Determinar la demanda energética: Wh a partir de carga y tiempo
El primer paso es determinar la demanda energética en vatios-hora (Wh). La fórmula básica es: Wh = V × Ah — equivalentemente: Wh = W × h. Para una aplicación con un consumo medio de 500 W durante 4 horas por ciclo, la demanda energética es de 2.000 Wh.
En la práctica la carga rara vez es constante. Un vehículo de guiado automático (AGV) consume varias veces la corriente de marcha al arrancar, luego opera en carga parcial y se detiene entre tareas. Para el dimensionado se usa la energía media por ciclo, derivada del perfil de carga o de mediciones en un sistema de referencia. Si no hay perfil de carga disponible, añadir un 20–30 % sobre el consumo nominal es un punto de partida razonable.
Para aplicaciones con carga muy variable — polipastos, máquinas de soldar, prensas — la potencia media por sí sola es insuficiente. También debe considerarse la energía térmica (I²t), ya que las corrientes de pulso elevadas estresan térmicamente el paquete incluso cuando el contenido energético por ciclo es bajo.
Nivel de tensión y configuración de celdas: serie (S) y paralelo (P)
La tensión nominal del paquete es el número de celdas en serie (S) multiplicado por la tensión nominal de una celda. Las celdas LiFePO4 tienen una tensión nominal de aproximadamente 3,2 V; las Li-NMC de aproximadamente 3,6–3,7 V. Un paquete de 48 V con LiFePO4 requiere típicamente 15 celdas en serie (15S × 3,2 V = 48 V nominal). La tensión de funcionamiento real oscila entre el estado completamente cargado (15 × 3,65 V ≈ 54,75 V) y el corte de descarga (15 × 2,5 V = 37,5 V). Esta variación de tensión debe ser tolerada por el convertidor DC/DC o el inversor de accionamiento.
La capacidad en Ah es el número de cadenas de celdas en paralelo (P) multiplicado por la capacidad de una celda individual. Dos cadenas paralelas de 100 Ah cada una dan 200 Ah. La energía total del paquete es: Wh = V_nominal × Ah_total.
El número de celdas en serie lo determina la tensión del sistema. El número de cadenas en paralelo se deriva de la demanda energética y el requisito de C-rate: más cadenas en paralelo no solo aumentan la capacidad, sino que también distribuyen la corriente entre más celdas, reduciendo la C-rate por celda y prolongando la vida útil.
Especificar C-rate, corriente continua y corriente pico
La C-rate describe la corriente de carga o descarga en relación con la capacidad nominal: C-rate = corriente [A] / capacidad [Ah]. Para un paquete de 100 Ah con una corriente de 100 A, la C-rate es 1C. A 200 A sería 2C y 30 minutos de autonomía teórica.
Para el dimensionado son relevantes dos valores de corriente: la corriente de descarga continua que el paquete puede sostener indefinidamente sin sobrecarga térmica, y la corriente pico permitida brevemente (típicamente segundos a minutos). Ambos son dependientes de la química de la celda y están especificados por el fabricante en la hoja de datos.
Un error de dimensionado frecuente: la corriente pico de la aplicación se usa como corriente continua. Lo correcto: determinar la corriente continua en el punto de trabajo típico; verificar la corriente pico (p. ej. corriente de arranque) por separado frente a la corriente de pulso admisible de la celda.
Planificar reservas: DoD, envejecimiento y temperatura
La capacidad nominal de una celda es un valor de laboratorio a condiciones definidas (normalmente 25 °C, corriente de descarga 0,2C). En operación real la capacidad utilizable es menor — por tres razones:
Primero, la profundidad de descarga (DoD): un paquete que siempre se descarga al 0 % envejece significativamente más rápido que uno que se detiene al 20 % de carga restante. La práctica recomienda limitar el rango utilizable al 80–90 % de DoD, planificando una reserva de capacidad del 10–20 % en la parte inferior.
Segundo, el envejecimiento: las celdas de litio pierden capacidad con cada ciclo y con el tiempo. Un paquete que debe mantener el 80 % de su capacidad inicial tras 1.000 ciclos debe dimensionarse más grande desde el principio. Como regla general: LiFePO4 con C-rate moderada y 80 % de DoD puede alcanzar 2.000–3.000 ciclos hasta el umbral del 80 %.
Tercero, la temperatura: a bajas temperaturas la capacidad utilizable desciende notablemente. A 0 °C la capacidad disponible de un paquete LiFePO4 puede estar un 10–20 % por debajo del valor a 25 °C. Las aplicaciones en exteriores o cámaras frigoríficas deben tener esto en cuenta y puede ser necesario incluir calefacción activa.
Errores típicos de dimensionado
Error 1 — Capacidad nominal igualada a capacidad utilizable: Una aplicación que necesita 10 kWh y pide un paquete de 10 kWh obtendrá menos en condiciones reales. La reserva de DoD, el margen de envejecimiento y la reducción por temperatura suman fácilmente 30–40 %.
Error 2 — Variación de tensión no considerada: Un paquete de 48 V (LiFePO4, 15S) entrega 54,75 V completamente cargado y 37,5 V descargado. Los variadores e inversores especificados solo hasta 48 V quedarán sobretensionados con el paquete lleno.
Error 3 — C-rate de la celda ignorada: Las celdas 18650 comerciales para electrónica de consumo están diseñadas para 0,5C. Operarlas a 2C continuo en un AGV provoca sobrecalentamiento, envejecimiento rápido y riesgo de seguridad.
Error 4 — BMS como sustituto del dimensionado: El BMS protege el paquete de violaciones de límites pero no puede compensar un paquete estructuralmente subdimensionado. Un paquete operado continuamente en sus límites térmicos o eléctricos envejece prematuramente — aunque el BMS nunca dispare.
Lista de verificación para el dimensionado del paquete de batería
- ✓Demanda energética en Wh derivada del perfil de carga o mediciones — no estimada?
- ✓Nivel de tensión definido — tensión en carga completa, nominal y de corte alineadas con la electrónica del sistema?
- ✓Corriente continua y pico determinadas por separado y contrastadas con la hoja de datos de la celda?
- ✓Reserva de DoD incluida (típicamente 10–20 % de capacidad restante como límite inferior)?
- ✓Margen de envejecimiento considerado — dimensionado basado en capacidad al final de vida, no en capacidad inicial?
- ✓Rango de temperatura operativa tenido en cuenta — reducción de capacidad y límites de corriente de carga a baja temperatura?
- ✓Límites del BMS adaptados a la química y configuración de celdas elegida?
Los tres primeros puntos establecen el tamaño básico del paquete. Los puntos cuatro a seis determinan si el paquete es suficiente durante toda su vida útil y en todas las condiciones operativas. Si no está seguro qué margen de capacidad es apropiado para su aplicación, lo analizamos con gusto a partir de su pliego de condiciones.