Calcular el tamaño de la batería | Un ejemplo resuelto

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Este artículo en particular habla sobre el tamaño de la batería para ciertas aplicaciones, como el sistema de alimentación ininterrumpida (UPS), el sistema solar fotovoltaico, las telecomunicaciones y otros servicios auxiliares en el sistema de energía. Cualquiera que sea la aplicación práctica, las baterías son una tecnología probada para almacenar energía eléctrica. Aparte de los propósitos de almacenamiento, las baterías se usan ampliamente para proporcionar soporte de voltaje para sistemas de suministro de energía más débiles, como líneas de transmisión muy largas.

¿Por qué es crítico el tamaño de la batería?

El tamaño de la batería es fundamental para garantizar que pueda suministrar las cargas conectadas durante el período de tiempo para el que está diseñada. El tamaño inadecuado de la batería puede causar muchos problemas graves, como daños permanentes en la batería debido a una descarga excesiva, voltajes de carga bajos, tiempos de respaldo insuficientes.

El tamaño de la batería se puede determinar cuando tenemos la siguiente información:

  1. La batería debe soportar cargas.
  2. Voltaje mínimo para la batería
  3. tiempo de copia de seguridad

Un enfoque calculado

Los cálculos realizados se basan en “Práctica recomendada para cargar baterías de ácido de plomo para aplicaciones estacionarias» y «Práctica recomendada para dimensionar baterías de níquel-cadmio para aplicaciones estacionarias“Estándares IEEE. Todos los cálculos de este artículo se basan en baterías estándar de plomo-ácido o níquel-cadmio (NiCd). Es posible que los resultados que se muestran aquí no sean compatibles con otros tipos de batería, por lo que se debe dar el consejo del fabricante.

El análisis metodológico implica los siguientes cinco pasos:

Paso 1: recopile el número total de cargas conectadas que la batería necesita para alimentar

Paso 2: Desarrolle un perfil de carga y luego calcule la energía de diseño

Paso 3: seleccione el tipo de batería y determine las características de la celda

Paso 4: elija las celdas de la batería para que se conecten en cadena

Paso 5: Según las cargas de diseño, calcule la capacidad de batería requerida en amperios-hora (Ah)

Paso 1: recopile las cargas de conexión totales

El primer paso es determinar el número total de cargas conectadas que debe alimentar la batería. Esto se aplica principalmente a aplicaciones de batería, como un sistema UPS o un sistema fotovoltaico solar.

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Paso 2: Desarrollar el perfil del equipo

En general, el «Método de independencia” utilizado para establecer un perfil de carga para las baterías.

El cliente a menudo proporciona el tiempo de respaldo (independencia). En cambio, el estándar IEEE»Práctica recomendada para sistemas de energía de reserva y respaldo para aplicaciones industriales y comerciales” da alguna indicación de los tiempos de independencia (backup o liberación).

Paso 3: Elija un tipo de batería

El siguiente paso es elegir el tipo de batería (por ejemplo, plomo-ácido o níquel-cadmio). Al elegir el tipo de batería, se debe considerar lo siguiente de acuerdo con las pautas de IEEE.

  • Umbral de temperatura ambiente
  • Características de carga y descarga
  • Condiciones de mantenimiento y ventilación.
  • Fundamentos de la orientación celular.
  • Factores de choque y vibración
  • Vida celular esperada
  • Propiedades físicas como dimensiones, peso y terminales de la batería.

El siguiente paso es determinar las características de las celdas de la batería que normalmente se proporcionan en la hoja de datos del fabricante. Las principales características celulares a considerar son:

  • Capacidades de amperios por hora de la batería
  • Temperatura de la celda de la batería
  • Densidad del electrolito para baterías de plomo-ácido completamente cargadas
  • Tensión de flotación de celda de celda
  • Tensión final de descarga de la celda (EODV) de la celda

El fabricante de la batería proporciona capacidades de amperios por hora basadas en diferentes EODV. Para las baterías de tipo plomo-ácido, la EODV se basa principalmente en el valor de EODV que evita el daño de la celda por sobredescarga. En general, se utiliza un EODV entre 1.750V y 1.80Vis por celda cuando el tiempo de descarga es superior a 1 hora. Para un tiempo de descarga corto (<15 minutos), se puede usar un EODV de alrededor de 1,66 V por celda sin dañar la celda.

Paso 4: elija las celdas de la batería que se conectarán en modo serie

El número de celdas requeridas para una clasificación de voltaje dada se muestra a continuación:

Tensión nominal (V)Celdas (batería de plomo-ácido)
126
2412
4824
12560
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Sin embargo, la cantidad de celdas requeridas se puede determinar con mayor precisión para que coincida mejor con la tolerancia de carga. El número de celdas de batería que se pretende conectar en serie debe estar entre los dos límites especificados a continuación:

[{{N}_{text{maximum}}}=frac{{{V}_{dc}}left( 1+{{V}_{text{load,max}}} right)}{{{V}_{text{charging}}}}]

[{{N}_{text{minimum}}}=frac{{{V}_{dc}}left( 1-{{V}_{text{load,min}}} right)}{{{V}_{text{eodv}}}}]

Dónde

${{N}_{text{maximum}}}$, Número máximo de celdas de batería requeridas

${{N}_{text{mínimo}}}$, se requieren celdas de batería mínimas

${{V}_{dc}}$, voltaje de la batería (nominal)

${{V}_{text{load,nim}}}$, tolerancia de tensión de carga mínima en %

${{V}_{text{load,max}}}$, tolerancia máxima de carga de voltaje en %

${{V}_{text{eodv}}}$, es el final de la tensión de descarga (VCC)

${{V}_{text{charge}}}$, voltaje de carga de la celda (VCC)

Elija el número de celdas requeridas dentro de estos dos límites (aunque elegir el número de celdas en medio de los valores mínimo y máximo sería lo más apropiado).

