Sistema de Monitoreo para un cargador de baterías

Janeth Alcalá-Rodríguez ^[a], Jorge Gudiño-Lau^[a], Saida Charre-Ibarra ^[a], Jorge A. Ruíz-Vanoye^[b], Alejandro Fuentes-Penna^[b]

Resumen

En este artículo se propone un sistema de monitoreo y control para recargar baterías. Se analiza el comportamiento del proceso de carga de las baterías recargables y de los parámetros involucrados. Se propone un algoritmo para determinar el estado de carga y realizar la recarga de forma suave. La carga de la batería se puede monitorear a través de internet y de ser necesario ejercer alguna acción preventiva y/o correctiva sin necesidad de estar en el lugar de operación. La propuesta bajo estudio permite prolongar la vida útil de las baterías al evitar el proceso de carga rápida que contribuye a degradar su vida útil. La propuesta bajo estudio se valida utilizando una batería de plomo-ácido (Pb-ácido), no obstante la propuesta se puede extrapolar a cualquier otro tipo de batería que permita el proceso de recarga.

Palabras clave: baterías recargables, cargador de baterías, sistema de monitoreo inteligente

Abstract

This article proposes a system to measure and control the recharge or batteries. The main parameters associated to the charging process of the rechargeable batteries are analyzed, and an algorithm to determine the state of charge and perform the recharging is proposed. The battery charge can be monitored through the internet and if necessary to carry out some preventive and / or corrective action without having to be in the place of operation. The proposal under study allows prolonging the life and quality of the batteries by avoiding the fast charging process. The proposal under study is validated using a lead-acid (Pb-acid) battery; however the proposal can be extrapolated to any other type of rechargeable battery

Keywords: Rechargeable batteries, battery charger, another keyword, intelligent monitoring system

Introducción

Uno de los grandes retos que enfrentan los sistemas de generación de energía eléctrica radica en el almacenamiento de energía en corriente directa (CD). La etapa de almacenamiento es clave en una gran diversidad de aplicaciones, por ejemplo, en los sistemas de respaldo de energía (que operan ante una falla en la red eléctrica) de corriente alterna (CA), en sistemas de conversión CA/CD/CA, en  sistemas de generación de energía renovable como los sistemas fotovoltaicos o eólicos, en los vehículos eléctricos, por mencionar algunos. Para almacenar la energía normalmente se utilizan baterías (también conocidas como pilas) o arreglos de bancos de baterías. Las baterías son una fuente de energía indispensable en muchos procesos, por ende, la vida útil de la batería es un factor de peso que impacta directamente en la economía del consumidor.

Una batería es un dispositivo capaz de acumular energía eléctrica a través de un proceso electroquímico y se pueden clasificar de acuerdo a su campo de aplicación, considerando el proceso de fabricación  o las características de carga (Linden, 1984).

El proceso de carga de las baterías se agrupa en dos categorías: baterías primarias o desechables y baterías secundarías o recargables (Castro y Díaz, 2004). En el primer grupo, la energía eléctrica ya no se puede recuperar; no obstante, las secundarias se pueden descargar y recargar varias veces. Existe una gran variedad de baterías recargables como las baterías de plomo-ácido (Pb-ácido), baterías de níquel-hierro (Ni-Fe), baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd), baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH), baterías de iones de litio (Ion-Li) y baterías de polímero de litio (LiPo). En la Tabla 1 se muestran las características más representativas para estas baterías (Colorado, 2017) y en la Figura 1 se muestra el rango en el que se pueden encontrar en función a la densidad de energía y específica y volumétrica, de acuerdo a las notas de especificación de los fabricantes.

En el proceso de carga existen dos parámetros muy importantes que se deben considerar: el efecto memoria y la corriente máxima. El efecto memoria limita la tensión o la capacidad de carga de la batería y depende principalmente del tiempo, la temperatura y la corriente. El efecto memoria afecta principalmente a las baterías de Ni-Cd, Ni-Mh y Ion-Li, su importancia radica en que reduce la capacidad de almacenar energía en la batería. Por otro lado, la corriente máxima de carga se define como el valor seguro que proporciona el fabricante para la máxima carga/descarga breve que puede sufrir la batería sin daño; corrientes mayores a este parámetro aunque pueden sopórtalas las baterías, son nocivas y reducen el tiempo de vida útil. En la actualidad, la calidad y la tecnología de las baterías han mejorado significativamente llegándose a reducir inclusive a eliminar el efecto memoria en algunos tipos de tecnología. De acuerdo a Cerda (2014) son tres los parámetros que se consideran fundamentales para definir la calidad de una batería, no obstante, considerando las recomendaciones de los fabricantes se identifican cinco parámetros de vital importancia: la densidad energética o autonomía de la batería, es decir, la cantidad de energía que es capaz de almacenar por kilogramo de peso; la velocidad de carga, definido como el tiempo requerido para carga la batería, la corriente máxima que puede entregar, la profundidad de descarga y por último el número de ciclos de recarga (cantidad de veces que podrá cargarse y descargarse por completo una batería manteniendo sus propiedades).

