Calculadora de baterías estacionarias: dimensionado, autonomía y ensayo de capacidad
Dimensionado con energía y recarga, autonomía, ensayo de capacidad según IEEE 450-2020, IEC 60896-21:2004 o IEC 61056-1:2012 y resistencia interna de baterías estacionarias.
Dimensionado, autonomía y ensayo de capacidad
Cuatro cálculos sobre el mismo banco: la capacidad mínima que pide el perfil de carga, con su energía y su tiempo de recarga; la autonomía estimada frente a una corriente constante; el resultado de un ensayo de descarga según IEEE 450-2020, IEC 60896-21:2004 o IEC 61056-1:2012, con el próximo ensayo; y la resistencia interna medida en dos escalones de corriente.
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Qué hace esta calculadora
Cuatro cálculos sobre el mismo banco, en cuatro pestañas:
- Dimensionado. A partir del perfil de carga, la capacidad mínima que hay que instalar y, si se indica el número de celdas y la corriente del cargador, la energía de la batería y el tiempo de recarga.
- Autonomía. Cuánto aguantará un banco ya instalado frente a una corriente constante.
- Ensayo de capacidad. Qué porcentaje de su capacidad nominal ha dado una descarga real, corregido según IEEE 450-2020, IEC 60896-21:2004 o IEC 61056-1:2012, y cuándo toca el próximo ensayo.
- Resistencia interna. La resistencia y la corriente de cortocircuito a partir de dos escalones de corriente, según IEC 60896-21:2004 o EN 61960.
Dimensionado según IEEE 485-2020
El método completo de IEEE 485-2020 divide el perfil de carga en secciones y busca, para cada una, el tamaño de celda que la cubre usando las curvas de capacidad del fabricante. Esta calculadora aplica la versión simplificada que se usa para un primer tanteo:
- Se suman los amperios-hora que exige el perfil: Σ (corriente × duración).
- Se aplica el factor de temperatura correspondiente a la temperatura mínima del local. Se interpola entre los puntos de la tabla de IEEE 485-2020 —1,00 a 25 °C; 1,04 a 21,1 °C; 1,11 a 15,6 °C; 1,19 a 10 °C; 1,30 a 4,4 °C; 1,59 a −6,7 °C— y por encima de 25 °C no se toma crédito, que es el criterio conservador.
- Se aplica el factor de envejecimiento, 1,25 por convenio.
- Se añade el margen de diseño, típicamente entre el 10 % y el 15 %.
El resultado es la capacidad mínima en amperios-hora. No es el tamaño definitivo de la celda: para eso hace falta entrar en las curvas del fabricante con el régimen de descarga real, porque una batería no entrega la misma capacidad a 1 hora que a 8.
Autonomía estimada
La segunda pestaña usa la ecuación de Peukert,
t = H × (C / (H × I))^n
donde C es la capacidad nominal, H el régimen al que está dada (8 o 10 horas en la mayoría de las estacionarias), I la corriente de descarga y n el exponente de Peukert, entre 1,1 y 1,3 en plomo-ácido.
Es una aproximación conocida y cómoda, pero una aproximación: se aleja de la realidad en descargas muy rápidas y en corrientes muy pequeñas, y no contempla la tensión final de descarga ni el estado de carga inicial. Sirve para decidir si un banco anda sobrado o justo; no para certificar una autonomía.
Ensayo de capacidad según IEEE 450-2020
La única forma de saber qué capacidad tiene una batería es descargarla. La tercera pestaña calcula
Capacidad (%) = (tiempo alcanzado / tiempo esperado) × 100
corregida por la temperatura media de las celdas durante el ensayo con el factor de IEEE 450-2020, 1 + 0,008 × (T − 25 °C). Con las celdas a 30 °C la batería rinde de más, y sin corregir se apuntaría un resultado un 4 % mejor del real.
Interpretación: 90 % o más, servicio normal; entre el 80 % y el 90 %, acortar el intervalo entre ensayos; por debajo del 80 %, sustituir.
Energía y tiempo de recarga
Con el número de celdas en serie y la tensión media de descarga por celda —entre 1,9 y 2,0 V en plomo-ácido—, la calculadora da la energía de la batería requerida, E = N × V media × C, que es como la expresa IEC TS 62933-3-1:2018 para los sistemas de almacenamiento. Se calcula con la capacidad ya corregida por temperatura, envejecimiento y margen, porque esa especificación pide que los valores nominales valgan al final de la vida y en la peor temperatura: es el mismo criterio que hay detrás del factor 1,25.
La misma especificación pide tener en cuenta el tiempo de recuperación: lo que tarda la batería en volver a estar lista para el siguiente ciclo. La calculadora estima la fase a corriente limitada como Ah descargados × factor de recarga / corriente del cargador, con un factor de 1,10 a 1,15 en plomo-ácido. La fase de absorción a tensión constante añade varias horas más, así que el resultado es un mínimo.
Ensayo según IEC 60896-21:2004 e IEC 61056-1:2012
En Europa los ensayos de baterías VRLA estacionarias se informan según IEC 60896-21:2004. La capacidad medida, corriente × tiempo, se corrige a la temperatura de referencia elegida —20 °C o 25 °C— con la temperatura de la unidad justo antes de la descarga, que debe estar entre 18 °C y 27 °C:
Ca = C / [1 + λ × (θ − 20)] (o θ − 25)
| Régimen | Tensión final | λ |
|---|---|---|
| C10 | 1,80 V/celda | 0,006 |
| C8 | 1,75 V/celda | 0,006 |
| C3 | 1,70 V/celda | 0,006 |
| C1 | 1,60 V/celda | 0,01 |
| C0,25 | 1,60 V/celda | 0,01 |
En un ensayo de puesta en servicio la descarga termina cuando la cadena llega a N × U final o cuando el primer bloque llega a n × U final − 0,2 × √n, lo que ocurra antes. En una cadena de ocho monobloques de 12 V descargada a C3, eso es 81,6 V para la cadena o 9,71 V para el primer bloque. La calculadora da los dos valores si se indica la tensión del bloque.
