tema: investigación del proceso de mantenimiento
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TEMA:
Investigación del proceso de mantenimiento controlado de
baterías de alta gama utilizadas en sistemas de propulsión
eléctrica.
Autores:
Gallo Tafur, Diego Fernando
Valverde Estévez, Cristhian Javier
Director:
Ing. Mena Palacios, Jorge Stalin
Latacunga2021
“EL CANSANCIO ES TEMPORAL, LA SATISFACCIÓN ES ETERNA”
Anónimo
OBJETIVOS
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
META
HIPÓTESIS
MARCO TEÓRICO
DESARROLLO DE LA CONSTRUCCIÓN
ANÁLISIS DE RESULTADOS
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
CONTENIDO
OBJETIVO GENERAL
Investigar el proceso de mantenimiento controlado de baterías de alta gamautilizadas en sistemas de propulsión eléctrica.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
•Determinar el proceso de mantenimiento controlado óptimo de las bateríasde alta gama para establecer parámetros de carga y consumo según searequerido.•Construir un cargador de baterías de alta gama a través de los cálculos yselección de componentes electrónicos para el desarrollo de la investigacióndel mantenimiento adecuado de baterías usadas en los sistemas depropulsión eléctricas.•Diagnosticar el estado de la batería a través del monitoreo de los datosobtenidos en tiempo real en forma gráfica con el fin de modificar losparámetros de corrientey voltaje según requiera el usuario.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
META
• Construcción de un cargador de baterías de alta gama con un control decorriente y voltaje a través de una interfaz digital, cuya alimentación en la redeléctrica sea de 110 o 220v.• Investigación de parámetros de carga adecuada de baterías de alta gamapara determinar las condiciones óptimas en el funcionamiento del cargador ysu interacción con la batería.• Generación de curvas de carga de la batería a través de un software paraposeer un control del estado de la batería mientras se realiza la carga conmonitoreo de parámetros de carga como la corriente, voltaje y temperaturade la batería con su respectivo control y presentación de los datos deconsumo, estado de salud, y porcentaje de capacidad de la batería en tiemporeal.
HIPÓTESIS
Desarrollar el proceso de mantenimiento controlado de baterías de altagama para sistemas de propulsión eléctrica permitirá prolongar el tiempode vida de la batería.
MARCO TEÓRICO
SISTEMA DE PROPULSIÓN ELÉCTRICO
TIPOS DE
SISTEMA DE
PROPULSIÓN
µH (Microvehículo eléctrico)
mHEV (Vehículo híbrido eléctrico
suave)
HEV (Vehículo Híbrido eléctrico)
PHEV (Vehículo eléctrico
enchufable)
REEV (Vehículo eléctrico de
alcance extendido)
FCEV (Vehículo Eléctrico de Celda
Completa)
Vehículos
eléctricosVMP
TIPOS DE BATERÍA
Primarias Secundarias
Tipos de baterías
Pb-S
Li-ion
N-MH
Ni-Cd
BATERÍAS DE ALTA TENSIÓN
Carga de la batería
SOH
𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙 =𝐼𝑎
𝐼𝑠 ∗ 𝐾𝑡
𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙=capacidad real de la batería
𝐼𝑎= Corriente real de prueba
𝐼𝑠= Corriente Nominal
𝐾𝑡= factor de corrección para la
temperatura de celda antes de iniciar la prueba
𝑆𝑜𝐻 =𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑄𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙∗ 100%
𝑆𝑜𝐻= Estado de salud de la
batería
𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙= Capacidad real liberable
𝑄𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙=Capacidad nominal de
la batería
Diseño y construcción INICIO DE
GESTIÓN
¿Carga, diagnóstico,
mantenimiento?
¿Carga rápida,
recomendada, lenta?
Inicio de
carga lenta
Inicio de carga
recomendada
Inicio de carga
rápida Carga modo
recomendado
Carga modo
Recomendado
Carga
masiva
Carga de
absorción
Carga de
flotación
Descarga
completa
Conteo
de
Coulomb
FinalizacónLectura
de
Datos
Finalizacón
Descarga
completa
¿Se cumplieron 3 ciclos?
Sí
Diagnóstico
Finalizacón
No
Selección
de datosCarga
Resultados
Voltaje nominal
20 V
SI
No aplica
NO
Diagnóstico
¿Baterías 0-20 V o 24-72 V
con capacidad nominal de
hasta 15 A/h?
Sí
NO
APLICA
Voltaje nominal
20 V
SÍ
Mantenimiento
No aplica
NO
Interfaz de control
PRUEBAS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Resultados de carga
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
350
700
105
0
140
0
175
0
210
0
245
0
280
0
315
0
350
0
385
0
420
0
455
0
490
0
525
0
560
0
595
0
630
0
665
0
700
0
735
0
CORRIENTE (A) VOLTAJE (V) TEMPERATURA (°C)
Voltaje/corriente/temperatura vs tiempo carga rápida batería 7.2 V-6.5 A/h
0
10
20
30
40
50
60
0
90
180
270
360
450
540
630
720
810
900
990
108
0
117
0
126
0
135
0
144
0
153
0
162
0
171
0
180
0
189
0
TEMPERATURA (°C) CORRIENTE (A) VOLTAJE (V)
Prueba de carga rápida batería 43.2 V-6.5 A/h
Resultados de diagnóstico
Temperatura/voltaje/corriente vs tiempo en diagnóstico inicial batería 7.2 V-6.5 A/h
Temperatura/voltaje/corriente vs tiempo en diagnóstico final batería 7.2 V-6.5 A/h
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
200
280
560
840
112
0
140
0
168
0
196
0
224
0
252
0
280
0
308
0
336
0
364
0
392
0
420
0
448
0
476
0
504
0
532
0
TEMPERATURA (°C) CORRIENTE (A)
VOLTAJE (V)
-5
0
5
10
15
20
0
340
680
102
0
136
0
170
0
204
0
238
0
272
0
306
0
340
0
374
0
408
0
442
0
476
0
510
0
544
0
578
0
612
0
646
0
680
0
714
0
TEMPERATURA (°C) CORRIENTE (A) VOLTAJE (V)
Resultados de Mantenimiento
-5
0
5
10
15
20
25
01
420
284
04
260
568
07
100
852
09
940
113
60
127
80
142
00
156
20
170
40
184
60
198
80
213
00
227
20
241
40
255
60
269
80
284
00
298
20
312
40
326
60
340
80
355
00
369
20
383
40
397
60
411
80
426
00
440
20
454
40
468
60
482
80
497
00
Temperatura (°C) CORRIENTE (A) VOLTAJE (V)
Temperatura/voltaje/corriente vs tiempo en mantenimiento batería 7.2 V-6.5 A/h
Carga Rápida Carga Media Carga Lenta
M A F M A F M A F
Tiempo Voltaje 16 min 40
s
2 min
20 s
17 min 55 min 6 min 1 h 1 min 55 min Hasta
el final
-
Voltaje (V) 10.68-
11.3
11.3 11.2 9.96-
11.3
11.3 11.26 10.6 -
11.3
11.3 11.3
Razón de Carga 0.039 - - 0.024 - - 0.012 - -
Tiempo
Corriente
13 min 40
s
1 min
40 s
Hasta el
final
55 min 40 s Hasta el
final
1 hora
46 min
2 min Hasta el
final
Corriente (A) 1.3 0.4 0.4±0.01 1.07 0.65 0.3±0.1 0.57 0.4 0.2±0.1
Tiempo total de
Carga
36 min 2 h 2 min 30 s 2 h 30 min
Temperatura
(ºC)
13 13-14 15-16
Análisis de Carga
Inicial Final
Voltaje inicial de carga (V) 8.26 7.91
Voltaje final de carga (V) 8.5 8.49
Razón de Carga 0.0120 0.0121
Tiempo de carga 20 min 48 min
Temperatura de carga (ºC) 15-16 15-16
Voltaje inicial de descarga (V) 8.32 8.35
Voltaje final de descarga (V) 2.81 2.84
Corriente inicial de descarga (A) 4.81 4.27
Corriente final de descarga (A) 1.8 2.71
Tiempo de descarga 1 h 40 s 1 h 6 min
Temperatura de descarga (ºC) 17.7-16.37 17-19
SOH 77.93% 83.26%
Análisis de Diagnóstico
CONCLUSIONES
Se ha determinado el proceso de mantenimiento controlado óptimo en las baterías de alta gama, en el cual,
intervienen parámetros de voltaje, corriente y temperatura obtenidos con base a las características nominales de
diseño del acumulador, estos son responsables directos de la correcta carga y descarga en un programa de gestión.
Los valores de dichos parámetros varían en función de los subprocesos de carga, los cuales tienen relación directa
la vida útil de una batería; si en su proceso de carga no recibe un valor adecuado de corriente y voltaje a una
temperatura óptima, principalmente en su fase final, se generarán averías y acortamiento de su ciclo de vida, dado
que la fase más incidente en un posible daño a la batería es la flotación, debido a que si ha llegado a su voltaje
máximo y se sigue alimentándola no se podrá elevar en una sobrecarga sino se generará un efecto de absorción de
corriente masiva en el acumulador y por ende se produce daños en su estructura, del mismo modo el ignorar los
límites de profundidad de descarga como voltaje de corte y DoD, generarán un efecto similar. Los límites de carga y
descarga que se han descrito en el presente proyecto aseguran un mantenimiento adecuado en baterías ya que
consideran todos los valores que intervienen en la gestión de la misma.
Se ha construido un sistema de gestión de baterías en un rango de 0 a 20 Voltios y 24 a 72 Voltios con una
capacidad nominal de hasta 15 A/h, basado en la selección de elementos cuya base ha sido la investigación del
proceso adecuado de carga y descarga de una batería. La potencia máxima de trabajo en el sistema es de 255.42
Watts, la cual ha sido determinada en función de los límites y rangos permitidos en un ciclo de gestión con el fin de
precautelar la vida útil de la batería.
Se ha generado un programa de diagnóstico de vida útil de la batería con función a su parámetro SoH, el cual se
centra en la relación directa que tiene la capacidad real de la batería versus su capacidad nominal, tomando en
cuenta los factores intervinientes en las mediciones de corriente y voltaje, dando como resultado una condición
numérica para la evaluación del posible reemplazo de una batería en el sistema para el que fue diseñado, dicho
dato porcentual de vida no debe ser menor al 80%.
RECOMENDACIONES
Es necesario enfatizar el estudio del comportamiento de las baterías en un sistema de gestión tomando en
cuenta factores en el ambiente como la presión atmosférica, la humedad, etc. Y de cómo estos factores influyen o
no en el desarrollo de una gestión óptima.
Para futuras investigaciones, determinar la relación del número de ciclos de carga y descarga y la relación directa
con la vida útil de la batería, es necesario determinar un número máximo de ciclos permisibles en un programa
de mantenimiento.
Se recomienda incrementar la potencia del sistema de gestión de la batería y analizar los cambios en el
comportamiento de los módulos y controladores en el proceso, debido que, a mayor corriente de carga y
descarga, los elementos que intervienen en el sistema tienen un desempeño distinto al descrito en este proyecto.