1

CARGADOR INDUSTRIAL CON CONTROL DE LA CURVA DE CARGA PARA

BATERÍAS DE PLOMO ACIDO

CARLOS ANDRÉS SOLIS VEGA

JONATHAN PERDOMO MAYOR

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA

CALI, VALLE

2015

2

CARGADOR INDUSTRIAL CON CONTROL DE LA CURVA DE CARGA PARA

BATERÍAS DE PLOMO ACIDO

CARLOS ANDRÉS SOLIS VEGA

JONATHAN PERDOMO MAYOR

Informe Final Trabajo de Grado

Director

Ingeniero Oscar Casas García

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

CALI, VALLE

2015

3

NOTA DE ACEPTACIÓN:

___________________________ Ingeniero Oscar Casas García

Director Trabajo de Grado

___________________________ Ingeniero Juan Carlos Cruz Ardila

Jurado

___________________________ Ingeniero Edgar Antonio Giraldo

Jurado

Este trabajo de grado, en la modalidad de investigación, es aceptado como uno de los requisitos para obtener el título de Ingeniero Electrónico en la Universidad de San Buenaventura Cali.

4

5

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar agradecemos a nuestros padres por el inmenso apoyo durante todo el proceso de realización de este trabajo. Además agradecemos al Ingeniero Oscar Casas García, director del trabajo, quien realizó importantes aportes para la consecución de los objetivos, también al Ingeniero Carlos Porras, quien fue de gran ayuda con sus contribuciones en distintas etapas de la implementación del prototipo. Finalmente a la empresa PMT, que siempre estuvo dispuesta a colaborar prestando sus espacios y equipos para la realización de pruebas e investigación.

Carlos Andrés Solis Vega Jonathan Perdomo Mayor

6

7

CONTENIDO

pág. RESUMEN

1. INTRODUCCIÓN 21 1.1 ANTECEDENTES 21

1.2 OBJETIVOS 22

1.2.1 Objetivo general 22

1.2.2 Objetivos específicos 22 1.3 CONTRIBUCIONES 23 1.4 ORGANIZACIÓN DEL INFORME FINAL 23 2. ACUMULADORES DE ENERGÍA 25 2.1 LA BATERÍA 25 2.1.1 Clasificación de las baterías 25 2.1.1.1 Las baterías primarias 25

2.1.1.2 Las baterías secundarias 26

2.1.2 Principios de funcionamiento 27

2.1.3 Componentes de una batería no sellada de plomo ácido 28 2.2 TIPOS DE CONEXIONES 35 2.2.1 Conexión en paralelo 35 2.2.2 Conexión en serie 36

8

3. MÉTODOS DE CARGA PARA ACUMULADORES DE ENERGÍA 39 3.1 ESTADO DEL ARTE 39

3.2 TÉCNICAS DE CARGA 41

3.2.1 Carga con voltaje constante 42

3.2.2 Carga con corriente constante 42 3.2.3 Flotación 43 3.2.4 Sobrecarga 43 4. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA SECCIÓN DE POTENCIA DEL

CIC3 45

4.1 ALIMENTACIÓN DEL CARGADOR 47 4.2 CÁLCULOS ETAPA DE POTENCIA 47 4.3 PUENTE RECTIFICADOR SEMICONTROLADO 49 4.3.1 Módulo diodos 50 4.3.2 Módulo SCR 52 4.4 TRANSFORMADOR DE ALIMENTACIÓN Y AISLAMIENTO DE LA

TARJETA DE CONTROL 54 4.5 PROTECCIONES 55 4.5.1 Red Snubber 55 4.5.2 Fusibles 56 4.5.2.1 Fusible protección semiconductores 56 4.5.2.2 Fusible de protección para las baterías 58 4.6 INDUCTOR DE CHOQUE 58 4.7 CONTACTOR 61

9

5. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA SECCIÓN DE CONTROL DEL

CIC3 63

5.1 ALGORITMO DE CARGA IMPLEMENTADO EN EL CIC3 64 5.1.1 Carga con corriente mínima 65 5.1.2 Carga máxima 65 5.1.3 Sobrecarga controlada con voltaje 65 5.1.4 Flotación 66 5.2 SENSORES 67 5.2.1 Sensor de corriente 68 5.2.2 Sensor de voltaje 69 5.2.3 Sensor de temperatura 76 5.2.4 Detector de cruce por cero 77 5.2.5 Circuito de disparo 80 5.3 ELEMENTOS DE CONTROL 82 5.3.1 Tarjeta de desarrollo Arduino Mega 2560 82 5.3.1.1 Descripción de los detalles de la tarjeta 84 5.3.1.1.1 Alimentación 84 5.3.1.1.2 Memoria 85 5.3.1.1.3 Entradas y salidas 85 5.3.1.1.4 Interfaz de programación 86 5.3.2 Recursos usados en el proyecto 88 5.3.2.1 Interrupción externa 89 5.3.2.2 Comunicación 89

10

5.3.2.3 Temporizadores 90 5.3.2.4 Pines digitales 94 5.4 SISTEMA DE CONTROL 94 5.4.1 Temperatura 94 5.4.2 Voltaje 95 5.4.3 Corriente 96 5.4.4 Diagrama de flujo de control 97

6. PRUEBAS Y RESULTADOS 101

6.1 CARACTERIZACIÓN DEL CARGADOR IC-10 101 6.2 PRUEBA COMUNICACIÓN Y CONFIGURACIÓN INA230 104

6.3 PRUEBA EMULADA DE FUNCIONAMIENTO DEL ALGORITMO

DE CARGA 105

6.4 PRUEBA FINAL. PROCESO DE CARGA COMPLETO CON EL CIC3 106

6.5 MEJORAS LOGRADAS A PARTIR DEL DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL CIC3 108

6.6 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS 110

7. CONCLUSIONES 113

8. RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS 115

8.1 RECOMENDACIONES 115

8.2 TRABAJOS FUTUROS 115

9. BIBLIOGRAFÍA 117

11

LISTA DE TABLAS

pág. Tabla 1. Partes de agua por una parte de ácido 34 Tabla 2. Relación de la corriente de carga con el tiempo que dura la misma 48 Tabla 3. Parámetros calculados 49 Tabla 4. Parámetros de selección para el módulo de diodos 52 Tabla 5. Parámetros de selección para el módulo SCR 54 Tabla 6. Descripción de pines INA230 70 Tabla 7. Configuración de la dirección para el INA230 71 Tabla 8. Registros INA230 76 Tabla 9. Recursos requeridos para la implementación del cargador 83 Tabla 10. Resumen de características Arduino Mega 2560 84 Tabla 11. Ubicación puertos seriales en Arduino 2560 85 Tabla 12. Especificaciones técnicas del CIC3 110

12

13

LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Proceso de ensamblaje de una batería 29 Figura 2. Placa Planté 31 Figura 3. Separador plástico tipo sobre 33 Figura 4. Caja de una batería 35 Figura 5. Conexión de un banco de baterías en paralelo 36 Figura 6. Conexión de baterías en serie 37 Figura 7. Sección de potencia 45 Figura 8. Circuito completo cargador CIC3 46 Figura 9. Puente rectificador semicontrolado 49 Figura 10. Módulo de diodos SKKD 81 50 Figura 11. Esquemático SKKD 81 51 Figura 12. Módulo SKKT 92/12E 52 Figura 13. Esquemático SKKT 92/12E 52 Figura 14. Transformador de alimentación 370V a 24V 54 Figura 15. Rectificación y regulación para voltaje de 5V 55 Figura 16. Red Snubber de protección MOC3021 y SCR de potencia 56 Figura 17. Fusible protección semiconductores 57 Figura 18. Ubicación del fusible en la sección de potencia 57 Figura 19. Fusible de protección de baterías 58 Figura 20. Inductor en sección de potencia 59

14

Figura 21. Esquemático del contactor 61 Figura 22. Contactor LG 61 Figura 23. Sección de control 63 Figura 24. Diagrama de bloques del algoritmo implementado 64

Figura 25. Etapas del algoritmo en función del tiempo 67

Figura 26. Shunt 68 Figura 27. Ubicación de Shunt en sección de control 68 Figura 28. INA 230 69 Figura 29. Descripción de pines del integrado INA230 70 Figura 30. Conexión y configuración externa del INA 230 72 Figura 31. Escritura o configuración INA230 73 Figura 32. Cambiar dirección de puntero INA230 74 Figura 33. Lectura INA230 74 Figura 34. Apuntar al registro Voltaje Shunt INA230 75 Figura 35. Encapsulado plástico TO-92 77 Figura 36. Sensor de temperatura 77 Figura 37. Detector de cruce por cero 78 Figura 38. Salida de pulso del Detector de cruce por cero 79 Figura 39. Periodo de onda senoidal a 60HZ 79 Figura 40. Circuito de aislamiento con Optocopladores 80 Figura 41. Disparos para activacion del SCR 80 Figura 42. Encapsulado del Optoacoplacor 81

15

Figura 43. Esquemático del Optoacoplador 81 Figura 44. Red Snubber MOC3021 82 Figura 45. Arduino 83 Figura 46. Interfaz de programación 87 Figura 47. Diagrama de conexiones Controlador y Periféricos 88 Figura 48. Protocolo I2C 90 Figura 49. Configuración del temporizador 1 91 Figura 50. Rutina de servicio de interrupción Timer 1 92 Figura 51. Configuración del temporizador 3 93 Figura 52. Rutina de servicio de interrupción Timer 3 93 Figura 53. Lazo de control de temperatura 95 Figura 54. Lazo de control de voltaje 96 Figura 55. Lazo de control de corriente 97 Figura 56. Diagrama de flujo de control 98 Figura 57. Diagrama de flujo de control de temperatura 99 Figura 58. Shunt 101 Figura 59. Multímetro Uni-T UT 70B 102 Figura 60. Multimetro/Datalogger Extech EX540 102 Figura 61. Archivo de texto generado por el multímetro 103 Figura 62. Gráfico de voltaje y corriente durante el tiempo de carga en la prueba inicial 104 Figura 63. Gráfico de corriente y voltaje durante el tiempo de carga en la prueba final 107

16

Figura 64. Detalle de las etapas 107 Figura 65. Corriente de linea de enclavamiento y alimentación en funcionamiento a 8A 111 Figura 66. Corriente de linea de enclavamiento y alimentación en stand-by 111 Figura 67. Corriente de linea de alimentación en funcionamiento a 8A 112 Figura 68. Conector del dispositivo 121 Figura 69. Vista frontal 121 Figura 70. Display LCD durante un proceso de carga 123 Figura 71. Puertos de Arduino 124

Figura 72. Selección de la tarjeta 125 Figura 73. Selección del puerto serial 125 Figura 74. Botón para carga del código 126

17

LISTA DE ANEXOS

pág.

