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CIDEL Argentina 2006 Congreso Internacional de Distribución Eléctrica

"INFLUENCIA DEL MÉTODO DE CARGA

EN LA PERFORMANCE DE BATERÍAS DE Ni-Cd"

Ing. Germán Salvó Ing. Leandro Luis Soria gsalvo@edenor.com lsoria@edenor.com

Edenor S.A. ARGENTINA

Palabras clave Baterías/ Ni-Cd 1. INTRODUCCIÓN En Edenor S.A, como en la mayoría de las empresas prestatarias del servicio eléctrico, la fuente de energía auxiliar es un conjunto de rectificador-batería. La determinación de las capacidades de las baterías estacionarias se efectúa, en Edenor S.A., siguiendo los lineamentos de cálculo establecidos en la normativa de IEEE. Se consideran, además, factores de envejecimiento, temperatura y tolerancia de fabricación. Durante la recepción del material, esos valores de capacidad se confirman mediante ensayo. Luego, durante el servicio se revisan periódicamente. En varias baterías de Níquel-Cadmio (Ni-Cd) en servicio se detectó, al ensayarlas durante las rutinas de mantenimiento preventivo que, en una etapa temprana de su vida útil, presentaban una aparente disminución de su capacidad. Por otro lado, se constató que los datos del fabricante, respecto a las corrientes de descarga, diferían según hubiera sido el método con que la batería se había cargado previamente. Consultado el fabricante, y otros proveedores de plaza, y sin recibir una respuesta técnicamente satisfactoria se decidió estudiar el problema. Es por ello, que en este trabajo se analizan los aspectos técnicos que, según la bibliografía y la experiencia de servicio en las subestaciones de Alta Tensión de la red de Edenor S.A., permiten establecer la característica diferencial que presentan las baterías de Níquel-Cadmio (Ni-Cd) frente a las baterías de Plomo-Ácido, en lo referente a sus características de descarga, según hayan sido cargadas por uno de los siguientes dos métodos:

- A corriente constante - A tensión constante, en flote, por

períodos prolongados Se describirá el fenómeno, denominado “Efecto Flote (Floating Effect)” o “Efecto Memoria”, por el cual, cuando una batería de Ni-Cd es mantenida a una

tensión de flote fija durante períodos de tiempo prolongados, se produce un decremento en los niveles de tensión de la curva de descarga, fenómeno que comienza después de una semana y alcanza su máximo en aproximadamente tres meses. Como este efecto de reducción del nivel de tensión implica una reducción de la autonomía de la batería, puede asimilarse a una reducción de su performance en términos de capacidad. Como resultado del análisis se propone una nueva estrategia de mantenimiento para este tipo de baterías, cuyos costos deberían ser considerados en la comparación económica. 2. CAPACIDAD NOMINAL DEFINIDA POR IEC En la norma IEC 60623[1] se define la capacidad nominal de las baterías de Ni-Cd (C5), como los Ah (Amperes x hora) que la batería entrega cuando se la descarga a 20°C, a una corriente constante de 0,2 * It [A], siendo It [A]= C5[Ah]/1h, para una tensión final de 1V/ elemento. Pero, ese ensayo debe efectuarse después de haber cargado la batería en las condiciones que fija la norma:

Después de una descarga previa a 20°C +/- 5°C, a una corriente de

0,2 * It [A], hasta una tensión final de 1V/ elemento, se debe cargar la batería, en un ambiente a 20°C +/- 5°C, a una corriente constante de

0,2 * It [A], con una duración de la carga de entre 7 a 8 h.

Debe destacarse en el párrafo anterior la frase “a una corriente constante”, ya que esta condición de carga es diferente a la de las baterías en servicio en Edenor S.A., puesto que las mismas se cargan en un régimen de flote/fondo, con característica de carga IU, razón por la cual, luego de la carga en fondo, quedan en condición de flote por tiempos prolongados.

