Conversão de kWh para mAh para sistemas de baterias de reserva: Guia de dimensionamento industrial

DICAS: Quando definir o tamanho de um sistema de alimentação de emergência por bateria No caso de um UPS industrial, depara-se com uma incompatibilidade entre as unidades. A ficha técnica do UPS indica a energia em kWh. O fornecedor da bateria indica a capacidade em mAh. A conversão entre estas unidades não é opcional. É o primeiro passo para uma aquisição precisa. Uma conversão errada leva à escolha de baterias com capacidade insuficiente. Isso significa uma autonomia insuficiente durante as falhas de energia. Este guia explica Como converter kWh em mAh para sistemas de bateria de reserva. Aborda as fórmulas, as correções baseadas na experiência prática e os fluxos de trabalho de dimensionamento industrial utilizados diariamente pelos engenheiros da BKPOWER. Também lhe mostramos como aplicar estes kWh para mAh conversões em centros de dados, sistemas de armazenamento de energia solar, instalações de telecomunicações e pavilhões de produção.

Ⅰ. Por que razão a conversão de kWh para mAh é importante no setor da energia industrial

1. O problema da incompatibilidade de unidades

O kWh mede a energia. Indica a quantidade de trabalho que uma bateria pode realizar. O mAh mede a carga. Indica durante quanto tempo uma bateria pode fornecer corrente a uma determinada tensão. Não é possível compará-los diretamente. É necessário utilizar a tensão como ponto de referência. Sem este ponto de referência, uma equipa de compras poderia encomendar células de 10 000 mAh para um sistema de 5 kWh UPS. O resultado é um sistema que deixa de funcionar em minutos, em vez de horas.

Os compradores industriais recebem frequentemente orçamentos em unidades diferentes. Um fornecedor de UPS apresenta os seus orçamentos em kWh. Um distribuidor de baterias apresenta os seus orçamentos em mAh. Um integrador de sistemas solares apresenta os seus orçamentos em Ah. É necessário normalizar tudo para uma única unidade antes de se poder comparar o que é comparável. É aqui que a conversão de kWh para mAh se torna fundamental.

2. Em que casos esta conversão se aplica

UPS para centros de dados Os módulos utilizam bancos de baterias de 48 V. Os sistemas de armazenamento solar utilizam bancos de 12 V, 24 V ou 48 V. As instalações de telecomunicações utilizam sistemas de 48 V CC. A automação industrial utiliza sistemas de reserva de 24 V CC. Os sistemas marítimos e de autocaravanas utilizam bancos de 12 V ou 24 V. Cada cenário requer a conversão da procura de energia em kWh para o capacidade da bateria em mAh ou Ah. Isto garante que o conjunto de baterias cumpre as especificações relativas ao tempo de funcionamento.

Nas regiões em desenvolvimento, a instabilidade da rede elétrica obriga as fábricas a recorrerem a sistemas de alimentação de emergência com baterias durante horas. Uma fábrica têxtil no Sudeste Asiático pode precisar de 4 horas de Tempo de funcionamento da UPS. Um hospital em África pode precisar de 8 horas. Sem uma conversão precisa de kWh para mAh, estas instalações correm o risco de sofrer falhas críticas no abastecimento de energia.

Ⅱ. As fórmulas fundamentais: de kWh para mAh e vice-versa

1,kWh para mAh

Utilize esta fórmula quando souber a potência necessária e a tensão da bateria.

Um mAh equivale a um kWh multiplicado por 1 000 000 e dividido por V.

Exemplo: 2 kWh Bateria UPS bateria a 48 V.

2 vezes 1 000 000 é igual a 2 000 000. 2 000 000 dividido por 48 é igual a 41 667 mAh. Isso equivale a 41,67 Ah.

2. Wh para mAh

Para sistemas de menor dimensão, utilize Wh em vez de kWh.

mAh é igual a Wh multiplicado por 1 000 e dividido por V.

Exemplo: Uma estação de energia portátil de 500 Wh a 12 V.

500 vezes 1 000 é igual a 500 000. 500 000 dividido por 12 é igual a 41 667 mAh.

3. Inversão: mAh para kWh

Utilize isto quando tiver as especificações de uma bateria e precisar de saber a energia armazenada.

