Kitabı oku: «Mantenimiento auxiliar de sistemas eléctricos de aeronaves. TMVO0109»

Capítulo 1
Tipos de baterías de las aeronaves y componentes de las mismas
1. Introducción

En caso de que se necesite un suministro de corriente constante en momentos determinados, el avión dispone de un sistema de fuentes de energía para hacer frente a este tipo de situaciones.

Estos dispositivos almacenadores de energía pueden suministrar una corriente eléctrica constante en caso de ser necesario, basando su principio de funcionamiento en el intercambio de electrones debido a la interacción química entre el electrolito y los electrodos.

En este capítulo, se describirán de forma genérica los distintos tipos de baterías empleados en aviación y las partes de las que están constituidas, así como un breve repaso de los distintos sistemas de iluminación y dispositivos de emergencia a los que suministran energía eléctrica.

2. Baterías de níquel-cadmio y de plomo

Dependiendo del tipo de avión, se encontrarán diferentes tipos de baterías. Los dos tipos de baterías comúnmente utilizados en cualquier aeronave son las baterías de níquel-cadmio y baterías de plomo. Existen pros y contras en ambas y la elección de una u otra dependerá del fabricante. Evidentemente, en caso de sustitución de alguna de las baterías, se deberán seguir siempre las indicaciones técnicas del fabricante aeronáutico, ya que la elección errónea del acumulador se traduce en el mal funcionamiento de los sistemas a los que alimenta, pudiendo tener esta decisión consecuencias fatales en caso de emergencia.

En cuanto al principio de funcionamiento en el que se basan estos acumuladores, es el mismo para ambos, consistiendo su forma de trabajo en el intercambio de electrones debido a la acción química entre el electrolito y los electrodos.

Es importante mencionar que la estructura constructiva de estos acumuladores es también parecida, variando solo el material constructivo de ambos.

Dicho esto y sin más dilación, se describirán a continuación los dos tipos de almacenadores de energía de forma detallada, así como sus características eléctricas.

2.1. Baterías de níquel-cadmio

Las baterías de níquel-cadmio poseen en su interior una serie de placas positivas y negativas, distinguiéndose de las de plomo en el material del que están fabricadas.

Ejemplos de baterías de níquel-cadmio

Ejemplos de baterías de níquel-cadmio

Las placas positivas (+) están fabricadas a partir de hidróxido de níquel, Ni(OH)₂, mientras que las placas negativas (–) están construidas a partir del hidróxido de cadmio, Cd(OH)₂.

Las placas de este tipo de baterías se fabrican de forma diferente a las placas empleadas en otro tipo de acumuladores, por ejemplo las baterías de plomo-ácido. La principal diferencia radica en la forma en la que finalmente se encuentra adherida la materia activa a estas láminas, proceso que se lleva a cabo mediante complejas reacciones químicas y que no se van a describir, ya que no es el objetivo de este manual.

Nota

La diferencia entre ambos tipos de baterías es el proceso de fabricación, así como el material empleado para ello.

El tipo de impregnación de estas sustancias activas sobre las placas permite que este tipo de baterías sean mucho más eficientes a la hora de realizar su función como dispositivo suministrador de energía o fuente de poder.

Importante

Las baterías de níquel-cadmio son más eficientes que las baterías de plomo-ácido.

Las placas de distinto signo se intercalarán entre sí formando una estructura compacta, separadas a su vez unas de otras mediante una capa aislante.

Cada conjunto de placas se introduce en una pequeña celda-unidad de plástico anticorrosión y todos los conjuntos de celdas unidas formarán una estructura compacta que se montará de forma ordenada dentro de una caja de aluminio.

Cada celda-unidad puede suministrar 1,2 V.

Este recipiente presentará una resistencia lo suficientemente alta como para soportar el efecto corrosivo del electrolito en caso de derramarse.

El electrolito será una solución de agua destilada e hidróxido de potasio, KOH.

La densidad del electrolito en las baterías de níquel-cadmio debe ser de entre 1,24 y 1,30.

Recuerde

Los electrolitos de los acumuladores son corrosivos. En caso de manipulación, será necesario usar protección adecuada.

En la siguiente imagen, se muestra la estructura que constituye la unión de las placas positivas (+) y negativas (–) en el interior de una batería.

El conjunto formado por las placas estará unido entre sí mediante unas láminas, en cuyos extremos estarán a su vez unidas a los bornes de la batería, que son los terminales positivo (+) y negativo (–) de dicho acumulador.

Además, es necesario indicar que en la parte superior existe un pequeño espacio cuya función es la ventilación de los gases que pudiera expulsar el acumulador durante su funcionamiento, situado entre los bornes del acumulador y la tapa del compartimento de que el avión dispone para tal fin.

En la siguiente figura, se distingue el espacio que quedaría en la parte superior de los terminales. Esta batería quedará incluida en el soporte del avión para dicho fin.

Batería de níquel-cadmio

Funcionamiento químico

Para entender mejor el funcionamiento químico de una batería, se deben distinguir dos estados de trabajo: descarga y carga de la batería. Durante dichos procesos, se producen una serie de reacciones químicas que generarán electricidad a partir de la interacción de algunos elementos químicos o bien la regeneración de estos a través de la aplicación de una carga eléctrica.

Ambos procesos se describirán con más detalle a continuación.

Descarga de la batería

Durante la descarga de la batería, es decir, cuando el acumulador suministra corriente a los sistemas eléctricos de la aeronave, la energía química contenida en las placas se convierte en eléctrica a través de reacciones químicas.

Durante el proceso de descarga en las baterías de níquel-cadmio, el electrolito no toma un papel activo en la reacción química, actuando exclusivamente como material conductor.

En dicho proceso, las placas negativas (–) reciben el O₂ que se desprende de las placas positivas (+). Debido a esta reacción química, se crea electricidad, que discurrirá desde el terminal positivo de la batería, pasará por el circuito de carga (sistema eléctrico al que alimenta) llegando hasta el terminal negativo, cerrando así el circuito.

Importante

Durante el proceso de descarga, el electrolito actúa como material conductor.

En la imagen siguiente, se muestra una batería que alimenta un sistema eléctrico que posee una luz. Indica a su vez de forma simplificada cuál es el sentido que toma la corriente (I) al cerrar el circuito en el caso de que se presione el interruptor. En un avión, el interruptor utilizado puede ser un relé electromagnético o un transistor.

Se puede apreciar que el sentido de la caída de tensión (V) es contrario al de la corriente (I).

Carga de la batería

Mientras tanto, en el proceso de carga, las reacciones químicas se dan en sentido inverso. En este caso, la batería está sometida a una corriente eléctrica ligeramente superior a la que el acumulador puede suministrar. La aplicación de esta carga eléctrica constante y durante un periodo determinado de tiempo (siempre el recomendado por el fabricante), permite la liberación de O₂ por parte de las placas negativas (–), dando lugar a cadmio. El O₂, a su vez, oxidará a las placas positivas (+) generando óxido de níquel.

Recuerde

Será necesaria la aplicación de una corriente eléctrica con un valor ligeramente superior a la que puede suministrar la propia batería para poder cargarla totalmente.

Durante el proceso de carga, se liberarán gases a través de los conductos u orificios de aireación que se encuentran en la tapa de la batería para tal fin, siendo necesario tomar una serie de precauciones a la hora de realizar dicha carga. Estas consideraciones son:

1 Realizar la carga del acumulador en un lugar bien ventilado.

2 Realizar la carga a temperatura ambiente.

3 No deben estar expuestas al sol.

4 Queda totalmente prohibido encender fuego en las proximidades del acumulador.

Nota

La carga de la batería debe realizarse dentro de los tiempos indicados por el fabricante para evitar una sobrecarga.

La liberación de gases (H₂ y O₂) tendrá como consecuencia la disminución de la proporción de agua en electrolito, que recuérdese estaba constituido por agua destilada e hidróxido de potasio, KOH.

Importante

La liberación de gases en el proceso de carga de la batería da como resultado una disminución del agua en electrolito.

Actividades

1. Dibujar a mano alzada una celda unidad típica de una batería de níquel-cadmio e identificar las distintas partes que la componen.

2. Describir brevemente el funcionamiento químico de una batería de níquel-cadmio, nombrando los elementos que intervienen en las reacciones químicas que se dan durante la descarga y la carga de dicho acumulador.

3. Enumerar las normas mínimas de seguridad bajo las cuales debe realizarse el proceso de carga de una batería.

4. Dibujar el circuito simplificado de un sistema de iluminación de emergencia, reduciendo el sistema de luces a una bombilla y el generador a una simple pila.

2.2. Batería de plomo-ácido

Al igual que el acumulador de níquel-cadmio, este dispositivo de almacenamiento está constituido por dos terminales (de distinto signo) a los que se encuentran conectados una serie de placas positivas (+) y negativas (–) que constituyen una estructura firme y compacta. Esta estructura posee una placa negativa más que las placas positivas, estando todas ellas dispuestas de manera que no llegan a tocarse, ya que se encuentran distanciadas entre sí por una serie de láminas que actúan a modo de separadores.

Las placas de este tipo de baterías están formadas por peróxido de plomo mientras que su electrolito es agua acidulada (agua + ácido sulfúrico).

De la misma manera que en las baterías de níquel-cadmio, el conjunto formado por las placas se encaja dentro de un recipiente de plástico anticorrosión y sellado en su parte superior por una tapa.

Recuerde

El recipiente base de cualquier batería siempre será resistente a la corrosión del electrolito.

Un ejemplo de los conjuntos laminados puede observarse en la siguiente figura.

Placas de la batería de plomo

Recuerde

En las baterías de plomo-ácido, el electrolito empleado es agua acidulada (agua destilada + ácido sulfúrico), a diferencia de las de níquel-cadmio, donde se usa agua destilada e hidróxido de potasio.

Una vez conocida la estructura básica de estas baterías, es obligado hacer la distinción de dos tipos de acumuladores, diferenciándose entre ellos en el modo en el que se encuentra contenido el electrolito, libre o adherido a las placas mediante absorción.

Batería de plomo-ácido con electrolito libre

Normalmente, en este tipo de acumuladores, el voltaje total que pueden ofrecer viene dado por una serie de placas que constituyen dos o más bloques, de plástico, herméticos y rígidos, bien diferenciados, capaces de aguantar el efecto corrosivo del electrolito.

Cada una aporta una parte del valor de energía eléctrica total que es capaz de aportar dicho acumulador.

Los distintos bloques herméticos donde se encuentran las placas, están a su vez incluidos en una caja de metal, normalmente aluminio, también resistente al ácido. Los bloques estarán unidos entre sí por láminas convenientemente aisladas para evitar puenteos con la caja metálica que los contiene.

El montaje del dispositivo y su recipiente terminará con una tapa en la parte superior que tendrá las adaptaciones pertinentes para permitir la conexión con los conductos de ventilación para la evacuación de los gases (vapores) que desprende la batería.

En la siguiente figura, puede verse una batería de plomo-ácido con electrolito libre. Se distinguen los bloques de placas con sus respectivos terminales y la tapa en la parte superior con los orificios de aireación correspondientes.

Importante

La estructura constructiva de las baterías evitará siempre el puenteo de los terminales con cualquier elemento metálico, evitando así la descarga e inoperancia de la batería.

Batería de plomo-ácido con placas impregnadas de electrolito

Este tipo de baterías tienen una construcción algo más compleja que las de electrolito libre, empleándose además materiales más ligeros para la fabricación del soporte principal del acumulador (aleaciones de plásticos).

Precisamente, gracias a esta estructura constructiva y a la absorción del electrolito por parte de la materia activa que contienen las placas, la relación peso/capacidad de estos acumuladores es mucho mejor que la de otras baterías con la misma capacidad.

Las placas se distribuyen en dos grupos contenidos en recipientes herméticos iguales, capaces de suministrar cada una la mitad de la carga total ofrecida por el acumulador. Ambos grupos se encuentran a su vez embutidos en un monobloque que proporciona rigidez mecánica al sistema.

Finalmente, en la tapa que se coloca en la parte superior se hallarán los terminales del acumulador, uno (+) y otro (–).

Recuerde

El monobloque proporciona la rigidez mecánica a todo el conjunto.

En la siguiente figura, se distinguen las distintas partes de una batería con el electrolito absorbido por el material activo de las placas.

Funcionamiento químico

Al igual que en el funcionamiento químico de las baterías de níquel-cadmio, se distinguirán también los estados de carga y descarga.

Descarga de la batería

Como se indicó en apartados anteriores, la descarga del acumulador se produce en el primer instante en el que la batería es conectada a un circuito consumidor de corriente. El circuito simple expuesto sirve también para explicar la descarga de la batería de plomo-ácido.

Las reacciones químicas que se producen durante el proceso de descarga generan oxígeno e hidrógeno, siendo la consecuencia inmediata la liberación de electrones al circuito exterior al que se encuentra conectada la batería, que, en este caso, serán los sistemas de iluminación o iluminación de emergencia del avión.

Recuerde

La consecuencia inmediata del proceso de descarga es la liberación de electrones al circuito exterior.

Estos electrones parten de la placa positiva (+), la cual posee la materia activa (peróxido de plomo, PbO₂), contenida en las rejillas de las que están constituidas las placas, y que ha reaccionado con el electrolito al cerrarse el circuito.

Durante el proceso de descarga, se formará sulfato de plomo, SO₄Pb, tanto en las placas (+) como en las (–) y agua, H₂O, variando la densidad del electrolito.

Esta variación en la proporción del electrolito es el principal indicador para saber si la batería se encuentra descargada o no, utilizándose para su comprobación un aparato de medida llamado densímetro o hidrómetro.

Importante

El principal indicador que revela si una batería de plomo está descargada es la densidad de su electrolito.

A continuación, se muestra un ejemplo de la conexión de la batería durante el proceso de descarga. En este esquema, el circuito consumidor de corriente estará representado por una simple resistencia eléctrica.

Se aprecia claramente el sentido de la corriente, moviéndose esta siempre desde el terminal positivo (+) al negativo (–).

Carga de la batería

Mientras tanto, en el proceso de carga se invierten las reacciones químicas del proceso anterior, usando para ello un generador que se conectará al acumulador en paralelo.

Durante este proceso, el sulfato de plomo de la placa positiva (+), creado en el proceso de descarga, se vuelve a convertir en peróxido de plomo, mientras que en las negativas (–) se vuelve a tener el plomo esponjoso.

Al mismo tiempo, con la inversión de los procesos químicos, se restablecerá la proporción de H₂SO y H₂O del electrolito, recuperando así la carga del acumulador.

La densidad del electrolito en las baterías de plomo debe ser de 1,25 a 1,27.

Actividades

5. Dibujar a mano alzada un conjunto de palcas de una batería de plomo-ácido e identificar sus elementos.

6. Describir brevemente en qué consiste el proceso de carga de la batería de plomo-ácido.

7. Representar de forma simplificada el proceso de descarga de una batería de plomo-ácido.

8. Representar de forma simplificada el proceso de carga de una batería de plomo-ácido.

2.3. Características eléctricas de las baterías

En el caso de que se quiera sustituir la batería del avión comercial o privado, se tendrán en cuenta una serie de características eléctricas, que son las que definen a cualquier batería de acumuladores.

Por todo ello, para la elección de la batería se tendrán en consideración los siguientes parámetros eléctricos:

1 Capacidad.

2 Tensión.

3 Corriente de descarga.

4 Rendimiento.

Sabía que...

Dependiendo de las necesidades energéticas de cada aeronave, se podrán asociar las baterías entre sí para obtener una batería equivalente con unas características eléctricas mayores. De hecho, en la mayoría de los aviones, se asocian en paralelo. Las distintas configuraciones son: serie, paralelo o una mezcla de las dos anteriores. En la batería serie, se une el borne (–) de una con el (+) de la otra. Mientras que, en paralelo, todos los bornes (+) quedan unidos y los (–), también ambos por separado. A continuación, se muestran las distintas configuraciones.

Distintas configuraciones

2.4. Capacidad

Al tratarse las baterías de dispositivos almacenadores de energía, se debe comenzar definiendo el parámetro eléctrico que indique la cantidad de energía que un acumulador puede almacenar. A este parámetro se le conoce con el nombre de capacidad.

Se entiende por capacidad la cantidad de energía eléctrica que una batería puede acumular y, por ende, suministrar, cuando se encuentra totalmente cargada hasta el momento de agotarse por completo.

Se representa por el símbolo (C) y la ecuación matemática que define este parámetro es:

Donde I es la intensidad de corriente (amperios) y t es el tiempo (horas) que tarda la batería en descargarse, siendo la unidad de capacidad los amperios-hora (Ah).

Es importante destacar que la capacidad de una batería es un parámetro variable, dependiente de otros parámetros, como son:

1 Cantidad de materia activa: vendrá determinada por el número de placas que posea cada elemento.

2 Tamaño de la superficie de las placas: cuanto más grande sea la superficie de las placas que constituyen los elementos, mayor será la capacidad.

3 Número de placas de la batería.

4 Temperatura: la temperatura es un factor muy importante a tener en cuenta debido a los componentes de los que están constituidos los acumuladores. Este parámetro influye en la carga y descarga de estos dispositivos, siendo la temperatura ambiente (25 ºC) la idónea para el trabajo. A temperaturas muy por debajo de cero (–15 ºC), el rendimiento del acumulador se puede reducir hasta un 50%.

5 Régimen de descarga: tiempo total que una batería tarda en descargarse totalmente. Cuanto más lenta sea la descarga del acumulador, mucho mejor.

Importante