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¿Por qué son necesarias las ecualizaciones en las baterías solares?

En este artículo vamos a explicar los efectos negativos que se producen durante las operaciones de carga y descarga que se dan en todas las baterías y la necesidad de realizar cargas de ecualización periódicas para reducir el impacto de estos efectos sobre la vida útil de las baterías. Aunque este artículo puede aplicarse a cualquier tipo de batería, nosotros hablaremos de las baterías solares.

1.- Introducción

Las baterías solares más utilizadas son las baterías estacionarias de plomo-ácido abiertas porque ofrecen la mejor relación calidad-precio para este tipo de instalaciones. Estas baterías están formadas por elementos o celdas de 2V conectados en serie para alcanzar la tensión del conjunto deseada, 6 elementos de 2V para baterías de 12V, 12 elementos de 2V en serie para baterías de 24V y 24 elementos de 2V para baterías de 48V son las configuraciones más habituales.

Como ejemplo vamos a utilizar una batería de 12V. Por lo tanto, para una batería solar de 12V con 6 celdas de 2V en serie tendríamos:

Cuando hablamos del voltaje o tensión de una batería, hacemos referencia al voltaje nominal de la misma. Pero es necesario conocer, que una batería de 12V pocas veces estará en 12V, variando el voltaje entre 11,9V y 15V dependiendo de la etapa de carga/descarga en la que se encuentre.

Los valores de voltaje de operación de las celdas de 2V son:

  • Voltaje de absorción: 2,4V
  • Voltaje de flotación: 2,23V – 2,25V
  • Voltaje de ecualización: 2,5V – 2,6V
  • Voltaje descarga máxima: 1,9V
  • Voltaje protección sobredescarga: 1,5V

Para realizar las operaciones de carga y descarga de forma segura y dentro de las condiciones de trabajo indicadas por el fabricante para garantizar un buen mantenimiento y cuidado de las baterías, los equipos encargados de estas operaciones: reguladores solares y cargadores de baterías, utilizan procesos de carga de las baterías en 4 etapas.

2.- Etapas de carga de las baterías

Bulk.-(carga en bruto).- En esta primera etapa, el regulador permite el paso del máximo de corriente disponible hacia la batería hasta alcanzar el valor de tensión de absorción alrededor de los 2,4 voltios por celda (14,4 voltios, para una batería de 12V), y que supone el 80% – 90% de la capacidad de la batería

Absorción.-Durante esta fase, se mantiene la tensión alcanzada de 14,4 voltios durante un periodo de tiempo que puede variar desde unos pocos minutos hasta las 6 horas. La corriente de carga se reduce poco a poco hasta el 10% de la corriente máxima para finalizar la carga al 100% de la capacidad de la batería.

Flotación.-(tensión de mantenimiento).- Una vez finalizada la fase de absorción, se pasa a la fase de flotación. En esta fase se considera que la batería está totalmente cargada. La tensión se reduce en torno a los 13,5 voltios y se mantiene un pequeña corriente de carga para compensar la autodescarga de la batería.

Cuando se consume energía de la batería y la tensión se reduce, empieza de nuevo el ciclo y se considera que la batería ha tenido un ciclo de carga y descarga. La profundidad de descarga del ciclo dependerá de la tensión mínima alcanzada durante la descarga.

Etapas carga baterias estacionarias hoppekce

 

3.- Problemas durante la carga/descarga

Cuando se completa la carga de absorción (14,4V) la batería estará completamente cargada con voltaje de celda 2,4V:

Pero debido a las imperfecciones intrínsecas de los materiales, de pequeñas desviaciones en el proceso de fabricación, gradientes de temperatura y los efectos de envejecimiento, existen diferencias entre las celdas de la batería.

Así pues, durante las operaciones de carga y descarga de la batería las celdas tendrán voltajes diferentes, y por lo tanto diferentes Estados de Carga (SOC, del inglés States of Charge). Algunas celdas estarán continuamente sometidas a sobrecargas (overcharge), carga baja (under-charge), o sobredescarga (over-discharge).

