Qué es dimensionar un banco de baterías

¿Qué es un banco de baterías?

Un banco de baterías es todo el conjunto que resulta de interconectar eléctricamente dos o más baterías en configuraciones de serie y/o paralelo con el objetivo de aumentar los voltajes y/o corrientes totales finales que generan dichas baterías.

El banco de baterías está constituido por las baterías, los cables de interconexión, los soportes, estructuras, sistemas de puesta a tierra y los controles electrónicos que se encargan de los procesos de carga y descarga de las baterías.

Cuando se crea un banco de baterías es en extremo importante que cada una de las baterías que se conectan a dicho banco sean exactamente de las mismas características técnicas. Esto significa que todas las baterías no solo deben ser exactamente del mismo tipo de celda o electrodo, sino que además deben ser del mismo tipo de tecnología de fabricación, con los mismos voltajes, las mismas capacidades de energía , e incluso lo ideal sería que fuesen el mismo modelo de un mismo fabricante.

Si se mezclan dos baterías distintas en un mismo banco de baterías, lo único que se logra con ello es que algunas baterías comiencen a realizar trabajo eléctrico sobre las otras; causando su destrucción o deterioro. Incluso, mezclar baterías viejas con baterías nuevas, aun cuando sean exactamente idénticas desde el punto de vista técnico, causa exactamente el mismo efecto, haciendo que tanto las baterías viejas como las nuevas terminen deteriorándose rápidamente.

¿Cuál es la función de un banco de baterías?

Los bancos de baterías tienen como función principal aumentar la capacidad de almacenamiento de energía de un sistema. Cada batería por sí sola tiene una capacidad máxima de energía disponible medida en AH (amperios-hora), la cual puede ser incrementada si se conectan dos o más baterías en serie y/o paralelo. La segunda función de los bancos de baterías es la de garantizar un cierto grado de autonomía de uso de los equipos eléctricos que se conectan con dicho banco de baterías. Entre más grande sea el banco de baterías, es decir más AH, mayor será la autonomía del sistema.

Otra función básica de los bancos de baterías es la de ser capaces de proveer la corriente máxima que requieran las cargas para su óptimo funcionamiento, sin que el voltaje del banco caiga de manera abrupta o demasiado rápido después de cada uso.

En el diseño de un banco de baterías lo que se busca es que el sistema cumpla con sus funciones principales, para lo cual el banco de baterías debe tener una potencia total determinada que garantice el tiempo mínimo de autonomía. Esto se logra al configurar el voltaje y corriente total que genera dicho banco de baterías. Como la potencia viene dada por el producto del voltaje por la corriente (P = V x I), lo que se hace es manipular estos valores de corriente y voltaje para alcanzar la máxima potencia deseada, y tomando en cuenta las características técnicas de cada batería, se adaptan los parámetros de diseño de estos bancos de batería a las condiciones de trabajo de nuestros sistemas o equipos.

En qué consiste el dimensionamiento de un banco de baterías

Cuando se habla de dimensionar un banco de baterías, lo que se busca en concreto es determinar cuál es la mejor manera de interconectar todas las baterías del sistema, de tal manera que se logre obtener la máxima capacidad de almacenamiento de energía, al menor costo y con los mayores niveles de seguridad posible.

Por tanto, el dimensionamiento ideal u óptimo de un banco de baterías consiste en lograr encontrar el equilibrio entre estos tres parámetros que son capacidad de almacenamiento de energía, costos y seguridad. El problema al que nos enfrentamos es que estos tres parámetros son totalmente divergentes entre sí, es decir, si aumentamos la capacidad de energía de nuestro sistema, los costos se disparan y los sistemas se vuelven inseguros. De igual manera si se reducen los costos o presupuesto, la capacidad y autonomía se ven fuertemente afectadas, así como la seguridad del sistema. Reducir la seguridad de los sistemas no es para nada inteligente y no trae ningún tipo de beneficio asociado.

Análisis de parámetros para el dimensionamiento del banco de batería

Así, para dimensionar un banco de baterías lo que debemos hacer es un análisis de cada situación particular, en la que se sopese cada uno de estos parámetros y se decida qué es lo que más conviene en ese caso particular. El análisis se tiene que centrar en el hecho de que tenemos un cierto número de restricciones que nos imponen un límite bien sea de costos, de operacionalidad y/o de seguridad.

Restricciones operacionales

Esta es la restricción más fuerte de todas, porque se refiere a la capacidad que tendrá en AH nuestro banco de baterías para alimentar las cargas que se conecten a él. El banco de baterías será totalmente inútil si no es capaz de suplir la energía mínima necesaria para que los equipos funcionen, o que su grado de autonomía es tan pequeño que no satisface adecuadamente las necesidades para las que fue diseñado.

Por tanto, cuando se dimensiona un banco de baterías lo primero que se debe cumplir es que la cantidad de energía almacenada, es decir el número mínimo de baterías que deben ser instaladas en dicho banco para obtener la capacidad total en AH, es suficiente para cumplir las necesidades mínimas del consumo que se han estimado en el diseño. Este es el costo más bajo posible que vamos a lograr obtener en el diseño de cualquier banco de baterías.

