PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DESARROLLO DE UN CARGADOR-DESCARGADOR DE BATERÍAS BASADO EN UNA TOPOLOGÍA BUCK/BOOST BIDIRECCIONAL EN CORRIENTE PARA SER UTILIZADO EN UN UPS. Hugo Andrés Ramírez Ibacache. INFORME FINAL DEL PROYECTO PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR AL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO ELÉCTRICO

Noviembre del 2004 2

3 DESARROLLO DE UN CARGADOR-DESCARGADOR DE BATERÍAS BASADO EN UNA TOPOLOGÍA BUCK/BOOST BIDIRECCIONAL EN CORRIENTE PARA SER UTILIZADO EN UN UPS. INFORME FINAL Presentado en cumplimiento de los requisitos para optar al título profesional de Ingeniero Eléctrico Otorgado por la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Hugo Andrés Ramírez Ibacache. Profesor Guía Profesor Correferente Profesor Correferente Sr. Domingo Ruiz Caballero. Sr. René Sanhueza Robles. Sr. Reynaldo Ramos Astudillo.

4 ACTA DE APROBACIÓN La Comisión Calificadora designada por la Escuela de Ingenieria Eléctrica ha aprobado el texto del Informe Final del Proyecto de Titulación, desarrollado durante el segundo semestre del 2002 y segundo semestre del 2003, denominado DESARROLLO DE UN CARGADOR-DESCARGADOR DE BATERÍAS BASADO EN UNA TOPOLOGÍA BUCK/BOOST BIDIRECCIONAL EN CORRIENTE PARA SER UTILIZADO EN UN UPS. Presentado por el Señor Hugo Andrés Ramírez Ibacache Domingo Ruiz Caballero Profesor Guía René Sanhuesa Robles Segundo Revisor Raimundo Villarroel Valencia Secretario Academico Noviembre del 2004

5 Agradezco a la gran familia del Laboratorio de Electrónica de Potencia, Al Profesor Domingo Ruiz C. y a Reynaldo Ramos A. y a mis compañeros por su apoyo y colaboración durante mi trabajo. Gracias.

6 A mi Padre, a mi Madre y a mis hermanos, por su cariño y apoyo durante toda mi carrera universitaria y durante toda mi vida.

7 Dedicada a mi mujer, Teresita gracias por tu amor incondicional y comprensión tanto en los buenos como en los malos momentos. Y a mis hijos Dieguito y Anita Belén por convertirse en mi inspiración.

8 DESARROLLO DE UN CARGADOR-DESCARGADOR DE BATERÍAS BASADO EN UNA TOPOLOGÍA BUCK/BOOST BIDIRECCIONAL EN CORRIENTE PARA SER UTILIZADO EN UN UPS. Hugo Andrés Ramírez Ibacache. Profesor Guia Sr. Domingo Ruiz Caballero. RESUMEN A través de este informe se desarrolla el modelo de un cargador descargador de baterías bidireccional en corriente, basado en las topologías de los conversores CC-CC Buck y Boost, para ser aplicado en un UPS. Este sistema debe cumplir la tarea de suministrar energía a la UPS desde un banco de baterías, y también debe cargar este banco luego de su uso, utilizando un método específico de carga, para así no dañar las baterías y prolongar la vida útil de éstas. Por lo tanto un control riguroso, tanto en la carga como en la descarga, es necesario.

9 ÍNDICE Pag. INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN. 2 1.1 SOBRE LAS UPS. 2 1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO. 3 CAPÍTULO 2 ESTUDIO SOBRE BATERÍAS. 5 2.1 INTRODUCCIÓN. 5 2.2 BATERÍAS, UNA VISIÓN GENERAL. 5 2.2.1 Consideraciones sobre el tipo de aplicación. 6 2.2.2 Consideraciones relativas sobre el aspecto constructivo. 6 2.2.3 Las baterías de plomo ácido. 7 2.2.4 Reacciones químicas. 8 2.2.5 Tipos de baterías de plomo-ácido. 10 2.2.6 Características generales de un batería. 12 2.2.7 Parámetros nominales para la operación. 21 2.3 CONCLUSIONES. 23 CAPÍTULO 3 MÉTODOS DE CARGA. 24 3.1 INTRODUCCIÓN. 24 3.2 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE RECARGA DE BATERÍA. 24 3.3 MÉTODOS DE CARGA. 26 3.3.1 Método de carga con doble nivel de tensión. 26 3.3.2 Método a dos niveles de corriente y un nivel de tensión. 27 3.3.3 Método a dos niveles de corriente. 28 3.3.4 Método a un nivel de corriente y un nivel de tensión. 29 3.3.5 Método a corriente pulsada. 30 3.4 CONCLUSIONES. 30 CAPÍTULO 4 DESARROLLO DE CONVERSOR CC-CC. 32 4.1 INTRODUCCIÓN. 32 4.2 DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO COMPLETO. 32 4.3 PROYECTO DEL CIRCUITO DESCARGADOR DE BATERÍAS. 34 4.3.1 Datos del proyecto. 35 4.3.2 Control. 36 4.3.3 Resultados de la simulación. 39 4.4 PROYECTO DEL CIRCUITO CARGADOR DE BATERÍAS. 41 4.4.1 Datos del proyecto. 42

10 4.4.2 Control. 42 4.4.3 Resultados de la simulación. 52 4.5 SIMULACIÓN DEL CIRCUITO COMPLETO. 54 4.5.1 Circuito de enclave. 54 4.5.2 Circuito de protección de descarga profunda. 55 4.5.3 Resultados de la simulación. 55 4.6 CONCLUSIONES. 58 CAPÍTULO 5 PROYECTO FÍSICO 59 5.1 INTRODUCCIÓN. 59 5.2 DATOS NECESARIOS PARA EL PROYECTO. 59 5.3 BOBINAS DEL SISTEMA. 59 5.3.1 Tipos de núcleos a utilizar. 60 5.3.2 Cálculo del número de espiras. 62 5.3.3 Longitud del entrehierro. 62 5.3.4 Sección del conductor. 63 5.4 DISIPADOR. 65 5.5 CÁLCULO RESISTENCIA DE GATE DEL INTERRUPTOR IGBT. 69 CAPÍTULO 6 EVALUACION ECONÓMICA 70 6.1 INTRODUCCIÓN. 70 6.2 COSTO, CARGADOR DE BATERÍAS. 70 6.3 COSTO, SISTEMA COMPLETO. 72 6.4 CONCLUSIONES. 75 CONCLUSIONES GENERALES 76 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 77 APÉNDICE A TABLAS DE DATOS Tabla A.1 NÚCLEOS DE FERRITA TIPO E DE THORTON. A-1 Tabla A.2 POTENCIA V/S DENSIDAD DE CORRIENTE. A-2 Tabla A.3 FACTORES DE ENRROLLAMIENTO Y DE UTILIZACIÓN. A-2 DE LA VENTANA EN INDUCTORES. Tabla A.4 TABLA DE ALAMBRES ESMALTADOS. A-3 APÉNDICE B HOJA DE DATOS DE LOS COMPONENTES HOJA DE DATOS DE LAS BATERÍAS A UTILIZAR. B-1 HOJA DE DATOS IRG4BC30U IGBT. B-2 HOJA DE DATOS MUR1540. B-9 HOJA DE DATOS FLIP -FLOP CD4013BC. B-14