Um kWh equivale a mAh multiplicado por V, dividido por 1 000 000.

Exemplo: Uma bateria de lítio de 100 Ah a 12,8 V.

100 000 mAh multiplicado por 12,8 é igual a 1 280 000. 1 280 000 dividido por 1 000 000 é igual a 1,28 kWh.

4. De kWh para Ah

No caso de grandes sistemas industriais, o Ah é mais prático do que o mAh.

Ah é igual a kWh multiplicado por 1 000 dividido por V.

Exemplo: Uma bateria solar de 10 kWh a 48 V.

10 vezes 1 000 é igual a 10 000. 10 000 dividido por 48 é igual a 208,3 Ah.

5. Tabela de referência rápida

| kWh | Tensão | mAh | Ah | | 0,5 | 12 V | 41 667 | 41,7 | | 1,0 | 12 V | 83 333 | 83,3 | | 2,0 | 24 V | 83 333 | 83,3 | | 5,0 | 48 V | 104 167 | 104,2 | | 10,0 | 48 V | 208 333 | 208,3 | | 20,0 | 48 V | 416 667 | 416,7 |

Ⅲ. Correções no mundo real: por que é que a matemática nunca é perfeita

1. Profundidade de descarga (DoD)

Não é possível utilizar 100 por cento do capacidade da bateria. As baterias de chumbo-ácido não devem descarregar para além dos 50 por cento. As baterias de iões de lítio toleram entre 80 e 90 por cento. Se o seu cálculo indicar que precisa de 100 Ah, deve adquirir 200 Ah de capacidade de baterias de chumbo-ácido. No caso das baterias de lítio, adquira 125 Ah. Só esta correção pode duplicar ou reduzir para metade a sua encomenda de baterias.

O DoD também afeta a vida útil da bateria. Uma bateria de chumbo-ácido submetida a ciclos com um DoD de 50% tem uma duração de 500 a 800 ciclos. A mesma bateria, submetida a ciclos com um DoD de 80%, dura apenas 200 ciclos. Para aplicações com ciclos diários, como a energia solar, o lítio é o vencedor indiscutível.

2. Perdas do inversor e de conversão

O inversor que transforma a energia de corrente contínua (CC) da bateria em energia de corrente alternada (CA) para a carga não tem uma eficiência de 100 por cento. Os inversores típicos de UPS funcionam com uma eficiência entre 92 e 96 por cento. Deve dividir a capacidade calculada pelo fator de eficiência. Se precisar de 100 Ah líquidos e o seu inversor tiver uma eficiência de 94 por cento, compre 106,4 Ah brutos.

Alguns sistemas incluem também um conversor CC-CC. Isto acarreta uma perda adicional de 2 a 5 por cento. Os controladores de carga nos sistemas solares apresentam perdas de 3 a 8 por cento. Some todas estas perdas antes de definir a capacidade da sua bateria.

3. Lei de Peukert

A capacidade da bateria varia consoante a taxa de descarga. Uma bateria de 100 Ah fornece 100 Ah apenas à taxa de 20 horas. À taxa de 1 hora, a mesma bateria poderá fornecer apenas 60 Ah. A descarga a alta taxa reduz a capacidade útil. Para sistemas UPS com correntes de descarga elevadas, aplique um fator de correção de Peukert de 1,1 a 1,3.

A lei de Peukert é especialmente importante para os UPS industriais. Uma carga de 10 kW num sistema de 48 V consome 208 A. Isso corresponde a uma taxa de 2C para uma bateria de 100 Ah. A uma taxa de 2C, a capacidade útil desce para 70 a 80 por cento. A sua bateria de 100 Ah comporta-se como uma bateria de 75 Ah sob esta carga.

4. Redução da potência em função da temperatura

A capacidade da bateria diminui à medida que a temperatura desce. A 0 graus Celsius, uma bateria de chumbo-ácido perde 20 a 30 por cento da sua capacidade. A -20 graus Celsius, perde 50 por cento. O fosfato de ferro e lítio (LiFePO₄) tem um melhor desempenho no frio, mas a sua capacidade ainda assim diminui. Escolha sempre a capacidade adequada para a temperatura de funcionamento mais baixa prevista.

