Calculadora de conversión kWh a Ah para baterías V nominal

Esta calculadora convierte energía en kWh a capacidad en Ah para baterías con voltaje nominal.

Incluye fórmulas, tablas, ejemplos prácticos, consideraciones técnicas y referencias normativas internacionales para diseño y operación.

Fundamento teórico y objetivo de la conversión

La conversión entre kilovatios-hora (kWh) y amperio-hora (Ah) transforma una magnitud de energía (kWh) en una magnitud de carga eléctrica útil en una batería (Ah) considerando el voltaje nominal del banco.

Este procedimiento es esencial para dimensionar bancos de baterías, estimar autonomía, seleccionar módulos comerciales y diseñar protecciones y sistemas de gestión (BMS).

Fórmulas básicas y explicaciones de variables

Fórmulas esenciales (expresadas en unidades eléctricas básicas):

Explicación de variables y valores típicos

• kWh: kilovatios-hora. Unidad de energía. Valores típicos en almacenamiento doméstico: 5 kWh, 10 kWh, 13.5 kWh (Powerwall), 20 kWh.
• Wh: vatios-hora. 1 kWh = 1000 Wh.
• Ah: amperio-hora. Capacidad eléctrica en términos de carga que puede suministrar una batería a una tensión dada.
• V_nominal: voltaje nominal del banco de baterías (por ejemplo: 12 V, 24 V, 48 V, 51.2 V, 230 V). Selección típica por sistema: 12 V (pequeñas), 24 V (sistemas medianos), 48 V (sistemas residenciales y EV), 51.2 V (bancos LiFePO4 comerciales), 230 V (sistemas AC con baterías de alta tensión).
• DoD (Depth of Discharge): fracción utilizable de la capacidad nominal. Valores típicos: plomo-ácido 40–50%, Li-ion/LiFePO4 80–90%.
• Eficiencia del sistema (η): incluye pérdidas de inversor, BMS y cables. Típico: 0.85–0.95.

Tablas de referencia: conversión kWh → Ah para voltajes habituales

Tabla con valores calculados y redondeados a dos decimales. Use estos valores para estimaciones rápidas.

Voltajes nominales y química típica — tabla de referencia

Consideraciones técnicas para dimensionamiento práctico

Para pasar de un requerimiento de energía (kWh) a una batería físicamente utilizable y confiable hay que incorporar factores adicionales:

1. Depth of Discharge (DoD): la capacidad usable es menor que la nominal. Fórmula para capacidad nominal necesaria:
   Ah_nominal = (kWh_requerido × 1000) / (V_nominal × DoD × η_sistema)

   Donde η_sistema incorpora eficiencia de inversor, pérdidas de BMS y cableado.

2. Tasa de descarga (C-rate): altas corrientes reducen la capacidad utilizable (más pronunciado en plomo-ácido). Use la curva de descarga del fabricante.
3. Temperatura: la capacidad disminuye a temperaturas bajas; spec sheets suelen indicar correcciones.
4. Envejecimiento: considere pérdida de capacidad anual (p. ej., 2–5% por año) según ciclo y química.
5. Seguridad y redundancia: reserve margen de diseño para fallos y picos de demanda.

Fórmula práctica con ejemplo de variables típicas

Fórmula incorporando DoD y eficiencia:

Variables:

• kWh_deseado: energía útil requerida (kWh).
• V_nominal: voltaje del banco (V).
• DoD: profundidad de descarga fraccional (ej.: 0.8 para 80%).
• η_total: eficiencia del sistema (ej.: 0.95 × 0.98 para inversor y pérdidas internas ≈ 0.931).

Aspectos avanzados: Peukert, C-rate y comportamiento real

Peukert's law describe la reducción de capacidad efectiva en baterías químicas (principalmente plomo-ácido) a altas tasas de descarga. Aunque la forma exacta depende del fabricante, una expresión típica (simplificada) es:

Capacity_effective ≈ C_nom / (I^k)

Donde k es el exponente de Peukert (típico 1.05–1.3) y I es la corriente normalizada. Para diseños críticos, utilice curvas proporcionadas por datasheets y pruebas de campo.

Para Li-ion y LiFePO4 el efecto es menos pronunciado, pero el calentamiento, balance de celdas y BMS son críticos para garantizar entrega de energía a altos C-rates.

Ejemplos reales con desarrollo completo

Ejemplo 1 — Sistema residencial: convertir 5 kWh a Ah en 48 V

Requerimiento: suministrar 5 kWh de energía utilizable para cargas residenciales, banco nominal de 48 V, usando baterías LiFePO4.

1. Calcular Ah sin pérdidas:

   Ah = (kWh × 1000) / V = (5 × 1000) / 48 = 5000 / 48 = 104.1667 Ah → 104.17 Ah

2. Incluir DoD y eficiencia del sistema.

   Supuestos prácticos: DoD = 0.8 (80%), η_total = 0.95 (inversor + pérdidas ≈ 95%).

   Ah_necesarios = 5000 / (48 × 0.8 × 0.95) = 5000 / 36.48 = 137.15 Ah
3. Seleccionar módulos comerciales y número requerido:

   Si hay módulos comerciales de 48 V, 100 Ah:

   • Un módulo 48 V/100 Ah → 100 Ah (insuficiente).
   • Dos módulos en paralelo → 200 Ah nominal a 48 V (suficiente, ofrece margen).