Anexo A 121

18

19

RESUMEN Este trabajo de grado consiste en el diseño e implementación de un cargador para

baterías de plomo ácido que permite un control de la curva de carga, de manera

que puede alcanzar mejor desempeño de las baterías, es decir mejorar su vida útil

y prestaciones. Al equipo se le ha denominado CIC3, como acrónimo de Cargador

Industrial con Control de la Curva de Carga.

Para lograr llevar a cabo el control de la carga, se usa un control de ángulo de

fase mediante un puente semicontrolado que se activa usando una tarjeta de

desarrollo de referencia Arduino Mega 2560. El control de ángulo de fase consiste

en lograr dosificar la cantidad de energía que el cargador entrega a un banco de

baterías.

El sistema es realimentado mediante un sensor digital de corriente y voltaje,

INA230, que permite monitorear la corriente y el voltaje que reciben las baterías

para así tomar decisiones sobre los cambios en el ángulo de disparo. Además

cuenta con control de temperatura que garantiza la correcta carga del banco sin

afectar la vida útil de las baterías por sobrecalentamiento.

El algoritmo implementado utiliza técnicas combinadas de control de corriente y

control de voltaje, e incluye una etapa de flotación que minimiza la pérdida de

carga de las baterías mientras se encuentran almacenadas por algún período de

tiempo.

El resultado de este trabajo de grado es un prototipo completamente funcional,

capaz de llevar a cabo el proceso de carga de las baterías, atendiendo a los

requerimientos de la fábrica, los cuales se detallan dentro de este documento.

Palabras claves: cargador, baterías plomo ácido, curva de carga, cargador de

baterías.

20

21

1. INTRODUCCIÓN 1.1 ANTECEDENTES

Según la visita de planta realizada en la empresa Productora Nacional de Metales, una industria fabricante y distribuidora de baterías de plomo ácido, y atendiendo a su problemática e inquietudes sobre el proceso de carga final de sus productos, se establece diseñar y realizar un cargador industrial para este tipo de baterías con las siguientes características y aplicaciones necesarias en su diseño: Permitir la carga de máximo 10 baterías en serie, pues la demanda en el mercado y la salida del producto así lo requiere, según información obtenida en la entrevista con el encargado de las ventas en Productora Nacional de Metales. Permitir controlar la curva de corriente versus tiempo, esta será la mayor ventaja que proveerá el producto, debido a que los cargadores con referencia IC-10 de la empresa Incar (Incar, 2013), actualmente utilizados, no admiten realizar esta variación. Es de gran importancia este punto debido a que permitirá al usuario realizar pruebas, hasta el punto de poder comparar resultados y fijar la curva que permita el mayor proceso de carga en las baterías, para así aproximarse a lo más cercano del 100% de capacidad de carga de éstas y obtener un producto de mayor calidad. Por otro lado se tiene el problema de que se han diseñado ciertos dispositivos basados en la observación de algunos traídos del exterior, pero no se tiene total conocimiento sobre la forma en que funcionan por lo que al momento de cualquier falla es difícil ejecutar la reparación de los mismos, y ésta sólo la sabe realizar la persona que reprodujo los diseños. Por tal razón, en un futuro se planean realizar capacitaciones de operación del cargador diseñado. Según la información suministrada en las entrevistas con personal de la empresa, no solo ellos sino empresas vecinas como Olper Car, que realizan esta misma labor, traen del extranjero cargadores o utilizan la misma referencia IC-10. Esto conlleva a la pregunta que moviliza la investigación en este trabajo de grado: ¿Cómo diseñar e implementar un cargador industrial para baterías de plomo ácido, que permita controlar la curva de carga de máximo 10 baterías conectadas en serie?

22

El dispositivo se pretende diseñar porque solucionará el problema actual de costos, facilitando a la empresa la adquisición de un producto nacional que cumpla con la tarea principal de cargar las baterías. Además se realiza debido a que es necesario mejorar la calidad de las máquinas para disminuir procesos de mantenimiento, la máquina debe ser robusta para así poder llegar a ser un producto fácil de comprender y utilizar para el operario. A nivel de mercado industrial, y debido a la relación de Productora Nacional de Metales con otras empresas dedicadas a la fabricación de baterías, se conoce que algunas de éstas empresas, presentan la misma necesidad, siendo el producto planteado una solución viable que puede llegar a ser acogida rápidamente. El proyecto se justifica principalmente porque se quiere satisfacer una necesidad real presente, que en un futuro podría generar una problemática de mayor tamaño. Pues solo hay una sola persona que conoce los métodos de mantenimiento en la empresa, y es capaz de detectar fallas. No es conveniente que se dependa únicamente de ésta persona a la hora de realizar mantenimientos o reparaciones ya que en caso de no estar disponible la producción puede verse afectada en la empresa. En Colombia es posible encontrar productos que realizan la misma función pero a nivel de una sola unidad para uso doméstico y no para uso industrial como por ejemplo las referencias 520A-PE, SE-1052 y SC-1200A de la marca Schumacher Electric, (Schumacher Electric Corporation, 2011). Estos cargadores no sirven porque realizan procesos de recarga mas no de carga inicial o formativa. 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo general Diseñar e implementar un cargador industrial para baterías de plomo ácido, que permita controlar la curva de carga de máximo 10 baterías conectadas en serie. 1.2.2 Objetivos específicos

Obtener un estado del arte de la implementación de cargadores de baterías.

Diseñar la arquitectura del sistema cargador industrial de baterías de plomo ácido.

23

Implementar el sistema electrónico cargador industrial de baterías de plomo ácido.

Realizar pruebas de funcionamiento correspondientes al sistema implementado y obtener métricas de rendimiento.

Realizar la divulgación de los resultados obtenidos, parciales y finales, en el desarrollo del proyecto de la forma que sea más conveniente.

1.3 CONTRIBUCIONES El objetivo principal del proyecto es diseñar un cargador capaz de llevar a cabo un

proceso de carga efectivo, mejorando los tiempos de producción que existían

antes y la calidad del producto final.

El lograr este objetivo trajo consigo un beneficio para la empresa, porque al

mejorar los tiempos de producción, lo que se espera es observar un mejor

comportamiento en los costos de la empresa objetivo; teniendo en cuenta también

que el éxito de este producto y su posible posterior reproducción representaron un

avance para la empresa.

Este desarrollo puede además servir como impulso para estudiantes y personas en general, que estén interesados en los acumuladores de energía y sus procesos de carga, y quieran desarrollar proyectos similares, generando así un aumento en el interés académico por temas relacionados.

1.4 ORGANIZACIÓN DEL INFORME FINAL

El documento está dividido en 9 capítulos principales que a su vez se subdividen según la complejidad del tema que tratan. Esta sección describe la forma en que se tratan los temas en cada uno de los 9 capítulos. En el Capítulo 1, la introducción presenta los antecedentes que originan el proyecto y su justificación, también se listan el objetivo general y los objetivos específicos que pretende cumplir el trabajo de grado, además de las contribuciones que éste realiza a la empresa Productora Nacional de Metales que es la empresa para la cual se diseña el cargador. El Capítulo 2 contiene toda la información referente a las baterías, las cuales constituyen uno de los principales temas de estudio de este proyecto. Se explica su clasificación, así como su principio de funcionamiento y componentes. Los tipos de conexión también son tratados en este capítulo; en la Sección 2.2 se describen

24

las ventajas y desventajas de los tipos de conexiones y se indica qué conexión utiliza el cargador CIC3. En el Capítulo 3 el tema tratado son los diferentes métodos que se pueden utilizar para cargar baterías de plomo acido, incluye un estado del arte que habla de la evolución que han tenido las técnicas en los últimos 13 años. En la Sección 3.2 se explican las técnicas de carga que tienen relación con este trabajo de grado. El Capítulo 4 muestra la forma en que se diseñó e implementó la sección de potencia del cargador, es decir, explica los distintos elementos que hacen parte de esta sección, tales como el transformador, los circuitos de protección y los módulos de diodos y SCR que conforman el puente rectificador semicontrolado. En el Capítulo 4 también se detallan los cálculos necesarios para la selección de estos elementos. A su vez el Capítulo 5, detalla los elementos que forman parte de la sección de control del cargador. En la Sección 5.1 el documento describe el algoritmo implementado, mientras que en la Sección 5.2 se centra específicamente en elementos como los sensores y en circuitos como el detector de cruce por cero y el circuito de disparo que activa los SCR del puente semicontrolado. Luego en la Sección 5.3 se describe la tarjeta Arduino incluyendo sus recursos, y en la Sección 5.4 se detalla el sistema de control implementado. Todo lo referente a pruebas de funcionamiento y resultados está registrado en el Capítulo 6. Tanto las pruebas realizadas en el inicio, como las realizadas al final del proyecto están debidamente explicadas en la Sección 6.1 y la Sección 6.3, en dónde el documento muestra gráficamente los resultados obtenidos en cada una de las pruebas. Las mejoras encontradas en base a la comparación realizada entre los cargadores usados en la empresa, y el cargador CIC3, se especifican en la Sección 6.4 y las especificaciones técnicas del producto final se encuentran en la Sección 6.5. El Capítulo 7 contiene una lista de las conclusiones del proyecto, mientras que el Capítulo 8 se divide en dos secciones, en la Sección 8.1 se enumeran las recomendaciones mientras que en la Sección 8.2 se enumeran los posibles trabajos futuros que se pueden realizar sobre el diseño del cargador CIC3. Finalmente en el Capítulo 9 se listan las referencias bibliográficas.

