viernes, 4 de septiembre de 2020

Que hay que conocer sobre la batería utilizada por el UPS

 Importancia de la bateria en el funcionamieto del UPS o SAI

Cuando la red eléctrica tiene valores normales y seguros para el funcionamiento de los aparatos eléctricos, el UPS o SAI entrega corriente a la o las baterías a través de un circuito especializado para almacenar energía, que será utilizada cuando la red de suministro eléctrico falle para lograr una autonomía que permita al usuario a realizar cierres de sistemas de forma ordenada evitando la perdida de información.

Como el fin principal del UPS es mantener las cargas (ej: PC) en funcionamiento ante un corte de suministro eléctrico es importante que conozcamos que el tipo y capacidad tiene la batería instalada.

Las baterías Pb-acido del tipo AGM VRLA de electrolito absorbido son las más utilizadas por los fabricantes de UPS.

 La batería o acumulador Pb-acido.

La batería de plomo fue inventada por Gastón Planté en el año 1859.Una batería es un elemento que convierte energía química en energía eléctrica mediante un proceso electroquímico. Las baterías son capaces de almacenar energía.

La batería está formada por:

·         celdas, vasos o elementos que tienen una tensión de 2 voltios. Cada celda está formada placas positivas y negativas unidas en un electrodo. Entre las placas se coloca un separador para evitar que se toquen, el más leve contacto ocasionaría el mal funcionamiento de la batería. Las celdas se interconectan en serie uniendo electrodos positivos y negativo para lograr una mayor tensión nominal.  Una batería de 12 V consta de 6 celdas conectadas en serie y una de 6 V tiene 3 celdas.

·         caja, monoblock o depósito, construido de polipropileno (ABS) contiene las celdas y el electrolito, esta puede ser abierta cuando el electrolito es líquido o cerrada cuando no lo es.

·         electrolito es el material que se encuentra entre los 2 electrodos. Permite la trasferencia de electrones entre la placa negativa y positiva. De acuerdo a la tecnología de fabricación este electrolito puede encontrase en forma líquida, gel o absorbido en una placa especial que se pone entre las placas.

 Baterías Pb-Acido AGM VRLA.

Una batería VRLA (Valve-Regulated Lead-Acid) utiliza un sistema de válvula de alivio de presión unidireccional para lograr una tecnología "recombinante". Esto significa que el oxígeno producido normalmente en la placa positiva es absorbido por la placa negativa. Esto suprime la producción de hidrógeno en la placa negativa. En su lugar, se produce agua (H2O) que retiene la humedad dentro de la batería. Nunca es necesario agregar agua, y nunca se debe abrir.

La tecnología AGM fue desarrollada en 1985 para los aviones militares que buscaban reducir el peso y aumentar la capacidad de carga de los aviones.

Absorbent Glass Material (AGM) es un tejido de fibra de vidrio absorbente que contiene el ácido de la batería (separador). En las baterías de tipo AGM el ácido sulfúrico de cada vaso es absorbido por una capa muy delgada de fibra de vidrio comprimida con el aspecto de un fieltro, que evita los problemas de posibles derrames de ácido en caso de rotura.

VRLA AGM – PLACA PLANA

 

Especificaciones básicas.

La tensión o voltaje nominal y la capacidad son los principales valores que se deben identificar para caracterizar una batería.

Tensión nominal. 

Diferencia de potencial entre el polo positivo y negativo proporcionado por el fabricante. Por ejemplo 2, 6, 12 Volt.

 Capacidad nominal (C).

Cantidad de corriente que puede suministrar durante una descarga en un tiempo especificado y para una tensión de corte.

Es la cantidad de energía que se obtiene en una descarga. Se mide en Amper-hora [A.h]

 C = Intensidad x Tiempo = Ah

 Para determinar la capacidad de una batería de plomo-ácido generalmente se realiza en un proceso de descarga en la que se mide la corriente de descarga promedio durante un tiempo específico. El tiempo queda determinado cuando la tensión de la batería ha caído hasta un valor que se considera a la batería con una alta descarga. Esta tensión final se conoce comúnmente como la tensión de corte, y es límite para evitar dañarla.

Se mide a una temperatura de 25 °C y se considera una batería descargada a una tensión 1,8V/celda. Por ejemplo, en una batería de 12 voltios que tiene 6 celdas se medirá una tensión de 10,8V cuando esta descargada.

 Tiempo y régimen de descarga

La capacidad suele referirse a 20, 10, 5 Hs, como ejemplo veamos la siguiente especificación de capacidad: 

 

 El fabricante ha definido que la capacidad a 20 hs es de 9Ah.

