Administración de Baterías para una Confiabilidad Máxima del UPS

James W. Sember
Director de la División de Productos para Calidad de Energía
S&C Electric Company

Sinopsis
La confiabilidad de las baterías es la preocupación número uno para los usuarios de los sistemas UPS. Los sistemas UPS convencionales someten las baterías a corrientes ondulatorias continuas provenientes de los rectificadores frontales, y limitan las estrategias de administración de baterías en sistemas de doble conversión. S&C Electric Company ha sido la primera en promover un diseño exclusivo de UPS que posibilita un programa de administración de baterías más amplio, y que ofrece un nivel mayor de confiabilidad y disponibilidad del sistema. Este documento comenta sobre el programa de administración de baterías de S&C y presenta sus resultados que se han comprobado en el campo.

Introducción    
Todos los sistemas UPS utilizan energía almacenada para proteger la carga crítica. La confiabilidad de dicha energía almacenada es fundamental para la confiabilidad del sistema. Debido a sus ventajas de costo, a la densidad de la energía almacenada, a las características de descarga y a su infraestructura, las baterías de plomo son el tipo de energía almacenada más comúnmente utilizado en los sistemas UPS de hoy. Por una serie de razones, incluyendo su capacidad de sostener ciclos de carga/descarga profundas―las baterías de plomo reguladas por válvulas (VRLA, por sus siglas en inglés) han sido preponderantes en la aplicación. Pero, a pesar de los mayores esfuerzos por parte de los fabricantes de baterías por mejorar sus productos, la experiencia ha demostrado que la vida útil de un conjunto de baterías VRLA en un sistema UPS convencional de doble conversión es de entre dos y tres años. Después de los dos años, los índices de falla de las pilas alcanzan niveles inaceptables. (1)

(1) “Medición del Rendimiento y Confiabilidad de las Baterías VRLA―Parte II: La Segunda Generación” por P. Cantor, y otros, IEEE/INTELEC, 1998.  

Las baterías llegan al final de su vida útil de manera prematura por dos razones: defectos de fabricación y los problemas de administración de las baterías. Los defectos de fabricación incluyen las soldaduras “en frío” entre pilas contiguas; cortos entre pilas; placas invertidas; moldeado incompleto de las “tiras”, el cual ocasiona placas “caídas”; y la contaminación de la pasta o electrolito. La fabricación de las baterías de plomo modernas se basa en procesos sumamente automatizados para garantizar la calidad en cada paso. En puntos críticos del ensamblaje, los controles de calidad garantizan que los procesos se mantengan dentro de los límites especificados. Es muy difícil y caro detectar defectos en las baterías después de ensamblarlas. La calidad debe venir incorporada y no se pueden inspeccionar a posteriori.

Sin embargo, existen algunas pruebas que se pueden realizar después del ensamblado para evaluar las capacidades de las baterías, incluyendo la de descarga de alto régimen, la de impedancia interna y la de capacidad de reserva.

Una prueba de descarga de alto régimen somete a la batería a una descarga de alto amperaje durante un periodo corto. En una batería de automóvil, la prueba se realiza aproximadamente al nivel de amperaje de arranque en frío de la batería, con corriente casi constante. El voltaje entre las terminales de la batería se mide al término de la prueba. Las baterías son aceptadas si el voltaje entre las terminales está dentro de los límites predeterminados, y se rechazan si el voltaje es demasiado bajo. A menudo, ésta es la única prueba que el fabricante de las baterías realiza al final de la línea de producción.

La impedancia interna de la batería se puede medir a corriente baja o alta, utilizando varios tipos de equipos para prueba que están disponibles en el mercado. Generalmente las baterías se prueban en una cadena en serie mientras que el sistema UPS está en línea.

Una prueba de capacidad de reserva evalúa el conjunto y la formación de la batería. La batería se descarga a 25 amperes hasta que el voltaje alcanza los 10.5 voltios. Luego el nivel de descarga amperio-hora se mide y se registra.