25

2. ACUMULADORES DE ENERGÍA 2.1 LA BATERÍA

Los acumuladores se conocen comúnmente también como baterías, son elementos cuya función es convertir energía eléctrica en química para ser almacenada y posteriormente utilizada casi en su totalidad de nuevo como energía eléctrica; se dice que utilizarla casi en su totalidad debido a pequeñas pérdidas ocurridas ya que no son máquinas 100% eficientes (Northern Arizona Wind & Sun, 2014). La cantidad de veces que una batería puede ser cargada y descargada depende de su construcción, algunas sólo permiten un ciclo mientras que otras admiten muchos más.

Los acumuladores se dividen en primer momento en dos grandes grupos:

acumuladores estacionarios y acumuladores portátiles.

Los acumuladores estacionarios son utilizados en grupos para proveer energía de

reserva en caso de ser necesaria; por su parte los acumuladores o baterías

portátiles son las usadas para encendido y alumbrado en vehículos o para

propulsión de los mismos, según sea el caso. Al ser baterías que se ubican dentro

del vehículo, deben ser de tamaño reducido y de bajo peso por lo que se usan

placas empastadas para su fabricación.

2.1.1 Clasificación de las baterías.

Existen variadas formas de clasificar a las baterías, según su composición,

tamaño, formas de uso y algunas otras características. También pueden ser

clasificadas según su ciclo de vida en:

• Baterías Primarias

• Baterías Secundarias

2.1.1.1 Las baterías primarias.

Son aquellas que permiten un único uso, es decir son sometidas a una sola

descarga y no pueden ser recargadas. El proceso químico que ocurre en su

interior es irreversible.

26

La siguiente clasificación se realiza según (Puentestar et al, 2011); dentro del

grupo de las baterías primarias hay gran variedad gracias a las distintas

necesidades que han ido surgiendo. Están presentes todas aquellas que se

conocen comúnmente como pilas y se utilizan en controles remotos, juguetes,

calculadoras y aparatos médicos entre otros.

Algunos tipos de baterías primarias son:

• Celda de Leclanché o Carbono-Zinc

• Pilas alcalinas

• Celda de Zinc-Cloruro

• Pilas de Óxido Mercúrico

2.1.1.2 Las baterías secundarias.

Las baterías secundarias son aquellas que permiten varios ciclos de carga y

descarga. Una vez que agotan la energía almacenada, pasan por un proceso de

carga nuevamente y son reutilizadas.

Las más importantes baterías secundarias, según el material de fabricación son

(Puentestar et al, 2011):

• Baterías de plomo-ácido

• Baterías de Litio-Ion

• Baterías de Níquel-Cadmio

• Baterías de Zinc-dióxido de Manganeso

Existe además otra importante forma de clasificación para las baterías

secundarias, que se dividen según su forma de construcción en:

• Baterías de bajo mantenimiento

• Baterías selladas

• Baterías cargadas en seco

• Baterías húmedas

• Baterías no selladas

El objeto de estudio de este trabajo de grado son las baterías secundarias

húmedas de plomo-ácido, utilizadas para el arranque de motores de vehículos a

gasolina. Son denominadas húmedas porque están llenas de electrolito líquido.

27

Las baterías que poseen electrolito líquido producen Hidrógeno y Oxígeno en los

electrodos durante el proceso de carga o formación. En las ventiladas los gases

escapan a la atmósfera y debe agregarse agua destilada al electrolito para que no

pierda sus características y mantenga su nivel nominal. En las baterías selladas al

producirse gasificación aumenta la presión y debe actuar una válvula no regulada;

la presión de liberación varía entre 2 psi y 5 psi.

El grupo de las baterías secundarias se subdivide a su vez en dos grupos. Esta

clasificación se hace dependiendo de la finalidad para la que son construidas las

baterías; los dos grupos son baterías de ciclo profundo y baterías de arranque.

Las primeras son baterías destinadas a ciclos de descarga profundos es decir,

aplicaciones en las que la batería debe descargarse hasta el 80% de su valor

nominal. Son baterías de alta potencia diseñadas por ejemplo, para la tracción de

vehículos eléctricos, requieren tasas rápidas de carga y su vida útil está

determinada por la corrosión de la rejilla que se da como consecuencia de los

procesos de carga y descarga.

El otro tipo de batería son las de arranque, diseñadas para el arranque de motores

de combustión interna que necesitan corrientes muy altas por cortos periodos de

tiempo; es decir que las baterías no se someten a descargas profundas sino a

pequeñas descargas momentáneas de entre 2% y 5% de su capacidad nominal

(Guanoluisa et al, 2008).

2.1.2 Principio de funcionamiento de una batería de plomo ácido.

El proceso químico ocurrido dentro de la batería de plomo ácido es un proceso

reversible. Al conectar la batería a una carga, ésta empieza a descargarse

entregando una corriente, por lo que para revertir el proceso debe hacerse circular

una corriente en sentido contrario a la de descarga.

En el momento que la batería entra en funcionamiento, es decir inicia un proceso

de descarga, se produce una reacción entre el dióxido de plomo de las placas

positivas, el plomo de las placas negativas y el ácido sulfúrico presente en el

electrolito. Los resultados de esta reacción son sulfato de plomo, agua y

lógicamente la energía liberada. Parte del sulfato de plomo se disuelve en el agua

y la parte restante se adhiere a las placas formando pequeños cristales.

28

Para llevar a cabo la carga de la batería, se pone a circular una corriente en

sentido contrario a la anterior. El resultado es que mediante un proceso

electroquímico el sulfato de plomo se disocia y se convierte nuevamente en

dióxido de plomo y plomo esponjoso para regresar a las placas positivas y

negativas respectivamente, gracias a la electrólisis del agua, ésta genera iones de

hidrogeno y oxigeno que se recombinan con los iones de sulfato para conformar

de nuevo ácido sulfúrico (Unitrode, 1999).

Las reacciones ocurridas se observan en las siguientes fórmulas:

En el electrodo positivo:

PbO2 + 3H+ + HSO4 + 2e

- ↔ PbSO4 + 2H2O (1.685V)

En el electrodo negativo:

Pb + HSO4 ↔ PbSO4 + H+ + 2e- (0.356V)

Para toda la celda:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 ↔ 2 PbSO4 + 2H2O (2.041V)

Al final de cada ecuación se expresa el voltaje generado por la reacción electroquímica en los electrodos de cada celda, el voltaje presente en la celda será igual a la suma del voltaje del electrodo positivo con el voltaje del electrodo negativo. 2.1.3 Componentes de una batería no sellada de plomo ácido. Las baterías no selladas de plomo ácido se componen de una serie de elementos que deben ser ensamblados en la línea de producción, en la Figura 1 se puede ver de qué manera se forman los componentes principales mediante la suma de componentes más pequeños.

29

Figura 1. Proceso de ensamblaje de una batería

(MAC, 2013)

La siguiente clasificación y descripción de los componentes de una batería no sellada de plomo ácido, se hace en base al Manual de fabricación de acumuladores (Nels, 1990) y al proceso de ensamblaje según (MAC, 2013).

2.1.3.1 Rejilla.

Es el soporte para los materiales activos que conducen la corriente. Están hechas

de una mezcla de plomo, calcio, plata y estaño, que crean una aleación que le

suministra características específicas a la rejilla. Tienen como función adicional

distribuir la corriente de forma uniforme en la placa.

Dependiendo del tipo de placa usado en la batería, las rejillas varían en su

construcción. Para placas empastadas, las rejillas son hechas de aleación de

plomo y cubiertas por una pasta de material activo.

Para placas tubulares las rejillas también se hacen de aleaciones de plomo ya que

el plomo por sí solo no es capaz de dar soporte al material activo.

30

En el caso de las placas en espiral las rejillas no son el soporte del material, por lo

que si se fabrican de plomo puro y brindan a la batería mejores propiedades de

conductividad y resistencia a la corrosión.

2.1.3.2 Placas.

Una celda está formada por la unión de placas positivas y negativas y su buen

funcionamiento y capacidad dependen de que se pueda aumentar el área de la

superficie de las placas y reducir al mínimo el desprendimiento de material activo.

Las placas se componen de las rejillas. Se impregnan con una pasta que conduce

la corriente, hecha de óxido de plomo y otros componentes.

Existen varios tipos de placas para baterías de plomo-ácido.

Placas Planté. Fueron propuestas por Gastón Planté. Debido a que la capacidad

de la batería depende del área superficial de la placa, las placas Planté son placas

planas de plomo puro que tienen surcos en su superficie para aumentar su área.

Para convertir el plomo puro en material activo, es decir peróxido de plomo se

sumerge la placa en una solución oxidante y se le proporciona una corriente,

generando así la formación de peróxido de plomo en las paredes de los surcos. La

Figura 2 muestra una placa Planté.

31

Figura 2. Placa Planté

(Nels, 1990)

Placas planas o Faure. Son las más típicas. Se monta una pasta del material

activo sobre las rejillas, la pasta llena todas las cavidades de la rejilla y al ser de

un material poroso actúa como una esponja y aumenta el área superficial, en las

placas positivas, se usa un sobre de polipropileno con fibra de vidrio absorbente

en su interior, lo que garantiza que la placa está siempre en contacto con el

electrolito.

La principal ventaja ofrecida por este tipo de placa radica en su alta capacidad

energética, sobre todo durante periodos cortos. Además tienen gran importancia

cuando son necesarios tamaño y peso reducidos. Su desventaja es que presenta

mayor desprendimiento del material que las tipo Planté.

