tienen mayores corrientes de carga que las utilizadas hasta la fecha. Es verdad que es obtenido un cierto impulso de corriente incrementado cuando se conmuta en el lado primario, aunque el efecto completo de la carga no se logra a menos que la corriente máxima aumente a valores mucho más altos que los que han sido normales hasta la fecha.

Los experimentos llevados a cabo han sido dirigidos básicamente a baterías de coche, que son fáciles de obtener en diferentes estados de abandono. No obstante, existen sistemas que tienen fijadas baterías permanentemente, por ejemplo baterías que alimentan redes telefónicas, sistemas de emergencia, etc. en las cuales los problemas de sulfatación y similares son difíciles de resolver, básicamente problemas relacionados con el mantenimiento. La invención permite también economizar en este aspecto mediante un mantenimiento mejorado, y nada menos que mejorar la seguridad con relación a esos sistemas que se usan generalmente como sistemas de seguridad.

Claims (3)

1. Un método de carga de reacondicionamiento de baterías de plomo sulfatadas, que comprende aplicar una tensión continua variable desde una unidad de carga de baterías que sea suficiente para generar gases en los polos positivo y negativo, y aplicar la tensión continua en períodos de suministro de corriente no negativa intermitentes que sean interrumpidos con pausas durante las cuales no se suministra corriente, que tienen duraciones comprendidas entre aproximadamente 0,5 segundos y aproximadamente 10 segundos, de modo que los gases tengan las propiedades asociadas con la expresión "in statu nascendi", dando como resultado una actividad particular que permite que el sulfato de plomo se convierta en plomo y peróxido de plomo más fácilmente, en el que se carga una batería hasta que el contenido de ácido en sus mejores celdas alcanza un valor de carga normal, a continuación se descarga la batería mediante una resistencia seleccionada apropiadamente y se recarga a continuación, repitiéndose este ciclo hasta que las celdas malas son mejoradas.

2. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque los períodos de suministro de corriente y las pausas tienen generalmente la misma duración.

3. Un método según la reivindicación 2, caracterizado porque los períodos de suministro de corriente y las pausas tienen duraciones de 0,5 a 1,5 segundos.