As temperaturas elevadas também danificam as baterias. Acima dos 35 graus Celsius, a vida útil das baterias de chumbo-ácido reduz-se para metade por cada 8 graus de aumento. As baterias de lítio degradam-se mais rapidamente acima dos 45 graus. Sempre que possível, instale as baterias em salas com climatização controlada.

5. Fator de fim de vida útil

As baterias não se esgotam de repente. A sua capacidade vai diminuindo gradualmente. Uma bateria de lítio no fim da vida útil mantém 70 a 80 por cento da capacidade original. Se o seu sistema precisar de 100 Ah no primeiro dia, precisará de 125 Ah no oitavo ano. Escolha a capacidade com base no fim da vida útil, e não na capacidade inicial. Isto prolonga a vida útil do sistema e evita substituições a meio do ciclo.

Ⅳ. Fluxo de trabalho passo a passo para o dimensionamento de UPS industriais

1. Definir a carga em kW

Enumere todos os dispositivos que o UPS irá proteger. Some a potência em watts. Converta para quilowatts. Exemplo: 5 servidores a 400 W cada, mais 2 switches a 150 W cada, perfazem 2 300 W. Isso equivale a 2,3 kW. Acrescente 20 por cento para ter em conta o crescimento futuro. A carga revista equivale a 2,76 kW.

2. Definir o tempo de execução necessário

Durante quanto tempo é que o UPS deve sustentar a carga? No caso dos centros de dados, 10 a 15 minutos são suficientes para o arranque do gerador. No caso das instalações de telecomunicações, é comum que sejam necessárias 4 a 8 horas. No caso de sistemas solares fora da rede, podem ser necessárias 24 a 48 horas. No setor industrial, um período de 30 minutos a 2 horas permite um desligamento ordenado.

3. Calcular a procura bruta de energia em kWh

Multiplique a carga em kW pelo tempo de funcionamento em horas. Exemplo: 2,76 kW vezes 0,5 horas equivale a 1,38 kWh para 30 minutos de funcionamento. Para 4 horas de alimentação de emergência de telecomunicações a 2 kW, a energia bruta equivale a 8 kWh.

4. Aplicar correções de eficiência e de profundidade de descarregamento (DoD)

Divida pela eficiência do inversor. Divida pelo limite de profundidade de descarga (DoD). Exemplo: 1,38 kWh dividido por 0,94 é igual a 1,468 kWh. Em seguida, divida por 0,8 de DoD, o que resulta em 1,835 kWh brutos. No caso do exemplo das telecomunicações de 8 kWh, com uma eficiência de 92% e um DoD de 50%, o valor bruto é igual a 17,39 kWh.

5. Converter para mAh à tensão do sistema

Utilize a fórmula. Exemplo: 1,835 kWh a 48 V equivalem a 38 229 mAh. Isso corresponde a 38,2 Ah. Arredonde para o tamanho de bateria padrão imediatamente superior. No exemplo das telecomunicações a 48 V, 17,39 kWh equivalem a 362 292 mAh ou 362 Ah.

6. Selecionar a configuração da bateria

Escolha configurações em série e em paralelo. Quatro baterias de 12 V e 100 Ah ligadas em série resultam em 48 V e 100 Ah. Quatro conjuntos ligados em paralelo resultam em 48 V e 400 Ah. Certifique-se de que todas as baterias de um conjunto são idênticas: mesma marca, mesmo modelo e mesma idade. Baterias incompatíveis provocam desequilíbrio e avarias prematuras.

Ⅴ. Comparação da composição química das baterias para sistemas de reserva

1. Bateria de chumbo-ácido VRLA

As baterias VRLA têm um custo inicial mais baixo. Têm uma duração de 3 a 5 anos. Suportam um DoD de 50 por cento. São pesadas. Necessitam de ventilação. Funcionam bem em salas com temperatura controlada. Para um sistema de 10 kWh a 48 V, são necessários cerca de 417 Ah de capacidade VRLA. São recicláveis e amplamente disponíveis. Constituem a escolha padrão para projetos com orçamento limitado.

