ES2399871B1 - Analizador-regenerador de baterias de plomo acido. - Google Patents

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Abstract

Analizador-regenerador de baterías de plomo ácido.#El dispositivo de la invención, además de constituir un elemento para la recarga de baterías de plomo ácido, permite analizar el estado de la batería, en orden a optimizar su funcionamiento y alargar su vida útil. Para ello, el equipo est� constituido a partir de un módulo de control o microcontrolador (1), y un circuito de conmutación de potencia (2) o HEXFET, destinado a conectarse a la batería de plomo ácido (3), microcontrolador (1) conectado una fuente de alimentación (5) independiente, y asociado a un módulo de mando (6) o interfaz de control, complementándose.

Description

OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un eqmpo que ha sido especialmente concebido para analizar el funcionamiento de una batería de plomo ácido, con una capacidad comprendida entre 10 y 150 A, si bien con ligeras modificaciones dichos márgenes se pueden ampliar.
El objeto de la invención es proporcionar un dispositivo mediante el cual sea posible conocer la capacidad real que posee la batería a la hora de ser descargada, proporcionando medios para su cargado y para recuperar su capacidad.
Es asimismo objeto de la invención que el equipo permita llevar a cabo otras lecturas, que ayuden a comprender mejor el estado de la batería y a mejorar su rendimiento.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En el ámbito de aplicación práctica de la invención, el de las baterías de plomo ácido, existen en el mercado dispositivos especialmente ideados para su recarga, los cuales basan su funcionamiento en cargar el�ctricamente a la batería mediante impulsos, tensión constante, corriente constante, etc ...
En cualquiera de los casos, éste tipo de dispositivos no ofrecen siquiera una aproximación de la capacidad de la batería, de manera que solo permiten llevar a cabo su carga, pero no controlar la capacidad de la batería, lo que conlleva, o bien a situaciones en las que la batería queda temporalmente inoperante, ya que debe ser cargada, con el consecuente problema que ello supone para el equipo o circuito que estuviera alimentando dicha batería, o bien, a que la batería se recargue con demasiada antelación, lo que reduce su vida útil.
Pero es mas, hay que tener muy en cuenta la diferencia entre la carga y la capacidad de una batería, de manera que una batería en mal estado, puede ver reducida sensiblemente su capacidad, y estar cargada al 100% de su capacidad, pero sin embargo al estar dicha capacidad mermada, la carga puede resultar insuficiente para operar con dicha batería.
Esta problem�tica se hace especialmente palpable en las instalaciones solares fotovoltaicas, en las que, si bien los paneles solares permiten obtener la carga máxima de las baterías de acumulación de las mismas, si dichas baterías tienen mermada su capacidad, de poco sirve que las mismas est�n cargadas al 100% de dicha capacidad, desaprovech�ndose gran parte de la energía generada por dichas placas solares fotovoltaicas.
As� pues, sería deseable disponer de un dispositivo que permita no solo llevar a cabo la carga de las baterías, sino que permita analizar el estado de la misma, y que permita optimizar su rendimiento.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El analizador de baterías de plomo ácido que se preconiza ha
sido concebido para resolver la problem�tica anteriormente expuesta de
forma sumamente satisfactoria.
Para ello, y de forma más concreta, el equipo est� constituido a partir de un microcontrolador, un circuito de conmutación de potencia o HEXFET, y un circuito de mando o interfaz de control.
La frecuencia de trabajo utilizada es el resultado de numerosas pruebas a diferentes frecuencias (de 10Hz a 2MHz), eligiéndose la de mayor rendimiento proporcional a la batería y al equipo electrónico.
Tanto la carga como la descarga se realizan mediante impulsos (PWM). Variando el ancho de los impulsos se consiguen diferentes valores medios de tensión y corriente aumentando el rendimiento al eliminar las pérdidas térmicas.
As� pues, trabajando, por ejemplo, a 200W en carga, el equipo y la batería no se calientan, aumentando la vida útil de ambos.
Inicialmente el equipo est� diseñado para trabajar con una tensión continua comprendida entre 15 y 60V sin importar la corriente que éste entrega ya que el equipo se ajustar� para conseguir el valor programado de carga y no superarlo.
As� pues, el equipo resulta ideal para trabajar con un panel solar fotovoltaico, indistintamente de las condiciones solares existentes, aunque el equipo es igualmente aplicable a la corriente eléctrica convencional, añadiendo un transformador.