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3. CONSIDERACIONES ADICIONALES DEFINIDAS POR IEEE En la norma IEEE Std 1115-1992 [2] se indica, en su cláusula 6.3, que la carga en flote por un tiempo prolongado de una batería de Ni-Cd, ocasionará una reducción en su tensión promedio en la descarga, y que esto depende de la tasa de descarga (corriente) y de la tensión final de descarga, pudiéndose afectar la capacidad disponible. Se indica además, en su Anexo C, como un factor importante a considerar, al método de carga usado como base para los datos de descarga de las baterías con los cuales se dimensionan los elementos ofrecidos por los fabricantes. 4. DATOS DE FABRICANTES En general, los datos de descarga provistos por los fabricantes se presentan en forma tabular, y en el mejor de los casos, una tabla para performance después de largo tiempo en flote y otra tabla para performance con carga a corriente constante según IEC 60623. Si se comparan los datos de las dos tablas, se observa lo siguiente, para un caso típico: 1. Para un mismo modelo, los datos de corrientes de descarga son idénticos para descargas de 5h o más. 2. Para descargas de 3h o menos, las baterías cargadas con corriente constante presentan una performance superior a las baterías cargadas en flote por tiempos prolongados. Además, a menor tiempo de descarga la diferencia de performance se acentúa. Tomando un caso de capacidad nominal de unos 200Ah, la corriente de descarga hasta la tensión final de descarga de 1,14V/elemento (valor compatible con el sistema de Edenor S.A. -180V/157 elementos-), para descarga de 1h, es mayor en un 40% para batería cargada a corriente constante frente a la batería cargada en flote por tiempo prolongado, y para descargas de 15minutos es mayor en un 50%. En el caso en que los datos del fabricante estén presentados sólo para carga a corriente constante, el fabricante debería presentar los datos de coeficientes a aplicar para cada tiempo de descarga y para una tensión final por elemento. La norma IEEE Std 1115-1992 [2] presenta una curva hipotética para estos coeficientes. 5. EXPLICACIONES DEL FENÓMENO En información disponible en Internet se encuentra una primer referencia a lo que se suele llamar “Efecto Flote” (floating effect): cuando una batería de Ni-Cd

es mantenida a una tensión de flote fija durante períodos de tiempo prolongados, aparece un decremento en los niveles de tensión de la curva de descarga. Este efecto comenzaría después de una semana y alcanzaría su máximo en aproximadamente tres meses. Como este efecto de reducción del nivel de tensión implica una reducción de la autonomía de la batería, puede asimilarse a una reducción de su performance en términos de capacidad. En el paper [5] se indica que las baterías de Ni-Cd sufren de un “Efecto Memoria”, que afecta su capacidad, debido al crecimiento de cristales anormalmente grandes sobre los electrodos de Cd. Estos cristales reducen el área de contacto del electrodo, incrementando la resistencia interna del elemento. Este efecto “Efecto Memoria” es también mencionado en una guía sobre baterías de nueva tecnología [4]. Se indica allí que el proceso físico que causa este efecto es la formación de cristales de hidróxido de potasio dentro de los elementos, los cuales interfieren con el proceso químico de generación de electrones durante el próximo ciclo de uso de la batería. Dos serían las causas de formación de estos cristales:

- repetidas descargas parciales - sobrecargas

(debe notarse que estos dos procesos son compatibles con el uso prolongado en flote) En otra literatura encontrada en Internet se discute la aplicabilidad del término “Memoria” para el efecto indicado, concluyéndose allí que sería inadecuado utilizar ese término, pero también se indican a las sobrecargas como la causa del crecimiento de grandes cristales en la placa negativa que implican la reducción de la superficie de contacto con dicha placa. La explicación más fundamentada del fenómeno se encuentra en el paper [3], de donde se extrae lo siguiente: - La performance de los elementos de Ni-Cd dependen de varios factores: tipo de elemento, construcción del elemento, temperatura del proceso de fabricación, temperatura de operación, edad de los elementos, duración de los períodos en circuito abierto y también de las tasas de carga-descarga y de la historia previa del elemento. - Bajas corrientes de carga-descarga y altas temperaturas conducen a la formación de grandes cristales del material activo negativo, que afectan adversamente la aceptación de carga, el

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almacenamiento de energía y la capacidad de descarga de los electrodos. - Las baterías de Ni-Cd sufren de un “efecto memoria”, el cual es descripto como una aparente reducción en la tensión de descarga y en la capacidad, a una predeterminada tensión final de descarga, como resultado de ciclos de carga-descarga muy repetitivos y poco profundos, con una pequeña sobrecarga. El efecto memoria se refleja como un escalón en la curva de descarga del elemento (Fig. 1).

Fig. 1 [3]

- En la práctica, el efecto memoria podría no existir si:

Las baterías son cargadas al 100% de su capacidad real.