El proceso de descarga en las baterías es un proceso natural, para llevar nuevamente la batería al valor energético nominal se utiliza un proceso de carga y se realiza a través de un cargador de baterías. Básicamente, el trabajo del cargador de baterías consiste en suministrar o inyectar corriente eléctrica a la batería recargable en sentido opuesto al de la corriente de descarga para llevar a la batería nuevamente al potencial ideal. Los cargadores de baterías se suelen diferenciar entre cargadores simples e inteligentes. En el primer grupo se encuentran los que no cuentan con un circuito de control, básicamente se encargan de recargar la batería en periodos muy breves y a la corriente máxima permitida; en tanto que en el segundo grupo se ubican los cargadores denominados inteligentes, que integran una etapa de control encargada de llevar la carga de la batería a su valor óptimo a través de una curva de carga, además de que controlan que la capacidad de carga no varié mucho a lo largo de la vida útil de la batería pues los cambios pueden llevar a un pobre desempeño de la misma (Colorado, 2017). Por ello, en este trabajo se propone diseñar e implementar un sistema flexible de carga, que través del monitoreo en las terminales de la batería pueda determinar el estado de carga y llevarlo al estado deseado o de condiciones nominales. Además, utilizando las herramientas que proporciona actualmente la rama de las comunicaciones, se diseña una plataforma que permite monitorear el estado de carga de la batería vía remota y visualizar el proceso de carga, desde cualquier dispositivo ya sea un computador personal (PC) o un Smartphone; ofreciendo la opción de control el encendido o el apagado de una o varias baterías a distancia.  

Marco Referencial

Proceso de Recarga

En el proceso de recarga de baterías se suele hacer diferencia entre las modalidades como carga rápida y lenta. Aunque, tal y como lo menciona Padrón (2014), existe poca literatura respecto al funcionamiento de recarga y la mayoría de la información es generada por los propios fabricantes. Los especialistas aconsejan que a menos que sea necesario otro tipo de carga se utilice el método convencional y se  realice una carga lenta. Según Viera (2003), en el proceso de carga rápida es típico encontrar que la batería alcance su estado de plena carga en lapsos inferiores a las 3 hrs, no obstante estos tiempos pueden reducirse hasta por debajo de los 30 minutos. Por otro lado, en el proceso de carga lenta el restablecimiento de carga puede conllevar períodos de tiempo de 10 a 24 hrs. Es importante resaltar que la carga de corriente a la cual se debe llevar a la batería depende de la tecnología y de la capacidad de la batería a cargar, por lo que se debe usar un sistema de control de carga que procure que esta no sufra daños y que además reduzca su mantenimiento. En este trabajo se seleccionó una batería de Pb-ácido para validar la propuesta bajo estudio, no obstante cabe resaltar que el algoritmo propuesto de recarga se puede extrapolar a cualquier tipo de batería recargable. Las principales características de la batería seleccionada se muestran en la Tabla 2.

* Notas de aplicación batería PS-1270.

Curva de carga

El proceso de recarga propuesto en este trabajo se divide en tres estados: 1) carga, 2) absorción y 3) flotación.  La curva de carga para este proceso se muestra en la Figura 2.

• Carga: Durante el proceso de carga, se parte del valor de la tensión que se mida en terminales de la batería. Esta etapa comprende desde to hasta t1. En esta etapa la corriente de carga de la batería se mantiene constante a través del control de la tensión de salida del cargador de baterías. Este proceso permanece hasta que se alcanza la tensión vmax.
• Absorción: Esta etapa comprende dos intervalos, de t1 hasta t3. En el intervalo de t1 a t2, una vez que se alcanzavmax., la tensión de salida se mantiene constante, y no hay control de la corriente, como se observa en la Figura 2, por ende la corriente empieza a decrecer, en el instante t2, cuando la corriente alcanza el 10% del valor de la corriente de carga, la corriente de carga se manda al estado nulo (cero volts).
• Flotación: El estado de flotación empieza en el instante t3, una vez que la batería se ha descargado y alcanza vmin. Este Proceso es cíclico es decir si la batería opera por debajo de vmin el proceso de carga de la batería volverá a iniciarse. En la Tabla 3 se muestran los voltajes de carga recomendados para este tipo de baterías.

