Almacenamiento de energía para vigilancia silenciosa (silent watch): ¿supercondensador o batería?

Hacer funcionar la electrónica de misión con el motor principal apagado, lo que se conoce como vigilancia silenciosa (silent watch), depende de la energía almacenada en el vehículo. La misma pregunta surge al inicio de cada diseño: en una comparación de supercondensador frente a batería, ¿qué tecnología encaja? La respuesta breve es que no son rivales; hacen trabajos distintos. Una batería sostiene cargas de baja potencia durante horas. Un supercondensador cubre pulsos de alta potencia que duran segundos y periodos cortos de mantenimiento (hold-up).

Este artículo trata solo del almacenamiento. La potencia auxiliar accionada por motor y la reducción de firma se explican en nuestra guía de APU y silent watch, y el lugar del almacenamiento en la estructura general de energía del vehículo, en arquitectura eléctrica de vehículos militares.

La mayoría de los errores de almacenamiento nacen de confundir energía con potencia.

• La energía (Wh, kWh) determina cuánto tiempo puede funcionar una carga. La vigilancia silenciosa es un requisito de energía.
• La potencia (W, kW) determina la rapidez con que puede entregarse la energía. El arranque del motor es un requisito de potencia.

Un perfil de carga típico con el motor apagado tiene tres partes:

1. 1.Pulso de arranque: corriente muy alta durante unos segundos. Poca energía, mucha potencia.
2. 2.Mantenimiento corto: mantener activos el ordenador de misión y las comunicaciones tras apagar el contacto o durante un cambio de fuente. Minutos, a potencia moderada.
3. 3.Vigilancia larga: alimentar la vigilancia, las comunicaciones y el ordenador de misión durante horas. Poca potencia, mucha energía.

No cabe esperar que una sola tecnología atienda de forma óptima las tres.

Un supercondensador almacena energía electrostáticamente en una doble capa eléctrica y no mediante una reacción química; la definición breve está en nuestro glosario. Esa diferencia explica toda la tabla siguiente. Los valores son rangos generales de ingeniería, no los de un producto concreto.

Dos filas deciden la mayoría de los diseños. La densidad de energía muestra por qué alimentar una vigilancia larga con supercondensadores no es práctico. La curva de tensión explica por qué un supercondensador se utiliza con una etapa de electrónica de potencia: la energía almacenada sigue E = ½CV², de modo que la tensión cae a medida que se extrae energía, y se necesita un convertidor para mantener la tensión estable que espera la carga.

Supongamos que una carga de misión que consume 500 W debe funcionar 4 horas con el motor apagado.

• Energía necesaria: 500 W × 4 h = 2,000 Wh, es decir, 2 kWh.
• En un sistema de 24 V nominales, eso equivale a unos 83 Ah.
• Si se utiliza aproximadamente la mitad de la capacidad de una batería de plomo-ácido para proteger su vida útil, la capacidad instalada sube a unos 170 Ah. A ello se añade un margen por clima frío y envejecimiento.
• Al final de la vigilancia debe quedar energía para volver a arrancar el motor; por eso las baterías de arranque y las de misión están separadas en la mayoría de los vehículos.

Almacenar esos mismos 2 kWh en supercondensadores supondría, con la densidad de energía de la tabla, cientos de kilogramos de celdas. Por tanto, el supercondensador se sitúa como la fuente de potencia que complementa a la batería, no como la fuente de energía de una vigilancia larga.

• Una vigilancia de horas: batería. Químicas de litio cuando el peso y el volumen son críticos; plomo-ácido de ciclo profundo cuando priman el costo y la sencillez. Cuando la duración supera la capacidad de la batería, entra en juego la potencia auxiliar accionada por motor.
• Arranque y caída de tensión: supercondensador. Si el supercondensador asume la corriente de arranque, la batería de misión puede descargarse más profundamente porque la potencia de arranque espera en una fuente separada. El beneficio aumenta en clima frío.
• Mantenimiento corto y alimentación tras apagar el contacto: una unidad de respaldo basada en supercondensador. Tolera ciclos frecuentes de carga y descarga y se recarga en minutos. El producto de TEDEG en esta clase es PowerGuard EBB; sus valores figuran en la hoja de datos de la página de la unidad de energía de respaldo con supercondensador.
• Híbrido: la solución más habitual en la práctica utiliza ambos: batería para la energía, supercondensador para la potencia y el mantenimiento.