Los elementos son descargados a profundidad variable en cada ciclo.

Los elementos son descargados por debajo de 1V. - Los causas que producen la pobre performance atribuida al efecto memoria son:

Tensión final de descarga por encima de 1,1V/elemento: reduce drásticamente la capacidad entregada.

Alta temperatura de operación: reduce la aceptación de carga.

- Se crea un efecto resistencia que en la curva de descarga (Fig.1) se evidencia como una caída de la tensión de tipo escalón de unos 100mV (más notable en placas sinterizadas). - El efecto memoria fue inicialmente atribuido al electrodo de Cd y, al momento de publicación del paper (año 2001), el mecanismo del fenómeno no estaba completamente entendido:

Una explicación es que parte del material cargado negativo evoluciona hacia cambios morfológicos que causan caídas de tensión adicionales durante la descarga.

Otra opinión es que las sobrecargas de alta temperatura favorecen la formación de aleaciones intermetálicas de Ni y Cd, las cuales tienen un potencial de descarga más positivo (150mV/elemento -ver el escalón de tensión en Fig. 1-). La cantidad de fases intermetálicas aumentan con la duración de la sobrecarga y la capacidad disponible gradualmente decrece.

6. ACCIONES PROPUESTAS En la literatura se sugiere que el “floating effect” podría ser eliminado mediante un ciclado completo de carga/ descarga. Habría que agregar que el ciclado debería efectuarse cada tres meses, que es el tiempo en que el efecto se maximiza. En la guía [4] se indica que la formación de los cristales puede ser reducida reacondicionando periódicamente la batería. Este reacondicionamiento consiste en un ciclado cuidadosamente controlado, es decir, descarga profunda y posterior carga, varias veces, lo que ocasionaría que la mayoría de los cristales que se hubieran formado sobre las placas se vuelvan a disolver en el electrolito. Esto coincidiría con algún antecedente en Edenor S.A., cuando varios elementos de baterías que han estado en servicio en flote durante unos 5 años, y que no rendían su capacidad nominal, luego de un ciclado efectuado por el fabricante, habrían vuelto a una condición satisfactoria. En virtud de todo lo anterior, se propone una nueva estrategia de mantenimiento de este tipo de baterías, efectuándoles una descarga profunda, hasta llegar al nivel de 1V/elemento. La corriente de descarga debe ser la que surja de las tablas del fabricante, para descarga de 5h, del modelo que corresponda. La periodicidad sugerida deberá ser de 6 meses, en vez de los 3 meses indicados, ya que es un hecho que las baterías no funcionan, en las instalaciones de Edenor S.A., exclusivamente en un régimen de flote, sino de flote/fondo, tal como se indicó anteriormente. Los resultados de la experiencia deben utilizarse para ajustar la periodicidad futura. El ciclado sugerido no debería detrimentar la performance a largo plazo de los elementos, ya que poseen capacidad de ser ciclados, si cumplen con la norma IEC 60623 [1], la cual especifica un ensayo exigente de ciclado, en su Cláusula 4.4.1.. Finalmente, cuando en la comparación económica de distintas alternativas técnicas, se consideren costos iniciales de adquisición y montaje, y los costos de

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mantenimiento y de reposición a lo larga de su vida útil, los costos de estos ciclados deben contemplarse en el cálculo. 7. REFERENCIAS [1] IEC 60623 (2001): “Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes – Vented nickel-cadmium prismatic rechargeable single cells”.

[2] IEEE Std 1115-1992: “IEEE Recommended Practice for sizing Nickel-Cadmium Batteries for Stationary Applications”.

[3] Shukla A.K., Venugopalan, S. and Hriprakash, B.: “Nickel-based rechargeable batteries”, Journal of Power Sources 100 (2001) pág. 125-148.

[4] NIJ Guide 200-98: “New Technology Batteries Guide”, National Institute of Justice, US Department of Justice.

[5] Shukla A.K. and Martha S.K.: “Electrochemical power sources- 1. Rechargeable batteries”, Resonance Journal of Science Education, Indian Academy of Sciences, Bangalore, India, July 2001.

[6] Salvó, Germán y Grinschpun, Horacio Luis.: "IT EyM-007-05- Influencia del Modo de Carga en Baterías Ni-Cd", Edenor S.A., 2005.

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