Esta restricción básica es la que determina el número mínimo de baterías que vamos a necesitar en nuestro sistema. Lo que debemos hacer es dividir la energía total que debe almacenar nuestro banco de baterías, entre la energía que es capaz de acumular cada una de las baterías que hemos decidido adquirir de acuerdo con nuestro diseño.

Restricciones por número de baterías

Una restricción que parece tonta, pero que afecta seriamente en el dimensionamiento del banco de baterías, es si el número de baterías a utilizar es un número par o un número impar. Si el número de baterías es par, podemos hacer conexiones en serie de las baterías para aumentar los voltajes, manteniendo la misma corriente. Sí el número es impar, nos va a limitar a usar solo baterías conectadas en paralelo, con lo cual obtendremos mayores corrientes y esto tiene consecuencias más o menos fuertes en los costos del sistema.

Sí tenemos un número impar de baterías, una opción que cualquier fabricante serio de baterías siempre tendrá disponible, es la de adquirir el doble de baterías pero con la mitad de la energía. Por supuesto, comprar por ejemplo 10 baterías de 50 AH siempre será más costoso que adquirir 5 baterías de 100 AH. Además, hay que tomar en cuenta que el número de cables para la conexión aumenta, así como el número de conectores y probablemente el área necesaria para instalar esas baterías. Siempre, lo ideal es adquirir la batería con la mayor capacidad posible, porque esto reduce los costos y tamaño de los bancos de baterías. Un mayor número de baterías no solo representa más labores de mantenimiento, materiales para su instalación, sino también costos de transporte y posibles puntos de falla de nuestro sistema.

Otra opción, que es la más recomendable en el caso de tener un número impar de baterías, es la de adquirir una batería más de la que se estimó en el cálculo, con lo cual se tendrá un poco más de autonomía en el sistema. Por supuesto, esto aumenta el costo del banco de baterías porque se requiere un poco más de materiales para su conexión, pero los beneficios que se obtienen les aseguro que terminan por reducir el costo final del sistema.

Restricciones por conexiones en paralelo

El número de baterías que se conectan en paralelo tienen un fuerte impacto en los costos y en la seguridad del sistema. Cada vez que conectamos baterías en paralelo estamos sumando corriente, lo que implica que debemos utilizar cables con secciones de área transversal mucho más grande para manejar dichas corrientes. El costo del cable eléctrico aumenta casi de manera exponencial en función de la corriente que debe ser capaz de transportar. El costo de los cables eléctricos es una de las variables que más impactan en el costo total del banco de acumuladores. Tome en cuenta por ejemplo, que el costo del cable eléctrico para manejar 30 amperios puede ser hasta 8 veces mayor que el costo de un cable eléctrico que solo maneja 10 amperios.

Otro factor a tomar en cuenta cuando se conectan muchas baterías en paralelo, es que la corriente necesaria para su carga aumenta proporcionalmente al número de baterías. Esto trae como consecuencia que los costos de los sistemas de control de la carga y descarga del banco de batería aumente considerablemente. Al igual que ocurre con los cables eléctricos, los costos de la electrónica para manejar grandes valores de corriente aumentan exponencialmente con la corriente. Un controlador de carga de por ejemplo 60 A, puede llegar a costar hasta 10 veces más que un controlador de carga de 10 A, con la misma tecnología y mismo fabricante.

Pero donde más impacto negativo puede llegar a tener el hecho de que las corrientes de cargas sean muy grandes, es en la operatividad y ciclo de vida del banco de baterías. Un detalle técnico fundamental a saber es que los valores de corriente durante la carga inicial de un banco de baterías totalmente descargado son realmente enormes, y puede llegarse a necesitar hasta 10 veces el valor nominal normal. Si por alguna razón se llegase a descargar por completo el banco de baterías, lo más probable es que ni la fuente principal de carga, ni los controladores de carga puedan suplir o aguantar la corriente que requerirán n baterías conectadas en serie. Simplemente, lo que ocurrirá es que el sistema no podrá cargar las baterías y la mayor parte de la corriente que se está utilizando se estará desperdiciando en calentamiento de los electrodos. Esto termina destruyendo las baterías, o en el mejor de los casos, sí se logra realizar este tipo de carga forzada, reducirá la vida útil del banco de baterías.

Una opción para realizar la carga de un banco de baterías totalmente descargado es realizar la carga por partes o módulos. Es decir, cuando se dimensiona un banco de baterías con demasiada corriente hay que subdividir todo el banco en varios módulos que puedan ser cargados de manera independiente con los recursos que se disponen. Este tipo de diseño aumenta ligeramente los costos del sistema, pero garantiza una mayor vida útil a todo el banco de baterías.

