Calculadora configuración baterías UPS (serie/paralelo) para tensión DC objetivo

Calculadora para configuración de baterías UPS en serie y paralelo para tensión DC objetivo específica.

Guía técnica precisa para ingenieros, con fórmulas, tablas y ejemplos resueltos para dimensionamiento y verificación.

Fundamentos técnicos de configuración en serie y paralelo

En sistemas UPS DC, las baterías se configuran en serie para alcanzar la tensión objetivo y en paralelo para obtener la capacidad (Ah) necesaria. La correcta combinación exige considerar voltajes nominales, tolerancias, corrientes de carga y descarga, equilibrio de celdas y normas aplicables.

Principios eléctricos básicos

• Series: la tensión total es la suma de las tensiones de cada batería; la capacidad en Ah permanece igual.
• Paralelo: la tensión se mantiene igual a la de una unidad; la capacidad total en Ah es la suma de las capacidades individuales.
• Energía almacenada: depende de tensión y capacidad; uso frecuente de Wh o kWh para dimensionamiento.

Fórmulas esenciales y explicación de variables

Las siguientes expresiones son las herramientas principales para calcular configuraciones de baterías en sistemas UPS DC.

1) Voltaje total en serie:

• V_total: tensión del banco DC objetivo (V).
• V_cell: tensión nominal de cada batería o módulo (V). Valores típicos: 2.0 V por celda (plomo), 6 V y 12 V por monobloque.
• N_series: número de unidades en serie (entero).

2) Capacidad total en paralelo:

• Ah_total: capacidad total del banco (Ah).
• Ah_unit: capacidad nominal de una unidad (Ah), por ejemplo 100 Ah, 200 Ah.
• N_parallel: número de strings idénticos en paralelo.

3) Energía disponible (aproximada):

• Energy_Wh: energía en vatios-hora (Wh).
• V_system: tensión nominal del banco (V).
• Ah_total: capacidad total (Ah).

4) Capacidad requerida para un tiempo de respaldo dado:

• P_load: potencia de la carga en vatios (W).
• t_backup: tiempo de respaldo requerido (horas).
• V_system: tensión del banco (V).
• η_system: eficiencia total del sistema de conversión y cableado (fracción, típico 0.85–0.95).
• DoD: profundidad de descarga admisible (fracción, por ejemplo 0.5 para 50% DoD en baterías VRLA; para Li-ion puede ser 0.8).

5) Intensidad de descarga y efecto Peukert (duración real a corrientes altas):

t = C / I^k

• t: tiempo de descarga (h).
• C: capacidad nominal a una referencia de descarga (Ah).
• I: corriente de descarga (A).
• k: exponente de Peukert (típico 1.1–1.3 para plomo; cercano a 1.0 para Li-ion).

6) Corriente por string en paralelo (si strings iguales):

• I_load: corriente total absorbida por la carga (A) = P_load / V_system.
• I_string: corriente que deberá soportar cada string en paralelo.

7) Comprobación de equilibrio de corrientes por resistencias internas:

I_i ≈ V_oc / R_i

• V_oc: tensión en circuito abierto de cada string (V).
• R_i: resistencia interna equivalente del string (Ω).
• El reparto de corriente entre strings es inversamente proporcional a R_i; se recomienda igualar R_i con tolerancias estrechas.

Valores típicos y recomendaciones numéricas

Presentamos valores de referencia para seleccionar números de serie/paralelo y parámetros de carga. Estos valores sirven como punto de partida; usar fichas técnicas del fabricante.

Procedimiento de cálculo paso a paso para tensión DC objetivo

1. Definir tensión objetivo (V_system) y potencia máxima de carga (P_load).
2. Seleccionar tipo de batería (12 V, 2 V celda, Li-ion) según fiabilidad, coste y mantenimiento.
3. Calcular número mínimo de elementos en serie: N_series = ceil(V_system / V_unit).
4. Calcular Ah requerido según fórmula de Ah_required y aplicar factores de seguridad (temperatura, envejecimiento).
5. Determinar número de strings en paralelo: N_parallel = ceil(Ah_required / Ah_unit).
6. Verificar corrientes por string, capacidad del fusible, tamaño de conductor y corriente de carga del cargador / rectificador.
7. Revisar normas aplicables y criterios de ventilación, contención y señalización.