2. Bateria de iões de lítio LiFePO4

As baterias LiFePO4 têm um custo inicial mais elevado. Têm uma vida útil de 8 a 15 anos. Suportam uma profundidade de descarga (DoD) de 80 a 90 por cento. São 50 a 70 por cento mais leves. Carregam mais rapidamente. Não necessitam de ventilação. Para o mesmo sistema de 10 kWh a 48 V, são necessários apenas 260 Ah de capacidade de LiFePO4. Ao longo de 10 anos, o custo total de propriedade é inferior. Além disso, suportam taxas de descarga mais elevadas sem a penalização de Peukert.

3. Níquel-cádmio e níquel-hidreto metálico

Estas tecnologias são raras nos sistemas UPS modernos. O NiCd tolera temperaturas extremas. É tóxico e está sujeito a uma regulamentação rigorosa. O NiMH oferece um desempenho moderado. É utilizado principalmente em pequenos dispositivos de consumo. Atualmente, os sistemas UPS industriais optam entre VRLA e LiFePO4.

4. Iões de sódio e novas composições químicas

As baterias de iões de sódio estão a revelar-se uma alternativa de baixo custo. Utilizam matérias-primas abundantes. São mais seguras do que as de lítio. Suportam amplas faixas de temperatura. A densidade energética é inferior. São adequadas para armazenamento estacionário, onde o peso não é um fator determinante. A BKPOWER acompanha estas tecnologias com vista a uma futura integração.

Ⅵ. Cenários de aplicação e estudos de caso

1. Módulo UPS para centro de dados

Um rack de 20 kW necessita de 15 minutos de autonomia. A energia bruta é igual a 20 kW multiplicado por 0,25 horas, o que equivale a 5 kWh. Com uma eficiência do inversor de 94% e uma profundidade de descarga (DoD) de 80%, a energia bruta é igual a 6,65 kWh. A 48 V, isto equivale a 138 542 mAh ou 138,5 Ah. Um banco modular de LiFePO4 com módulos de 150 Ah adapta-se na perfeição. Os sistemas UPS modulares da BKPOWER suportam módulos de bateria substituíveis em funcionamento. É possível aumentar a capacidade sem tempo de inatividade.

2. Armazenamento solar doméstico

Um sistema solar doméstico armazena 10 kWh por dia. A 48 V, a capacidade bruta equivale a 208 333 mAh. Com uma profundidade de descarga (DoD) de 90% para o LiFePO4, a capacidade bruta equivale a 231 481 mAh. Quatro baterias de 60 Ah em paralelo fornecem 240 Ah. Isto cobre o consumo diário com margem de segurança. Os inversores solares da BKPOWER integram-se com bancos de baterias LiFePO4 para uma gestão integrada do processo de carga e descarga.

3. Abrigo para equipamentos de telecomunicações

Uma estação remota de telecomunicações alimenta 2 kW de equipamento de rádio. Necessita de 8 horas de autonomia. A energia bruta equivale a 16 kWh. Com uma eficiência de 92% e uma profundidade de descarga (DoD) de 50% para as baterias VRLA, a energia bruta equivale a 34,8 kWh. A 48 V, isto equivale a 725 000 mAh. É necessário um banco de baterias VRLA de 750 Ah ou um banco de baterias LiFePO4 de 450 Ah. A BKPOWER oferece sistemas UPS para ampla gama de temperaturas destinados a instalações de telecomunicações. Estes funcionam entre -20 e 55 graus Celsius.

4. Apoio à produção por CNC

Uma máquina CNC consome 5 kW. Demora 30 minutos a desligar-se de forma controlada. A energia bruta equivale a 2,5 kWh. Com uma eficiência de 95% e uma profundidade de descarga (DoD) de 80%, a energia bruta equivale a 3,29 kWh. A 24 V, isto equivale a 137 083 mAh. Um conjunto de baterias LiFePO4 de 150 Ah a 24 V é suficiente. Sistemas UPS industriais da BKPOWER na gama de 10 a 200 kVA suportar estas cargas com uma saída de onda senoidal pura.

5. Setor marítimo e offshore

Um navio de pesca necessita de 5 kWh de energia de reserva para navegação e comunicação. A 24 V, a capacidade bruta equivale a 208 333 mAh. Com uma profundidade de descarga (DoD) de 80 por cento, a capacidade bruta equivale a 260 417 mAh. Duas baterias LiFePO4 de 150 Ah em paralelo fornecem 300 Ah. Isto permite 6 horas de autonomia com uma carga média de 800 W. Os sistemas UPS de classe marítima da BKPOWER são resistentes à névoa salina e à vibração.

Ⅶ. Erros comuns a evitar

1. Ignorar a tensão

O erro mais comum é esquecer a tensão. 10 000 mAh a 3,7 V correspondem apenas a 37 Wh. 10 000 mAh a 12 V correspondem a 120 Wh. O mesmo valor em mAh representa quantidades de energia muito diferentes consoante a tensão. Inclua sempre a tensão nos seus cálculos. Um comprador que veja 50 000 mAh e presuma que se trata de uma capacidade elevada sem verificar a tensão ficará desiludido.

2. Utilização da tensão nominal para toda a curva de descarga

Uma bateria de chumbo-ácido de 12 V começa com 12,8 V e termina com 10,5 V. A média é de cerca de 12 V. Utilizar 12,8 V para todo o cálculo sobrestima a capacidade. Utilizar 10,5 V subestima-a. Utilize a tensão nominal indicada na ficha técnica. No caso do lítio, a tensão nominal é normalmente de 3,2 V por célula para LiFePO₄ e de 3,7 V para NMC.

3. Esquecer a margem de segurança

Nunca dimensione para 100 por cento da capacidade calculada. Adicione uma margem de 10 a 20 por cento para ter em conta o envelhecimento da bateria, os efeitos da temperatura e picos de carga inesperados. Uma bateria que esteja a 90 por cento da sua capacidade no primeiro dia ficará a 70 por cento após três anos de ciclos de carga e descarga. A margem de segurança proporciona-lhe tempo e fiabilidade.

4. Combinação de configurações em série e em paralelo

As baterias ligadas em série aumentam a tensão. As baterias ligadas em paralelo aumentam a capacidade. Quatro baterias de 12 V e 100 Ah ligadas em série resultam em 48 V e 100 Ah. Quatro ligadas em paralelo resultam em 12 V e 400 Ah. Misturar estas configurações compromete o seu cálculo. Desenhe o diagrama de configuração antes de fazer a encomenda. Identifique claramente cada cadeia durante a instalação.

5. Descuidar da compatibilidade com o BMS

As baterias de lítio requerem um sistema de gestão de baterias (BMS). O BMS equilibra as células. Protege contra sobrecarga e descarga excessiva. Monitoriza a temperatura. Certifique-se de que o seu BMS é compatível com a composição química e a tensão da sua bateria. Um BMS incompatível pode destruir um conjunto de baterias de lítio em poucas semanas.

Ⅷ. Soluções diretas da fábrica da BKPOWER

A BKPOWER concebe e fabrica sistemas UPS e soluções de backup com baterias. Os nossos engenheiros realizam diariamente conversões de kWh para mAh. Fornecemos bancos de baterias personalizados para centros de dados, telecomunicações, energia solar e automação industrial. Os nossos módulos de baterias LiFePO4 integram-se na nossa série de UPS de dupla conversão em linha. Oferecemos produtos com certificação CE, ISO 9001 e IEC 62040.

O nosso modelo de venda direta da fábrica elimina a margem de lucro do distribuidor. Obtém tensão, capacidade e firmware personalizados. Obtém total rastreabilidade da certificação. Obtém acesso direto à nossa equipa de I&D. Contactar a BKPOWER para uma consulta gratuita sobre dimensionamento. Analisamos o seu perfil de carga, as necessidades de autonomia e as condições ambientais. Fornecemos o sistema de bateria de reserva adequado logo à primeira tentativa.

Fontes de referência

1. Comissão Eletrotécnica Internacional (CEI)Sítio Web oficial: www.iec.ch
2. Underwriters Laboratories (UL)Sítio Web oficial: www.ul.com
3. Comité Europeu de Normalização (CEN)Sítio Web oficial: www.cen.eu
4. Administração da Normalização da China (SAC)Sítio Web oficial: www.sac.gov.cn
5. Aliança Tecnológica da Indústria de Armazenamento de Energia de Zhongguancun (CNESA)Sítio Web oficial: www.cnESA.org
6. Organização Internacional de Normalização (ISO)Sítio Web oficial: www.iso.org

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