Instructivo de utilización de la hoja de cálculo de dimensionamiento de baterías y ciclo de cargas.

por Daniel Serres

Objetivo.

Este documento tiene la finalidad de ayudar en el uso de la hoja de cálculo creada en Microsoft Excel para el cálculo del ciclo de carga y el dimensionamiento de baterías, tanto de Ni-Cd cómo de Plomo ácido.

Instrucciones.

Se deben seguir los siguientes pasos para conseguir el dimensionamiento de baterías y de un cargador de baterías conectado a la misma.

1.- Datos de la Carga.

Son las características principales de las cargas estudiadas, que incluyen número, descripción, clasificación de la carga, potencia absorbida, potencia nominal, tensión nominal y eficiencia si aplican, duración de la carga e inicio de la misma.

En el caso de no poseer el dato de la eficiencia, asumiremos 1 a la misma, con eso obtendremos al final el dato de la potencia eléctrica total.

En el caso de tener el dato de la corriente DC nominal de carga, para el proceso del dimensionamiento de las baterías, se debe incluir directamente ese dato en el renglón “Corrient” para dicha carga.

Por otro lado, el programa está diseñado para manejar un máximo de 75 cargas, distribuidas de esta manera: 25 en la hoja principal etiquetada “Español” y 50 en la hoja etiquetada “Más Cargas”.

Para ir a la hoja “Más Cargas” se debe hacer clic en el botón “Más cargas” en la hoja principal y luego de incluir todos los datos en la misma, se puede volver a la hoja principal, por medio del botón “Volver” que se encuentra al final de la tabla de los datos de las cargas. Ver figura 2.

Figura 1. Hoja Principal.

Figura 2. Botones de la Hoja Principal.

2.- Ciclo de Carga.

Luego de haber introducido todos los datos de las cargas, incluyendo la duración e inicio, se puede calcular el ciclo de carga del conjunto. Haciendo clic en el botón “Ciclo de Carga”. Se observará cómo se irá construyendo el ciclo de carga en un gráfico que luego estará disponible en la hoja “Hoja_Cargas”. Ver figura 3.

Para volver a la Hoja Principal se debe hacer clic sobre el botón “Volver”.

Figura 3. Ciclo de Cargas.3.- Baterías

Tras haber calculado el ciclo de cargas, se puede realizar el dimensionamiento de las baterías. Para ello, se debe hacer clic en el botón “Baterías” ubicado en la página principal y se pasará a la hoja etiquetada como “Baterías” (Ver figura 4), en donde se deberán introducir ciertos datos del sistema, factores de corrección del diseño, tipo de baterías a utilizar y si serán utilizados los datos por defecto.

Figura 4. Hoja de dimensionamiento de baterías.

Entre los datos del sistema se enumeran, la tensión máxima permitida y la tensión mínima del sistema. También es posible cambiar la tensión de cada celda. Sin embargo, para las baterías de Níquel-Cadmio la tensión por celda en promedio es de 1.45 V,

mientras que para las baterías de plomo ácido típicamente el valor de la tensión por celda es de 2 voltios.

Con esos datos es posible obtener tanto la cantidad de celdas necesarias para cumplir con esas condiciones como la tensión final de descarga, que son, a su vez, datos necesarios para el dimensionamiento correcto de baterías.

Es importante señalar, que esta hoja de cálculo está diseñada para realizar cálculos con valores por defecto de baterías, obtenidas de un catálogo del fabricante SAFT, que corresponden a los modelos SLM para Ni-Cd y, SD y SDH en el caso del cálculo para baterías de plomo ácido.

Luego de haber introducido los datos en las celdas correspondientes y haber seleccionado tanto el tipo de batería a dimensionar como el método de dimensionamiento, es posible realizar el mismo por medio el botón “Cálculo baterías”, el cual, dependiendo de la selección del método de cálculo, arrojará el valor de la capacidad de la batería equivalente y a su vez, el número de hileras y la capacidad nominal que tendrá el conjunto de baterías conectadas.

