Dimensionamiento de un banco de baterías VRLA para UPS
En la actualidad, las baterías VRLA AGM (Valve-Regulated Lead-Acid, Absorbent Glass Mat) se han convertido en la solución preferida para aplicaciones críticas que van desde sistemas de emergencia hasta sistemas de almacenamiento de energía. Su popularidad radica en su bajo mantenimiento, sellado hermético y versatilidad, pero también genera dudas frecuentes entre usuarios y técnicos:
¿Cómo seleccionar la batería adecuada para mi aplicación?
¿Qué significan realmente los Ah (Amperios-hora) en una especificación técnica?
¿Cómo calcular el número de baterías necesarias para garantizar la autonomía requerida?
En este artículo, nos enfocaremos en los parámetros clave para dimensionar correctamente un banco de baterías VRLA AGM, especialmente en escenarios de descarga constante, como respaldo energético (UPS, rectificadores) o sistemas fotovoltaicos aislados.
1) El voltaje nominal es el voltaje promedio que la batería proporciona durante el proceso de descarga en condiciones normales. Este valor es importante porque determina cuántas baterías en serie se necesitan para alcanzar el voltaje requerido por el sistema. Es fundamental que el voltaje de las baterías coincida con el de los equipos conectados (cargador, rectificador, inversor, etc.), ya que una discrepancia podría dañar tanto las baterías como los equipos.
En el mercado existen baterías de 2V, 4V, 6V, 8V y 12V, siendo las más comunes las de 2V y 12V. Internamente, estas baterías están compuestas por celdas de 2V. Por ejemplo:
- Una batería de 12V contiene 6 celdas de 2V.
- Una batería de 4V tiene 2 celdas de 2V.
- Este mismo principio aplica para los demás voltajes nominales.
2) Capacidad de la batería (Ah)
La capacidad de una batería indica cuánta energía puede almacenar. Normalmente se especifica para una tasa de descarga de 10 o 20 horas (según el fabricante). Sin embargo, esta capacidad varía inversamente con la corriente de descarga: a mayor corriente, menor capacidad (Ah).
Ejemplo (datasheet de la batería KBL12100):
Descarga Con corriente constante de 10A durante 10h: Capacidad = 10A × 10h = 100Ah.
Descarga Con corriente constante de 20.5A durante 4h: Capacidad = 20.5A × 4h = 82Ah.
Con los valores parámetros anteriores y sabiendo que la capacidad de una batería de plomo varia de acuerdo a la corriente de descarga, podemos dimensionar ahora si un banco de baterías para lo cual se requiere:
1) El nivel tensión de operación del sistema, (#bat)
Esto determinará el número de baterías en serie necesarias. Para nuestro caso, al utilizar un UPS con bus DC de 48V: con baterías de 2V se requerirán 24 unidades en serie (48V/2V=24), mientras que con baterías de 12V bastarán 4 unidades en serie (48V/12V=4).baterías en serie(48Vdc/12Vdc=4).
2) Consumo de las cargas y autonomía requerida, (Psis)
El consumo de la carga es uno de los datos más importantes, ya que si no se considera el valor correcto, se realizará un mal dimensionamiento. Esto también aplica para el tiempo de autonomía requerido, lo que podría ocasionar un subdimensionamiento o sobredimensionamiento. Continuando con el ejemplo, definiremos que necesitamos 2 horas de autonomía para una carga constante de 1400W.
3) Eficiencia del inversor, (Ef)
Como es de conocimiento básico, todo equipo electrónico cuenta con una eficiencia. En este caso, necesitamos conocer la eficiencia del UPS en modo batería para una carga de 1400W. Para nuestro ejemplo, tomaremos como referencia una eficiencia del 95%.
4) Profundidad de descarga,(DOD)
Este parámetro nos indica la profundidad de descarga (DoD) de la batería, es decir, qué porcentaje de su capacidad total se utilizará. Es importante señalar que a mayor DoD, menor será el tiempo de vida útil de la batería. Para este ejemplo, consideraremos un DoD entre 90-95%, lo que corresponde a un voltaje de corte del sistema de 1.7V/celda.
Con estos parámetros, podemos calcular la potencia necesaria que debe brindar cada celda (Pcell). Comenzaremos asumiendo que 1 banco de baterías (#bancos) es suficiente para el respaldo solicitado, caso contrario se debera aumentar la cantidad de bancos de baterías progresivamente.
Reemplazando los valores tendríamos:
Este valor lo buscamos en la columna de 2 horas y fila de 1.7V/cell del datasheet de la batería
Y verificamos que según la hoja técnica la batería en 2 hora nos puede brindar 71W/cell, lo cual es mayor a la potencia que la carga necesita (61.4W/cell), por ende, se cumple el tiempo de autonomía requerida
Cabe señalar que para cálculos mas precisos se deben tomar en cuenta factores como:
a) Factor de envejecimiento de la batería.
Este parámetro cuantifica la pérdida progresiva de capacidad y rendimiento debido al uso, ciclado y condiciones ambientales. La norma IEC 60896-22 establece como criterio técnico estándar que el fin de la vida útil de una batería se alcanza cuando ésta sólo puede entregar el 80% de su capacidad nominal original. Típicamente, este factor se encuentra entre 1 y 1.25
b) Margen de diseño.
Es un factor de diseño el cual hace referencia a un multiplicador de seguridad. Para garantizar el tiempo de respaldo.