Paso 5: Calcule la capacidad requerida de la batería en amperios por hora (Ah)

La capacidad de la batería necesaria para soportar la carga de diseño completa durante el tiempo de espera establecido (tiempo de espera) se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

[{{C}_{text{minimum}}}=frac{{{E}_{de}}left( {{k}_{af}}times {{k}_{tcf}}times {{k}_{crt}} right)}{{{V}_{dc}}times {{k}_{mdod}}times {{k}_{se}}}]

Dónde

${{E}_{de}}$, energía total de diseño durante el período de independencia (VAh)

${{k}_{af}}$, factor de envejecimiento de la batería (%)

${{k}_{tcf}}$, factor de corrección de temperatura (%)

${{k}_{crt}}$, factor de clasificación de capacidad (%)

${{V}_{dc}}$, voltaje de la batería (nominal)

${{k}_{mdod}}$, profundidad máxima de fuga (%)

${{k}_{se}}$, eficiencia del sistema (%)

Seleccione una capacidad de batería (amperios-hora) que supere la capacidad mínima calculada con la fórmula anterior.

Explicación de las diferentes características:

Factor de envejecimiento:

En realidad, captura la disminución en el rendimiento de la batería debido al factor de edad.

El rendimiento de las baterías de plomo ácido es relativamente estable, pero disminuye con el tiempo.

Factor de corrección de temperatura:

La capacidad de las celdas de la batería generalmente está diseñada para una temperatura estándar de 25deC y si cambia en alguna parte con la temperatura de instalación, se debe aplicar un factor de corrección.

factor de capacidad

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Este factor particular tiene en cuenta la caída de voltaje cuando la batería se está descargando. En las baterías de plomo ácido, se produce una caída de voltaje en las primeras etapas de descarga de la batería, seguida de cierta recuperación.

Eficiencia del sistema

Tiene en cuenta las pérdidas de la batería (eficiencia culómbica) así como las pérdidas de la electrónica de potencia (como el cargador y el inversor).

Calcular el tamaño de la batería de muestra

Pasos 1 y 2: recopilar todas las cargas conectadas y desarrollar un perfil de carga

En este ejemplo particular, aplicaremos las mismas cargas que la curva de carga provista en el Ejemplo de cálculo del perfil de carga. El perfil de carga para este caso se muestra en la figura de la derecha y se calcularon los siguientes parámetros:

Demanda total de energía de diseño = Ede = 3245 VCA

Fig.1: Perfil de carga para el ejemplo

Paso 3: Elija un tipo de batería

Para este ejemplo en particular, se eligió una batería de plomo-ácido ventilado.

Paso 4: elija las celdas de la batería que se conectarán en modo serie

Hemos tomado los siguientes valores para calcular el número de celdas necesarias:

${{V}_{dc}}=120V$

${{V}_{text{carga,min}}}=10%$

${{V}_{text{cargo,máximo}}}=20%$

${{V}_{text{eodv}}}=1,80 V/celda$

${{V}_{text{carga}}}=2.25V/celda$

Número máximo de celdas para conectar en la fila:

[{{N}_{text{maximum}}}=frac{{{V}_{dc}}left( 1+{{V}_{text{load,max}}} right)}{{{V}_{text{charging}}}}=frac{120times left( 1+0.2 right)}{2.25}=64text{ Cells}]

El número mínimo de celdas que deben conectarse en serie:

[{{N}_{text{minimum}}}=frac{{{V}_{dc}}left( 1-{{V}_{text{load,min}}} right)}{{{V}_{text{eodv}}}}=frac{120times left( 1-0.1 right)}{1.80}=60text{ Cells}]

El número de celdas elegido para este ejemplo es de 62 celdas, que se encuentra entre los límites máximo y mínimo.

Paso 5: Calcule la capacidad requerida de la batería en amperios por hora (Ah)

Hemos tomado los siguientes valores para calcular la capacidad de la batería:

${{E}_{de}}=3245text{ }VAh$

${{k}_{af}}=0.30$

${{k}_{tcf}}=$0.96

${{k}_{crt}}=$0.12

${{V}_{dc}}$, voltaje de la batería (nominal)

${{k}_{mdod}}=0.75$

Usando los parámetros antes mencionados, podemos calcular la capacidad mínima de la batería de la siguiente manera:

[{{C}_{text{minimum}}}=frac{{{E}_{de}}left( {{k}_{af}}times {{k}_{tcf}}times {{k}_{crt}} right)}{{{V}_{dc}}times {{k}_{mdod}}times {{k}_{se}}}]

[{{C}_{text{minimum}}}=frac{3245times left( 1.30times 0.96times 1.12 right)}{120times 0.75}=50.4text{ Ah}]

Seleccione una capacidad de batería (amperios-hora) que supere la capacidad mínima calculada con la fórmula anterior.

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