   Si se usan baterías 12 V/200 Ah:

   • Serie de cuatro (4 × 12 V) → 48 V nominal, capacidad 200 Ah.
   • 200 Ah > 137.15 Ah requerido → cumple con margen.
4. Consideraciones finales:
   • Instale BMS, fusibles y protecciones por celda/modulo.
   • Considere temperatura ambiente y ventilación.

Ejemplo 2 — Backup crítico: convertir 13.5 kWh a Ah en 51.2 V LiFePO4

Requerimiento: backup para vivienda con un banco 51.2 V nominal, energía utilizable requerida 13.5 kWh (Powerwall-equivalente).

1. Cálculo básico de Ah sin pérdidas:
   Ah = (13.5 × 1000) / 51.2 = 13500 / 51.2 = 263.6719 Ah → 263.67 Ah
2. Incluir DoD y eficiencia:

   Supuestos: DoD LiFePO4 = 0.9, η_total = 0.95.

   Ah_necesarios = 13500 / (51.2 × 0.9 × 0.95) = 13500 / 43.776 = 308.36 Ah
3. Selección de módulos:

   Si existen módulos 51.2 V/100 Ah:

   • 3 módulos en paralelo → 300 Ah (ligeramente por debajo de 308.36 Ah) → no recomendable sin margen.
   • 4 módulos en paralelo → 400 Ah → suficiente (margen de seguridad y envejecimiento).
4. Dimensionamiento adicional:
   • Prever espacio, disipación térmica y capacidad de carga del inversor.
   • Incluir monitorización de SOC y balanceo activo si hay múltiples módulos.

Recomendaciones prácticas y checklist de verificación

• Siempre dimensione con margen para envejecimiento (ej. +20–30% si no se dispone de datos precisos).
• Considere la tasa de recarga y corriente máxima de descarga; verifique las especificaciones de C-rate.
• Implemente BMS con protección contra sobrecarga, sobredescarga, cortocircuito y balance de celdas.
• Aplique correctores por temperatura: a bajas temperaturas la capacidad nominal disminuye.
• Realice pruebas in situ (pruebas de capacidad y curva de descarga) para validar supuestos teóricos.

Normativa aplicable, seguridad y enlaces de autoridad

Para el diseño, instalación y puesta en servicio de bancos de baterías se deben considerar normativas internacionales y guías técnicas:

• IEC 61427-1:2014 — Baterías secundarias para sistemas fotovoltaicos. Información: https://www.iec.ch
• IEC 62133-2 — Seguridad de baterías recargables (aplicable a Li-ion). Información: https://www.iec.ch
• IEC 62619 — Requisitos de seguridad para baterías industriales (Li-ion). Información: https://www.iec.ch
• UN 38.3 — Requisitos de transporte de baterías. Información: https://www.unece.org
• IEEE 1547 — Interconexión de recursos energéticos distribuidos con redes eléctricas. Información: https://standards.ieee.org
• NREL — Publicaciones y guías sobre almacenamiento energético: https://www.nrel.gov
• Battery University — Guías técnicas y prácticas: https://batteryuniversity.com

Consulte siempre las hojas de datos del fabricante (datasheets) y las leyes locales sobre instalaciones eléctricas y almacenamiento energético para verificar cumplimiento normativo y de seguridad.

Buenas prácticas de documentación y verificación

1. Registrar cálculo de Ah, hipótesis de DoD y eficiencia, y versiones de firmware del BMS.
2. Realizar certificaciones eléctricas por personal autorizado antes de energizar.
3. Mantener plan de mantenimiento: pruebas de capacidad periódicas, revisión de conexiones y torque en bornes, verificación de balanceo.

Limitaciones del cálculo y factores de incertidumbre

La conversión matemática es determinista, pero la capacidad real depende de:

• Condición y historial de la batería (ciclos previos y envejecimiento).
• Temperatura de operación y perfiles de carga/descarga.
• Precisión del voltaje nominal: packs individuales pueden variar en tensión bajo carga.
• Pérdidas de conversión que no siempre son constantes.

Por ello, siempre dimensione con márgenes apropiados y valide con datos experimentales cuando sea posible.

Recursos adicionales y enlaces técnicos

• IEC — International Electrotechnical Commission: https://www.iec.ch
• IEEE Standards Association: https://standards.ieee.org
• NREL — National Renewable Energy Laboratory: https://www.nrel.gov
• Battery University — Guías de química y comportamiento de baterías: https://batteryuniversity.com
• Tesla Powerwall (especificaciones públicas de ejemplo): https://www.tesla.com/powerwall

Resumen operativo (pasos para realizar la conversión y dimensionamiento)

1. Defina energía útil requerida en kWh.
2. Elija voltaje nominal del banco (V_nominal).
3. Use fórmula Ah = (kWh × 1000) / V_nominal para capacidad teórica.
4. Corrija por DoD y eficiencia: Ah_real = (kWh × 1000) / (V_nominal × DoD × η_total).
5. Seleccione módulos comerciales y el número en serie/paralelo para obtener V_nominal y Ah_real.
6. Implemente BMS, protecciones, y documente todo conforme a normativa aplicable.

Si desea, puedo proporcionar una hoja de cálculo o pasos automatizados para integrar temperaturas, pérdidas de inversor y curvas de descarga del fabricante para obtener un dimensionamiento más preciso y una lista de materiales recomendada.