En cualquier caso, cuando las baterías se conectan en paralelo se termina trabajando con valores de corriente muy altos que impactan significativamente los costos, y por supuesto, aumentan considerablemente los riesgos de destrucción de equipos y/o propiedades por posible sobrecalentamiento o generación de incendios eléctricos.

Lo ideal siempre es mantener al mínimo el número de baterías que se conectan en paralelo cuando se está dimensionando el banco de baterías.

Restricciones por conexiones en serie

Cuando las baterías se conectan en serie, aumenta el voltaje y se mantiene la misma corriente. Esto es ideal porque nos permite mantener el grosor de los cables eléctricos en un mínimo, así como los costos de los sistemas de control de carga y descarga. Colocar las baterías en serie casi siempre resulta mucho más económico que conectar las mismas baterías en paralelo, para un banco de baterías con la misma capacidad de almacenamiento.

Sin embargo, el punto álgido se pone en la seguridad. Resulta que a medida que aumentamos el voltaje de trabajo de nuestro banco de baterías, el sistema se convierte en un sistema letal. Por tanto, es necesario incrementar de manera considerable las medidas de seguridad en el manejo, mantenimiento y uso de estos bancos de baterías.

En general, se considera que todo voltaje superior a 50 voltios DC es peligroso para el ser humano en condiciones secas. En condiciones húmedas, este umbral se reduce a 24 voltios. La resistencia del cuerpo humano también es un factor importante a considerar. La piel seca tiene una resistencia de aproximadamente 1000 ohmios, mientras que la piel mojada o rota puede tener una resistencia de tan solo 500 ohmios. Esto significa que una corriente de mayor magnitud puede circular a través del cuerpo a un voltaje más bajo si la piel está mojada. Con base en estos factores, se puede concluir que los sistemas DC son peligrosos a cualquier voltaje superior a 24 voltios en condiciones húmedas. En condiciones secas, el voltaje peligroso está alrededor de los 50 voltios.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que incluso voltajes más bajos pueden ser peligrosos en determinadas circunstancias. Por ejemplo, una persona con una condición cardíaca puede ser más susceptible a los efectos de una descarga eléctrica, incluso a un voltaje relativamente bajo. Por lo tanto, es siempre recomendable tomar precauciones de seguridad cuando se trabaja con sistemas eléctricos, independientemente del voltaje.

Restricciones legales

Siempre se debe consultar la normativa legal vigente en las localidades donde será instalado el banco de baterías. En algunas jurisdicciones los voltajes de trabajo máximo permitido para corriente DC es de 50 voltios.

Casi siempre existen normativas sobre la ubicación, distancia, ventilación, etc, de estos sistemas de almacenamiento eléctrico que siempre deben ser plenamente satisfechas.

Por lo general, los bancos de baterías menores a 48 voltios no están regulados por normativas legales locales o nacionales.

Dimensionamiento óptimo de un banco de baterías

Tomando en cuenta todas las restricciones que se han descrito hasta el momento es posible dimensionar un banco de baterías de la manera más óptima posible.

En primera instancia, lo que tenemos que hacer es calcular la cantidad de energía total que queremos almacenar en dicho banco de baterías. Luego, se hace un análisis de las baterías que nos ofrece el fabricante que hemos elegido, donde lo primordial es seleccionar un número de baterías que sea par, y que sumen al menos la potencia que hemos decidido obtener en nuestro diseño.

Con las baterías seleccionadas debemos proceder a analizar las posibles configuraciones que podemos crear con dichas baterías. Tenemos que elegir la configuración que nos garantice la mayor seguridad posible al menor costo. El análisis de configuraciones empieza por obtener la configuración con el voltaje más alto posible para ese banco de baterías, pero que en ningún caso supere los 48 voltios. En este momento, se evalúa el costo total que tendrá ese sistema al tomar en cuenta qué tipo de cableado eléctrico se requiere para manejar la corriente que circulará a través de esas baterías, el número de cables y conectores para interconectar todas las baterías, y el controlador de carga que se utilizará. Luego, se configura el banco de batería a un voltaje menor, colocando algunas de esas baterías en paralelo, y se repite la evaluación de costos de ese sistema. No es recomendable configurar bancos de baterías con menos de 12 voltios. Por último, sólo hay que comparar los costos totales de todas estas configuraciones, en las que se debe tomar en cuenta las particularidades de cada caso, y decidir por la que represente el menor costo al menor voltaje posible.

Este es procedimiento general que se suele seguir en el dimensionamiento del banco de baterías. Por supuesto, cada situación es única y tiene sus particularidades que limitan las posibles configuraciones que se pueden utilizar en las que se satisfagan todos las restricciones de seguridad, legalidad o simplemente de conveniencia del usuario final.

Conclusiones

El dimensionamiento de un banco de baterías consiste en encontrar cuál es la mejor forma de interconectar un conjunto de baterías, en las que se obtenga el menor voltaje posible, con el menor número de baterías conectadas en paralelo, de tal manera que se garantice la mayor seguridad y menor costo posible del sistema.