  C = 0.450A x 20hs = 9Ah

Como interpretar estos valores: si a esta batería le saco 0,45 A durante 20 Hs seguidas la tensión llegara a 1,8V/celdas o sea 10,8V. Por lo que, midiendo el valor de tensión en un proceso de descarga, de manera indirecta se puede estimar el estado de carga de la batería, mientras más preciso sea esta evaluación más cuidada estará la batería

Además, muestra otros datos de capacida

Capacidad Nominal

Las corrientes 0.450, 0.831, 1.51, 2.28 y 6.24 A son los regímenes de descarga y varían según el tiempo de descarga 20, 10, 5, 3 y 1 hr.

El régimen de descarga de la o las baterías instaladas en el UPS está asociado a la potencia de los equipos conectados y a la eficiencia que tiene para realizar su trabajo de conversión.

Conociendo estos valores permitirán hacer estimaciones de la autonomía que ofrece una UPS.

Los fabricantes suelen tener una curva de descarga característica (Discharge Characteristics) para una familia de baterías en concreto.

Cura de descarga característica

El fabricante que estoy utilizando en los ejemplos tiene una familia de baterías que desde los 4,5 Ah hasta los 24 Ah.

Para caracterizarlas ofrece la tabla que se muestra más arriba. Se observan diferentes curvas que grafican el valor de la tensión de descarga (eje vertical) en función del tiempo (eje horizontal) a diferentes C (leyenda en rojo). Realizada a una temperatura ambiente de 25°C.

C es la capacidad de la batería que se quiere analizar, continuando con el ejemplo de 9Ah analizare las curvas en base a ello, pero puede extenderse a los otros valores de la familia. En este caso para saber la corriente de descarga de una se debe multiplicar reemplazando C por 9.

La curva de más arriba entonces será 0.05 x 9 = 0.450 A que corresponde a la curva de descarga a 20 Hs a la cual esta especificada la batería. El mismo procedimiento se puede utilizar para todas las otras curvas.

Otra forma que el fabricante expresa tiempo y régimen de descarga es mediante tablas que muestra en la hoja de datos (data Sheet) como la siguiente.

Corriente de descarga constante a 25°C

La intersección de la fila 3 y la última columna muestra el valor 0.450 A como corriente de descarga a un tiempo de 20 Hs cuando la tensión de celda llega a 1,8V.

La tabla es diferente en todos los modelos de la familia ya que ellas son particulares a cada capacidad, en este caso corresponde a la de 9 Ah, los otros valores tendrán sus tablas.

Para ampliar la información se ofrece la tabla de descarga a potencia constante como se muestra en la siguiente tabla:

Potencia de descarga constante a 25°

Cómo puede ser utilizada la tabla de potencias para determinar la autonomía de un UPS.

 Supongamos que tengo un UPS que tiene instalada una batería de 12V 9Ah (como la que se está analizando). Ha sido comprada para proteger una PC con su monitor cuyo consumo es de 120W. la eficiencia del UPS es del 85%.

Agregando lo que se disipa o se pierde en el UPS a la batería se le sacaran aproximadamente 142W.

La tabla expresa la potencia que entrega por celdas, la batería de 12V tiene 6 celdas, entonces 142W/6 celdas, es alrededor de 23,7W/cell.

Para reguardar la batería los fabricantes suelen desconectar la batería a 10,8 V que equivale a 1,8 V por celda. El valor de 23,7W se ubica siguiendo la fila de 1,8V/cell entre las columnas de 20 y 30 minutos por lo que podemos considerar que la autonomía en un corte de suministro eléctrico será de alrededor de 25 minutos.

Vida útil de la batería.

 Aunque siempre buscamos cuanto tiempo debe transcurrir para el reemplazo de la batería es difícil encontrar ese valor.

El fabricante ofrece una gráfica de disminución de capacidad en función de los ciclos y de la profundidad de descarga DOD

Ciclos de vida en función a la profundidad de descarga (DOD)


En eje de la izquierda se tabula la disminución de la capacidad, en el eje inferir los ciclos de descarga que soportara.

Supongamos que una batería se descarga a una profundidad (DOD) de 50%, luego de haber realizado este proceso en un rango de 400 – 500 veces su capacidad habrá disminuido un 60 %. Si esto pasa diariamente al termino de 1 año habrá pasado 365 ciclos.

En aplicaciones con UPS es difícil que suceda esto, la experiencia indica que la vida útil ronda los 3 años a temperaturas de funcionamiento entre 20 y 25 °C. Por lo que conviene anotar las fechas de recambio de baterías para evitar caídas de sistemas por pérdida de capacidad.

Hay UPS que permiten realizar un TEST de bateria, hagalo cada 3 meses y controle que el equipo funcion correctamente. Caso contrario deberá reemplazar la batería.
Lleve la unidad a un Servicio Técnico especializado para realizar el cambio de baterías. Asegúrese que el reemplazo se realice con una batería de iguales características.