Administración de las Baterías
Se debe adaptar una estrategia de administración de baterías según el tipo de batería y su aplicación. Las baterías VRLA de los sistemas UPS convencionales de doble conversión tienen limitaciones en los niveles de libertad que se pueden emplear para la administración de las baterías. Las baterías de estos sistemas siempre se cargan “en flotación”. Es decir, que continuamente se les suministra un voltaje de carga bajo―en el orden de 13.4 a 13.6 voltios por recipiente―como resultado de su conexión con la barra colectora de corriente directa de la combinación rectificador/inversor, la cual siempre está activa. La topología del circuito también proporciona cierto nivel de corriente ondulatoria que fluye continuamente en las baterías a partir del proceso de rectificación/inversión. Como consecuencia, en las baterías, continuamente se genera una cantidad importante de calor. Las baterías VRLA emplean la tecnología Absorbed Glass Mat,  o tecnología de electrolito gelatinoso, en la cual el electrolito tiene la libertad de moverse, lo que hace que la eliminación del calor sea más difícil.

En contraste, S&C utiliza baterías de plomo sumergido que no necesitan mantenimiento hechas con rejillas de plomo-calcio, en una topología de circuito fuera de línea que no somete la cadena de baterías a la carga en flotación ni a las corrientes ondulatorias. Se aplican cuarenta y ocho baterías a una cadena en serie que proporciona el almacenamiento de energía para un módulo de potencia con capacidad de 250 kW durante 60 segundos. Los módulos se ponen en paralelo para capacidades mayores de hasta 16 MW. Una operación normal a potencia plena descarga las baterías, eliminando aproximadamente 6 a 8% (6 amperios-hora) del valor en amperios-hora de su capacidad de reserva. Así pues, tanto el tipo de batería como el diseño del UPS de S&C proporcionan mayor libertad, lo que posibilita una estrategia de administración óptima de las baterías.

En la estrategia de administración de las baterías del Sistema PureWave UPS™ de S&C:

El control de la temperatura es de interés esencial en una estrategia de administración de baterías. La temperatura alta acelera la corrosión que destruye la capacidad de la batería de generar corriente. Las baterías de plomo sumergido que no necesitan mantenimiento se fabrican con electrolito sobrante en estado líquido. El electrolito líquido permite que el calor interno que se genera en la batería sea eliminado más fácilmente que en las baterías tipo AGM, a través del flujo convectivo. La estrategia de administración de baterías de S&C toma en cuenta el electrolito sobrante que viene con las baterías, según se comenta en seguida. Además, las baterías no generan calor interno a menos que el sistema esté operando y la recarga después de una operación permite mantener baja y uniforme la temperatura en toda la batería. El entorno de las baterías se mantiene en 75º F ± 5º F. Esto resulta significativo cuando se compara con los sistemas típicos de baterías VRLA así como con las aplicaciones de batería de arranque “en vehículos” ¡en las que el ambiente externo puede rebasar los 200º F!           
           
El limitar la profundidad de la descarga evita la estratificación del electrolito, la cual es una preocupación en las baterías sumergidas pero no en las baterías VRLA. La estratificación es el aumento de la densidad del electrolito en el fondo de la batería. Se considera que la estratificación comienza cuando la diferencia en la densidad entre las placas superiores y las inferiores es mayor de 0.050. Con el tiempo, ocasiona la corrosión acelerada de las placas y una reducción de la capacidad de la batería y de su vida útil.
           
La profundidad de la descarga y el régimen de carga normal que se utilizan en el Sistema PureWave UPS no provocan estratificación electrolítica significativa. La figura 1 muestra el resultado de una prueba de ciclo acelerado que utiliza el régimen de carga/descarga del Sistema PureWave UPS. Demuestra que la estratificación del electrolito es mínima. En esta prueba, la batería se sometió a 144 ciclos de descargas mayores a 10 amperios-hora, seguidos de una recarga normal cada 6.7 horas. No se realizaron cargas de conservación. En promedio, esta prueba sometió a la batería a una profundidad de descarga 66% mayor a la que se ve en las aplicaciones reales. El sistema UPS común ejecuta el equivalente a 20 ciclos a potencia plena por año, así que esta prueba representa más de siete años de funcionamiento.