El eqmpo de la invención permite trabajar con conexiOnes múltiples enlazando diferentes controladores para cargas de bancos de baterías.
As� pues, y a partir de circuito de conmutación de potencia, y del módulo de control o microcontrolador, el equipo es capaz de medir los amperios de la batería, de manera que, conociendo sus amperios, éstos deben coincidir en un 90% aproximadamente con los de descarga, y con la capacidad que tiene en fábrica, es decir, si una batería tiene de fábrica 70A/H, y carga 64A, en un tiempo dado, esta tiene que descargar al menos un 90% de lo que ha cargado, si bien dependiendo de la corriente de descarga puede ser mayor.
El equipo realiza otras lecturas que ayudan a comprender mejor el estado de la batería y a mejorar su rendimiento, como son:
Lectura en amperios de las diferentes fases de carga (indicación del estado del electro lito y de la capacidad).
Lectura de la resistencia interna de la batería sin ser cargada (indicación de la oposición que ofrece al paso de la corriente).
Lectura en amperios de la corriente (programable por el usuario) de descarga, que indica la capacidad actual de la batería.

Lectura en un tiempo programado de la tensión de carga y de descarga, obteniéndose información de lo los parámetros % de carga y % de capacidad.
Ecualizaci�n de la batería para igualar los potenciales eléctricos de las diferentes celdas que la componen, lo que mejora el rendimiento y advierte de anomalías en algunas celdas por posible cortocircuito o vaso comunicado.
Determinaci�n de cortocircuitos internos por análisis de los diferentes tiempos de carga en cada fase.
Detecci�n de batería abierta o con inversión de polaridad.
Por último, cabe destacar el hecho de que el equipo se podr� suministrar conjuntamente con un analizador de pH, de manera que a través del mismo se pueda establecer el nivel de ácido de las baterías, en orden a rellenarlo en caso de que sea necesario, permitiendo as� optimizar la vida útil de las mismas.
DESCRIPCI�N DE LOS DffiUJOS
Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.-Muestra un diagrama de bloques correspondiente a los diferentes elementos que participan en el analizador de baterías de plomo ácido objeto de la presente invención.
La figura 2.-Muestra el circuito diferenciador basado en operacional que participa en el módulo de potencia conectado al módulo de control.
5
La figura 3.-Muestra el circuito integrador que se conecta a la salida del operacional de la figura 2.
1 O
La figura 4.-Muestra el sub-circuito previsto para medir la corriente que circula por la batería, con su correspondiente circuito integrador.
La figura 5.-Muestra un diagrama de bloques correspondiente a la operativa de funcionamiento del dispositivo.
secuencial
15
La figura 6.-Muestra, finalmente, el circuito hidráulico previsto para el llenado/vaciado automático de los vasos de la batería con electrolito.
20 25
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN Como se puede ver en la figura referida, el analizador de baterías de plomo que la invención propone est� constituido a partir de un módulo de control ( 1) o microcontrolador, un circuito de conmutación de potencia (2) o HEXFET, destinado a conectarse a una batería de plomo ácido (3), y un circuito o módulo de mando ( 6), de manera que el equipo est� alimentado por una fuente de alimentación (5) independiente, de 12V en continua y 2A.
En cuanto al módulo de control ( 1), el mismo est� basado en un
microcontrolador con un software de programación, que en el ejemplo de realización preferida se emplea el lenguaje ensamblador, por su rapidez de ejecución.
Este módulo de control ( 1) se encarga de:
Ejecutar las órdenes que el usuario da al sistema a través del módulo de mando. Transformar las señales analógicas en digitales para su procesamiento. Generar la señal PWM (modulación de ancho de pulso). Generar las órdenes para el módulo de visualización o pantalla LCD (8) asociado al módulo de mando, a través de la cual se puede visualizar las operaciones que se est�n llevando a cabo. Ejecutar las órdenes que el software le indica, software que puede ser actualizado.
Dicho módulo de control (1) recibe las señales de micro-pulsadores para que el usuario pueda gobernar la máquina. De forma más concreta, se utilizan 4 entradas digitales, de manera que el software detecta cuando est� pulsada una de ellas y automáticamente lleva a cabo la correspondiente orden.
Tal y como se ha comentado anteriormente, el módulo de control ( 1) se encarga de transformar las señales A/D para su procesado por el citado software.