3.1.- Sobrecarga de celdas de baterías (Over-charge)

La carga de celdas de baterías conectadas en serie debería pararse cuando la celda de mayor voltaje alcance su nivel de carga completa. Pero, esto supondría que otras celdas no alcanzaran la carga completa.

La celda número 6 ha llegado a su valor de carga completa 2,4V y la carga para esta celda debería pararse. Pero el voltaje de la batería completa no ha alcanzado el nivel de absorción 14,4V, por lo que el cargador seguirá cargando la batería hasta alcanzar ese valor.

Cuando se alcanza el voltaje de absorción (14,4V) la celda de mayor voltaje se está cargado por encima del valor óptimo de carga 2,4V llegando a 2,48V (over-charge). Mientras que las celdas de menor voltaje se quedan en 2,38V sin llegar al valor de final de carga (under-charge).

3.2.- Carga baja de celdas de baterías (Under-charge)

Si el Estado de Carga (SOC) de una celda es inferior al resto, cuando se alcanza el voltaje de final de carga de la batería esta celda no habrá llegado a la carga completa.

Cuando se alcanza el voltaje de absorción (14,4V) en la batería, la celda número 1 tiene un voltaje de 2,35V y no llegará nunca a cargarse completamente (under-charge). Las otras celdas cargarán con una voltaje superior al ideal de final de carga y por lo tanto ciclo tras ciclo sufrirán sobrecarga (over-charge).

3.3.- Sobredescarga de celdas de baterías (Over-discharge)

Cuando la celda de menor voltaje alcance el nivel crítico de descarga, el proceso de descarga debería detenerse. Así pues, la capacidad de la batería se vería limitada por la celda de menor voltaje.

Cuando una celda alcance el voltaje de descarga 1,9V se debería detener la descarga, no obstante los inversores y reguladores solares que protegen la batería contra sobredescargas, cortarán la salida de consumo una vez alcanzado el voltaje de batería de 11,4V (dependiendo del equipo estos valores pueden cambiar, además en la mayoría de equipos este parámetro es configurable).

Mientras no se alcanza el voltaje de batería baja, las celdas seguirán descargándose.

Cuando se alcanza el voltaje de batería baja 11,4V la celda de menor voltaje, la número 1, sufrirá una sobredescarga (over-discharge) con un valor de 1,73V mientas que las demás celdas no han alcanzado todavía el nivel crítico 1,9V.

 

4.- Consecuencias de los efectos de sobrecarga, carga baja y sobredescarga

La sobrecarga estresa las celdas y produce gasificación excesiva teniendo que reponer agua destilada más a menudo. Además, voltajes elevados aceleran la corrosión de las placas positivas.

La carga baja y la sobredescarga producen mayor sulfataciónque puede dañar las placas y reduce la vida de la batería, además los voltajes bajos reducen la capacidad de las celdasdebido al efecto de la autodescarga.

Una batería es un elemento capaz de transformar la energía química en eléctrica, mediante las reacciones químicas producidas en su interior absorben o ceden electrones (reacciones redox). Durante el proceso de carga los reactivos se combinan por reducción y absorben electrones, durante la descarga se produce el proceso inverso (oxidación) y ceden electrones. A pesar de ser reacciones reversibles, durante la descarga de una batería se produce sufaltaciónen el interior de la misma. El Plomo de las placas negativas y el di-Oxido de Plomo de las placas positivas se combinan con el Ácido Sulfúrico del electrolito produciendo un residuo sólido Sulfato de Plomo (PbSO4).

La sulfatación reduce la concentración del electrolito y, en consecuencia, el voltaje de la celda. A medida que la sulfatación aumenta también aumenta la resistencia interna y se produce un marcado aumento en la temperatura. Esas temperaturas más altas aumentarán también la pérdida de agua por evaporación. Este proceso es inherente a las baterías y acaba por inutilizarlas al final de su vida útil.