Placas tubulares. Son fabricadas para baterías de ciclo profundo. Tienen una

estructura en forma de marco con columnas conectadas por un terminal común.

32

Placas en espiral. Son placas largas enrolladas conjuntamente con el separador,

por lo que hay mayor superficie de placa en contacto con el electrolito, es decir

que estas placas ofrecen una ventaja sobre otras.

Placas positivas.

Compuestas de peróxido o dióxido de plomo. Es un material de alta porosidad

para que los electrolitos penetren libremente.

Placas negativas.

Compuestas por plomo esponjoso. Al momento de fabricar estas placas se usan

sustancias que impiden que el plomo se solidifique y la batería pierda vida útil.

2.1.3.3 Separadores.

Tienen varias funciones, la principal es que las placas positivas no entren en

contacto con las placas negativas, en segundo lugar evitan la formación de

ramificaciones de plomo en las placas negativas que podrían llegar hasta las

placas positivas formando cortocircuitos.

En la construcción de separadores debe tenerse en cuenta que éstos permitan la

libre circulación del electrolito. Generalmente son de PVC, plásticos microporosos,

fibra de vidrio y otros materiales porosos.

Los separadores tienen un lado liso y otro ranurado, el lado liso está en contacto

directo con la placa negativa y evita el crecimiento de ramificaciones o “árboles de

plomo” en esta placa. Por su parte el lado ranurado sirve para permitir mejor

circulación del electrolito en el lado de la placa positiva, además, como el peróxido

de plomo es oxidante, se busca reducir la superficie de contacto entre la placa y el

separador para no dañarlo.

La Figura 3 muestra un deparador fabricado en plástico del tipo sobre, similar a los

utilizados en la empresa Productora Nacional de Metales.

33

Figura 3. Separador plástico tipo sobre

(MAC, 2013)

2.1.3.4 Electrolito.

Sirve como medio conductor entre los componentes internos de la batería.

Particularmente en las baterías de plomo ácido, el electrolito es una solución de

ácido sulfúrico en agua desmineralizada en proporciones de 64 partes de agua por

36 de ácido.

El ácido y el agua deben ser químicamente puros para evitar sustancias

indeseables en el electrolito que causarán acumulación de materias extrañas

sobre las placas, reduciendo su vida útil.

El ácido sulfúrico químicamente puro tiene una densidad relativa de 1.84 g/cm3, es

decir que pesa 1.84 veces lo que pesa el agua.

Densidad del electrolito.

Cuando una celda se encuentra completamente cargada, la densidad del

electrolito no debe ser mayor a 1.210 para placas Planté y no mayor a 1.300 para

placas empastadas. Si la densidad está por debajo de 1.100 la fuerza

electromotriz de las celdas irá disminuyendo poco a poco. (Nels, 1990)

Para baterías portátiles el margen de densidad está entre 1.280 para una celda

cargada y 1.130 para una descargada. En Tabla 1 se muestran las proporciones

usadas:

34

Tabla 1. Partes de Agua por una parte de Ácido

Densidad Por Volumen Por Peso

1.200 4.3 2.4

1.210 4.0 2.2

1.240 3.4 1.9

1.280 2.75 1.5

(Nels, 1990)

Variación de la densidad del electrolito.

Al cargar la batería el electrolito cede oxígeno a la placa positiva y los iones de

sulfato se retiran de la placa negativa.

El oxígeno cedido por el electrolito a la placa positiva se obtiene de los iones de

oxígeno del agua, es decir que quedó libre el ion de hidrógeno que contiene la

misma, el hidrógeno resultante se combina con los iones de sulfato retirados de la

placa negativa y forman ácido sulfúrico.

Para resumir un poco se puede decir que durante la carga de la batería, el

electrolito cede agua y forma ácido sulfúrico, lo que causa un cambio en la

concentración de la solución.

En el proceso de descarga la densidad decrece debido a que el ácido presente en

la solución se introduce en los poros de las placas negativas. Por esta razón la

densidad electrolítica es un indicador muy bueno para conocer el estado de carga

de una batería (Nels, 1990).

2.1.3.5 Caja.

De fabricación en plástico, almacena todos los componentes de la batería. Incluye

los bornes que son los terminales de conexión.

La Figura 4 muestra una caja de batería no sellada, se observan las celdas donde

deben instalarse los grupos de placas positivas y negativas.

35

Figura 4. Caja de una batería

(MAC, 2013)

2.2 TIPOS DE CONEXIONES

Los tipos de conexión de bancos de baterías son muy importantes, ya que cada

uno de ellos posee unas características tanto favorables como negativas, las

cuales son usadas a conveniencia para el objetivo que se pretende alcanzar. A

continuación se habla de dichos tipos de conexión.

2.2.1 Conexión en paralelo.

Las baterías pueden conectarse en paralelo, estas deben ser del mismo

fabricante, tipo, edad, voltaje y capacidad. Para realizar dicha conexión, los

conectores de cada batería presentan una pequeña resistencia, al igual que los

cables que las unen, esta resistencia es muy pequeña si se realiza un buen

montaje tanto en conectores como en el tipo de cable, de igual forma las baterías

poseen un valor de resistencia interno, es decir una oposición al flujo de corriente

el cual es de 0.02 ohmios.

Por tal razón, en este tipo de conexión, a medida que se agregan baterías al

banco de carga o se aumenten conectores a cada batería, desde la carga hasta

sus polos, su aporte de corriente será menor; Esto nos lleva a concluir que durante

el periodo de carga formativa del banco de baterías sucede exactamente lo

mismo, la batería más cercana al cargador recibe mayor corriente que la más

36

lejana, este gran desbalance da como resultado que la batería más cercana

trabaje mucho más que las demás teniendo más posibilidad de falla.

Para lograr un banco balanceado de baterías en paralelo, es importante que todos

los cables de cada conector, de cada batería que van a un punto común, sean

necesariamente del mismo calibre y tamaño; procurando la mínima distancia

posible.

La mayor ventaja que provee la conexión en paralelo es en caso de falla de una

batería, una celda este abierta por ejemplo, la batería dañada queda

desconectada y por tal razón cada ramal o batería es independiente una de la

otra. La Figura 5 muestra la conexión en paralelo.

Figura 5. Conexión de un banco de baterías en paralelo

(MAC, 2013)

2.2.2 Conexión en serie.

Para realizar este tipo de conexión en serie las baterías deben ser del mismo

fabricante, tipo, edad, voltaje y capacidad. La cantidad total de baterías que

pueden llegar a ser conectadas depende de la proporción de voltaje del cargador.

Por otra parte, los cables que conectan a una entre otra se debe asegurar que

37

sean del mismo calibre, tamaño y lo más cortos posible, esto es con el fin de evitar

caídas de voltaje innecesarias y perjudiciales para el proceso de carga.

La mayor ventaja de este tipo de conexión en serie es que brinda una mayor

facilidad de carga debido a que se aplica la misma cantidad de corriente a cada

celda de cada batería, pero su desventaja radica en que si llegase a haber un

daño en una de ellas, se pararía el proceso debido a que se abre la serie.

En cuanto a la capacidad eléctrica (Ah) de la serie, ésta es igual a la capacidad

eléctrica de cada una de las baterías. El término capacidad eléctrica se refiere a la

habilidad de una batería para entregar una cantidad específica de electricidad en

una proporción dada sobre un periodo de tiempo. (MAC, 2012).

Figura 6. Conexión de baterías en serie

(MAC, 2013)

Este es el tipo de conexión que se implementa en el cargador diseñado para este

proyecto, ya que permite controlar la corriente y realizar variaciones en ella para

mejorar el proceso de carga, además es la conexión usada por la empresa para la

cual se diseña este dispositivo. Este tipo de conexión se observa en la Figura 6.

38

39

3. MÉTODOS DE CARGA PARA ACUMULADORES DE ENERGÍA

3.1 ESTADO DEL ARTE

La tecnológica de cargadores para baterías de plomo acido ha sufrido numerosos

cambios tanto en electrónica como en algoritmo en la última década, esto se debe

a que el mundo está en un constante avance y la industria exige menores tiempo

de producción y mayor calidad en sus procesos ocasionado por la demanda.

Según Cheng y Chen (2002), ya se hablaba de cargadores de alta eficiencia para

baterías de ácido plomo en el año 2002, estos contaban con alta eficiencia de

carga durante cortos periodos de tiempo. Para esta época eran ampliamente

conocidos y utilizados los métodos de corriente constante y voltaje constante,

puestos en práctica por separado. Sin embargo ya se empezaba a incursionar en

otras técnicas, como el método de carga por pulsos, que garantiza hasta un 94.3%

de eficiencia de carga y consiste en intercalar pulsos de carga con pulsos cortos y

profundos de descarga.

El trabajo de Cheng y Chen (2002) describe un circuito en el que son utilizados

dos transistores MOSFET conectados en configuración de rectificador síncrono,

además, el circuito posee un inductor y un capacitor que actúan como filtros. Se

propone un conversor de potencia bidireccional que permite transferencia de

energía entre la fuente de poder y la línea de baterías. Para lograr la regulación de

voltaje se controla el ciclo de trabajo de los transistores MOSFET.

El cargador rápido propuesto por Cheng y Chen (2002) alcanza una eficiencia de

carga del 94.3% y logra llevar las baterías desde su estado de descarga hasta un

50% de carga en un período de 10 minutos.

Según (Álvarez et al, 2003), en el año 2003 se encuentran cargadores con

tecnología completamente digital que incluyen estrategias de carga rápida a través

de la combinación de periodos de carga con alta corriente, con periodos de carga

con corriente pulsante. Al mismo tiempo estos cargadores incluyeron sistemas de

adquisición de datos para monitorear variables como el estado de carga y el

histórico de cargas y descargas de la batería. Resalta la importancia del sistema

de adquisición de datos ya que éste permite involucrar variables que antes no se

40

tenían en cuenta pero que afectan el proceso directamente, como por ejemplo la

variación de temperatura, densidad de electrolito y su variación en el tiempo, entre

otras.