11 HOJA DE DATOS DEL DISIPADOR. B-20 APENDICE C CIRCUITO COMPLETO SIMULADO.

12 ÍNDICE DE FIGURAS Pág. Figura 1.1 Esquema ilustrativo de una UPS off-line. 2 Figura 1.2 Esquema ilustrativo de una UPS on-line. 3 Figura 1.3 Diagrama de una UPS tipo UPQC. 4 Figura 2.1 Variación de la resistencia interna con respecto a la temperatura. 12 Figura 2.2 Variación de la resistencia interna con respecto al grado de 13 descarga. Figura 2.3 Circuito equivalente de una batería. 14 Figura 2.4 Circuitos equivalentes de una batería. 15 Figura 2.5 Variación de la capacidad en función de la temperatura. 17 Figura 2.6 Variación de la vida útil en función de la temperatura. 17 Figura 2.7 Influencia del grado de descarga en relación con la vida útil 20 de la batería. Figura 3.1 Método a doble nivel de tensión. 26 Figura 3.2 Método a doble nivel de tensión mejorado. 27 Figura 3.3 Método a doble nivel de corriente y un nivel de tensión. 28 Figura 3.4 Método a dos niveles de corriente. 29 Figura 3.5 Método a un nivel de corriente y un nivel de tensión. 30 Figura 4.1 Diagrama del circuito cargador-descargador de baterías. 33 Figura 4.2 Circuito funcionando como descargador (convertidor Boost). 34 Figura 4.3 Diagrama del control del convertidor Boost. 36 Figura 4.4 Diagrama del compensador de corriente. 37 Figura 4.5 Diagramas de bode del control del convertidor Boost. 39 Figura 4.6 Resultados de la simulación del circuito descargador de 40 baterías. Figura 4.7 Ondulación de corriente en el banco de baterías. 41 Figura 4.8 Circuito funcionando como cargador (convertidor Buck). 41 Figura 4.9 Método de carga del banco de baterías. 44 Figura 4.10 Diagrama de control para la carga del banco de baterías. 44 Figura 4.11 Diagrama del compensador de corriente. 46 Figura 4.12 Diagramas de bode de magnitud y fase del control de 47 corriente. Figura 4.13 Circuito de control de potencia 48 Figura 4.14 Diagrama del compensador de corriente. 50 Figura 4.15 Diagramas de bode de magnitud y fase del control de 50 tensión. Figura 4.16 Circuito lógico de control. 51 Figura 4.17 Resultados de corriente y tensión del circuito cargador de 53 baterías. Figura 4.18 Gráfico: Tensión de baterías v/s Corriente de carga 53 Figura 4.19 Circuitos de enclave para la descarga y carga del banco de 54 baterías. Figura 4.20 Resultados de la simulación del sistema completo. 57 Figura 5.1 Circuito de potencia del sistema. 60 Figura 5.2 Núcleos en paralelo. 64 Figura 5.3 Modelo térmico del disipador y los semiconductores 66

13 ÍNDICE DE TABLAS Pág. Tabla 3.1 Características de las curvas de recarga de las baterías. 25 Tabla 4.1 Datos de proyecto para el convertidor Boost. 35 Tabla 4.2 Datos de proyecto para el convertidor Buck. 42 Tabla 5.1 Datos para el cálculo de las bobinas. 61 Tabla 5.2 Resultados finales del diseño de las bobinas. 65 Tabla 5.3 Resultados de las pérdidas totales de los semiconductores. 68 Tabla 6.1 Elementos y costo final del circuito cargador de baterías. 71 Tabla 6.2 Comparación entre el sistema cargador de baterías del proyecto y cargadores de similares características. 72 Tabla 6.3 Beneficios totales del proyecto UPS tipo UPQC y la UPS Extreme Online. 73 Tabla 6.4 Elementos y costo final del circuito completo. 74 Tabla 6.5 Tabla comparativa de alternativas de UPS. 74

14 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 SOBRE LAS UPS. Actualmente, la calidad de los sistemas de respaldo de energía eléctrica monofásicos, se han tornado un factor importante en un mundo cada vez más informatizado y automatizado, que crece junto con el número de cargas críticas como bancos, hospitales, sistemas de telecomunicaciones, sistemas de seguridad, entre otras tantas. Con esto el mercado de sistemas ininterrumpibles de energía (UPS) aumenta en la misma forma que las cargas críticas. Ese aumento en la demanda exige un perfeccionamiento de los sistemas tipo UPS, alta calidad, alta confiabilidad, elevada eficiencia, bajo costo y dimensiones reducidas. Las UPS pueden ser clasificadas básicamente en dos grupos: Las off-line y las on-line. En las primeras, también conocidas como standby, la carga esta ligada directamente con la red de energía, en caso de falla, la red es reemplazada por un banco de baterías a través de un interruptor de transferencia, como se muestra en la figura 1.1. Para el caso de las UPS tipo online, la carga esta conectada directamente con la UPS y esta con la red, como se muestra en la figura 1.2. Fig.1.1 Esquema ilustrativo de una UPS off-line.