En el caso de utilizar los valores por defecto, y haber seleccionado las baterías de Ni-Cd, el programa está diseñado para trabajar con celdas Saft ® del tipo SLM de níquel-cadmio que pueden ser desde 8 Ah hasta 476 Ah nominales. Por su parte, si fueron seleccionados los valores por defecto y plomo ácido, se utilizará la base de datos de las celdas modelo SD y SDH de la misma compañía Saft ® que puede ser desde 5 Ah hasta 2240 Ah.

Para el caso de haber deseleccionado la casilla de verificación de “Valores por defecto” (ver figura 5) se procederá al la introducción manual de los datos de las baterías.

Figura 5. Casillas de Verificación de la hoja de baterías.

En este caso, se debe poseer la capacidad de las baterías para varios intervalos de tiempo, que típicamente se proporcionan por medio de una tabla como la que se muestra en la figura 6, que incluye la cantidad de corriente que es capaz de entregar cada celda en dicho tiempo de operación o descarga, para cada tensión de descarga o tensión final. Este valor de tensión final, debe coincidir con la tensión final proporcionada por la hoja de cálculo o la más cercana a ésta.

Figura 6. Hoja de Datos típicos de baterías.

Los datos son introducidos a medida que el programa lo va requiriendo, por medio de un cuadro de diálogo (ver figura 7). La hoja de cálculo está diseñada para realizar interpolaciones de los valores que no se encuentren directamente en la tabla, introduciendo los valores correspondientes a los límites del intervalo de tiempo que contiene los datos correspondiente al tiempo específico necesario, por ejemplo en el caso que la tensión final resulte ser cercana a 1 voltio por celda, se requiera la capacidad en amperios para un tiempo de 3.6 seg, el valor nominal de la batería sea el más cercano a 432.76 Ah y se esté utilizando la tabla suministrada en la figura 6, se activará la casilla de verificación “valor aproximado” en el cuadro de diálogo, se introducirán en la primera casilla de la izquierda correspondiente al tiempo el valor “1”, en la casilla de la derecha del tiempo se colocará “5”, y en las casillas de la corriente se colocarán los valores de “568” y “517” respectivamente y el botón de opción correspondiente a “Tiempo en” se colocará en “Segundos” y en el cuadro de texto del valor nominal se deberá colocar “420”.

Figura 7 Cuadro de diálogo.

Si el valor no necesita interpolación, con desactivar la casilla de verificación de “Valor aproximado” se hará visible sólo un cuadro de texto que corresponderá al valor exacto de corriente correspondiente.

Al concluir el proceso, la hoja de cálculo dará como resultado tanto la capacidad de las celdas en Ampere-horas, el número de celdas que se deberán conectar en serie para cumplir con los niveles de tensión máximos y mínimos como el número de hileras que deberán ser conectadas en paralelo para cumplir con los valores de corriente requeridos para el caso de las baterías SLM y SD ó SDH para los casos de Ni-Cd y plomo ácido respectivamente. Sin embargo, para el caso de los cálculos con los datos exteriores (no los datos por defecto) se deberá cambiar manualmente el número de hileras de ser necesario.

Por ejemplo, si en resultado arroja que se deben conectar 10 celdas en 2 hileras de la celda SLM 40, se puede interpretar que es necesario conectar en paralelo 2 hileras de 10 celdas, a su vez, conectadas en serie.

Este programa también es capaz de calcular la corriente nominal del cargador necesario para las baterías calculadas, para ello se requiere del valor del tiempo de carga de las baterías o el tiempo de autonomía del sistema de baterías.

Bibliografía.

IEEE Recommended Practice for Sizing Nickel-Cadmium Batteries for Stationary Applications. IEEE std 1115-2000. New York, USA 2000.

IEEE Recommended Practice for the Design of DC Auxiliary Power Systems for Generating Stations. IEEE std 946-1992. New York, USA 1992.

Batería Ultima de Ni-Cd. Saft Industrial Battery Group. Bagnolet, Francia 2004.