El cargador desarrollado por Álvarez et al (2003) se compone a grandes rasgos de

una fuente de poder, un sistema de adquisición de datos y un sistema de control

de carga. El sistema de adquisición de datos recibió especial atención en el

proyecto de Álvarez et al (2003), éste fue implementado en una FPGA.

La estrategia de carga sigue un patrón planteado en el documento, que consiste

en entregar una alta corriente constante a las baterías, hasta que éstas alcanzan

el 80% de su carga, a partir de ahí el cargador suministra pulsos una duración

determinada, a intervalos de 1 segundo; hasta que las baterías alcanzan el 100%

de su carga.

Álvarez et al (2003) monitorean los ciclos de carga y descarga de las baterías

gracias al sistema de adquisición de datos, con esto logran calcular la capacidad

real de la batería al momento de ser cargada.

Paralelamente el control difuso ganó popularidad en la industria, según

(Guacaneme et al, 2003), para el control de procesos no lineales, gracias a la

simplicidad de implementación y robustez. El algoritmo de control difuso divide el

proceso en dos etapas, en la primera, el voltaje se mantiene por debajo de un

máximo valor permitido según el tipo de batería mientras que la corriente se regula

a un valor relacionado con la capacidad de la batería.

El cargador implementado por Guacaneme et al (2003) carga una batería de 12V y

7Ah, y los investigadores concluyen que es de suma importancia realizar un

filtrado en la etapa de potencia, además de utilizar un microcontrolador de

capacidad superior al MC68HC908JK3; a pesar de que se logró reducir el tiempo

de carga en un 50%.

Gracias a los distintos avances en materia de componentes electrónicos, en el año

2006, acorde al trabajo de (Chiu et al, 2006), tecnologías de cargadores con

circuitos mucho más sencillos y de menor tamaño, hacen su aparición. Sin

sacrificar los tiempos de carga y la eficiencia del proceso, ahora además se busca

una mejora en la vida útil de las baterías. Para lograr esto, se usan pulsos de

corriente negativos que permiten una reacción menos brusca en el electrolito, lo

que se traduce en menor aumento de la temperatura interna de la batería. Chiu et

41

al (2006) obtienen un cargador con topología de medio puente asimétrico con

corrección de factor de potencia; el cargador desarrollado mantiene baja

temperatura en las baterías.

Después de varios avances centrados en las baterías, la industria se preocupó por

utilizar la energía de un modo más eficiente. Fue así como según (Wang y

Chuang, 2007), surgieron cargadores que tuvieron en cuenta problemas de

sobrecarga y que mejoraron la utilización de la corriente de salida, después de un

pulso negativo la corriente se aprovecha para el pulso positivo.

El circuito propuesto y desarrollado por Wang y Chuang (2007) incluye una fuente

de poder, tres conversores y un generador de pulsos controlados por corriente y

un microprocesador PIC. El trabajo logra reducir variaciones de voltaje en la línea

de carga gracias al esquema de corrientes multifase, que aprovecha los pulsos

negativos para ser usados en la siguiente fase de carga.

Una nueva etapa fue incluida en cargadores más modernos, el uso de pulsos de

frecuencia superimpuesta prologa aún más la vida útil de las baterías, de acuerdo

con estudios realizados por (Jiramoree et al, 2011). El proceso ahora se divide en

tres etapas empezando por los mencionados pulsos, seguidos de una etapa de

corriente constante y finalizando con una de voltaje constante. Para generar los

pulsos de frecuencia superimpuesta se utiliza un conversor multinivel dc a dc que

tiene como objetivo evitar la sulfatación de las placas.

3.2 TÉCNICAS DE CARGA

Existen diversas técnicas para lograr cargas formativas y recuperativas, las cuales tienen un fin: recuperar o darle el 100% de efectividad a las baterías o acumuladores, pero cabe recordar que las baterías no son 100% eficientes, se pierde cierta cantidad de energía en forma de calor y reacciones químicas que ocurren dentro del acumulador durante el proceso de carga. Tasas de carga y descarga lentas son las más eficientes en ellas. (Northern Arizona Wind & Sun, 2014).

Entre el 85% y 95% de eficiencia se encuentran las baterías de ácido plomo

(Guanoluisa et al, 2008), a partir de su carga formativa y con el transcurso del

tiempo y su uso, su vida útil disminuye, de igual forma su porcentaje de eficiencia

hasta tal punto que ya una carga recuperativa no es admitida por el acumulador,

siendo así ya una batería fuera de servicio.

42

Cualquier técnica de carga en baterías de ácido plomo, se relaciona directamente

con las variables de temperatura, gasificación, voltaje y corriente aplicadas.

(Guanoluisa et al, 2008).

3.2.1 Carga con voltaje constante.

Teóricamente este es uno de los métodos más convenientes de carga y es muy

comúnmente usado en la industria para realizar carga de baterías de ácido plomo.

“Las celdas de la batería dividen la tensión y ecualizan la carga entre ellas. Es

muy importante restringir la corriente inicial de carga para evitar que dañe la

batería” (Guanoluisa et al, 2008).

Este tipo de cargadores, suministran una alta corriente al inicio del proceso de carga de la batería, debido a la gran diferencia de potencial entre la batería descargada y el cargador (14V por batería, es decir para una batería de 6 celdas, 2.4V por cada una). En la carga de tensión constante, la corriente de carga inicial es normalmente alta, lo cual produce un efecto de calentamiento el cual puede dañar la placa y reducir la vida útil de las baterías ensambladas. (Battery FAQ, 2014). Ya que la batería se carga, su voltaje incrementa rápido haciendo que se reduzca

la diferencia de potencial que suministra corriente con el correspondiente

decremento de la corriente de carga.

Aun cuando la batería alcance rápidamente su carga parcial, para completar el periodo de carga, se requiere prolongar el proceso. (Battery FAQ, 2014)

3.2.2 Carga con corriente constante

Este tipo de técnica, entrega una corriente relativamente uniforme. Estos

cargadores no consideran el estado de carga de la batería. Ayudan a eliminar los

desbalances de las celdas y baterías conectadas en serie.

Estos cargadores son muy buenos para obtener una carga completa de la batería

o un alto porcentaje de eficiencia, pero en su proceso de carga se producen altas

tasas de escape de gas (Guanoluisa et al, 2008). Se deben evitar sobrecargas de

las baterías y las altas temperaturas, las cuales producen daños en las baterías,

43

oxidación de los bornes especialmente el positivo, esto se evita regulando la

corriente que suministra y hallando un valor adecuado de esta; una vez llegado a

una carga completa, suministrar carga a la batería produce sobrecarga en las

celdas. (O´Connor, 2012).

3.2.3 Flotación.

La técnica de flotación, es usada con el fin de mantener constante la carga de una batería y evitar su auto descarga una vez que se halla cargado totalmente. Consiste en aplicar un voltaje constante a los terminales de la batería (entre 0.2V y 0.6V adicionales al voltaje de la batería cargada totalmente). Este voltaje permite entregar una corriente alrededor del 1% o menos de la capacidad de la batería. (O´Connor, 2012).

Esta técnica es usada en los cargadores que se encuentran implícitos en los

respaldos de energía. Se debe tener en cuenta el valor de temperatura de la

batería, ya que su incremento se debe a que la energía de carga genera calor en

el interior de la batería mayor al que la misma puede disipar, ocasionando fallas en

las celdas, acortando vida útil.

3.2.4 Sobrecarga.

La sobrecarga es parte de un proceso de carga en la cual se aplican elevadas

corrientes o voltajes a la batería durante un largo periodo de tiempo, esto genera

en ellas demasiada oxidación en las rejillas positivas lo que produce que se pierda

vida útil, produce de igual forma incremento rápido de temperatura provocando

gasificación en su interior.

La sobrecarga puede ser detectada y corregida si se tiene un buen sistema de

monitoreo, ya sea detectando voltaje o monitoreando la temperatura de la batería.

44

45

4. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA SECCIÓN DE POTENCIA DEL CIC3

El diseño del cargador se dividió en dos secciones. Una sección de potencia que comprende los elementos conectados a alto voltaje y que funcionan a altas corrientes, además de los elementos cuyas funciones se relacionan directamente con el manejo de la carga, como los módulos de semiconductores de potencia. La otra sección corresponde a los elementos de control, siendo estos todos los elementos que funcionan con pequeñas corrientes y voltajes de alimentación, y que pueden ser catalogados como circuitos lógicos análogos o digitales como por ejemplo la tarjeta y los sensores utilizados para realimentar las señales necesarias de control. En la Figura 8 se observa el circuito completo que conforma el cargador. Este capítulo está centrado específicamente en el diseño, selección e implementación de los elementos de la sección de potencia. Figura 7. Sección de potencia

La Figura 7 muestra de manera gráfica la relación entre los distintos componentes de la sección de potencia, y muestra el orden en el que estos forman parte del proceso, desde el momento que se conectan a la red eléctrica hasta que se cierra el circuito con el banco de baterías.

46

Figura 8. Circuito completo cargador CIC3.