Fórmulas adicionales para dimensionar corriente de recarga

Corriente de recarga recomendada para recargar en T_recarga horas:

• I_charge: corriente total de carga (A).
• T_recarga: tiempo deseado de recarga (h). Un valor típico en UPS es 8 h hasta el 90%.
• Recomendación: limitar I_charge a un múltiplo de C (por ejemplo 0.1C hasta 0.3C según fabricante).

Consideraciones prácticas y de seguridad en serie y paralelo

• Asegurar que todas las unidades del mismo string sean del mismo modelo, antigüedad y estado de carga para minimizar desbalance.
• Instalar sistemas de balanceo activo o monitorización (BMS) en Li-ion; en plomo-ácido usar baterías emparejadas y mantenimiento regular.
• Protecciones: fusibles por string, seccionadores, diodos de bloqueo opcionales para evitar corrientes inversas.
• Dimensionar conductores según corriente de corto circuito y corriente continua nominal, considerando coeficientes de temperatura.
• Mantener condiciones ambientales: temperatura, ventilación y contención de electrolito según normativa.

Impacto de la temperatura y de la edad

La capacidad y resistencia interna varían con temperatura y ciclo de vida. Use factores de corrección:

• Reducción de capacidad con alta temperatura y envejecimiento: típicamente 0.5–1%/°C por encima de 25 °C (varía por química).
• Coeficientes de voltaje de carga: ajustar voltajes de float y carga por temperatura (mV/celda/°C).

Ejemplo 1 — Telecom: Banco 48 V para equipo crítico

Planteamiento:

• P_load = 1 000 W (carga crítica del sitio telecom).
• t_backup = 4 h.
• V_system objetivo = 48 V DC.
• Selección de batería: monobloque 12 V, 200 Ah, VRLA.
• η_system = 0.9 (conversión y pérdidas), DoD = 0.5 (50% usable).

Cálculos:

1) Nº de elementos en serie:

2) Ah requerido:

3) Determinar strings en paralelo:

Ah_unit = 200 Ah por monobloque (cada monobloque es 12 V × 200 Ah).

Conclusión del diseño inicial:

• Configuración: 4 × 12 V (en serie) = 48 V, capacidad 200 Ah (1 string).
• Energía disponible: Energy_Wh = 48 V × 200 Ah = 9600 Wh = 9.6 kWh (teórico).
• Se cumple Ah_required (185.19 Ah) con margen; DoD aplicada 50% limita profundidad de uso.

Verificación de carga de recarga y corriente de descarga:

Corriente de recarga recomendada (recarga en 8 h):

Que corresponde a 0.125C (25/200 = 0.125), razonable para VRLA.

Recomendaciones prácticas para instalación:

• Usar fusible o interruptor por string: por ejemplo 2× I_string nominal.
• Monitorizar tensión por banco y temperatura; instalar ventilación si corresponde.
• Programar pruebas periódicas y reemplazo según vida útil prevista del fabricante.

Ejemplo 2 — Data center pequeño: 240 V DC con redundancia en paralelo

Planteamiento:

• P_load = 50 kW (carga crítica parcial del data center).
• t_backup = 0.5 h (30 minutos de autonomía para transición).
• V_system objetivo = 240 V DC.
• Selección de batería: monobloque 12 V, 100 Ah, diseño para racks con mantenimiento mínimo.
• η_system = 0.92, DoD = 0.6 (si se usan baterías soportando 60% DoD).

Cálculos:

1) Nº de elementos en serie (monobloques 12 V):

2) Ah requerido:

3) Ah_unit = 100 Ah por monobloque (12 V × 100 Ah).

N_parallel = ceil(188.78 / 100) = 2 strings en paralelo (cada string = 20 × 12 V en serie).