Las baterías VRLA pequeñas —las de los SAI, el alumbrado de emergencia o los equipos portátiles— siguen IEC 61056-1:2012. Ahí la referencia es la C20: descarga a I20 = C20 / 20 hasta 1,75 V/celda, a 20 ± 2 °C o 25 ± 2 °C, sin corrección por temperatura. La capacidad real es Ca = t × I20 y debe llegar a C20; en una batería nueva la norma admite repetir la descarga hasta cinco veces. La norma pide además que a 20 × I20 la batería aguante al menos 20 minutos hasta 1,6 V/celda.
Vida esperada y próximo ensayo
La vida de una batería de plomo depende sobre todo de la temperatura: IEC 60896-21:2004 (nota de 3.36) y la guía VRLA de Eurobat la reducen a la mitad por cada 10 °C de temperatura media por encima de 20 °C. Una batería de 10 años de diseño que trabaja a 30 °C dura unos 5. Con la vida así corregida, la calculadora aplica los intervalos de IEEE 450-2020:
- Por debajo del 80 %: sustituir.
- 90 % o menos, más de 10 puntos de caída desde el ensayo anterior o el 85 % de la vida consumido: ensayo anual (cada dos años si, aun en el tramo final de la vida, la batería sigue dando el 100 %).
- En otro caso: cada 25 % de la vida esperada o cada 5 años, lo que llegue antes. El primer ensayo, dentro de los dos primeros años de servicio.
Resistencia interna
La cuarta pestaña aplica el método de dos escalones de corriente. En plomo, el de IEC 60896-21:2004, con la unidad cargada y entre 20 °C y 25 °C: 4 × I10, lectura a los 20 s y corte antes de 25 s; cinco minutos en circuito abierto sin recargar; 20 × I10, lectura a los 5 s. En litio, el de EN 61960: 0,2 It durante 10 s y, sin interrumpir, 1,0 It durante 1 s. En los dos casos
R = (U1 − U2) / (I2 − I1)
y prolongando la recta hasta tensión cero se obtiene la corriente de cortocircuito, Icc = (U1 × I2 − U2 × I1) / (U1 − U2), que es el dato para dimensionar fusibles e interruptores. IEC 60896-21:2004 atribuye al método una exactitud de ±10 %, así que diferencias menores con el valor del fabricante no son significativas. Con la batería descargada, la corriente de cortocircuito baja a alrededor del 60 %. La resistencia interna sirve para seguir la evolución de un banco, no para conocer su capacidad: eso solo lo dice el ensayo de descarga.
Ejemplo resuelto
Sistema de 125 V c.c. en una subestación cuyo local baja a 10 °C en invierno. Perfil: 120 A durante el primer minuto, 25 A durante 179 minutos y 80 A en el último minuto.
- Consumo del perfil: 120×(1/60) + 25×(179/60) + 80×(1/60) = 77,9 Ah
- Factor de temperatura a 10 °C: 1,19
- Con envejecimiento 1,25 y margen del 10 %: 77,9 × 1,19 × 1,25 × 1,10 = 127 Ah
Una celda de 150 Ah al régimen de 8 horas cubre el perfil con holgura; una de 125 Ah quedaría al límite y habría que comprobarla contra la curva del fabricante antes de comprarla.
Lo que esta calculadora no hace
No sustituye al método por secciones de IEEE 485-2020 ni a las curvas del fabricante, que son las que mandan en el dimensionado final. No dimensiona el cargador: el tiempo de recarga es una estimación de la fase a corriente limitada. Y no dice nada de la capacidad de un banco instalado sin un ensayo de descarga: la resistencia interna ayuda a seguir su evolución, pero el ensayo es la única medida que no se puede sustituir por un cálculo.
Con qué se mide
El ensayo de capacidad se hace con un descargador de baterías capaz de mantener la corriente constante y registrar la tensión de cada elemento durante toda la descarga. El resto del ciclo de mantenimiento —carga, comprobación de elementos y monitorización— lo cubre la gama de mantenimiento y carga de baterías.
Si no quiere calcular el equipo a mano, el selector de cargadores y descargadores propone el modelo concreto a partir de la tensión del banco, la corriente y el tipo de ensayo.
Preguntas frecuentes
- ¿Por qué se multiplica por 1,25 al dimensionar una batería?
- Es el factor de envejecimiento. Una batería estacionaria se considera agotada cuando su capacidad cae al 80 % de la nominal, y 1/0,8 = 1,25. Dimensionar sin ese factor significa que la instalación deja de cumplir su autonomía mucho antes de que la batería llegue al final de su vida útil.
- ¿Por qué hay que corregir por temperatura?
- Porque una batería de plomo-ácido entrega menos capacidad cuanta más baja es la temperatura: a 10 °C hace falta alrededor de un 19 % más de capacidad nominal para obtener los mismos amperios-hora que a 25 °C. Se dimensiona con la temperatura mínima esperada en el local, no con la media.
- ¿Cuándo hay que sustituir un banco de baterías?
- IEEE 450-2020 marca el criterio en el 80 % de la capacidad nominal: por debajo de ese valor la batería se sustituye. Entre el 80 % y el 90 % la recomendación es acortar el intervalo entre ensayos y seguir la evolución, porque la caída suele acelerarse.