A partir del mismo se mide la tensión de la batería, concretamente a partir de un diferenciador basado en operacional, como el mostrado en la figura 2, el cual permite medir la tensión de la batería sin ser afectado por la caída de tensión con respecto a T1, trabajando en conmutación, de manera que para leer con exactitud los valores de tensión es preciso integrar la señal de salida en un valor medio, utilizándose un circuito integrador, como el que muestra la figura 3.
Con esto se consigue un valor medio de tensión muy exacto que el microprocesador convertir� a digital.
Para medir la corriente que circula por la batería, es necesario un dispositivo que tenga una resistencia muy baja y alta potencia, para lo que se ha previsto el circuito mostrado en la figura 4, de manera que el transistor T 1 trabaje en conmutación, consigui�ndose una resistencia muy estable a 0.070, siendo dicho transistor de tipo Hexfet de alta potencia capaz de soportar 50A, permitiendo discriminar las pérdidas térmicas. Señal que es integrada al igual que en el caso del operacional, para ser enviada al módulo de control ( 1).
Para medir la resistencia interna de la batería, la misma ser� función de la tensión de la misma y de la corriente que circule por la misma.
En cuanto a la lectura de la tensión de ecualizaci�n, cuando la batería esta cargada, y el equipo para de cargar, y se ve que los amperios leídos son bajos, se procede a una ecualizaci�n.
Esta consiste en aplicar una corriente constante a 1/20 de la capacidad de la batería durante un tiempo no superior a 3 horas.

La ecualizaci�n nos da información sobre el cortocircuito, además de permitir limpiar de sulfato las placas que han cargado muy
r�pido, permitiendo igualar potenciales eléctricos y llevar a cabo una gasificaci�n homogeneizada en el electrolito, haciendo que la disolución sea más correcta.
5
De esta forma se mejora la capacidad de la batería.
1 O 15
El equipo memoriza tres niveles de carga guardándolos en una memoria no volátil. Para ello, la carga se realiza en tres fases, de manera que cada fase se corresponde a un tiempo, un valor de corriente y o un valor de tensión. Los valores de carga son programables por el usuario se seleccionar� a través del módulo de mando (6) a 1/10 de la capacidad de la batería. Analizando los valores de carga en cada fase y sus tiempos, se pueden determinar fallos en la misma. A modo de ejemplo, si carga un 10% en la primera fase, y un 90% en la segunda fase, nos indica un fallo, siendo lo ideal que cargue un 80% en la primera fase, un 15 % en la segunda fase y un 5% en la tercera fase.
20
De análoga manera, el equipo permite llevar a cabo la medida de los amperios de descarga. De forma mas concreta, realizando una descarga a corriente constante de 111O de la capacidad de la batería y hasta un valor de 12V, se puede saber con exactitud la capacidad total de la batería.
25
El equipo almacena los amperios de descarga en grupos de tres valores, concretamente hasta llegar a 8V, hasta llegar a 10V y hasta llegar a 12V, lo que permite obtener información acerca de si hay un vaso que descarga y carga antes de tiempo.
Para descargar la batería se ha previsto el empleo de un multiplexor analógico, que quedar� integrado en el módulo de potencia (2).
El proceso de medida de la carga y la capacidad, se realiza en dos minutos: en el primer minuto se realiza la carga de manera que cada 10 segundos se realiza una lectura, calculándose la media de las lecturas, la cual se guarda en la memoria del dispositivo, mientras que en el segundo minuto se realiza la descarga, obteniendo una lectura cada 10 segundos, guardando el resultado medio. A continuación se mide la resistencia interna durante 10 segundos y se obtiene el valor de dicha resistencia.
En el software del microcontrolador o módulo de control ( 1) se define una tabla con las lecturas tomadas de varias baterías en buen estado que sirvan de referencia a la hora de analizar una nueva batería, concretamente su carga y su capacidad.
De acuerdo con el diagrama de la figura 5, el sistema de la invención actúa de la siguiente manera:
La batería (3) se conecta al eqmpo a través del circuito de conmutación de potencia, procedi�ndose al seleccionado de la opción medida de carga (9) a través del módulo de mando.
Durante 2 minutos, el equipo mide (10) la batería y proporciona los resultados de carga y capacidad.
Si la capacidad es alta, del orden del 90/100%, se procede directamente a la carga (11) de la batería, procedi�ndose una vez finalizada la carga a revisar sus valores (12), para comprobar que la carga ha sido completada.