4) Capacidad instalada total:

5) Corriente de descarga:

6) Verificación térmica y capacidad del conductor:

• Seleccionar conductores y protecciones para > 125 A (margen de seguridad y corriente de arranque).
• Fusibles por string: valor ligeramente por encima de I_string máximo esperado; considerar corrientes de cortocircuito.

7) Corriente de recarga (si se requiere recarga en 4 h):

La corriente de recarga por string si se aplica simétrica = 25 A por string (cumple límite recomendado de C/4).

Comentario sobre balance y desajuste:

• Si las resistencias internas de los strings difieren más del 5–10%, la distribución de corriente puede ser desigual y acortar vida útil de un string. Monitorización y equilibradores son recomendables.
• Para una mayor redundancia, usar N+1 strings o arquitecturas en paralelo con desconexión automática.

Normativa, estándares y referencias técnicas

Para diseño, instalación y mantenimiento deben consultarse las normas aplicables. A continuación se listan documentos de autoridad y fuentes técnicas recomendadas:

• IEC 60896 — Baterías estacionarias de plomo-ácido (varias partes). Ver: https://www.iec.ch
• IEC 61427 — Baterías para sistemas fotovoltaicos y almacenamiento (relevante para ciclos y pruebas).
• IEC 62040 — Sistemas UPS (partes que cubren requisitos de rendimiento y ensayo).
• IEEE 450 — Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Vented Lead-Acid Batteries for Stationary Applications. Ver: https://www.ieee.org
• IEEE 1188 — Standard for Maintenance of Valve-Regulated Lead-Acid Batteries.
• Documentación de fabricantes (Yuasa, Exide, Trojan, Saft) para parámetros específicos de módulos y recomendaciones.
• Guías nacionales de instalaciones eléctricas y reglamentación local sobre baterías y salas de acumuladores.

Enlaces de interés y lectura adicional

• IEC — International Electrotechnical Commission: https://www.iec.ch
• IEEE Standards: https://standards.ieee.org
• NREL — National Renewable Energy Laboratory (informes sobre baterías y almacenamiento): https://www.nrel.gov
• US DOE — Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, guías de almacenamiento: https://www.energy.gov/eere/energy-storage

Buenas prácticas de instalación, monitorización y mantenimiento

1. Instalar sistema de monitorización por string y por batería (tensiones, corrientes, temperatura y estado de salud).
2. Programar pruebas de descarga periódicas controladas y registrar datos para tendencias.
3. Asegurar procedimientos de mantenimiento predictivo: limpieza, parches de terminales, comprobación de conectores y torque.
4. Implementar políticas de reemplazo proactivo basadas en ciclos y resistencia interna.
5. Proporcionar formación al personal y planes de emergencia para fugas, incendios o vertidos.

Control de riesgos y seguridad

• Diseñar sistemas con contención secundaría, ventilación y detección de gas según química (H2 en plomo-ácido).
• Proteger contra sobrevoltaje y sobretensión; uso de supresores según norma.
• Prever procedimientos de desconexión segura y espacio para extracción de módulos para mantenimiento.

Checklist práctica para validar la configuración calculada

1. ¿V_system correcto y tolerancias definidas?
2. ¿N_series entero y compatibilidad de tensiones durante carga/descarga?
3. ¿Ah_total suficiente incluyendo DoD, temperatura y envejecimiento?
4. ¿Protecciones eléctricas (fusibles, interruptores, seccionadores) dimensionadas correctamente?
5. ¿Monitorización y BMS contemplados según química?
6. ¿Cumplimiento de normas locales e internacionales aplicado?

Resumen operativo y recomendaciones finales para el ingeniero

Al diseñar una configuración de baterías en serie y paralelo para una tensión DC objetivo, combine cálculo matemático riguroso con la verificación práctica mediante fichas técnicas y pruebas. Priorice la uniformidad de módulos, protección por string y un sistema de monitorización robusto. Ajuste parámetros de carga por temperatura y ciclo de vida.

Usar normas IEC/IEEE y guías de fabricantes garantiza cumplimiento y fiabilidad. Para proyectos críticos, implementar redundancia (N+1) y estrategias de recambio planificado prolonga la disponibilidad del servicio y reduce riesgos operativos.