47

4.1 ALIMENTACIÓN DEL CARGADOR Cuando se habla de la alimentación del cargador, el documento se refiere a la forma en que el dispositivo conocido como cargador se conecta a la red de energía eléctrica pública. Se cuenta con una red eléctrica de 370VRMS los cuales son suministrados por la empresa de energía, estos 370V pasan al circuito del cargador mediante un transformador, lo que significa que hay un aislamiento entre la red eléctrica pública y el cargador de baterías. Sólo el cargador hace uso de este transformador y eso garantiza que no hay más equipos consumiendo energía de esta derivación. Cálculos etapa de potencia. Para garantizar la correcta operación del cargador deben seleccionarse cuidadosamente los elementos que harán parte de éste, a continuación se describen los cálculos necesarios para obtener los parámetros mínimos y máximos que deben cumplir los elementos de la etapa de potencia. Según el algoritmo de carga a implementar, el voltaje de ecualización debe ser mayor en 3V al voltaje de las baterías a cargar, visto como Vcc en la ecuación siguiente, por tanto:

Para un banco de 10 baterías en serie: En el proceso de carga actual, las baterías se cargan a 5A durante 36 horas, por lo que su capacidad corresponde a:

48

Tabla 2. Relación de la corriente de carga con el tiempo que dura la misma

Tiempo de carga (horas) Corriente (A)

8 22,5

12 15

20 9

24 7,5

30 6

36 5

La Tabla 2 muestra la corriente que debe suministrarse al banco de baterías según el tiempo que se espera dure el proceso de carga, en base a esta tabla, se establece un tiempo de carga de 24 horas para evitar la necesidad de corrientes más altas que pueden resultar en sobrecalentamiento de las baterías. En el proceso que se pretende realizar, se quiere cargar el banco de baterías en 24 horas, para ello entonces se determina una corriente de carga igual a:

Voltaje de salida en función del ángulo de disparo. Este voltaje se refiere al máximo voltaje que se puede lograr, suponiendo que el ángulo de disparo es igual a 0 grados.

√

√

Para el cálculo del ángulo de disparo mínimo se tiene:

√

49

√

Tabla 3. Parámetros calculados

Vec 150V

Corriente de carga 8 A

Voltaje según el ángulo de disparo 166,63V

Ángulo de disparo mínimo 30,61º

La Tabla 3 muestra los parámetros obtenidos mediante los cálculos de la sección anterior del documento. 4.3 PUENTE RECTIFICADOR SEMICONTROLADO El puente rectificador es un regulador de corriente directa de onda completa formado por una conexión de dos diodos y dos SCR en forma de puente como muestra la Figura 9. Figura 9. Puente rectificador semicontrolado

(Rashid et al. 2004) El uso de SCR da al puente la característica de ser semicontrolado debido a que estos dispositivos poseen un pin llamado ‘compuerta’ el cual permite controlar su

50

funcionamiento, es decir ponerlos en conducción en el momento deseado. Este control se ve reflejado en su forma de onda rectificada a la salida o su nivel de DC. El control que se realiza gracias a la compuerta permite variar el ángulo de disparo entre 0º y 180º usando alimentación de corriente alterna. Para el diseño del puente de este proyecto se deben tener en cuenta características como la alimentación del cargador, es decir 370VRMS y la máxima corriente a la que va trabajar éste. Para este cargador fueron seleccionados los siguientes módulos de semiconductores de potencia: 4.3.1 Módulo de diodos. El Modulo de diodo SKKD 81 (Semikron, 2009) es usado es aplicaciones de potencia, cuenta con dos diodos internos, en la parte inferior posee una base metálica aislada con cerámica que funciona como disipador de calor y uniones soldadas fuertemente. El encapsulado se muestra en la Figura 10.

Figura 10. Módulo de diodos SKKD 81

(Semikron, 2009)

Es usado en aplicaciones como rectificador de línea para control de motores AC y para puentes rectificadores no controlados.

51

Figura 11. Esquemático SKKD 81

(Semikron, 2009)

Sus características eléctricas son:

Voltaje RMS máximo 1700 Voltios.

Corriente en directa a través del diodo de 300 Amperios.

Corriente en inversa a 125 grados centígrados 4.5mA. Este módulo es un elemento de potencia diseñado para trabajos fuertes por su robustez. Los cálculos usados para su selección son basados en la corriente eficaz, la corriente media y el voltaje pico inverso que debe soportar el elemento. La corriente eficaz. Es la corriente eficaz que puede pasar por el puente semicontrolado.

√

√

La corriente media. La corriente media es la mitad de la máxima corriente de carga que circulará por el elemento, si la corriente máxima de carga es 10A, entonces la corriente media será 5A. En este caso la corriente máxima de carga está limitada por la ausencia de un sistema de refrigeración, ya que con corrientes más altas es posible causar recalentamiento en las baterías.

Voltaje pico inverso.

√

√ Voltaje pico inverso máximo.

√

52

Tabla 4. Parámetros de selección para el módulo de diodos

Corriente eficaz IRMS 5.66 A Voltaje pico inverso 235.6 V

Voltaje pico inverso máximo 471,3 V

La Tabla 4 resume los parámetros calculados, usados para seleccionar el módulo de diodos más adecuado para su implementación en el CIC3. 4.3.2 Módulo SCR. El módulo de SCR SKKT 92/12E (Semikron, 2004) cuenta con dos SCR para ser usados en aplicaciones de potencia, una base metálica con aislamiento de cerámica que funciona como disipador de calor y uniones fuertemente soldadas para alta confiabilidad. La Figura 12 muestra el módulo de SCR.

Figura 12. Módulo SKKT 92/12E

(Semikron, 2004)

Diagrama de conexión interna:

Figura 13. Esquemático SKKT 92/12E

(Semikron, 2004)

53

Las características eléctricas son:

Voltaje RMS de 1.300 voltios.

Corriente en directa promedio 95A a 85 grados centígrados.

Corriente en inversa a 125 grados centígrados 20mA. Los SCR son dispositivos similares a un diodo común, su diferencia es que éstos a través de un terminal llamado compuerta permiten controlar el momento en el que se ponen en conducción. La compuerta tiene parámetros especiales de funcionamiento, que son:

Voltaje de compuerta mínimo 3 voltios.

Corriente de compuerta mínimo 150mA.

Tiempo que debe mantenerse el voltaje de compuerta, 1µs. Su proceso de selección se hizo de la misma forma que el proceso para seleccionar los diodos de potencia que junto con los SCR conforman el puente rectificador semicontrolado. La corriente eficaz. Es la corriente eficaz que puede pasar por el puente semicontrolado.

√

√

La corriente media. La corriente media es la mitad de la máxima corriente de carga que circulará por el elemento, si la corriente máxima es 10A, entonces la corriente media será 5A. El no contar con un sistema de refrigeración, limita la corriente máxima de carga, ya que con corrientes más altas es posible causar recalentamiento en las baterías.

Voltaje pico inverso.

√

√

54

Voltaje pico inverso máximo.

√

Tabla 5. Parámetros de selección para el módulo SCR

Corriente eficaz IRMS 5.66 A Voltaje pico inverso 235.6 V

Voltaje pico inverso máximo 471,3 V

La Tabla 5 muestra los parámetros usados para seleccionar el módulo SCR más adecuado para ser implementado en el CIC3. 4.4 TRANSFORMADOR DE ALIMENTACIÓN Y AISLAMIENTO DE LA

TARJETA DE CONTROL Un transformador es un dispositivo electromagnético estático que recibe un voltaje de corriente alterna en su entrada y entrega igualmente un voltaje de corriente alterna, distinto, ya sea menor o mayor que el que recibe a la entrada. El transformador usado en el presente proyecto es un transformador de aislamiento que cuenta con un voltaje de 370VRMS en el primario y lo transforma a 24VRMS, que se miden en el secundario.

Figura 14. Transformador de alimentación 370V a 24V

55

Su función es aislar el alto voltaje procedente de la alimentación del cargador y transformar este a un voltaje de 24VRMS, que se usarán para alimentar los circuitos de control. El voltaje observado en el secundario del transformador se rectifica posteriormente usando una pareja de diodos y adicionalmente se regula para obtener un voltaje DC de alimentación. En la Figura 15 se observa cómo el voltaje resultante en el secundario del transformador es rectificado por la pareja de diodos 1N4004 en conjunto con un condensador de 470µF. Los 24 voltios del secundario corresponden a su nivel RMS lo que significa que son en realidad 33,9Vp, este voltaje se normaliza usando un regulador LM7824 y posteriormente un regulador LM7805 cuya salida es de 5V y tiene como función alimentar los diferentes elementos que funcionan con este nivel de tensión.

Figura 15. Rectificación y regulación para voltaje de 5V

4.5 PROTECCIONES Son todos los elementos que tienen como función prevenir daños en los elementos que hacen parte del cargador en caso de falla. 4.5.1 Red Snubber. Las redes snubber son utilizadas para protección de los circuitos diseñados para manejar cargas inductivas, en el caso de las baterías, éstas son cargas resistivas, pero el uso del inductor de choque, obliga a conectar la red Snubber. Estas redes se utilizan con el fin de suprimir transitorios indeseables y eliminar problemas en los circuitos de conmutación con elementos inductivos y capacitivos. La conmutación en estos dispositivos suelen producir interferencias electromagnéticas que afectan a otros equipos y si no son eliminadas las sobre

56

tensiones transitorias se pueden exceder los límites de los dispositivos y producir su degradación o destrucción.

Figura 16. Red Snubber de protección MOC3021 y SCR de potencia

(Motorola, 2004)

La red snubber implementada es la recomendada por el fabricante del optoacoplador, ésta funciona para los valores de diodo y TRIAC de salida de este elemento en particular. Se ve en la Figura 16. 4.5.2 Fusibles. Los fusibles son elementos de protección, diseñados con la finalidad de que una corriente demasiado alta no pueda atravesar los circuitos generando daños. Están fabricados con materiales que después de determinado valor de corriente se funden, comportándose el fusible como una sección de circuito abierto. Los elementos se funden debido al calor excesivo producto de una determinada corriente superior a su valor permitido. 4.5.2.1 Fusible protección semiconductores. El cargador cuenta con un fusible de la referencia A70P40-4 (Mersen, 2008) especial para protección de semiconductores. Este fusible está desarrollado para aplicaciones con manejo de altos voltajes AC y DC, sistemas de UPS, arrancadores de motor de voltaje reducido y aplicaciones similares. Entre sus ventajas destaca que son de acción rápida.