Equipo Experimental

Cargador de Baterías

El esquema general para el cargador se muestra en la Figura 3.  La operación se puede dividir en dos etapas: 1) la etapa de comunicación y monitoreo;  y 2) la etapa de potencia, que comprende el circuito de conmutación modulado por ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés), el convertidor de potencia y un algoritmo de control basado en la teoría clásica.

Etapa de comunicación y monitoreo

La comunicación se logra desde el servidor local  vía bluetoothÒ, este servidor local se conecta a un servidor  remoto que aloja una página web que permite visualizar en tiempo real nivel de carga de la batería y que además envía la información a un microcontrolador, encargado de concentrar la información de las variables medidas y de enviar la información a la etapa de potencia. De esta manera se ofrece al usuario la posibilidad de monitorear desde cualquier lugar el estado de carga de la batería o baterías que, solo con una conexión a internet. Además,  para la visualización el nivel de carga en el cargador, se incluye una pantalla  de cristal líquido en el cargador (LCD, por sus siglas en inglés Liquid Crystal Display).

En la Figura 4 se muestra el diagrama de flujo del esquema de comunicación, la cual se divide en tres etapas:

• Encendido/Apagado: En este proceso se habilita el circuito para inicializar/detener el proceso de carga. Este proceso se pude controlar de dos maneras, desde un servidor local que  recibirá el comando de paro o inicio desde el servidor remoto o desde la botonera que se agrega en la parte frontal del cargador.
• Servidor local: Se encarga de enviar y recibir información desde el microcontrolador  y servidor remoto, muestra el nivel de carga de la batería y permite el control de encendido y apagado del cargador desde este punto.
• Servidor remoto: Esté solo manda la información al servidor local y también puede encender y apagar el cargador así mismo muestra el nivel de caga de la batería como una fotografía del lugar.

La ventaja que le da esta conexión  desde un portal web radica en que permite la conexión desde cualquier computador o Dispositivo (iPhone, iPod, Celular con Android, WebOS, Laptop, etc.) porque está hecho PHP, HTML y Javascript. Por otro lado, para la comunicación del microcontrolador al bluetoothÒ se utilizó el módulo conocido como USART (por sus siglas en inglés, Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter).

En la Figura 5 se muestra el esquema que se utilizó para la comunicación entre servidores y que comprende el proceso de carga y la transmisión de la información, los cuales se describen a continuación.

• Proceso de carga: Este proceso está formado por las etapas mencionadas  en proceso de recarga. Además, para determinar los rangos de voltaje y corriente de la batería se utiliza una etapa de medición y monitoreo en la etapa de potencia.
• Trasmisión de información: La información se envía hacia dos receptores, el primero de ellos es una pantalla LCD 16x2  y la otra mediante el TX del bluetoothÒ.

Etapa de potencia

Para implementar la parte de potencia del cargador de baterías se utilizó un convertidor CD/CD basado en la topología reductora (o buck). El convertidor reductor se encuentra ampliamente reportado en la literatura (Mohan et al, 2003). La técnica de conmutación utilizada es la PWM. Para generar la señal de conmutación se compara el nivel de tensión en la batería con el valor deseado (vo*) y se genera la señal de error, la cual se envía a un bloque de control tipo proporcional-integral (PI). El controlador de tensión debe mantener la tensión de CD estable y regulada, y opera bajo las condiciones de carga dadas en la subsección de II.A para la curva de carga. La salida del bloque de control PI se envía a una etapa de comparación, con una señal denominada portadora (señal diente de sierra que oscila a la frecuencia de conmutación deseada); la señal de salida de esta etapa es una señal que conmuta en niveles lógicos que viven en el rango de 0-5 V. Posteriormente está señal se envía a un circuito impulsor y de desacoplo encargado de generar la señal PWM en un nivel lógico de 15 V que se utiliza para conmutar al transistor de potencia. En la Figura 6 se muestra el esquema del convertidor reductor.

Metodología

Prototipo Experimental y Resultados

Para la carga de la batería se manejara un tiempo mínimo de 5 hrs por ello, de acuerdo a los parámetros especificados en la Tabla 2, la frecuencia de conmutación en 20 kHz, la tensión de salida máxima en 14.34 V y la corriente de salida máxima en 3A.  Del análisis se obtuvieron los parámetros de los elementos necesarios para manejar las tensiones y corrientes deseadas. El valor del inductor (L) se fijó en 384 mH  y el del  condensador (C) en 6.80 mF, el diodo de libre circulación (Dfw) es un diodo rápido y se uso es el MUR860. Con los valores de L y C el rizo de corriente (Di) se fijó en 0.75 A y el de tensión  (Dvo) en 688 mV.  Se dimensionaron los elementos para la implementación y se seleccionó para el transistor de potencia un MOSFET IRF840, además se calculo el tamaño del disipador obteniéndose una resistencia térmica Rq de 14.21 Ω, para una disipación de 7.32 W.