15 Fig.1.2 Esquema ilustrativo de una UPS on-line En [19], son clasificadas y descritas varias topologías que pueden componer a una UPS, mostrando también un gran número de posibilidades para escoger el tipo de topología para construir una UPS, dependiendo de su aplicación. En estos sistemas ininterrumpibles de energía las baterías comprenden una parte importante de los costos del sistema, sobre ellas se habla en el capítulo 2. La elección de un método de carga adecuado depende principalmente del tipo de batería y de su aplicación. Para el caso de las baterías VRLA (Valve Regulated Lead Acid), utilizadas en este trabajo, el más adecuado es el método a un nivel de corriente y un nivel de tensión, que será visto con mayor profundidad en el capítulo 3. 1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO. La figura 1.3 muestra un sistema ininterrumpible de energía basado en dos inversores Back to Back (espalda con espalda) diseñado para 1[Kw], en la figura se pueden apreciar ambos inversores, el filtro activo paralelo y el filtro activo serie, conectados espalda con espalda. El FAP (filtro activo paralelo) tiene como objetivo eliminar todos los armónicos de corriente que son introducidos a la red por la carga netamente no lineal. Análogamente al FAP, el FAS (filtro activo serie) cumple la misión de eliminar cualquier tipo de fluctuaciones presentes en la alimentación, ya sean transientes, swells, sags, armónicos, notches, ruidos y flickers, la otra función importante del FAS es la de estabilizar la tensión, o sea,

16 Fig. 1.3 diagrama de una UPS tipo UPQC en caso de una interrupción en la alimentación, proporciona la conti nuidad necesaria de energía a la carga por un determinado tiempo. Por todo lo anterior a esta configuración se le conoce como UPQC o controlador unificado de calidad de potencia. Esta UPQC fue diseñada casi por completo, con excepción del convertidor CC-CC, el cual será el encargado de la descarga y de la carga del banco de baterías. En cuanto al circuito de carga y descarga del banco de baterías a proyectar (convertidor CC-CC), el cual es el objetivo de este trabajo, existe mucha literatura y un sinnúmero de trabajos al respecto de circuitos con un buen desempeño, pero en este trabajo se opto por utilizar tres conversores Buck y Boost en paralelo, modulados por ancho de pulso y bidireccionales en corriente, para de esta manera disminuir la ondulación de corriente en las baterías y el tamaño de los inductores. Para la descarga del banco de baterías se utilizará la topología Boost, que será la encargada de elevar la tensión del banco de baterías que es de 48[Vcc] a los 400[Vcc] solicitados por la UPS para su funcionamiento. Para la carga del banco se utilizará la topología Buck, que desde los 400[Vcc], que entregará la UPS mientras no entre en funcionamiento, deberá ser capaz de cargar el banco de baterías de 48[Vcc].

17 CAPÍTULO 2 ESTUDIO SOBRE BATERÍAS 2.1 INTRODUCCIÓN. En este capítulo se presenta un estudio sobre los tipos de baterías existentes y el uso de algunas de estas en ciertas aplicaciones como por ejemplo en las UPS, en los vehículos motorizados etc. y sobre los procesos electroquímicos internos que le dan vida a una batería. Primeramente se presentará una visión general considerándose conceptos prácticos sobre el uso y construcción de los diversos tipos de baterías, en donde veremos una visión general de éstas, así como las reacciones químicas que la rigen, y por último un análisis para determinar cual es la más conveniente. Los métodos de carga recibirán un enfoque especial por ser considerados un factor importante en la mantención y el funcionamiento de un banco de baterías. 2.2 BATERÍAS, UNA VISIÓN GENERAL. Una batería es un elemento que almacena energía eléctrica. Una batería no produce energía, solamente almacena. De acuerdo con el cambio en la química interna de una batería, provocado por la variación en el circuito externo, ésta puede ser cargada o descargada. Las baterías no son 100% eficientes, una parte de la energía almacenada o suministrada se pierde en forma de calor, así es si por ejemplo fuese necesario utilizar 1000 watts-hora de una batería, puede ser necesario 1200 watts-hora para su carga. Cargas y descargas lentas son más eficientes. En cuanto a los tipos de baterías existentes, estos se pueden dividir de dos formas: por la aplicación (finalidad de la utilización) y construcción. En su mayor

18 parte la aplicación de baterías es en automóviles, y las principales formas de construcción son con fluidos (agua, ácido), gel o fibra de vidrio. 2.2.1 Consideraciones sobre el tipo de aplicación. Las baterías para uso en sistemas de potencia o electrónica de potencia pueden ser divididas con relación a su aplicación en tres tipos: Automotrices, aplicaciones marítimas y baterías de descarga profunda. Para nuestro caso, son necesarias baterías de descarga profunda, las razones son simples, este tipo de baterías son proyectadas para sufrir descargas de hasta un 80% de su carga total varias veces, poseen placas internas mucho más gruesas, y son usadas en sistemas donde se necesite energía durante un tiempo más largo. Las placas de este tipo de baterías poseen en medida 4,2mm, mucho más espesas que las placas de baterías para fines automotrices (1 mm). Muchas baterías industriales de descarga profunda utilizan placas de plomo-antimonio en vez de placas de plomo-calcio utilizadas en la mayor parte de las baterías de descarga profunda. El Antimonio reduce la producción de gas cuando estas baterías son sometidas a valores nominales de corriente de carga o descarga. Generalmente una batería de descarga profunda puede ser descargada algunas centenas de veces o hasta 1000 veces durante su vida útil, en cambio en otro tipo de baterías solo se puede llegar hasta las 50 60 descargas. 2.2.2 Consideraciones relativas sobre el aspecto constructivo. En cuanto al aspecto constructivo las baterías difieren principalmente en relación al medio en que están inmersas sus placas. Uno de los tipos de medios existentes es el gel, estas baterías contienen un ácido que fue transformado en gel, y la ventaja de este tipo de baterías es que es imposible derramar el ácido si este se encuentra en forma gelatinosa, o sea existe una mayor seguridad para el usuario en la mantención de estas baterías. La desventaja es que este tipo de

19 baterías debe ser descargada en una taza menor de corriente para prevenir exceso de formación de gas, ellas no pueden ser descargadas con corrientes elevadas como las baterías para usos automotrices. Otro de los medios existentes es el sólido, o de tipo AGM, poseen electrodos inmersos en un material semejante a la lana de vidrio. Este tipo de baterías posee características semejantes a la batería de gel, no pudiendo soportar abusos en la carga y descarga. Las baterías con las placas sumergidas en medio líquido poseen pequeñas placas que pueden o no ser removidas. Pero en el caso de las baterías selladas o de libre mantención, esas válvulas no pueden ser removidas y sirven únicamente para regular la presión interna de las mismas en la medida en que ha formado gases durante el periodo de carga. Si son recargadas muchas veces, estas baterías pueden perder agua suficiente como para quedar inutilizadas, aunque algunas poseen capas especiales que convierten hidrógeno y oxígeno nuevamente en agua, reduciendo la pérdida de ésta en un 95%. 2.2.3 Las baterías de plomo-ácido. Estas baterías son formadas por varios elementos acumuladores. Cada elemento es compuesto por una placa de peróxido de plomo (PbO2) y una placa de plomo (Pb), inmersas en una solución de ácido sulfúrico (H2SO4). La placa positiva, de mayor potencia, esta compuesta de peróxido de plomo y antimonio (entre 4 a 11%), y la negativa, de menor potencial, también es construida de plomo con antimonio. La razón principal para utilizar antimonio en las placas es que este aumenta considerablemente la vida útil de las baterías sin traer grandes perjuicios para su operación. Algunas especiales poseen calcio y plata en la placa positiva, aumentando desde dos a cuatro veces, respectivamente, la vida útil de la batería. Para la separación de las placas positivas y negativas se utiliza un separador de PVC. Otra característica

20 constructiva de las baterías es que la placa positiva se debe fijar siempre en medio de dos placas negativas. Los principales componentes de una batería comercial son: Placas positivas y negativas Grade Materia activa Separador Polos Electrolito Caja Tapa Conexión intercelular 2.2.4 Reacciones químicas La reacción química que ocurre en una batería de plomo-ácido es mostrada en (2.1): descarga Pb + PbO2 + 2 2SO4 2PbSO4 + 2H 2O H (2.1) carga La reacción de la ecuación (2.1) se puede dividir en otras dos que ocurren en la placa positiva y negativa: Placa positiva: descarga 2 + PbO2 + SO4 + 4H + 2 electrónes PbSO 4 + 2H2O carga (2.2)

21 Placa negativa: descarga 2 SO + Pb PbSO 4 4 + carga 2 electrónes (2.3) La ecuación (2.3) ilustra las reacciones químicas que ocurren durante la descarga y la carga de un acumulador. Durante la descarga un anion, que esta libre en la solución, se combina con el plomo de la placa negativa, formando sulfato de plomo y liberando dos electrones los cuales irán, a través de la carga ligada entre los polos de la batería, hacia la placa positiva. El mismo anion se transforma en la placa positiva, junto con otros dos electrones, el dióxido de plomo en sulfato de plomo más agua. El agua producida en esta reacción va a diluir el ácido sulfúrico y, consecuentemente, irá disminuyendo la tensión en los bornes de la batería. Para que se produzca la reacción inversa, es necesario ligar una fuente de electrones a la placa negativa. El sulfato de plomo presente en las placas positiva y negativa retornará a su estado original, o sea formando dióxido de plomo en la placa positiva y plomo en la placa negativa, luego de formar ácido sulfúrico y consumir el agua. Luego, la concentración de ácido aumenta, elevando la tensión en la batería. De este modo, se observa que la tensión en la batería es directamente proporcional a la concentración de ácido sulfúrico en la batería. La batería no se carga totalmente debido a varios factores, como constructivos y químicos que afectan las reacciones químicas. El principal factor de influencia en la capacidad de la batería es el proceso de auto descarga de la placa positiva. La auto descarga de la batería ocurre conforme a la reacción de la ecuación (2.4), que demuestra que un ion de hidrógeno reacciona con el oxido de plomo, formando agua y liberando oxígeno. De esa forma hay una reducción en la concentración de ácido sulfúrico, disminuyendo la tensión en los polos de la batería. PbO + + descarga ++ 2 + 2H Pb + H 2O 1 2 O2 (2.4)

22 La caída de tensión en las baterías es de aproximadamente un 3% al mes, o sea de un 0,1% al día, en las baterías VRLA (Valve Regulated Lead Acid) es de aproximadamente un 2% al mes (a 20 C). La velocidad de esa reacción, como las demás citadas anteriormente, son fuertemente influenciadas por la temperatura. Otra reacción que ocurre en las baterías de plomo-ácido, es el fenómeno de endurecimiento del sulfato de plomo (PbSO4) en las placas, llamado sulfatación. 2.2.5 Tipos de baterías de plomo ácido. Hasta hace poco tiempo atrás, los acumuladores tenían aberturas en la parte superior que servia para la reposición y para la evaporación del agua y del ácido sulfúrico, formando un gas altamente corrosivo, muchas veces perjudiciales para el medio donde se encontrase la batería. Actualmente los acumuladores son descritos como ventilados, o también como de válvula regulada sellada, estas baterías son virtualmente libres de mantención, debiéndose preocupar por el agua presente en el acumulador en caso de baterías ventiladas. Cuando las baterías no necesitan mantención, son conocidas internacionalmente con el no mbre de VRLA. La principal característica de las baterías VRLA es ser libres de mantencion, o sea no es necesario reponer el agua durante su vida útil. Para ello, la descomposición del agua debe ser reducida al máximo. Como no es posible impedir completamente la descomposición del agua por la corrosión de la placa positiva, el exceso de gas, generalmente hidrógeno (raramente oxígeno sobre condiciones normales), puede escapar por la válvula de seguridad, ocurriendo un balance de presión entre el lado interno y el externo de la batería. Esa válvula no permite la entrada de ningún gas, siendo una de las características de las baterías libres de mantención.

23 Las reacciones químicas durante la carga y la descarga son las mismas que ocurren en las baterías normales. Entretanto, la principal diferencia esta en que la falta de electrolito es fijada a través de un separador absorbente de fibra de vidrio (AGM) o galificado (GEL). Estos dos métodos de fijar el electrolito tienen influencia directa en varias características de la batería, como por ejemplo la resistencia interna, la tasa de descarga, auto descarga y la influencia de la temperatura. La corriente que circula en la batería durante una sobrecarga es usada casi totalmente para la producción de oxígeno en la placa positiva y la reducción de agua en la placa negativa. La formación de hidrógeno en la placa negativa es prevenida casi completamente. Este proceso solo ocurre si el oxígeno tiene fácil acceso a la placa positiva y negativa. Esta batería debe ser fuertemente sellada, con excepción de la válvula de seguridad que sirve para regular eventualmente un exceso de presión. En operación normal de sobrecarga y durante la carga de fluctuación, ocurre un equilibrio que se caracteriza por el consumo de gas y por la recombinación interna. Las batería VRLA son más sensibles a diversos factores como la temperatura, la ventilación, debiéndose tener más cuidado en el momento de su construcción. Esta mayor sensibilidad se debe a la necesidad de mantener el equilibrio descrito anteriormente. En estas baterías, durante su vida útil, ocurre una reducción del volumen de agua. Esa pérdida de agua se refleja en una disminución de su peso que es un parámetro usado para estimar la vida útil restante. Las principales causas de la pérdida de agua son: ineficiente recombinación de oxígeno, corrosión de la placa positiva y permeabilidad del material con que es revestido el acumulador.

24 2.2.6 Características generales de una batería. a) Resistencia interna. La resistencia interna de las baterías (Ri) depende de varios factores, como constructivos, temperatura, estado de carga o descarga. El valor de esa resistencia varía entre 0,6 y 3 mo para una batería de 100 Ah. El valor de esta resistencia es directamente proporcional a la relación entre el material activo y el electrolito, luego, con un aumento del área de la placa, la resistencia interna disminuye. También el valor de la resistencia interna varia con la temperatura como se puede apreciar en la figura 2.1 y con el aumento de la descarga en la batería como se aprecia en la figura 2.2. En el caso especial de las baterías VRLA, un factor de gran influencia, en la resistencia interna, es el material utilizado en la fijación del electrolito. Por ejemplo, para el caso de fijación por GEL, este puede llegar a ser tres veces el valor por sobre la fijación AGM. Factor multiplicador de Ri 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Temperatura del electrolito ( C) Fig. 2.1 Variación de la resistencia interna con respecto a la temperatura.

25 Factor de multiplicacion de Ri 1,5 1,45 1,4 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 1,1 1,05 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Grado de descarga (%) Fig. 2.2 Variación de la resistencia interna con respecto al grado de descarga. b) Modelamiento de una batería. Encontrar un modelo eléctrico y/o matemático que describa el comportamiento dinámico de una batería es una tarea difícil y bastante compleja, puesto que sus reacciones químicas no son lineales y sufren la influencia de distintos factores inter-relacionados, tales como la temperatura, tiempo de uso, nivel de carga o de descarga y aspectos constructivos. En la literatura, existen varios trabajos que buscan encontrar un modelo que describa el funcionamiento de la batería, mas esos modelos son encontrados a través de varios ensayos específicos [11] y [12]. Otros modelos son poco prácticos y dependen de coeficientes empíricos y de aproximaciones [13], [14] y [15]. En [16], es presentado un circuito eléctrico equivalente de una batería, considerando sus no-linealidades, conforme la figura 2.3. Ese circuito es relativamente simple, de fácil simulación y con buena precisión.

26 Fig. 2.3 Circuito equivalente de una batería. Siendo: Cl : Capacitancia de sobre tensión. Cb : Capacitancia de la batería. ib : Corriente de la batería. ip : Corriente paralela. Rcl : Resistencia de carga para sobre tensión. Rdl: Resistencia de descarga para sobre tensión. Rp : Resistencia de auto descarga. Rsc: Resistencia interna para carga. Rsd: Resistencia interna para descarga. Vb : tensión de la batería. Voc: Tensión de circuito abierto. Los valores equivalentes de los componentes de este circuito son obtenidos a través de ensayos de carga y descarga de la batería a ser modelada. Por lo tanto, por la complejidad del sistema que esta siendo modelado, es difícil encontrar un modelo simple, preciso, práctico, que pueda ser utilizado para todas las aplicaciones y necesidades, debiendo el ingeniero escoger un modelo de acuerdo con su aplicación y grado de precisión. Como en este trabajo el objetivo es el diseño de un cargador descargador de baterías, y no precisamente el comportamiento de las baterías, el modelo de la

27 Fig. 2.4 Circuitos equivalentes de una batería: (a) banco de baterías; (b) circuito equivalente simplificado; (c) circuito simplificado. figura 2.3 puede ser simplificado. Los efectos de sobre tensión son desconsiderados, pero la resistencia interna debe ser considerada. Por lo tanto los modelos simplificados se muestran en la figura 2.4. En la práctica, el modelo más utilizado para simular una batería es una fuente de tensión ideal con una resistencia en serie que corresponde a la resistencia interna de la batería. Ese modelo solo nos sirve en el momento en que debemos ver el comportamiento del circuito como descargador de baterías. En el caso contrario debemos de utilizar modelos más complejos, como los citados en las referencias [11], [12], [13], [14], [15] y [16]. Para nuestro trabajo utilizaremos por conveniencia el circuito equivalente simplificado, por ser similar al circuito conversor Buck. c) Tensiones de una batería. La tensión generada por una batería es directamente proporcional a la densidad del electrolito presente en la reacción. Como en el proceso de descarga ha producido agua y disminuido la concentración de ácido, la tensión en la batería es menor que en la recarga, donde ha producido ácido y consumido agua. Como se forma ácido en los poros de la materia activa durante la carga, y agua durante la descarga, y como se requiere un tiempo para que el ácido y el agua se fundan, se deduce que la concentración de ácido que esta en contacto real

28 con la sustancia activa es mayor durante la carga que la concentración media del ácido, en cuanto en la descarga es menor que la concentración media para un mismo grado de carga. La tensión en la batería puede ser obtenida a partir de las ecuaciones simplificadas (2.1) y (2.2). Recarga : V = E + I R (2.1) bat bat O O b Descarga : V = E I R (2.2) Durante el proceso de carga y/o de descarga, la tensión en la batería debe ser monitoreada para así verificar su funcionamiento de acuerdo al proceso. b i i d) Temperatura de una batería. Un factor importante en la determinación de la tensión en la batería es la temperatura, pues afecta en gran cantidad a la concentración de ácido. Por lo tanto la temperatura debe ser monitoreada durante los procesos de carga y descarga, ya que si bien la capacidad de una batería aumenta conforme aumenta la temperatura, la vida útil de esta disminuye, y si la temperatura disminuye considerablemente, la capacidad de la batería también. La capacidad de una batería es reducida en un 50% a -30 C, y para altas temperaturas la vida útil disminuye por cada 9 C sobre los 25 C. Resumiendo la temperatura en una batería tiene influencia directa sobre las siguientes variables: Capacidad. (ver figura 2.5) Vida útil. (ver figura 2.6) Tensión. Resistencia interna. La auto descarga. La viscosidad del electrolito.

29 110 Capacidad nominal (%) 100 90 80 70 60 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Temperatura ( C) Fig. 2.5 Variación de la capacidad en función de la temperatura. 110 100 Vida util de la baetria (%) 90 80 70 60 50 40 30 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Temperatura ( C) Fig. 2.6 Variación de la vida útil en función de la temperatura. Cuando se utiliza una batería sobre condiciones climáticas adversas, se debe tener mucho cuidado en escoger la adecuada, tanto en la batería como en los demás componentes o dispositivos utilizados.

30 e) Corrientes en una batería. La corriente de la carga de una batería es variable dependiendo del método de carga escogido. Con un tiempo disponible para recargarla dado por las especificaciones del fabricante. Pero aunque se encuentre en un proceso de carga y/o descarga, y sin importar el valor máximo y/o mínimo de la corriente, se debe tener muy en cuenta que esta corriente debe tener una ondulación lo más pequeña posible, puesto que esta produce pequeños ciclos de carga y descarga en la batería, reduciendo así su vida útil. En la literatura existen varios niveles de corriente de acuerdo con el estado de carga de la batería, como se pueden citar: Corriente de ecualización o recarga: Es la corriente destinada a retornar un 90% de la capacidad de la batería. Usualmente es del orden de un 10 o un 20% de la corriente de descarga. Corriente de fluctuación: Es la corriente necesaria para compensar la auto descarga y las pérdidas por fuga de corriente entre polos y polo a tierra. Usualmente esta entre el orden del 1% de la capacidad máxima. Corriente de retención: Corriente destinada a dar una pequeña sobrecarga a la batería con el fin de ecualizar las tensiones en los diversos elementos electroquímicos. f) Densidad del electrolito. La cantidad de electrolito es una cantidad de ácido sulfúrico en agua. Cuanto mayor densidad, mayor será la capacidad en Ah de la batería. Pero si esa concentración sobrepasa el límite estipulado por el fabricante, la vida útil de la batería irá disminuyendo. Para las baterías estacionarias, la densidad del electrolito varía de 1,21 a 1,28 [g/cm³] cuando esta completamente cargada a 25 C. Una de las mejores maneras de estimar el estado de carga de una batería es por medio de la densidad del electrolito, pero no es un medio práctico puesto que en este tipo de baterías no se tiene acceso a esta variable.

31 g) Capacidad de una batería. La capacidad de una batería esta definida en Ah (amperes por hora). Para determinar la capacidad en Ah, es necesario drenar de la batería una determinada corriente en un determinado tiempo hasta llegar a la tensión mínima de la batería, sobre condiciones normales. Para producir una batería con una gran capacidad, es necesario aumentar la superficie del material activo (o sea el espesor y la superficie de las placas). Las baterías de plomo-ácido, generalmente, son expresadas en términos de capacidad de descarga en 20 horas. Así, una batería de 36 Ah es aquella que provee 36 [Ah] durante 20 horas de descarga, o de otra manera, demorará 20 horas para descargarse, a una corriente de 1,8 amperes. La capacidad de una batería depende de varios factores ligados, como constructivos, profundidad de descarga, densidad del electrolito, temperatura, etc. Por lo tanto no es una tarea fácil determinar con exactitud la capacidad de una batería. Si bien en la literatura existen diversos métodos para determinar la capacidad de una batería, en este trabajo no se le dará énfasis por no ser un objetivo del mismo. h) Gasificación. La gasificación es el fenómeno de formación de gases en los elementos acumuladores debido a la electrolisis del agua. Los gases liberados son hidrógeno y oxígeno. La cantidad de esos gases liberados depende de la corriente de carga y del estado de carga de la batería. Para disminuir la formación de gases se debe disminuir la corriente de recarga cuando la batería esta casi cargada.

32 i) Vida útil. La vida útil de una batería es determinada por diversos factores, como: Régimen de descarga. Régimen de carga. Mantención. Temperatura. (Figura 2.6) Tensión de fluctuación. La vida útil de una batería es definida como cierto periodo durante el cual la batería puede proporcionar, al menos, el 80% de su capacidad nominal. En la figura 2.7 se representa la variación de la vida útil de una batería en función del grado (profundidad) de descarga. Por lo tanto, para no perjudicar la vida útil de una batería, nunca se debe descargar bajo el nivel de profundidad permitido por el fabricante. Cuando ocurre una descarga profunda en la batería, la mejor manera de recuperar la capacidad de esta es recargándola con la máxima corriente permitida por el fabricante, pues, así mismo se prolonga la vida útil de ésta. Vida de la batería en ciclos 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Grado de descarga (%) Fig. 2.7 Influencia del grado de descarga en relación con la vida útil de la batería.

33 Otro factor que abrevia la vida útil de las baterías conectadas en serie (banco de baterías) es el desequilibrio de las cargas de cada batería durante el proceso de recarga, pudiendo existir baterías con sobrecarga y otras con subcarga, a pesar que la carga del banco completo esta correcta. Para solucionar ese problema es preciso equilibrar las cargas de las baterías, como los métodos para equilibrar mostrados en [17] y [18]. En el capítulo 3 serán presentados más de algún método con esa finalidad. j) Almacenamiento. Las baterías de plomo-ácido deben ser siempre almacenadas completamente cargadas para así evitar la corrosión de las placas y la sulfatación que va a afectar la capacidad y la vida útil. Condiciones de almacenamiento: Baja Humedad. Temperatura máxima de 30 C. Ambiente limpio y sin exposición directa a la luz solar. La capacidad de la batería decrece con el tiempo de almacenamiento debido principalmente a la auto descarga. Luego, es necesario aplicar cargas periódicas para evitar daños en la misma. 2.2.7 Parámetros nominales para la operación. a) Capacidad nominal Cn. La capacidad nominal es la cantidad de energía eléctrica suministrada durante la descarga sobre condiciones normales (corriente de descarga, tiempo de descarga, tensión final de descarga, temperatura, densidad y nivel del electrolito). La capacidad nominal Cn es suministrada por el fabricante.

34 b) Tensión nominal Vn. La tensión nominal de cada elemento tiene su valor específico: Plomo-ácido: 2,0 [V] Níquel-Cadmio: 1,2 [V] La tensión nominal de las baterías es producida por el producto del número de elementos ligados en serie y el valor de cada elemento. c) Tiempo de descarga nominal tn. El tiempo de descarga nominal es un tiempo específico relativo a la capacidad nominal. d) Corriente nominal In. La corriente nominal de una batería es la corriente suministrada por la capacidad nominal: Cn In = (2.7) tn e) Temperatura nominal Tn. La temperatura nominal es la temperatura del electrolito y del recipiente de cada tipo de batería o elemento para tener capacidad nominal. f) Densidad nominal del electrolito (densidad del ácido) dn. La densidad nominal del electrolito es un valor específico de cada batería. Varía con la temperatura, carga de la batería y el nivel del electrolito.

35 2.3 CONCLUSIONES. La batería es uno de los dispositivos más importantes para sistemas, tanto de respaldo de energía (UPS) como de telecomunicaciones. Por lo tanto, una adecuada utilización es un factor esencial para no disminuir la vida útil de éstas. Por lo ya expuesto, para prolongar al máximo la vida útil de una batería, se debe utilizar el método de carga más adecuado para cada tipo de batería y su aplicación. A parte de eso, se debe realizar una adecuada mantención y control de la corriente de carga, la tensión y la temperatura. Entonces se debe implementar un buen control para mantener estas variables dentro de las especificaciones necesarias. Para nuestro caso se utilizará el circuito equivalente del banco de baterías de la figura 2.8(b), ya que es similar a los conversores que se están utilizando, y los valores de los parámetros de este circuito son obtenidos de la siguiente manera: La resistencia serie por catálogo de fabricantes, y su valor es de 30[mO], como se utilizarán 4 baterías en serie, el valor total será de 120[mO], en seguida los valores de Ri y Cbat son obtenidos a través de la corriente de carga y del tiempo necesario para una completa carga, o sea tres horas según especificaciones del fabricante. Con estos datos se tiene que el valor de la resistencia RI es de 15.000[O] y el del capacitor Cbat es de 2[F].

36 CAPÍTULO 3 MÉTODOS DE CARGA 3.1 INTRODUCCIÓN. La elección del método de carga de un banco de baterías es una tarea que exige el conocimiento de varios factores, como la aplicación, el tiempo de carga, etc. La elección del método de carga óptimo se torna un factor imprescindible cuando se desea proyectar un cargador de baterías con alto desempeño, pues el método de carga tiene influencia directa en dos de los principales parámetros de una batería: su capacidad (Ah) y su vida útil. También se debe mantener la corriente de carga dentro en los niveles adecuados para evitar la corrosión y la deshidratación de las placas por corrientes muy bajas y así mismo evitar daños a las mismas por corrientes muy altas. Por lo tanto un sistema de control de carga del banco de baterías se torna indispensable para optimizar este proceso. 3.2 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE RECARGA DE BATERÍAS. Las curvas características de recarga de las baterías son por norma DIN 41772 las siguientes: Característica decreciente W; Característica creciente S; Característica limitada (I), (U); Característica constante I, U; Característica conjunta IU, IUW, IOIa. Las abreviaciones representan el comportamiento del cargador conforme las referencias [20] y [21].

37 Las curvas características de recarga de baterías se dividen en tres grupos conforme lo mostrado en la tabla 3.1 y en la referencia [21]: Tabla 3.1 Características de las curvas de recarga de las baterías. Características de carga Característica temporal Aplicación -Carga parcial. -Carga completa. -Sobrecarga -Solamente permitida por pequeños intervalos de tiempo y con supervisión de temperatura. -Solamente permitida por pequeños intervalos de tiempo y la corriente debe ser limitada de forma que sea absorbida por la batería.

38 Conforme a la variación de las figuras mostradas en la tabla 3.1, se pueden obtener métodos variados de carga para las baterías. Esos métodos cambian conforme a la variable que se esta controlando. Generalmente se utilizan algoritmos de control para que se pueda alterar la variable que se desea controlar u observar. A continuación se describen varios métodos encontrados en la literatura que pueden ser aplicados conforme al tiempo de carga y al tipo de batería: 3.3 MÉTODOS DE CARGA. 3.3.1 Método de carga con doble nivel de tensión. Este método de carga consiste de tres estados y es presentado en forma de gráfico en la figura 3.1. En el primer estado la corriente aumenta hasta un valor máximo hasta que la tensión sobre la batería alcanza un valor de sobrecarga (Vsob). En el segundo estado se aplica una tensión (Vmax) constante de un 5% mayor que el valor de la tensión de sobrecarga, con el objetivo de dar una mayor sobrecarga a la batería. Luego la corriente decrece hasta llegar a un valor llamado corriente de retención mínima (Imin). Al final del segundo estado, la batería ha alcanzado casi un 100% de su capacidad. Y en este estado es mantenida una tensión de fluctuación fija (Vf). Fig. 3.1 Método a doble nivel de tensión.

39 Fig. 3.2 Método a doble nivel de tensión mejorado. Este método puede ser mejorado a través del uso de algoritmos de monitoreamiento de las variables que están siendo controladas. Supongamos que la batería llegue a una tensión bajo el nivel límite de tensión permitido por el fabricante, indicando que fue descargada profundamente. Entonces se recomienda agregar un estado de carga en el inicio, como se muestra en la figura 3.2. Este nuevo estado de carga limita la corriente hasta que la tensión llegue a la tensión limite mínima permitida por el fabricante, así se evita la formación excesiva de gas característica de la baterías de plomo-ácido. Los estados siguientes son similares a los descritos anteriormente. Luego a este método se le denomina; método a doble nivel de tensión mejorado. 3.3.2 Método a dos niveles de corriente y un nivel de tensión. Cuando se tiene un banco de baterías dividido en varias células colocadas en serie, es difícil saber si durante la carga las células están siendo cargadas correctamente. Entonces en este caso un doble paso de corriente de carga tiene cierta ventaja sobre un sistema con doble nivel de tensión. Para este método existen dos estados de carga. En el primero se mantiene una corriente constante

40 Fig. 3.3 Método a doble nivel de corriente y un nivel de tensión. típicamente en torno al 10% de la corriente nominal hasta tener una determinada tensión sobre la batería ligeramente superior a la tensión nominal, pero sin llegar a una tensión de sobre carga. En la figura 3.3 pueden apreciarse mejor las etapas de este método de carga. Durante el segundo estado se mantiene una tensión constante hasta que la corriente llegue a un valor mínimo próximo al 5% de la corriente nominal. Cuando la corriente llegue a este valor, este se mantiene constante hasta que la tensión se estabilice en su valor de sobrecarga, hecho esto la corriente se vuelve nula, y la tensión pasa a su valor de fluctuación, hasta que caiga nuevamente a límites inferiores a la tensión mínima, donde se vuelve al estado de carga imponiendo corriente. 3.3.3 Método a dos niveles de corriente. Este método es un poco más simple que los anteriores. Aquí se imponen solamente dos niveles de corriente sin importar ningún nivel de tensión. El primer nivel es aplicado con el fin de que la batería retorne al 90% de su capacidad, y el

41 Fig. 3.4 Método a dos niveles de corriente. segundo nivel es aplicado para compensar la reacción de auto descarga de la placa positiva. Este método tiene la desventaja de poder imponer una corriente de retención muy alta o muy baja, produciendo pérdida de capacidad o sobrecarga en la batería, a no ser que se monitoree la tensión de la batería y se ajuste un valor de corriente mínima. La figura 3.4 muestra el comportamiento de la corriente y la tensión para este método de carga. 3.3.4 Método a un nivel de corriente y un nivel de tensión. Este método de carga también tiene dos estados. En el primero la corriente es mantenida constante hasta que la tensión llegue a un nivel especificado de tensión de ecualización. En el segundo estado, se tiene un valor de tensión regulado en un valor de fluctuación. El gráfico del comportamiento de la tensión con respecto a la corriente se muestra en la figura 3.5.

42 Fig. 3.5 Método a un nivel de corriente y un nivel de tensión. 3.3.5 Método a corriente pulsada. Este método consiste en aplicar corriente constante máxima de carga hasta que la tensión llegue a un valor de ecualización (o de gasificación). A partir de ese instante, siempre que la tensión de la batería decrezca a la tensión de fluctuación, se aplica nuevamente corriente de carga máxima, hasta que la tensión vuelva al estado de ecualización. Este ciclo ocurre indefinidamente, y es útil para la carga rápida de la batería, pero es uno de los métodos que más abrevia la vida de las mismas. 3.4 CONCLUSIONES. La elección del método para cargar un banco de baterías, debe ser tomada en función de la aplicación, del tipo de batería y del tiempo disponible para la carga. También se debe tener mucho cuidado en escoger la mejor topología para los dispositivos de carga, para que estos tengan plena capacidad de adecuarse a las exigencias del método de carga escogido, pues pequeñas variaciones en la tensión y en la corriente afectan significativamente la capacidad (Ah) y la vida útil de las baterías.

43 El método escogido para cargar el banco de baterías en este trabajo es el de un nivel de corriente y un nivel de tensión. Pues este método es simple, y se preocupa en compensar la auto descarga de la batería, porque la corriente impuesta a las baterías es siempre limitada, evitando la liberación de gases, y también por ser el método utilizado en la mayoría de los cargadores de baterías tipo VRLA, utilizados comercialmente según [17], [20] y [22]. Cabe señalar que los valores de corriente y tensión que se utilizarán en este método de carga se obtendrán conforme a la batería a utilizar.

44 CAPÍTULO 4 DESARROLLO DEL CONVERSOR CC-CC 4.1 INTRODUCCIÓN. Como se mencionó anteriormente, el objetivo de este trabajo es el desarrollo de un cargador descargador de baterías para alimentar una UPS tipo UPQC que fue descrita en el capítulo 1. El presente capítulo tiene como propósito presentar la solución, desarrollarla y mostrar los resultados vía simulación por software, primero en forma separada y luego en forma conjunta. 4.2 DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO COMPLETO. Como se mencionó en el capítulo 1, el sistema estará compuesto por topologías Boost y Buck en paralelo, para cumplir con la misión de descargar y cargar el banco de baterías respectivamente, siendo también el sistema bidireccional en corriente. El hecho de tener tres conversores Boost y tres conversores Buck en paralelo hace que se mejore la ondulación de corriente tanto en la descarga como en la carga y de este modo evitar daños al banco de baterías, ya que la ondulación provoca ciclos de carga y descarga que disminuyen la vida útil de las baterías, además de reducir el tamaño de los elementos de los conversores tales como interruptores, bobinas, diodos, puesto que se disminuye en 1/3 el paso de la corriente total. De acuerdo con la figura 1.3, el conversor CC-CC será el encargado de proporcionarle a la UPS los 400[Vcc] necesarios para su funcionamiento durante cierto periodo, de acuerdo a la capacidad de las baterías. Para ello la UPS enviará un pulso al control del circuito descargador de baterías, indicándole que la red falló y que debe entrar a actuar y así proporcionar la tensión necesaria a la UPS

45 Luego cuando la red vuelva a ser la que alimente la carga, la UPS, por medio de otro pulso, le indicará al circuito descargador que debe cesar sus funciones y que ahora el circuito cargador debe reponer la energía pérdida por el banco de baterías. En este caso el circuito cargador se alimentará de una tensión de 400[Vcc] proveniente de la UPS. Ambos pulsos ya nombrados darán inicio al control de nuestro sistema, como se verá más adelante. Para graficar mejor el proyecto de nuestro circuito cargador-descargador de baterías se tiene la figura 4.1. En ella se puede apreciar el circuito completo que se desea proyectar, se puede apreciar también el circuito equivalente del banco de baterías, compuesto por su resistencia interna (Ri), su Capacitancia (Cbat) y su resistencia serie (Rserie). También se puede apreciar como las topologías Boost y Buck (encargadas de descargar y cargar el banco de baterías) se encuentran conectadas de manera que el circuito sea bidireccional en corriente, siendo S11, Fig. 4.1 Diagrama del circuito cargador-descargador de baterías.

46 S12 y S13 los interruptores de los tres conversores Boost conectados en paralelo, y S21, S22 y S23 los interruptores de los tres conversores Buck conectados en paralelo. En el extremo contrario al circuito equivalente del banco de baterías se aprecia el condensador Cs perteneciente a la UPS, la resistencia de carga Rs y la tensión de la UPS que, dependiendo de si se esta descargando o cargando el banco de baterías, alimentará o no al circuito. Durante la descarga del banco de baterías el circuito se debe comportar como convertidor Boost, y debe elevar los 48[Vcc], del banco de baterías, a 400[Vcc] para alimentar a la UPS, tensión que se mantendrá dependiendo de la autonomía de las baterías. Para el momento de la carga la UPS entregará 400[Vcc] para que se lleve a cabo la carga del banco de baterías con el método antes mencionado. 4.3 PROYECTO DEL CIRCUITO DESCARGADOR DE BATERÍAS. Fig. 4.2 Circuito funcionando como descargador (convertidor Boost).