Al cabo de muchos ciclos, estos efectos reducen la capacidad de la celda y por lo tanto,  de la batería completa que conlleva la rápida degradación e incluso el fallo prematuro de la batería. Por este motivo las ecualizaciones son necesarias.

 

5.- Ecualizaciones. La 4ª etapa de carga

Para resetear e igualar el voltaje de las celdas que componen una batería y para recombinar el sulfato producido durante las descargas, es necesario realizar cargas periódicas de ecualización.

Durante estas cargas, la tensión de la batería se eleva a unos 15V ayudando a la recombinación del sulfato de plomo e igualando el voltaje de las celdas.

  • Lasecualizacionesen baterías estacionarias Hoppecke nuevas deberían ser1 vez cada 50 días aprox. Para baterías muy viejas se puede llegarincluso a 1 por semana.

El proceso de ecualización realiza una carga a un voltaje suficientemente elevado para asegurar la sobrecarga de todas las celdas que componen la batería.

6.- Cómo hacer una ecualización

No todas las baterías son iguales y no todos los fabricantes recomiendan los mismos valores o incluso no dicen absolutamente nada al respecto de las ecualizaciones, así que como referencia utilizaremos los datos del fabricante Hoppecke.

Las ecualizaciones se pueden hacer de muchas formas, no hay una regla exacta, pero aquí va la idea:

Se recomienda realizar Cargas de ecualización:

  • Para baterías nuevas 1 vez cada 50 días aprox.
  • Para baterías muy viejas se puede llegar incluso a 1 por semana.
  • Las cargas de ecualización son necesarias después de descargas profundas y de cargas insuficientes.

Estas se pueden efectuar como se indica a continuación:

  • Con tensión constante de max. 2,4 V/celda durante un tiempo máximo de 72 horas. (eso son 14,4V para baterías de 12V y 28,8V para baterías de 24V)
  • Hasta elevar la tensión de la batería a 15,0V – 15,5V durante 30 min o 1 hora. (30V o 31V para baterías de 24V)
  • Debido a los cargadores actuales ( la mayoría sin control de temperatura de batería) lo habitual es realizar cargas de 30V durante 1 hora para evitar problemas.

La idea sería, cuanto mayores son las profundidades de descarga de nuestra batería más frecuentes han de ser las ecualizaciones y más severas. Una batería que con profundidades de descarga mínimas, no necesitará ecualizar casi, pero una batería con descargas muy profundas debería ecualizar todas las semanas.

Lo podríamos comparar con cuanto deberías remover un café dependiendo del azúcar que le pongas. Cuanto más azúcar en principio más debes remover, pero entran en juego otros factores como temperatura del café, velocidad de giro, etc.

Hoppecke también dice: Cuando se sobrepasa la temperatura max. de 55° debe interrumpirse la carga o continuar con corriente reducida o conmutar transitoriamente a carga de mantenimiento, a fin de que baje la temperatura. El final de la carga de compensación se alcanza, cuando la densidad del electrólito y las tensiones de las celdas no aumenten, durante un periodo de 2 horas

Como los cargadores habituales no controlan la temperatura de batería, lo más habitual es realizar ecualizaciones de 30V durante 1 hora. Y la frecuencia con la que se realizan las ecualizaciones dependerá de los años de vida de la batería y del uso. A mayores profundidades de descarga mayor necesidad de ecualizar.

Al final, el proceso de ecualizar significa sobrecargar las baterías y por lo tanto estresarlas. Esto se hace para recombinar el sulfato de plomo e igualar las tensiones de celda. Estresarlas mucho no es bueno, pero exceso de sulfatación y las desigualdades entre celdas es peor. Por lo tanto ecualizamos.
Sucede algo parecido con la tensión de flotación: Una batería que se mantiene siempre a plena carga, debería tener una tensión de flotación baja: 2,23V por celda. En cambio una batería con descargas profundas continuadas debería tener una tensión de flotación más elevada: 2,25V – 2,26V por celda.
Cuanto mayor sea la tensión de flotación mayor estrés para la batería y mayor consumo de electrolito. Pero esto es mejor que exceso de sulfatación.