Por otro lado, para el circuito de conmutación PWM se utilizó el circuito integrado SG3524 que permite integrar un control proporcional integral (PI). De esta forma, mediante el control del ancho del pulso, es posible controlar la tensión de salida del cargador. Además, se implementó una etapa con sensores para medir la tensión y corriente en la batería. Estos parámetros permiten identificar el estado de carga.

A continuación se muestra evidencia del trabajo desarrollado en el Laboratorio de Electrónica e Instrumentación de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Colima. En la Figura 7 se muestra la tarjeta que se implementó para medir la tensión de salida.

En la Figura 8 se muestra la etapa del que comprende el microcontrolador, convertidores Digitales/Analógicos y etapa de generación PWM. En la pantalla se observa la pantalla LCD en la cual se puede visualizar el estado y porcentaje de carga de la batería. En la Figura 9 se muestra el convertidor reductor que se implementó, para cargar a la batería. Se puede apreciar el condensador C, el interruptor MOSFET (S), el inductor (L) y un arreglo resistivo que se utiliza para medir las corrientes en el convertidor (MV y MA).

En la Figura 10 se muestran la gráfica para la eficiencia de salida de salida medida en el convertidor, se puede apreciar que los resultados obtenidos son adecuados, ya que la eficiencia máxima se obtiene en el rango de los 12.5 V (98%) y la mínima alrededor del 90%. Además, de que durante el proceso global de carga el promedio se ubica por arriba del 90%.

En la Figura 11 se muestra  la impresión de pantalla del sistema de monitoreo diseñado y visto desde la web, se pueden apreciar los elementos que conforman el controlador vía remota para el proceso de carga, las opciones para activar y/o desactivar el proceso de recarga; así como el encendido o apagado del sistema.  Por último, en la Figura 12 se muestra el prototipo final. La interfaz es sencilla de manejar. Además,  proporciona información completa y de fácil comprensión como, por ejemplo, nivel de carga, nivel de baterías, modo de batería, sustituir batería y sobrecarga.

Conclusiones

En este artículo se presenta una propuesta para desarrollar un cargador de baterías versátil que haciendo uso de las herramientas tecnológicas permite monitorear vía remota a través de internet el proceso de recarga de una o varias baterías. El sistema implementado consta de dos grandes etapas, la etapa de potencia que involucra el convertidor de potencia utilizado para mantener regulada y estable la tensión de carga; y otra que comprende toda la etapa de comunicaciones que se genera para el monitoreo vía remota.  Para la validar la propuesta se utiliza una batería de Pb-ácido. A partir de los resultados se observa que es posible mantener la carga de la batería en los niveles adecuados al contar con sistema que al monitorear el estado de la batería evita que la tensión se establezca por debajo de los niveles recomendados por los fabricantes. Como trabajo futuro se complementará el algoritmo de monitoreo incluyendo las curvas de carga de las baterías de mayor uso en el mercado, para que a través de un catálogo de opciones se pueda seleccionar el tipo de batería que se desea recargar. 

Referencias

Castro, José; Díaz, María Luz; (2004). La contaminación por pilas y baterías en México. Gaceta Ecológica, julio-septiembre, 53-74. 

Cerda, H. (2014). Técnica Industrial 307. Pp. 20-21. Recuperado el 31 de mayo de 2017, de:
http://www.tecnicaindustrial.es/tifrontal/a-5976-contra-tirania-baterias.aspx

Colorado, O., et al.; (2003). Evaluación del estado de carga de baterías recargables de Ni-Cd y Ni-MH. Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones, vol. 24, no. 1, 2003, p. 40+. Academic OneFile, Accessed 27 Aug. 2017.

Linden, D.; (1984). Handbook of batteries and fuel cells. McGraw-Hill.

Mohan, N.; Undeland Tore M.; Robbins William P. (2003). Power Electronics: Converters, Applications and Design; Ed. John Wiley & Sons, pp. 539-543.

Padrón, F.; (2014). Baterías: Estado del arte y vigilancia tecnológica 2013. Recuperado el 31 de mayo de 2017, de Universidad de Medellín:
https://repository.upb.edu.co/handle/20.500.11912/1536

Viera; J.C.; (2003). Carga rápida de baterías de Ni-Cd y Ni-MH de media y gran capacidad, análisis, síntesis y comparación de nuevos métodos. Tesis de doctorado, Universidad de Oviedo, Gijón, España.

^[a] Profesor Investigador en la Facultad de Ingeniería Electromecánica, de la Universidad de Colima. janethalcala@ucol.mx, jglau@ucol.mx, scharre@ucol.mx

^[b] Profesor Investigador de la Escuela Superior de Tlahuelilpan de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo