SISTEMA DE CARACTERIZACIÓN DE ACUMULADORES PARA
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1. gicos para realizar de manera autom tica el control de la tensi n o corriente de salida Para realizarlo desde la PC se dise o un conjunto de circuitos cuyo diagrama en bloques se muestra en la figura 4 El componente principal de este sistema es un conversor Digital a Anal gico DAC de 12 bits de resoluci n el cual proporciona en su salida un valor de tensi n continua que varia entre O V y 5 V proporcional al n mero de cuenta digital que ha recibido en su entrada La transmisi n del valor de cuenta digital se realiza a trav s de un m dulo de comunicaci n serie SPI Serial Peripheral Interface que tanto el DAC como el microcontrolador poseen El valor deseado de tensi n o corriente es ingresado en la interfaz de usuario que se ejecuta en la PC y transferido v a USB al microcontrolador Este ltimo componente realiza la conversi n correspondiente para transferir finalmente el valor digital al DAC Para controlar la fuente en todo el rango la tensi n de control debe variar entre 10V para lo cual se agrega una etapa que adapta los niveles de tensi n de salida del DAC a los niveles requeridos por la fuente de alimentaci n Microcontrolador l MOS ol 1 L JOn Adaptaci n de la se al Fuente Alimentaci n Figura 4 Diagrama en bloque del sistema de control de la fuente de alimentaci n Sistema de adquisici n y medici n de variables El compo2. Grupo en Energ as Renovables GER plantea la necesidad de desarrollar un sistema para ensayos de bater as que posea una inteligencia de control que contenga los conocimientos derivados del an lisis del valor de la tensi n y de las principales variables que afectan el estado de carga y capacidad real del sistema de acumulaci n Este sistema permite realizar todos los ensayos estipulados por la norma NBR 6581 con temperatura y corriente controlada para determinar capacidad durabilidad y otros par metros significativos El seguimiento y control de carga y descarga ser realizado autom ticamente a trav s de un sistema especializado que gerencia el proceso 04 29 SISTEMA DE ENSAYO DESARROLLADO Para la realizaci n del banco de ensayos es preciso un sistema de control de corriente y de temperatura que adquiera los valores de los par metros en cuesti n adem s de otras variables de control Para esto el banco de ensayos est compuesto por e Un sistema t rmico constituido por un dep sito o contenedor aislado con un m dulo de calefacci n y refrigeraci n y un dispositivo de control de temperatura e Un sistema de suministro de corriente formado por una fuente de alimentaci n bipolar y un dispositivo de control para dicha fuente e Un sistema de adquisici n y medici n de variables Formado por un sistema de adquisici n de datos y almacenamiento en PC y un conjunto de circuitos que permiten medir tensi n corriente y temperatur
3. SISTEMA DE CARACTERIZACI N DE ACUMULADORES PARA USO SOLAR P Cossoli R Sanchez L Zini A Busso L Vera GER Grupo en Energ as Renovables FACENA UNNE Av Libertad 5470 3400 Corrientes Argentina Tel Fax 0379 4473931 e mail pcossoliQ ger unne com ar RESUMEN Este trabajo presenta el desarrollo de un sistema de caracterizaci n de acumuladores para uso en sistemas fotovoltaicos aut nomos Tal sistema consta de un contenedor aislado t rmicamente donde se encuentran parcialmente sumergidas en agua las bater as a ensayar Un sistema de refrigeraci n y calefacci n permite especificar una determinada temperatura del fluido que rodea las bater as la cual mediante t cnicas de control digital se mantiene constante durante el tiempo que dura el ensayo La carga y descarga de las bater as est controlada mediante una fuente de alimentaci n bipolar Kepco BOP 36 12D junto a un circuito de control que permite operar dicha fuente de manera autom tica Un conjunto de sensores y dispositivos de medici n permiten medir las variables de inter s tales como tensi n corriente y temperatura para luego ser almacenadas y procesadas mediante el uso de un software para PC Palabras clave Instrumentaci n Sistemas fotovoltaicos Bater as solares INTRODUCCI N La energ a solar fotovoltaica ESFV resulta una alternativa viable para proveer de electricidad a regiones rurales alejadas de las l neas de distribuci n o para sis
4. a En la figura 1 se representa un diagrama donde se observan los principales bloques constitutivos del sistema desarrollado La PC ejecuta un software dise ado para gestionar todo el ensayo procesando y almacenando los valores de las variables medidas Los par metros de control son transferidos al microcontrolador el cual se encarga de adquirir las se ales provenientes de cada m dulo de medici n corriente tensi n temperatura y controlar los sistemas de refrigeraci n as como tambi n la fuente de alimentaci n Microcontrolador Atmega328 Arduino Controlador del Fuente Medici n de Fuente de Tensi n y Alimentaci n Corriente GEE 2 Controlador de Medici n de Temperatura Temperatura Contenedor aislado con fluido t rmico a Enfriamiento GRE Sistema de Temperatura Calefacci n ELIIIL TILL TILL I IST A SRA LIA TIAS ILILILILIL Figura 1 Diagrama en bloques del sistema de ensayos desarrollado 2 NINO A O A g YA Sistema T rmico Con el prop sito de realizar los ensayos bajo temperatura controlada las bater as se alojan en un contenedor aislado t rmicamente Con una capacidad de 110 litros permite ensayar hasta dos bater as de uso solar de 220Ah de capacidad con un peso de 60 Kg aproximadamente Para homogeneizar la temperatura del entorno de las bater as se las sumerge parcialmente en alg n fluido en
5. colocadas en paralelo Puede observarse que la corriente de descarga es constante con un valor de 10 A aproximadamente Tensi n de bater a V Controlador Microcontrolador Resistencia Shunt corriente Medici n de temperatura 13 0 TITTITTIITITITITTITTITTITTITTITTITT 0 A l l l i i n l l l l ij l l paraa a ap Tension ooo 195 dl ALI EM Corriente LILA MA Lea E a l rror r l I ua l I I ua I I l 1 12 0 F 4 S l Va lt a l La c La SST SAC TASTE TI ETA ET TASTE ME TE F 6 B 5 E 10 0 10 Tiempo h Figura 8 Curva obtenida en un ensayo de descarga a 10A de corriente constante 04 35 Corriente A CONCLUSIONES Se desarrollo un sistema para ensayo de bater as con un control inteligente cap s de realizar autom ticamente diferente tipos de ensayos bajo condiciones exigidas por la norma vigente NBR 6581 El equipo desarrollado permite tambi n realizar el ensayo de equipos reguladores de carga y posee un software que permite programar diferentes tipos de algoritmos de gerenciamiento de energ a Por otro lado la posibilidad realizar el ensayo de manera autom tica posibilita la realizaci n de ensayos c clicos y acelerados REFERENCIAS BIBLIOGR FICAS Bello C Busso A Vera L Cadena C 2010 Factores Que Afectan El Funcionamiento De Instalaciones Fotovoltaicas Autonomas En Regiones Del Noreste Argentino Bello C C cer
6. e implemento un control digital del tipo Proporcional Integral Derivativo PID La figura 2 ilustra la arquitectura de un controlador de este tipo Salida Valorde referencia Proceso Figura 2 Diagrama en bloque donde se especifica la arquitectura de el controlador PID El c lculo de un controlador PID involucra tres par metros independientes Proporcional Integral y Derivativo El t rmino proporcional determina la reacci n del sistema ante una se al de error el integral determina la reacci n del sistema basado en la suma de los errores reciente y el t rmino derivativo determina la reacci n del sistema basado en la cantidad de variaci n del error La suma ponderada de los tres par metros es utilizada para ajustar la temperatura mediante el control sobre el sistema de calefacci n o refrigeraci n Un controlador de este tipo responde a la ecuaci n 1 de E 1 t K K K ult pe Jena F Donde u t es la entrada de control del proceso e t es el error de la se al Kp es la ganancia proporcional Ki la constante integral y Kd la constante de tiempo derivativa Para implementar estas ecuaciones mediante un sistema digital como ser un microcontrolador la ecuaci n 1 se convierte al dominio del tiempo discreto dominio z ecuaci n 2 T pa d T z T Donde U z es la entrada de control en el tiempo discreto E z es el error de la se al en tiempo discreto T y Ta se denominan tiempo integral y tiem
7. e realizar ensayos de carga y descarga sin modificar el conexionado de las bater as Dicha fuente opera en dos modos Tensi n Constante Vconst o Corriente Constante Iconst En el modo Vconst es cap s de entregar una tensi n estable con una se al alterna superpuesta a la se al de continua rizado menor a 3mV vari ndose manualmente la tensi n de salida entre 36V y 36V de esta manera es posible realizar ensayos a tensi n constante con arreglos de hasta dos bater as de 12V en serie Cuando el modo Iconst es configurado la fuente suministra una corriente de hasta 12A en ambos sentidos con un rizado m ximo de 0 03 Manual de usuario Kepco 2011 La fuente posee dos canales de control anal gicos los cuales permiten variar la tensi n o la corriente de salida mediante una se al de control externa los amplificadores internos asociados a cada poseen una ganancia fija de 3 6 y 1 2 respectivamente con lo cual es posible excursionar todo el rango de tensiones y corrientes mencionados con una se al que var e entre 10 V y 10 V Estos canales de control se utilizaron para realizar los ensayos de manera autom tica mediante un circuito externo Tambi n es posible establecer l mites de operaci n tanto en tensi n como en corriente y sirven de protecci n adicional para evitar sobre carga o descarga excesiva Control de la fuente de alimentaci n Como se mencion anteriormente la fuente de alimentaci n posee canales de entrada anal
8. er as Se obtuvo un R igual a 0 99 mediante un ajuste lineal En las figuras 9b se presentan las curvas obtenidas en la medici n de tensi n con el circuito dise ado en contraste con las realizadas por el instrumento utilizado como referencia En el rango de medici n del circuito 10V a 15V aproximadamente el mismo posee error relativo m ximo de 0 9 04 34 Corriente de referencia A Tensi n de referencia V Corriente medida A Figura 9 a Curva de calibraci n en la medici n de corriente b Curva de calibraci n en la medici n de tensi n de bater a Para los circuitos de medici n de temperatura se realizaron los mismos procedimientos Con los datos obtenidos durante el proceso de contraste se realizo el c lculo de una ecuaci n lineal que ajuste a los datos obtenidos experimentalmente con un coeficiente de determinaci n igual a 0 98 Los errores cometidos en la medici n de la temperatura no superan el 2 respecto al valor tomado como verdadero En la figura 10 se muestra el montaje final de los diferentes circuitos desarrollados en el cual se aprecian cada uno de los sistemas o m dulos descritos anteriormente Figura 7 Montaje de los circuitos desarrollados En la figura 8 puede observarse la grafica obtenida a partir de los datos relevados por el software que controla el ensayo La misma corresponde a un ensayo de descarga realizado a dos bater as de 12 V y 220 Ah de capacidad
9. eron dise ados Los sistemas de medici n de tensi n y corriente de bater as fueron contrastados utilizando un mult metro de 6 Y d gitos Agilent 31410A Para los canales de medici n de tensi n se utiliz la fuente de alimentaci n bipolar dado el bajo valor de rizado que presenta en su salida Por otro lado el canal de corriente fue contrastado midiendo la corriente que circula a trav s de un shunt de 0 5 de precisi n en ambos sentidos y midiendo sobre el mismo la ca da de tensi n generada mediante un mult metro de 6 Y d gitos El sistema de medici n de temperatura fue calibrado utilizando una cuba termostatizada en la cual fueron colocados los sensores Pt100 Durante la medici n fue utilizado como patr n un Pt100 previamente calibrado El sensor utilizado como patr n fue medido con un mult metro de 6 Y d gitos RESULTADOS La figura 9a se presenta la curva de calibraci n en la medici n de corriente con el circuito dise ado y la medici n realizada con el instrumento de referencia se observa que la respuesta del sistema dise ado posee una gran linealidad Las curvas han sido obtenidas mediante un ajuste lineal con un coeficiente de determinaci n R de 0 99 En un rango de medici n que varia desde 12A hasta 12A se obtuvo un error menor al 2 respecto del valor tomado como verdadero Una vez realizado el contraste del sistema dise ado se procedi a realizar el ajuste para los canales de medici n de tensi n de bat
10. es M Vera L Busso A 2010 Equipamiento De Adquisici n De Datos Para Sistemas Fotovoltaicos Aut nomos Instalados En Escuelas De Corrientes Congreso Mundial INGENIERIA Bs As Copetti J B Maccagnan M H 2007 Baterias em sistemas solares fotovoltaicos I CBENS I Congresso Brasileiro de Energia Solar Fortaleza CE Carr A J Wilmot N A Pryor T L 2004 Battery Testing at ResLab Solar 2004 Life the Universe and Renewables Perth Australia Jossen A Garche J Sauer D U 2004 Operation conditions of batteries in PV applications Solar Energy 76 6 pp 759 769 Jun hong Yang Xi yan Bi High precision Temperature Control System Based on PID Algorithm 2010 International Conference on Computer Application and System Modeling Norma NBR 6581 1989 Bateria Chumbo cido de partida Verificag o das caracter sticas el tricas e mec nicas Ogata Katsuhiko 2010 Modern Control Engineering 5 edici n pp 568 572 Prentice Hall New Jersey Oliveira L G M 2005 Estarategia de Controle de Carga d Descarga em Sistemas Fotovoltaicos Domiciliares Disserta o de Mestrado Universidade de S o Paulo Brasil Operator s Manual Kepco Inc BOP D 400W Bipolar Power Supply Vera L Krenzinger A 2010 Perda De Capacidade De Acumula o Em Sfa M todo De Contagem De Eventos Vera Luis Horacio KRENZINGER A 2009 Metodologia de Determina o da Perda de Capacidade de Sistemas de Acumula o em Sistemas Fot
11. este caso dado el rango de temperaturas en el que se ensayan las bater as el fluido es agua destilada El contenedor tambi n cuenta con un sistema de recirculaci n para evitar la estratificaci n de temperaturas en el fluido adem s ayuda a reducir el tiempo en el cual se alcanza el equilibrio t rmico el cual var a de 30 a 40 minutos dependiendo de la temperatura inicial del l quido Para alcanzar un amplio rango de temperaturas el contenedor posee un sistema de calefacci n y uno de refrigeraci n Se determin la constante t rmica del contenedor para asegurar que una vez implementado el sistema de control de temperatura no se produzcan conexiones simult neas de ambos sistemas fr o y calor La temperatura de trabajo para valores por encima de la temperatura ambiente se establece mediante dos resistencias calefactoras de 1 5 kW de potencia cada una de igual modo para temperaturas por debajo de la temperatura ambiente se utiliza un sistema de refrigeraci n por compresi n De esta manera el l quido en el contenedor sistema temperaturas en un rango de 10 C a 60 C 04 30 Un conjunto de sensores de temperatura de tipo Pt100 miden la temperatura del l quido y a trav s de un sistema de control digital se mantiene la temperatura constante actuando sobre las resistencias calefactoras o el sistema de refrigeraci n seg n sea necesario Control de temperatura Para mantener constante la temperatura de la bater a durante el ensayo s
12. i bien la mayor a de los ensayos se realizan a corriente constante esto puede no ser as por lo tanto es necesario medir la corriente de carga o descarga durante todo el ensayo Para la medici n de la corriente inyectada a las bater as se utilizan resistencias calibradas shunt de 0 5 de precisi n Con una relaci n de 60mV 25A La medici n de corriente consiste en un circuito que amplifica la ca da de tensi n generada sobre el shunt Rs y luego una siguiente etapa acondiciona la se al para poder ser adquirida mediante el ADC del microcontrolador figura 6 De esta manera el circuito dise ado se convierte en un transductor que presenta en su salida una tensi n continua proporcional a la corriente que circulante en la entrada Figura 6 Medici n de corriente sobre la resistencia shunt Rs Vref Tensi n de referencia Ul 3 amplificadores operacionales Como los ensayos pueden ser de carga o descarga de bater as el circuito propuesto debe ser capaz de medir corriente en ambos sentidos Para utilizar el mismo circuito dise ado se hace una modificaci n adicionando un valor de compensaci n offset en este caso de 2 5 V de manera de tener un incremento de la tensi n de salida mayor a 2 5 V para la corriente en un sentido y una excursi n en sentido contrario menor a 2 5 V para corrientes en sentido contrario Medici n de temperaturas En la figura 7 se presenta un diagrama en bloque con las partes constitutivas del m dul
13. nente principal encargado de controlar todos los sensores de medici n es un microcontrolador ATMEGA328 de la marca Atmel El mismo se utiliza en conjunto con una placa de desarrollo Arduino 2009 Se pueden mencionar algunas caracter sticas principales 6 canales de conversi n anal gico digital con una resoluci n de 10 bits ADC 6 canales para Modulaci n por Ancho de Pulso PWM con una resoluci n m xima de 16 bits 13 puertos de entrada salida digital un m dulo SPI para comunicaci n con dispositivos perif ricos comunicaci n USB para transferencia directa de datos a una PC El microcontrolador ejecuta en su memoria de programa un algoritmo que implementa t cnicas de control y rutinas de procesamiento de datos Medici n de tensi n Durante el transcurso del ensayo es de sumo inter s conocer la tensi n del sistema de acumulaci n ensayado Para ello se dise o el circuito de medici n mostrado en la figura 5 El mismo consiste en divisores resistivos de precisi n que reducen el valor de tensi n de las bater as a un nivel comprendido entre O y 5 V una etapa de alta impedancia se utiliza para separar el circuito de medici n del sistema a medir luego una etapa adicional filtra y acondiciona la se al para poder ser adquirido por el ADC del microcontrolador 04 32 BAT ADC gt aaT2 ADO2 Figura 5 Circuito utilizado para medir tensi n sobre las bater as Ul 3 amplificadores operacionales Medici n de corriente S
14. o que realiza la medici n de temperatura Los circuitos dise ados tienen como componente principal sensores de tipo Pt100 los cuales fueron elegidos por su precisi n y estabilidad Para asegurar una medici n adecuada con estos sensores por el mismo se hace circular una corriente fija de 1 mA proporcionada por una fuente de corriente constante que se implement con amplificadores operacionales como se muestra en la figura 8a 04 33 Fuente de corriente constante Adaptaci n de la se al Medidor de alta impedancia Figura 7 Diagrama en bloque del sistema de medici n de temperatura La siguiente etapa figura 8b conforma el circuito de medici n propiamente dicho constituido por amplificadores operacionales en configuraci n de seguidores que proporcionan la alta impedancia de entrada requerida para la medici n luego una etapa diferencial para el acondicionamiento de la se al proveniente del sensor Por ltimo la se al acondicionada de manera adecuada es adquirida mediante el ADC del microcontrolador OPAMP 100nF a b Figura 8 a Fuente de corriente constante con amplificadores operacionales b Etapa de medici n y acondicionamiento de la se al Calibraci n de los circuitos desarrollados Una vez implementados todos los circuitos descriptos anteriormente fue necesario realizar la calibraci n de cada uno de ellos para evaluar el comportamiento en todo el rango de medici n para el cual fu
15. ovoltaicos Avances en Energ as Renovables y Medio Ambiente Vol 13 ASADES Vera Luis Horacio KRENZINGER A 2007 Comportamento de baterias automotivas seladas sob diferentes condi es de opera o Avances en Energ as Renovables y Medio Ambiente Vol 11 ASADES Yi Xianjun Liu Cuimei Development of High precision Temperature Measurement System Bases on ARM 2009 The Ninth International Conference on Electronic Measurement amp Instruments ABSTRACT This paper presents the development of a characterization system accumulators for use in stand alone photovoltaic systems Such system consists of a thermally insulated container where the tested batteries are partially submerged in water A heating and cooling system allows to specify a certain temperature of the fluid surrounding the batteries which through digital control techniques remains constant during the duration of the trial The charging and discharging of the batteries is controlled by a bipolar power source Kepco BOP 36 12D with a control circuit which allows the source to be operate automatically A set of sensors and measuring devices allows to measure the variables of interest such as voltage current and temperature which are then stored and processed by a PC software Keywords Instrumentation Photovoltaic systems Solar batteries 04 36
16. po derivativo respectivamente U z K 1 Ez 2 Para encontrar los valores de las constantes del controlador se utilizan m todos se sintonizaci n en este caso se opt por el m todo de Ziegler Nichols Ogata 2010 El cual consiste en evaluar la respuesta del sistema cuando en su entrada se presenta una variaci n en forma de escal n Para el caso del contenedor de las bater as la entrada en forma de escal n estar a representada por el encendido del sistema de resistencias calefactoras a su m xima potencia En la figura 3 se muestra un diagrama de flujo representativo del algoritmo utilizado para la implementaci n del control PID mediante sistemas digitales Valor de Muestreo de la referencia sefial de salida r kT y kT Calculo del error Calculo del t rmino Calculo del t rmino e kT r kT y kT proporcional integral Desplazamiento de Transferencia al Calculo de la salida Calculo del t rmino las variables actuador PID derivativo Figura 3 Diagrama en bloques que representa la forma de implementar el algoritmo PID en sistemas digitales Sistema de suministro de corriente El suministro de energ a para la carga y descarga de las bater as es ejecutado mediante una fuente de alimentaci n de tipo bipolar marca Kepco modelo BOP 36 12D de 400 W de potencia m xima La fuente de alimentaci n puede excursionar en 04 31 los cuatro cuadrantes lo que le permite funcionar como fuente o sumidero De esta manera es posibl
17. teger al sistema de almacenamiento contra cargas y descargas excesivas aumentando as la vida til de los acumuladores En general los reguladores comerciales trabajan tomando como base los valores de tensi n instant neos en los terminales de la bater a para realizar el control del flujo de energ a Este valor de tensi n en condiciones estacionarias var a en forma proporcional al estado de carga de la bater a Si la bater a se encuentra en un proceso de carga o descarga es decir en condiciones din micas resultar dif cil fijar un nico valor de tensi n que represente este estado de carga La determinaci n de este valor es aun m s dif cil al considerar los efectos de envejecimiento temperatura etc Definir el comportamiento de un sistema de acumulaci n de energ a es de vital importancia porque estos dispositivos son los componentes menos fiables en los SFA Una incorrecta determinaci n de la capacidad real de las bater as conduce a previsiones erradas de la confiabilidad de los SFA y una incorrecta gesti n de la carga y de la descarga de las bater as conduce a una perdida prematura de capacidad hecho que es uno de los principales agentes de falta de energ a en estas instalaciones fallas Estas fallas est n afectando al 80 de los SFA que se instalaron en 2008 en la provincia de Corrientes como parte del Proyecto de Energ as Renovables en Mercados Rurales PERMER Bello et al 2010 Considerando lo expuesto anteriormente el
18. temas que prestan alg n tipo de servicio en a reas lejanas que no deba interrumpirse as como tambi n un camino para el desarrollo humano y productivo Tiene la caracter stica de ser intermitente por ello requiere de almacenamiento para su posterior utilizaci n cuando la demanda lo solicite Si bien existen diferentes formas de almacenar energ a desde el punto de vista t cnico y econ mico se utilizan acumuladores de plomo cido para sistemas de baja potencia Jossen 2004 Estos acumuladores son de uso com n en diversas reas quiz s la m s popular sea la industria automotriz Sin embargo los requerimientos en un autom vil son muy distintos a los demandados en sistemas fotovoltaicos aut nomos SFA de electrificaci n rural Un acumulador o banco de acumuladores para uso en SFV operan en ciclos de carga y descarga poco profundas Sin embargo ante la falta del recurso solar como sucede en d as nublados se realizar una descarga profunda del acumulador la que debe reponerse en los primeros d as de Sol Oliveira 2005 Estas bater as realizan un acoplamiento el ctrico con el generador fotovoltaico a trav s de su tensi n el ctrica la cual se encarga de polarizar el panel fotovoltaico y determinar su punto de trabajo Existe un elemento denominado controlador de carga que se encarga de mantener los valores de tensi n de la bater a dentro de un rango de trabajo seguro Los controladores de carga son utilizados en los SFA para pro
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