Para aquellos que no tengan un equipo capaz de subir la tensión hasta los 30V en las cargas de ecualización. O para los que no puedan hacer cargas de ecualización automáticas, bastaría con cambiar la configuración de absorción para un par de días. De esta forma sobrecargamos la batería durante un par de días hasta el máximo que permite el equipo (29,2V para los huber antiguos).

7.- Conclusiones

Para alargar la vida de la batería y evitar fallos prematuros, se recomienda que todas las celdas de la batería tengan el mismo Estado de Carga (SOC, del inglés State Of Charge) durante las operaciones de carga y descarga.

Además es necesario recombinar periódicamente el sulfato de plomo que se deposita en el fondo de las celdas y que puede acabar por dañar las placas.

Por consiguiente, las operaciones de ecualización son necesarias.

Las ecualizaciones están indicadas solamente para las baterías de plomo-ácido abiertas. Las ecualizaciones convencionales están prohibidas para baterías de plomo-ácido reguladas por válvula VRLA (Valve-regulated Lead-Acid Batteries) como son las baterías AGM y las baterías de GEL, también conocidas como baterías selladas.

Supuestamente las baterías selladas están consideradas como libres de mantenimiento, porque no se les debe añadir agua destilada y porque no necesitan ecualizaciones periódicas. Pero existen estudios que demuestran que las ecualizaciones son necesarias también para estas baterías, para igualar el voltaje de las celdas e incrementar considerablemente la vida de las mismas. Ya que las baterías VRLA conectadas en serie también sufren los procesos de sobrecarga, carga baja y sobredescarga como todas las baterías.

No obstante, no es seguro realizar operaciones en baterías selladas de forma convencional, ya que la válvula que regula la presión interna de la batería y el recombinador de gases no están preparados para voltajes tan elevados. El recombinador no sería capaz de transformar en líquido todo el gas producido durante una ecualización y la válvula debería liberar el gas por el exceso de presión producido. Al no poder rellenar luego la batería con agua destilada, en pocas operaciones la batería se dañaría.

 

Para saber más sobre baterías solares, aquí tienes artículos relacionados:

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Diseño de batería solar en C100 o C10?

 

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Acerca de Jorge Insa

Soy un apasionado de la tecnología y la naturaleza, si juntas las 2 descubres todo un mundo de posibilidades con las energías renovables. Y como todos tenemos que trabajar, yo lo hago siguiendo una idea bien clara, la sostenibilidad del planeta. Mis esfuerzos están dirigidos a promover, divulgar y concienciar a la gente en el uso de energías alternativas por un futuro sostenible.

7 Comentarios

  1. Jimmy

    Saludos buena imformacion se debe prestar mucha atencion a este tema para que duren mas tiempo las baterias.

  2. Salvador Piñon Madueño

    Hola. ¿ Cuanto tiempo dura cada equalizacion ?. Me refiero a cuantas horas debe de estar el voltaje a 15v . Gracias

    • Jorge Insa

      Hemos actualizado el artículo con la información para realizar ecualizaciones.
      Esperamos que te ayude
      Saludos

  3. Miguel

    Hola Jorge, Gracias por toda la información que nos aportas en tus artículos,

    He disfrutando leyendo este ultimo de las baterías pero me han surgido las siguientes dudas:

    – Comentas que las baterías de Pb estancas VRLA no se deben de someter a Ecualizaciones, pero que si sufren los mismos efectos de Sobre-carga, Baja-carga y Sobre-descarga. ¿Existe algún método de Ecualización que se pueda seguir para evitar las degradaciones prematuras en estos acumuladores?

    – Por otro lado tengo la duda de si los procesos de Ecualización también se deben de traspalar a las baterías de Ni-Cd.

    Un saludo.

