Dimensionamiento de baterias en embarcaciones electricas


Si tiene desventajas, a priori, también se adivinan los numerosos datos favorables o beneficios que pueden aportar los vehículos eléctricos  a corto plazo:son más agradables de conducir,  los motores eléctricos dan más par a bajo régimen de revoluciones y su comportamiento es más lineal,permiten una reducción de las emisiones contaminantes notable, su respuesta es más inmediata y generan menos ruido que un motor térmico. También puede citarse la posibilidad de recuperación de energía en las desaceleraciones  ¿pero como elegir  la  batería mas adecuada para  nuestro motor (intraborda o fueraborda ) electrico?

COMO ELEGIR LA BATERÍA NECESARIA PARA UN MOTOR ELÉCTRICO

Los acumuladores eléctricos almacenan energía eléctrica para utilizarla posteriormente transformando la energía química en energía eléctrica.
Las características de una batería son:

  •  El voltaje que suministra:se mide en Voltios y en las instalaciones de los barcos suele ser de 12 V. Para que una batería nos proporcione 12 V. ha de estar compuesta por seis elementos,y cada electrodo tiene que proporcionar un voltaje entre 1,8 y 2,2 voltios. La batería está descargada cuando esté en 10,8 voltios y a plena carga cuando esté en 13,2 voltios.
  • Su capacidad,es la cantidad de corriente que puede proporcionar, midiéndose en amperios/hora.

No se deben usar baterías de arranque de automóvil para alimentar un motor eléctrico porque las baterías de arranque están diseñadas para entregar la energía almacenada en breves descargas de gran amperaje que se realizan de manera muy espaciada. Si a una batería de arranque le solicitamos una entrega de por ejemplo, 25 A de manera continuada, esta batería no será capaz de entregarnos la energía que tiene acumulada (los amperios-hora) ya que esta entrega continuada la “asfixia” al cabo de un rato. Use baterías de ciclo profundo, a ser posible de tecnología AGM, diseñadas para este tipo de trabajo. Estas baterías sí serán capaces de entregar el amperaje solicitado durante el tiempo previsto y durarán muchos ciclos de carga-descarga.

Absorbent Glass Mat (AGM) es un tejido de fibra de vidrio absorbente que contiene el ácido de la batería. Las baterías de plomo tipo AGM son más seguras y ligeras y por tanto más avanzadas.
La tecnología AGM fue desarrollada en 1985 para los aviones militares que buscaban reducir el peso y aumentar la capacidad de carga de los aviones. En las baterías de tipo AGM el ácido sulfúrico de cada vaso es absorbido por una capa muy  delgada de fibra de vidrio comprimida con el aspecto de un fieltro, que asegura los problemas frente a posibles derrames de ácido en caso de rotura.  Son baterías mucho más seguras frente a vibraciones y posibles roturas, y por esta razón se suelen escoger en vehículos de competición ,para caravanas , para vehículos con función start-stopy  y por supuesto  también para usos náuticos.
Por esta razón las baterías AGM pueden ser transportadas de forma mucho más segura y sin restricciones por peligrosidad. Cada vaso puede se fabricado de forma rectangular o enrollados en forma cilíndrica.

agm

Las baterías AGM tienen una resistencia interna muy baja que las permite entregar corrientes muy altas y tienen además una vida útil bastante larga, incluso al someterlas a ciclos de descarga profundos. Las AGM son baterías selladas estancas sin mantenimiento, y como ya hemos comentado, más ligeras que las baterías de ácido-plomo normales.

Además se comportan bastante bien incluso con bajas temperaturas lo cual se agradece en invierno, y ofrecen una autodescarga reducida. Pero las ventajas de las AGM continúan frente a las normales pues admiten una recarga de hasta 5 veces más rápida, en caso naturalmente de que nuestro cargador entregue suficientes amperios.

El precio de este tipo de batería  es algo mas elevado que su homologas las de Plomo convencional  pero dese luego mucho mas asequibles a  igualdad capacidad  que las de Nq-cd o las de iones de Litio . Como ejemplo una de batería de 12V  y  100AH  del tipo AGM nos puede costar unos 200€

Es muy importante destacar que las baterías se pueden acoplar en serie o paralelo según necesitamos una mayor tensión o  capacidad que las ofrecidas por baterías estándar.

También  se pueden asociar  de forma conjunta en serie y en paralelo para obtener una determinada capacidad   y tensión fuera de  la «estándar»

En cualquier composición de baterías es muy importante tener en cuentas las siguientes consideraciones:

  • Todas las baterías usadas deberían ser similares en capacidad , tensión,modelo ,tamaño tipo y antigüedad (a ser posible todas nuevas)
  • Las conexiones deben ser  lo mas cortas posibles y de parecidas dimensiones entre todas las conexiones para asegurar que no haya asimetrias.
  • Debe mantenerse igualdad de longitud de cables
  • La sección de los cables hay que recordar que dependerá de la longitud del conductor y de la corriente máxima que debe soportar en DC
  • Para la unión de cables se deben usar  bornas o terminales ,las cuales  deben usarse especificas para uso marino  por el problema de la humedad
  • Las conexiones centrales deben apoyarse en regletas de conexiones dimensionadas para la corriente que van a soportar
  • Es muy conveniente un interruptor general de corte cerca de estas
  • Es muy interesante también usar con desconectadores rápidos que ante una emergencia nos permitan aislar una sección de baterías

baterias

En el ejemplo de la imagen superior ,como vemos,  tenemos dos asociaciones de 4 baterias de 12V en serie por ramal , que nos dan una salida de 12+12+12+12=48 voltios por ramal

Como  hay dos bloques de 48 V en paralelo, la capacidad total sera la suma de ambos bloques, Por ejemplo si cada batería es de 100AH y 12V , en conjunto esta asociación tendría una capacidad de 48V 200AH

 

En cuanto a la instalación del banco de baterías ,se suelen instalar en cajas cerradas pero con ventilación de persianas para que no entre el agua. Procuraremos no estibar objetos dentro de la caja de baterías y la mantendremos siempre limpias y secas. Esta caja estará firmemente sujeta para que no sufra desplazamientos con los movimientos del barco. Su instalación será lo más cerca posible del cuadro de distribución.

 

 

Muy sucintamente para calcular la  asociación de baterías que necesita puede seguir los dos siguientes pasos:

1. Calcule los amperios que consume su motor, con la siguiente fórmula:

Empuje en libras / Voltaje del motor x 12 = Amperios que consume.

Por ejemplo: 55 libras de empuje /12 Voltios x 12 = 55 Amperios 55 libras de empuje /24 Voltios x 12 = 27,5 Amperios 55 libras de empuje /36 Voltios x 12 = 18,3 Amperios

 Nota:Aunque tengamos un motor de 55 libras de empuje, probablemente no lo vamos a usar continuamente al 100% de potencia, por lo que deberemos estimar el % de potencia media usada.

2.  En función del número de horas seguidas que desea de autonomía, seleccione la batería necesaria. Por ejemplo: Con un motor que consume 55 Amperios, que usaremos a una media del 75% de su potencia, deseamos una autonomía de 3 horas Batería necesaria = consumo en amperios x % de potencia x horas de funcionamiento x 1,3 = 55 A x 0,75 x 3 h x 1,3 = 160,88 Ah.

 

Como seleccionar un cargador de baterías

 

Cargamos las baterías por medio de un cargador de baterías,(que puede ser automático), conectando el positivo del cargador con el positivo de la batería y el negativo con el negativo.

El cargador debería tener  un interruptor para abrir o cerrar el circuito ,un amperímetro para  medir la intensidad de la corriente,,un voltímetro que indique el voltaje de carga y un disyuntor que impide la descarga de la batería.

No use un cargador  económico ” de tensión constante pues su batería no se cargará al 100% y su vida se acortará (menos ciclos de carga-descarga).Lo recomendable sería usar  un cargador automático digital de tres fases.

Si decidimos montar el cargador  en la propia embarcación ,lo ideal es colocarlo en un lugar con ventilación y aireado puesto que para altas corrientes  de carga los cargadores suelen usar disipadores activos , muy   cerca del banco de baterías ( así nos ahorraremos sección de conductor)

Obviamente la entrada de ca  ira al cuadro de distribución de ca, el cual se alimentará normalmente de una conexión estanca abierta accesible por el exterior , para poder  conectarlo a la red general del puerto

 

cargador

 

Muy sucintamente para calcular su cargador de baterías que necesita puede seguir los tres siguientes pasos:

  • Determine cuántas baterías desea cargar simultáneamente.
  •  Sumar los amperios-hora de todas las baterías que desea cargar simultáneamente
  • Seleccione el cargador automático que cumpla sus requisitos, eligiendo en caso de necesitar una corriente no estándar,  el de corriente inmediatamente superior.

Ejemplos:

  • 1 batería de 100 Ah (C20h). Necesita un cargador a 12 V con una salida y una capacidad para 100 Ah..
  • 2 baterías de 132 Ah (C20h) cada una, conectadas en paralelo (el motor funciona a 12 V). Necesita un cargador a 12 V con dos salidas y una capacidad para 260 Ah. 
  • 2 baterías de 86 Ah (C20h) cada una, conectadas en serie (el motor funciona a 24 V). Puede usar o bien un cargador a 12 V con dos salidas y una capacidad para 172 Ah  o bien un cargador a 24 V con una salida o más y la misma capacidad de 182 Ah .

 

Resumidamente en el siguiente esquema podemos ver una configuración típica de una instalación de 48V para un uso marino  donde ademas se han incluido ademas delas barras generales , el interruptor de emergencia   y   dos fusibles para carga y de utilización:

INSTALACION COMPLETA

 

Piernas bionicas que ya son una realidad


 

En efecto gracias al trabajo  Hugh Herr, jefe del grupo biomecatrónica el MIT Media Lab, ,actual Premio Princesa de Asturias de Investigación Científica y Técnica  ya es posible dotar  a personas de movimiento gracias a  unas prótesis tecnológicamente avanzadas que realmente parecen salidas de la ciencia ficcion.

Sus logros han tenido un impacto significativo en personas con discapacidad física, a través de las prótesis de rodilla adaptables para amputados femorales o las ortoprótesis de tobillo y pie, para pie equino y patologías causadas por parálisis cerebral o esclerosis múltiple.

El trabajo de Herr como científico e ingeniero nace en parte de una desgracia hace  30 años  cuando él  tenía 17 años , durante una escalada de un montaña   fue sorprendido por una ventisca que le mantuvo tres noches perdido a temperaturas de 29 grados bajo cero. Afortunadamente fue rescatado con vida, pero desgraciadamente tubo secuelas muy graves  a consecuencia  del congelamiento intenso de sus miembros inferiores que le obligaron a que le amputasen las dos piernas por debajo de las rodillas.Por desgracia ademas la tragedia no termino allí porque ademas uno de los voluntarios que ayudó a su rescate falleció durante  el mismo.

Traumatizado y  decepcionado intentó que al menos su desgracia pudiera ayudar a otras personas en situaciones  similares  así  que empezó a investigar como mejorar  unas prótesis pasivas tradicionales que le realizaron en el Hospital .  Pronto se dio cuenta de la gran falta de tecnología  existente  así que decidió volcarse en el diseño de piezas más avanzadas experimentándolas sobre el mismo  para  ayudar a otras personas que, al igual que él, por circunstancias del destino  sufrían  algún problema en sus extremidades inferiores .

Herr necesitó un año para recuperarse después de su accidente y pronto diseño el mismo diseño  unas prótesis caseras . .Lo importante es que , abandonó la idea de que las extremidades biónicas tuviesen que parecerse a los miembros humanos pues lo realmente importante es  la funcionalidad ,creando diferentes  prótesis de piernas con alturas ajustables y accesorios para introducir el pie en grietas o poder apoyarse en salientes diminutos que le permitieron volver a escalar.

 

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Desde entonces, su cuerpo se ha convertido en su principal banco de pruebas y no se conforma con devolver y mejorar la movilidad de personas que han sufrido amputaciones, también quiere mejorar los cuerpos de personas sanas por ejemplo construyendo exoesqueletos que ayuden a reducir el impacto sobre las articulaciones.

Herr ha abierto nuevas líneas de investigación, dando lugar a una clase de sistemas biónicos  de prótesis “inteligentes”, que gracias a la fusión del cuerpo y la máquina  han permitido mejorar   su fuerza y resistencia permitiendo casi lo que hace unos años hubiera parecido  una tarea solo reservada a la ciencia ficción.

En esencia sus prótesis avanzada  constituye un sistema retroalimentado  muy complejo donde ante una serie de estímulos se procesan esas entradas  hasta que finalmente derivan en la activación de un actuador  que  a su vez devuelve nuevas señales como entradas  permitiendo así el movimiento en función de la postura, de los pre-estimulos así como de la propia geometría del cuerpo

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Para llevar este complejo sistema a la realidad , se utilizan  un conjunto de disciplinas científicas y tecnológicas, desde la ciencia biomecánica y del control de los movimientos biológicos hasta el diseño de dispositivos biomédico

Una peculiaridad  que ha mejorado sustancialmente su diseño sobre otros antecesores es la forma de producir la propulsión  biónica apoyándose en el talon e impulsándonos hacia adelante como si de un palanca se tratase   tal y como lo hacemos instintivamente las personas que podemos caminar

Gracias a este sistema de optimización del mecanismo de propulsión humana,se  amplifican la resistencia para actividades anaeróbicas, permitiendo construir zapatos elásticos que aumentan la resistencia aeróbica al caminar y correr.

 

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Otra tecnologia  usada en las nueva prótesis  y con mucho potencial para usarla en otros campos es la piel sintética ,la cual básicamente es blanda   y ligera como el papel  pero que permite ponerse fuerte  y rigida  en presencia de un potencial eléctrico

 

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Por supuesto   hay muchísima  mas tecnologia  para llegar a su modelos de prótesis actuales  por ejemplo en el diseño de la propia prótesis especifica para cada persona empleando modelos de puente cruzado del músculo esquelético para el diseño

 

TEDTalks es un podcast de vídeo diario de las mejores charlas y actuaciones de la Conferencia TED, donde los principales pensadores y hacedores del mundo dan la charla de sus vidas en 18 minutos (o menos).

 

En el siguiente interesantisimo video  presentado en febrero de 2014 dentro del contexto de charlas TED  ,el propio  Hugh Her presentó     por primera vez  en TED , la nueva generación de miembros biónicos, prótesis robóticas inspirados en diseños propios de la naturaleza; mostrando  su increíble tecnología en una charla muy emotiva  donde se entremezcla  la vertiente  técnica y lo profundamente personal – con la ayuda del bailarín de salón Adrianne Haslet-Davis( que  también perdió su pierna izquierda en el atentado de 2013 del maratón de Boston)

 

Hugh es el fundador de la compañía BiONx Medical Technologies (antigua iWalk) lo cual ambiciona llevar toda esta tecnologia a las personas, gracias a la  comercialización de la prótesis de miembros inferiores  BiOM® Ankle, la cual  proporciona magistralmente  energía emulando la función muscular e imitando el movimiento del tobillo  aportando ademas  una estabilidad que se ajusta a cualquier superficie.

Esperemos que muy pronto todas las personas con este tipo de discapacidad pueden contar con esta inestimable ayuda

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