Como se aprecia en la Figura 1, la diferencia de la densidad de 0.035 al final de la prueba no aumentó.

La estratificación se puede mitigar agitando el electrolito. En las aplicaciones en vehículos, naturalmente esto ocurre con el movimiento del camión o el coche. En las aplicaciones estacionarias, esto se puede lograr “gaseando” la batería periódicamente, aumentando el voltaje de carga hasta el nivel en el que ocurra la electrólisis y se creé gas hidrogeno y oxigeno en el interior del electrolito. Las burbujas de gas, moviéndose por el electrolito, proporcionan un efecto de agitación. El régimen de carga de conservación empleado por S&C permite un gaseado regular, pero poco frecuente, de las baterías. Por lo tanto, ofrece margen adicional contra la reducción de la vida útil de las baterías, causada por la estratificación del electrolito, como puede ocurrir después de muchos ciclos de carga/descarga.

Prueba de 144 Ciclos de Carga/Descarga

Figura 1. Prueba de ciclos de la batería utilizada en el Sistema UPS de S&C.

Las baterías que utiliza S&C no se cargan en flotación continuamente, tampoco son sometidas a corrientes ondulatorias de cd. El régimen de carga normal consiste en la aplicación de 13.9 vatios de carga a potencia constante por pila―hasta 2.5 voltios por pila, y manteniéndola a 2.5 voltios durante 60 minutos. El voltaje se compensa y es inversamente proporcional a la temperatura. El ciclo de carga se realiza después de cada operación del sistema o―si no ha habido eventos que requieran la operación del sistema―cada dos semanas para recuperar la energía perdida por los circuitos de protección y los de los sensores, además de la descarga espontánea de la batería. Las rejillas de plomo-calcio de las baterías permiten un nivel reducido de descarga espontánea y la corriente de descarga parásita es extremadamente baja. La carga normal también realiza un nivel reducido de gaseo.

Cada dos meses, las baterías reciben carga de conservación. Este régimen de carga les aplica 2.63 voltios por pila durante 240 minutos. La carga de conservación periódica devuelve a las pilas débiles a su estado de carga total, y proporciona el gaseo de las baterías para agitar el electrolito. La frecuencia de las cargas de conservación se seleccionó con mucho cuidado. Si se realiza con demasiada frecuencia, el oxigeno que se genera por la electrólisis puede acelerar la oxidación de las placas positivas de la rejilla. En el peor de los extremos, esta oxidación hace que las placas “crezcan” y hagan cortocircuito con las tiras negativas. La Figura 2 ilustra la pila de una batería que se ha cortocircuitado por este mecanismo.

Otra razón por la que hay que gasear las baterías con poca frecuencia es que la electrólisis merma el agua del electrolito. El régimen de carga de conservación se debe seleccionar de manera que se garantice que suficiente electrolito se quede en la batería, que no necesita mantenimiento, al final de la vida útil de la batería, como se muestra en las Figuras 3 y 4.

Resultados
El exclusivo enfoque de S&C en cuanto a administración de baterías se ha utilizado en los Sistemas PureWave UPS desde su presentación al mercado en 1996. Desde entonces, se han acumulado más de 300 millones de horas de funcionamiento con baterías. El tiempo promedio entre fallos (MTBF) real del módulo de cuarenta y ocho baterías ha demostrado que rebasa las 180,000 horas, lo que prueba que se puede alcanzar una vida útil de 20 años en un sistema UPS con baterías, si la selección de las mismas, el diseño del sistema y el programa de administración de las baterías se integran y se optimizan.

Figura 2. Corto en pila de batería causado por el crecimiento por oxidación de la rejilla positiva.

Figura 3. Radiografía que muestra el nivel del electrolito en una batería nueva.