    • Jorge Insa

      Todas las baterías conectadas en serie necesitan en principio ecualizaciones.
      El problema es cómo hacer estas ecualizaciones.
      Las plomo-ácido abiertas son fáciles de hacer porque el gas sale de la batería sin problemas, y mientras se respeten las tensiones de carga y la corriente máxima de carga no hay problema.
      En cambio baterías VRLA al tener un recombinador de gases y una válvula que ajusta la presión de la batería, si se excede el máximo del recombinador y se pierde electrolito este no se puede recuperar. Además de deformaciones internas que pueden dañar la batería. Y en caso de fallo de la válvula incluso explotar.
      Los equipos cargadores solares, que yo sepa todos, dicen que están prohibidas las ecualizaciones de baterías selladas porque no están preparados para controlar la ecualización de estas baterías.
      Por ejemplo las baterías de litio necesitan de cargadores especiales y equilibradores de celda (BMS: Battery Management System como su nombre en inglés indica, se trata de una electrónica absolutamente necesaria para la correcta carga y descarga de las baterías de litio). Ya que estas baterías tienen riesgo de explosión.
      Baterías de Ni-Cd desconozco las tensiones de carga porque no las trabajamos, pero entiendo que serán equivalentes (que no las mismas) a las de pb-ácido.
      Deberéis disculparme porque no soy experto en baterías. Deberían ser los fabricantes los que explicaran estas cosas.
      Saludos

  4. durita

    Hola Jorge, soy Durita 🙂 Y antes que nada quiero agracederte tu gran conocimiento sobre todo el tema de la energia solar, que nos viene tan bien a todos.

    Mi pregunta es: Como se ecualiza las batterias? Explicas muy bien porque hay que hacerlo, pero no veo en ningun sitio unas instucciones de como hacerlo?

    Muchos saludos,
    Durita

    • Jorge Insa

      Hola Durita, un placer tenerte por aquí.
      En este artículo no se explica como hacer las ecualizaciones porque ya hemos hablado de ello en otros artículos como: Mantenimiento baterías estacionarias HOPPECKE

      Las ecualizaciones se pueden hacer de muchas formas, no hay una regla exacta, pero aquí va la idea:
      Se recomienda realizar Cargas de ecualización: para baterías nuevas 1 vez cada 50 días aprox. Para baterías muy viejas se puede llegar incluso a 1 por semana.
      Las cargas de ecualización son necesarias después de descargas profundas y de cargas insuficientes.

      Estas se pueden efectuar como se indica a continuación:

      Con tensión constante de max. 2,4 V/celda durante un tiempo máximo de 72 horas. (eso son 14,4V para baterías de 12V y 28,8V para baterías de 24V)
      Hasta elevar la tensión de la batería a 15,0V – 15,5V durante 30 min o 1 hora. (30V o 31V para baterías de 24V)

      La idea sería, cuanto mayores son las profundidades de descarga de nuestra batería más frecuentes han de ser las ecualizaciones y más severas.
      Una batería que con profundidades de descarga mínimas, no necesitará ecualizar casi, pero una batería con descargas muy profundas debería ecualizar todas las semanas.
      Al final, el proceso de ecualizar significa sobrecargar las baterías y por lo tanto estresarlas. Esto se hace para recombinar el sulfato de plomo e igualar las tensiones de celda. Estresarlas mucho no es bueno, pero exceso de sulfatación y las desigualdades entre celdas es peor. Por lo tanto ecualizamos.
      Sucede algo parecido con la tensión de flotación: Una batería que se mantiene siempre a plena carga, debería tener una tensión de flotación baja: 2,23V por celda
      En cambio una batería con descargas profundas continuadas debería tener una tensión de flotación más elevada: 2,25V – 2,26V por celda.
      Cuanto mayor sea la tensión de flotación mayor estrés para la batería y mayor consumo de electrolito. Pero esto es mejor que exceso de sulfatación.

      Para aquellos que no tengan un equipo capaz de subir la tensión hasta los 30V en las cargas de ecualización. O para los que no puedan hacer cargas de ecualización automáticas, bastaría con cambiar la configuración de absorción para un par de días. De esta forma sobrecargamos la batería durante un par de días hasta el máximo que permite el equipo (29,2V para los huber antiguos)

      saludos

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