Por el contrario, s1 los valores obtenidos de capacidad se encuentran entre el 70 y el 90% , ser� preciso llevar a cabo una
5 1 O
regeneración de mantenimiento (13), mediante el proceso de ecualizaci�n anteriormente descrito, regeneración que ser� ofrecida por el equipo a través de su módulo de mando, pudiéndose seleccionar la intensidad deseada. Finalmente, si la capacidad es inferior al 70%, indistintamente de su carga, se llevar� a cabo un proceso de regeneración completa (14), en el que en el display del módulo de mando indicar� el tiempo de carga, la fase de carga correspondiente, la tensión alcanzada y los amperios cargados. El tiempo de carga deber� ser superior a 8 horas.
15
Seguidamente se procede a llevar a cabo una descarga conjuntamente con una regeneración química (15), para someterse a una fase de carga (16) y regeneración química. En cuanto a la regeneración química, la pérdida de capacidad puede venir dada por tres motivos:
20
Por inexistencia de plomo en la batería, en cuyo caso la batería debe ser desechada. Por exceso de sulfato de plomo, (lo mas frecuente). Por exceso de di�xido de plomo.
25
En caso de haber un exceso de sulfato de plomo, se aplicar� una frecuencia de resonancia que debilite la estructura de dichos cristales de sulfato de plomo y/o se elevar� el nivel de acidez del electrolito para favorecer su disolución.
30
Para ello, se ha previsto que el equipo se suministre conjuntamente con un analizador de pH (7) del líquido de la batería, tal
como
muestra la figura 1, de manera que a través del mismo se pueda
establecer el nivel de ácido de las baterías, en orden a rellenarlo en caso de
que sea necesario, bien con ácido sulfúrico o con agua destilada, en función
de
las lecturas tomadas, permitiendo as� optimizar la vida útil de las
5
mismas.
En
este sentido, se ha previsto la inclusión de un circuito
hidr�ulico, el mostrado en la figura 6, en el que a cada vaso (17) accede un
conducto (18) a través del cual se regula el nivel de electrolito (19) en el
1 O
que se sumergen las placas de plomo (20), el cual estar� gobernado por una
bomba
(21) controlada por el microcontrolador, que permite extraer el
electrolito
sobrante hasta un depósito (22), y una electro-válvula (23)
encargada de dosificar dicho electrolito a los diferentes vasos que participan
en la batería.
15
Por último, cabe destacar el hecho de que, si bien el equipo es
aplicable
a cualquier tipo de baterías, su aplicación en baterías o
acumuladores asociados a instalaciones de paneles solares fotovoltaicos (4),
resulta
óptimo, al permitir optimizar la capacidad y carga de dichos
20
acumuladores.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1 a.-Analizador-regenerador de baterías de plomo ácido, baterías del tipo de las que presentan una capacidad comprendida entre 1 O y 150A/H, se caracteriza porque est� constituida a partir de un módulo de control o microcontrolador ( 1), y un circuito de conmutación de potencia
    (2) o HEXFET, destinado a conectarse a la batería de plomo ácido (3), microcontrolador (1) conectado una fuente de alimentación (5) independiente, y asociado a un módulo de mando (6) o interfaz de control, con la particularidad de que en el conjunto microcontrolador (1)-circuito de conmutación de potencia (2) se definen medios para la medida de la resistencia interna de la batería, medios para la medida de los amperios en las tres fases de carga de la batería, medios para la medida de los amperios de descarga, medios para la medida de la carga y la capacidad de la batería, medios para la medida de la tensión de ecualizaci�n, medios de recarga de la batería, medios de regeneración de la capacidad de la batería y medios de recarga química de la batería.
    2 a.-Analizador-regenerador de baterías de plomo ácido, según reivindicación 1 a, caracterizado porque el equipo incorpora un analizador de pH (7) del líquido de la batería.
    3a .-Analizador-regenerador de baterías de plomo ácido, según reivindicación 1 a, caracterizado porque incorpora un circuito hidráulico, el mostrado en la figura 6, en el que a cada vaso (17) accede un conducto (18) a través del cual se regula el nivel de electro lito ( 19) en el que se sumergen las placas de plomo (20), el cual estar� gobernado por una bomba (21) controlada por el microcontrolador, que permite extraer el electro lito sobrante hasta un depósito (22), y una electro-válvula (23) encargada de dosificar dicho electrolito a los diferentes vasos que participan en la batería.
    5
    4a .-Analizador-regenerador de baterías de plomo ácido, según reivindicación 1 a, caracterizado porque en el circuito de conmutación de potencia (2) se define un diferenciador basado en operacional junto con un circuito integrador como medios de medida de la tensión de la batería.
    1 O
    5a .-Analizador-regenerador de baterías de plomo ácido, según reivindicación 1 a, caracterizado porque en el circuito de conmutación de potencia (2) se define un circuito de ecualizaci�n, de aplicación de una corriente constante a 1120 de la capacidad de la batería.
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