El almacenamiento se diseña junto con el sistema de carga. El alternador carga mientras el motor funciona; un cargador de baterías alimentado desde la red toma el relevo cuando el vehículo está estacionado. Importan tres puntos:

1. 1.Corriente de carga: un supercondensador vacío parece un cortocircuito para la fuente; sin limitación de corriente, el alternador y los fusibles sufren. Una batería necesita la tensión de carga y la compensación de temperatura adecuadas a su química.
2. 2.Eventos de tensión del bus: la tensión del bus cae durante el arranque y sube en una desconexión de carga. La tolerancia de la unidad de almacenamiento y de sus cargas se evalúa frente a los límites descritos en nuestra guía de MIL-STD-1275.
3. 3.Conexión incorrecta: la sustitución de la batería y el arranque con ayuda externa son los momentos en que la conexión invertida resulta más probable. Explicamos la física en protección contra inversión de polaridad; para una unidad de protección en la línea de batería, consulte la página de PowerGuard TPB-01.

Todas las unidades de almacenamiento y protección figuran en gestión y protección de energía.

1. 1.¿Qué cargas funcionan con el motor apagado, con cuántos vatios en total y durante cuántas horas?
2. 2.¿Dónde se guarda la energía reservada para volver a arrancar el motor al final de la vigilancia?
3. 3.¿Cuál es la capacidad utilizable a la temperatura mínima de funcionamiento?
4. 4.¿Cuáles son el tiempo de carga completa y la corriente máxima de carga permitida?
5. 5.¿Se informan el estado de carga (SoC) y el estado de salud (SoH) al bus de datos del vehículo?
6. 6.¿Cuánta capacidad se garantiza tras cuántos ciclos, y pueden sustituirse las celdas en campo?

¿Puede un supercondensador sustituir a una batería?

No para horas de alimentación; su densidad de energía es demasiado baja. Para el apoyo al arranque, la prevención de caídas de tensión y un mantenimiento de minutos, puede ser la mejor opción.

¿Qué química de batería conviene para la vigilancia silenciosa?

Químicas de litio cuando priman el peso y la duración; plomo-ácido de ciclo profundo cuando priman el costo y un mantenimiento sencillo. Con litio, el sistema de gestión de batería y el límite de carga a baja temperatura forman parte del diseño.

¿Por qué un supercondensador no puede conservar la energía mucho tiempo?

Su autodescarga es alta en comparación con una batería; un supercondensador que se deja cargado pierde una parte apreciable de su energía en días. Por eso resulta adecuado para aplicaciones que se recargan con frecuencia.

¿Pueden conectarse en paralelo un supercondensador y una batería en el mismo bus?

La conexión directa en paralelo es posible, pero requiere adaptación de tensión y limitación de la corriente de carga. En la mayoría de los sistemas, el supercondensador se sitúa detrás de una etapa de electrónica de potencia que gestiona corriente y tensión.

Elegir el almacenamiento de energía para la vigilancia silenciosa no es una decisión excluyente. La energía de larga duración procede de la batería; los pulsos de alta potencia y el mantenimiento corto, del supercondensador; y el sistema de carga y la capa de protección los unen. Si conoce su lista de cargas y la duración de la vigilancia, podemos definir juntos la combinación adecuada: solicite una cotización o contacte con nuestro equipo de ingeniería.

Ejemplo de campo: lea por qué se eligió el respaldo con supercondensador en lugar de una batería de iones de litio para un subsistema vehicular en el caso de éxito de respaldo con supercondensador.