Dimensionamiento de banco de baterías

El dimensionamiento de un banco de baterías determina la capacidad nominal en amperios-hora (Ah) necesaria para alimentar una carga eléctrica durante un periodo de autonomía predefinido, manteniendo la tensión dentro de los límites de operación y respetando las restricciones de profundidad de descarga, eficiencia del sistema y condiciones ambientales. Una celda electroquímica entrega 1 Ah al transferir una carga de 3600 C, equivalente al flujo de 1 A durante una hora.

Parámetros fundamentales

La capacidad requerida depende de la energía diaria consumida, la tensión nominal del sistema, los días de autonomía, la profundidad máxima de descarga admisible (DoD), la eficiencia global y el factor de corrección por temperatura. A continuación se listan las variables de entrada:

Variable	Símbolo	Unidad	Descripción
Energía diaria	Edia	Wh/día	Consumo total de la carga en 24 horas
Tensión del sistema	Vnom	V	Tensión nominal del bus de continua
Días de autonomía	Naut	–	Número de días consecutivos sin recarga
Profundidad de descarga máxima	DoDmax	%	Fracción de la capacidad que puede extraerse sin dañar la batería
Eficiencia del sistema	ηsist	%	Incluye eficiencia del inversor, cableado y autodescarga
Factor de temperatura	FT	–	Corrección por desviación respecto a 25 °C / 77 °F

Fórmula de dimensionamiento

La capacidad nominal del banco, expresada en amperios-hora (Ah), se obtiene mediante la siguiente expresión:

C_banco = (E_dia × N_aut) / (V_nom × DoD_max × η_sist × F_T)

donde cada variable se introduce en las unidades indicadas y el factor de temperatura toma un valor igual o inferior a 1 para temperaturas alejadas de la de referencia.

Tabla de parámetros según tipo de batería

Las propiedades electroquímicas condicionan el DoD admisible, la eficiencia de carga/descarga, el número de ciclos y el rango de temperatura de operación. La tabla siguiente resume valores representativos para las tecnologías más empleadas en almacenamiento estacionario.

Tipo de batería	Electrolito	Tensión de celda abierta (V)	Densidad de energía alcanzable (Wh/kg)	Eficiencia carga/descarga (%)	Ciclos de vida (nº)	Temperatura de operación
Plomo-ácido	H₂SO₄	2,1 – 2,2	30 – 40	70 – 90	200 – 2000	-20 °C a 60 °C / -4 °F a 140 °F
Níquel-Cadmio	KOH	1,2	40 – 60	70 – 90	500 – 2000	-40 °C a 60 °C / -40 °F a 140 °F
Níquel-Metal Hidruro	KOH	1,2	60 – 80	50	< 3000	10 °C a 50 °C / 50 °F a 122 °F
Iones de Litio	LiPF₆	3,6	100 – 200	70	500 – 2000	-20 °C a 60 °C / -4 °F a 140 °F
Polímero de Litio	Li-β-Alúmina	3,7	130 – 200	70	> 1200	-20 °C a 60 °C / -4 °F a 140 °F

Factores de corrección (temperatura, profundidad de descarga, envejecimiento)

Corrección por temperatura

La capacidad práctica de una batería disminuye significativamente por debajo de 25 °C / 77 °F. El factor de corrección F_T se aplica a la capacidad calculada para garantizar la entrega de energía en las condiciones de sitio. Valores orientativos para baterías de plomo-ácido:

Temperatura ambiente	Factor de corrección FT
25 °C / 77 °F	1,00
0 °C / 32 °F	0,85
-10 °C / 14 °F	0,75
-20 °C / -4 °F	0,65

Profundidad de descarga (DoD) y envejecimiento

El DoD máximo admisible se fija en función de la vida útil deseada. Para baterías de plomo-ácido se recomienda limitar el DoD al 50 % en aplicaciones cíclicas, mientras que las de iones de litio admiten descargas de hasta el 80 % sin una degradación acelerada. El envejecimiento progresivo reduce la capacidad real; por ello se suele incorporar un margen del 10 al 20 % sobre la capacidad calculada, o bien se planifica el reemplazo al alcanzar el 80 % de la capacidad nominal inicial.

Ejemplo de cálculo

Se requiere alimentar una carga con un consumo diario de 2400 Wh. La instalación opera a 24 V nominales, con 3 días de autonomía y baterías de plomo-ácido (DoD_max = 50 %, η_sist = 85 %). La temperatura mínima esperada en el recinto es de 0 °C / 32 °F, lo que implica F_T = 0,85.

Aplicando la fórmula:

C_banco = (2400 × 3) / (24 × 0,50 × 0,85 × 0,85) = 7200 / (24 × 0,50 × 0,85 × 0,85) = 7200 / 8,67 ≈ 830,5 Ah

Se seleccionaría un banco de al menos 830 Ah a 24 V. Para materializarlo, podrían conectarse en serie/paralelo vasos de 2 V o monoblocks de 12 V, configurando la capacidad total requerida.

Preguntas frecuentes (FAQ)

¿Cuál es la vida útil típica de una batería de plomo-ácido en ciclos?

Las baterías de plomo-ácido ofrecen entre 200 y 2000 ciclos a una profundidad de descarga del 50 %, dependiendo del diseño (arranque, tracción o estacionaria). A un DoD del 30 % la vida puede superar los 3000 ciclos.

¿Qué temperatura reduce más la capacidad de una batería de iones de litio?

A -20 °C / -4 °F, una batería de iones de litio puede perder hasta el 30-40 % de su capacidad nominal a 25 °C / 77 °F, debido al aumento de la resistencia interna del electrolito LiPF₆.

¿Cuántos vatios-hora entrega una batería de 100 Ah a 12 V?

Una batería de 100 Ah a 12 V almacena una energía teórica de 1200 Wh (100 Ah × 12 V). Sin embargo, la energía útil se reduce al aplicar el DoD máximo: con un DoD del 50 %, se dispone de 600 Wh prácticos antes de requerir recarga.

¿Cuál es la eficiencia típica de carga/descarga de una batería de NiMH?

Las baterías de NiMH tienen una eficiencia de carga/descarga de alrededor del 50 %, lo que significa que por cada 100 Wh entregados a la carga se deben suministrar aproximadamente 200 Wh durante la carga.

¿Qué densidad de energía alcanza una batería de polímero de litio actual?

Las celdas de polímero de litio comerciales alcanzan entre 130 y 200 Wh/kg, ofreciendo más del triple de energía por kilogramo que las baterías de plomo-ácido (30‑40 Wh/kg).

¿Cuántos amperios-hora representan 3600 culombios?

Una cantidad de carga de 3600 culombios equivale exactamente a 1 amperio-hora (1 Ah), ya que 1 A sostenido durante 3600 segundos transfiere 3600 C.

Fuentes consultadas

• engineeringtoolbox.com: https://www.engineeringtoolbox.com/rechargeable-batteries-d_1219.html
• electrical4u.com: https://www.electrical4u.com/capacitor-bank-reactive-power-compensation/