57

Figura 17. Fusible protección semiconductores

(Mersen, 2008)

El fusible corresponde a FUSIBLE1 y va ubicado en serie con la salida del puente rectificador, como muestra la Figura 18.

Figura 18. Ubicación del fusible en la sección de potencia

58

La corriente de fusión para esta referencia es de 40A, se selecciona ésta corriente debido a que garantiza la posibilidad de aumentar la corriente de carga en un futuro, en caso de que la empresa implemente sistemas de refrigeración activos. Sin embargo para la implementación actual no es deseado entregar niveles de corriente superiores, al banco de baterías; siendo 10A la máxima corriente de carga. 4.5.2.2 Fusible de protección para las baterías. Además del fusible de protección para semiconductores, se usa otro fusible en serie después del inductor de choque del que se habla en la sección 4.6, justo antes de enviar la línea a las baterías. Este fusible posee la misma corriente de fusión que FUSIBLE1, lo que permite proteger las baterías del banco ante posibles subidas de corriente, o en caso de que el primer fusible no se accione de manera correcta.

Figura 19. Fusible de protección de baterías

La corriente de fusión en este elemento es de 40A, se selecciona ésta corriente por la razón mencionada antes ya que pueden existir picos de corriente que afecten a las baterías. Este fusible, llamado FUSIBLE2, se observa en la Figura 18. 4.6 INDUCTOR DE CHOQUE La función del inductor en el cargador es la de filtrar la señal de salida para evitar entregar a las baterías picos de corriente demasiado pronunciados, estos picos afectan la vida útil de las baterías y por tanto son indeseados.

59

Los inductores de choque están diseñados para tener alta reactancia a una frecuencia o rango de frecuencias determinado, de esta manera realizan el filtrado, y por tanto al banco de baterías se entrega una corriente continua. Para el cálculo del inductor se debe determinar el ángulo para el cual la corriente

llega a su valor máximo dentro del intervalo . Es necesario derivar la corriente en el intervalo e igualarla a cero. En la Figura 20 se muestra la malla a partir de la cual se hace éste cálculo. Figura 20. Inductor en sección de potencia.

{√

[

√ ]}

√

[

(

√ )]

√

[

√ ]

60

√

[

√ ]

√

√

√

Según las características de las baterías que se requiere cargar, el máximo rizado permitido es del 40% aproximadamente, este rizado no llega a afectar la vida útil de las baterías además de que permite obtener un valor de inductancia de tamaño y peso razonables (Guanoluisa et al, 2008).

Para el cálculo de la bobina entonces .

√

[

√ ]

√

[

√ ]

√

[

√ ]

√

[

√

]

Dadas las características del inductor, fue necesaria su fabricación. La empresa El Wattio ubicada en Bogotá fabricó el inductor utilizado en el proyecto.

61

4.7 CONTACTOR Los contactores son elementos con la tarea específica de cerrar sus contactos al momento de ser energizada una bobina que funciona como electroimán y atrae la placa metálica que cierra el contacto eléctrico. La bobina se encuentra en los terminales A1 y A2 de la Figura 21, al igual que físicamente en el contactor; y, dependiendo del tipo de contactor existen contactos principales que tienen como finalidad abrir o cerrar el circuito de potencia, además existen contactos auxiliares normalmente abiertos o normalmente cerrados que el usuario puede conectar dependiendo de su necesidad.

Figura 21. Esquemático del contactor

(ABB, 2011)

En este proyecto es utilizado un contactor LG CH7.5N (Electricidad Lynch, 2014), debido a que estaba disponible en la industria para la cual se desarrolla este proyecto, además de que cumple con las características necesarias. En los contactos principales se conecta la red de alimentación externa de 370V AC, la bobina es energizada a 120V a través de un switch externo, de esta forma se controla el encendido y apagado de la bandeja principal del cargador.

Figura 22. Contactor LG

62

63

5. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA SECCIÓN DE CONTROL

DEL CIC3

Como se mencionó en el capítulo anterior, para abordar el diseño e implementación del cargador, éste se dividió en dos secciones. Una sección de potencia de la que se habló en el Capítulo 4 y la sección correspondiente a los elementos de control, siendo estos todos los elementos que funcionan con pequeñas corrientes y voltajes de alimentación y que pueden ser catalogados como circuitos lógicos análogos o digitales como por ejemplo la tarjeta de desarrollo Arduino y los sensores utilizados para realimentar las variables necesarias. Este capítulo está centrado en el diseño, selección e implementación de los elementos de la sección de control. El sistema de control que se implementa, tiene entre sus componentes principales el uso de sensores y circuitos externos de control y detección. De igual forma las señales hacen parte del dispositivo final, ya que a través de su visualización, muestran cómo va evolucionando el proceso de carga. La Figura 23 representa la sección de control abordada desde el punto de vista de un sistema electrónico.

Figura 23. Sección de control

64

5.1 ALGORITMO IMPLEMENTADO EN EL CIC3 O CARGADOR INDUSTRIAL

CON CONTROL DE LA CURVA DE CARGA

Las baterías que se pretende cargar son baterías de plomo ácido de 12V y 180Ah,

aunque éstas pueden variar en algunas de sus características, como la capacidad.

Sin embargo se debe resaltar que, de ser necesario cargar baterías con

características distintas a las mencionadas, se deben hacer cambios en el

algoritmo de carga. Principalmente en los valores establecidos como referencia

para que el cargador realice la transición entre etapas de forma correcta.

Han sido probadas técnicas de carga que combinan algunas de las descritas

anteriormente, obteniendo buenos resultados. Para la ejecución del algoritmo

usado por el CIC3 lo que se hizo fue dividir el proceso de carga en cuatro etapas

donde cada una de éstas cumple una función específica, empezando por una

etapa donde se entrega a la batería una corriente baja durante un corto periodo de

tiempo y finalizando en la etapa de flotación que busca evitar la autodescarga de

la batería. La decisión de dividir el proceso en cuatro etapas se tomó teniendo en

cuenta trabajos previos, como los realizados por (Guanoluisa et al, 2008) y

(Jiramoree et al, 2011). En los que los resultados cumplen con los objetivos de sus

diseñadores.

Como resultado del trabajo investigativo se llega a la conclusión de que los

métodos de carga combinados han demostrado ser más efectivos que los que

usan una sola técnica, esto debido a que sacan provecho de las ventajas que

ofrece cada técnica y al combinarlas, se tienen todas estas ventajas combinadas

en un solo algoritmo de carga. La Figura 24 ilustra en un diagrama de bloques las

distintas etapas que componen el algoritmo.

Figura 24. Diagrama de bloques del algoritmo implementado

65

A continuación se describen las cuatro etapas con las que cuenta el cargador.

5.1.1 Carga con corriente mínima.

Esta etapa funciona como una etapa de seguridad en la que se busca garantizar

que las baterías inician el proceso de carga con su nivel ideal de carga. A pesar de

que el CIC3 es un cargador diseñado para la carga formativa de baterías y éstas

no deben haber sufrido descargas profundas antes de ser cargadas nuevamente;

es posible que por alguna razón las baterías estén por debajo del nivel nominal de

descarga.

Durante la etapa de corriente mínima se suministra una pequeña corriente de

aproximadamente dos amperios constantes a las baterías hasta que alcancen un

voltaje de descarga normal.

Si las baterías ya se encuentran en el nivel de voltaje correcto antes de empezar

el proceso de carga, el cargador ha de ignorar esta etapa y procede con la

siguiente.

5.1.2 Carga máxima.

Esta etapa sigue inmediatamente después de la etapa de carga mínima y busca

lograr entregar la máxima cantidad de energía a las baterías del banco, para

alcanzar el 80% de su carga.

En esta etapa el cargador proporciona una corriente constante de diez amperios y

el voltaje en las baterías aumenta a medida que reciben la corriente, en el

momento que el voltaje de las baterías sea de al menos 12.5V el cargador toma la

decisión de finalizar la etapa dos y dar paso a la tercera etapa.

5.1.3 Sobrecarga controlada con voltaje constante.

Al finalizar la etapa de carga máxima el cargador ahora está listo para iniciar la

etapa de sobrecarga controlada con voltaje constante. En ésta el objetivo es lograr

mantener un voltaje constante en las baterías, más alto que el voltaje nominal de

las mismas, que continúan absorbiendo energía mientras la corriente disminuye

66

desde los diez amperios de la etapa anterior hasta aproximadamente un décimo

de este valor, es decir un amperio.

Durante esta etapa se espera que las baterías adquieran el 20% de carga restante

pero debe ponerse especial atención a los cambios de temperatura en el tiempo

que dure esta fase ya que al estar cargando la batería con voltajes superiores es

posible que se presente sobrecalentamiento, sin embargo es normal que se

presente un burbujeo en el electrolito indicando que la batería se encuentra entre

el 85% y el 90% de carga.

En el caso de que la temperatura supere los 53ºC el cargador disminuye el ángulo

de disparo al mínimo, es decir que reduce la corriente de carga hasta su mínimo

valor. Conviene hacerlo de esta manera ya que no existe en la empresa un

sistema de enfriamiento sino que deben dejarse enfriar las baterías por si solas a

temperatura ambiente.

5.1.4 Flotación.

Finalmente se ejecuta una etapa de flotación determinada por tiempo, esta etapa

está orientada a lograr que las baterías del banco no sufran autodescarga, es

decir leves descargas por efecto de la no utilización inmediata.

Se usa cuando es posible que las baterías pasen algún tiempo almacenadas sin

ser usadas.

Para llevar a cabo la etapa de flotación debe garantizarse que el voltaje en cada

batería no supere los 13.7V (Puentestar et al, 2011), y se mantenga de ésta forma

al menos durante treinta minutos. El controlador es quien lleva la cuenta de este

tiempo y al finalizar detiene la carga dando por terminado el proceso.

67

Figura 25. Etapas del algoritmo en función del tiempo

En la Figura 25 se muestran las variaciones de corriente y voltaje que presentan las distintas etapas de las que se compone el algoritmo. Las transiciones entre una etapa y otra son dadas ya sea por el parámetro corriente o por el parámetro voltaje según se describió en el Capítulo 3, en las secciones correspondientes a cada etapa. 5.2 SENSORES Las variables que se manejan en el cargador y las cuales requieren ser sensadas son: voltaje, corriente y temperatura. El voltaje es medido en la última batería conectada en serie del banco, mientras que la corriente es medida a través de un shunt y la temperatura es medida al interior de la batería, es decir, en el electrolito. A partir de estas señales el algoritmo de carga y el sistema de control toman decisiones y dan transiciones entre las etapas (Sección 3.2) de dicho proceso hasta terminar con la última etapa y cargar las baterías. La correcta captura y visualización de las señales determina el buen funcionamiento del sistema y por ende un buen proceso de carga. Dentro de este sistema de control hacen parte circuitos como el disparo de los SCR y el detector de cruce por cero, los cuales hacen parte de la toma de decisión en el algoritmo de carga.

68

5.2.1 Sensor de corriente. En el proceso de sensar la corriente se usan dos tipos de sensores los cuales trabajan en conjunto, el primero es un shunt de corriente.

Figura 26. Shunt

(Directindustry, 2014)

El shunt es una carga resistiva la cual se conoce con precisión y a través del voltaje diferencial que aparece en sus bornes, usando la ley de Ohm, se determina la intensidad de corriente eléctrica que fluye a través de este. Tal como se observa en la Figura 27.

Figura 27. Ubicación de Shunt en sección de control

(Kuphaldt, 2006)

69

El shunt utilizado es de relación 100mV – 30A, es decir por 30A que atraviesen el shunt, éste entregará un voltaje diferencial en sus bornes de 100mV, con esta relación se conoce que el valor fijo de resistencia es de 3.3mΩ. En la Figura 9 se puede observar la ubicación del shunt dentro del circuito. Es un dispositivo fácil de instalar y muy preciso, pero al momento de entregar el voltaje diferencial el cual lleva la relación de corriente, se ve afectado por la resistencia del cable, hasta ser capturado por un sensor de instrumentación, por esta razón debe estar ubicado lo más cerca posible del circuito integrado que toma la lectura, e idealmente usando cable de poca resistencia (Prysmian Energía, 2008). Este voltaje entregado por el shunt es leído y acondicionado por el sensor de instrumentación INA230 es cual es un sensor de voltaje con entrada shunt. 5.2.2 Sensor de Voltaje. El sensor utilizado por sus características y aplicaciones, además de su precisión y versatilidad es el INA230. El INA230 es un sensor que cuenta con 16 direcciones programables a través de interfaz de comunicación I2C, este sensor permite leer corriente de derivación, es decir voltajes diferenciales entregados por un shunt, voltajes de bus y también determinar potencia y corriente a través de su configuración. Permite programar registros donde se almacenan su calibración, tiempos de conversión y promedios de señales, posee un multiplicador interno que permite lecturas de la corriente en amperios y potencia en Vatios.

Figura 28. INA 230

(Texas Instruments, 2012)

70

Es usado en aplicaciones como:

Smartphone

Tablet

Servidores

Computadoras

Gestión de energía

Cargadores de baterías

Fuentes de alimentación

Equipo de prueba

En la Figura 29 se observa el diagrama de pines, según la vista superior del integrado, en la Tabla 6 se encuentra una descripción de cada uno de estos pines.

Figura 29. Descripción de pines del integrado INA230.

(Texas Instruments, 2012)

Tabla 6. Descripción de pines INA230

A1 - A0 Usando estos pines se configura la dirección del INA o el nombre a través del cual el maestro se comunica con él y lo configura y lee.

ALERT Este pin se puede configurar como una señal de alerta.

SDA Línea de datos del bus serial.

SCL Línea de reloj del bus serial.

VS Voltaje de alimentación entre 2.7V y 6V.

GND Tierra.

BUS Voltaje de bus o carga, entre 0 y 28V.

IN- , IN+ Pines de Voltaje Shunt diferencial. Va desde -30V a 30V.

(Texas Instruments, 2012)

71

La Tabla 7 por su parte muestra las diferentes direcciones que pueden ser asignadas al INA230 según la forma en que se conecten los pines A0 y A1.

Tabla 7. Configuración de la dirección para el INA230

A0 A1 DIRECCIÓN ESCLAVO

GND GND 1000000

GND VS 1000001

GND SDA 1000010

GND SCL 1000011

VS GND 1000100

VS VS 1000101

VS SDA 1000110

VS SCL 1000111

SDA GND 1001000

SDA VS 1001001

SDA SDA 1001010

SDA SCL 1001011

SCL GND 1001100

SCL VS 1001101

SCL SDA 1001110

(Texas Instruments, 2012) El INA230 es un dispositivo esclavo configurado a través del Arduino (dispositivo maestro) el cual posee el protocolo de comunicación I2C, este protocolo solo requiere de dos líneas de señal y un común o tierra. Teniendo esto en cuenta, la conexión del integrado se realiza según recomienda el fabricante en la hoja de datos, de la forma que muestra la Figura 30.

72

Figura 30. Conexión y configuración externa del INA 230.

(Texas Instruments, 2012)

Adicionalmente se realiza la implementación de una adecuación de señal a través de la conexión de un divisor de voltaje y un seguidor de voltaje. La función del divisor es la de atenuar el voltaje medido en las baterías con el fin de evitar que por posibles subidas en el valor, se presenten daños en el monitor INA230. El diseño del divisor se realiza partiendo de la fórmula convencional:

Siendo 28V el máximo valor posible a medir con el INA230, se requiere atenuar éste voltaje para obtener una salida de 4V. Esto se logra estableciendo los valores

de resistencia y , para así obtener una atenuación de 0.155. El seguidor de voltaje es un circuito que no cuenta con resistencias y se implementa usando un amplificador operacional LM324. La metodología de comunicación de datos es en serie y sincrónica. Una de las señales del bus (SCL o reloj) marca el tiempo y la otra señal (SDA) intercambia datos. La interacción entre el Arduino y el INA230 se realiza a través de programación representada en los siguientes diagramas de flujo.

Configuración o Escritura: A través de este código se accede a cualquier registro y se configura.

73

Figura 31. Escritura o configuración INA230.

En el inicio del diagrama mostrado en la Figura 31, se inicia la transmisión y en la última línea se finaliza, ambos son obligatorios en la configuración de cualquier registro. En la segunda línea, con la parte alta 0x40, se accede al INA230 esclavo según su dirección, la cual toma dependiendo de dónde sean conectados los pines A0 y A1, este se hace con la ayuda del datasheet, y con la parte baja 0x00, se selecciona el registro que se desea configurar, cabe recordar que hay registros que solamente son de lectura y otros, tanto de escritura como lectura. En las siguientes dos líneas se configura cada registro, estos valores dependen de cada registro y de lo que se requiera hacer con el INA230. Lectura: Al momento de leer un registro es necesario primero apuntar a dicho registro, ya que el puntero de lectura siempre queda en el último que se usó.

74

Figura 32. Cambiar dirección de puntero INA230.

De igual forma, se indica en las líneas 1 y 3 del diagrama mostrado en la Figura 32, el inicio y el fin de la transmisión.

En la línea 2 con la instrucción write se apunta al registro que se desea, en este

caso de igual forma en la parte alta la dirección del INA que es 0x40 y en la parte baja el registro al que se desea apuntar, como por ejemplo el 0x02 que es el registro de voltaje de bus o de carga. Ya una vez apuntado el registro, se hace la lectura de éste de la forma que ilustra la Figura 33.

Figura 33. Lectura INA230.

75

En el inicio del diagrama mostrado en la Figura 33, es usada la instrucción de

requestFrom para indicarle al INA230 que son requeridos dos bytes en los

cuales son los que se almacena el voltaje de bus. En las siguientes dos líneas, primero es almacenada la parte alta en la variable d1 y posteriormente en la segunda lectura se guarda la parte baja en d2. Luego se unen ambas partes en una sola variable, esto aplica para cualquier dato que se lea. Cabe recordar que este es un dato digital entregado por el sensor y que debe ser interpretado según la información contenida en la hoja de datos, en donde se especifica que el rango de medición a escala plena es de 40.96V. Este dato es utilizado como factor de conversión entre valores digitales y valores correspondientes a voltaje. Una vez realizada esta conversión, el valor representa el voltaje presente en una batería. De igual forma como se hace para el voltaje de bus, debe hacerse para el voltaje de shunt, así poder tener estas señales en el controlador y poder hacer uso y tomar decisiones sobre ellas; es decir la realimentación del circuito. Primero el registro es apuntado, en este caso al voltaje Shunt.

Figura 34. Apuntar al registro Voltaje Shunt INA230.

Posteriormente se une el dato en una sola variable, y este dato digital con la ayuda de las ecuaciones mostradas a continuación, obtenidas del datasheet, determina la corriente.

76

Tabla 8. Registros INA230

Dirección del puntero HEX Registro Tipo

00 Configuración R-W

01 Shunt Voltaje R

02 Voltaje de Bus R

03 Potencia R

04 Corriente R

05 Calibración R-W

06 Marcara R-W

07 Alerta R-W

(Texas Instruments, 2012) La Tabla 8 explica de qué tipo son los registros pertenecientes al circuito integrado INA230, ya que pueden ser de sólo lectura, sólo escritura o lectoescritura. 5.2.3 Sensor de Temperatura. Para el control de temperatura se utiliza el LM35 (Texas Instruments, 2013) debido a sus características y beneficios, que se adecúan muy bien a la aplicación. Sus características son:

Esta calibrado directamente a grados Celsius.

Opera entre 4V y 30V de alimentación.

La tensión de salida es proporcional a la temperatura.

Baja corriente de alimentación.

Baja impedancia de salida.

Este sensor n