Tiempo de funcionamiento de la batería (carga del motor)
Calcule el tiempo de funcionamiento de la batería para los sistemas accionados por motor teniendo en cuenta el consumo de corriente del motor, la eficiencia y la profundidad de descarga.
Fórmula
Cómo Funciona
Esta calculadora determina el tiempo de funcionamiento de la batería de los sistemas accionados por motor a partir de la capacidad de la batería, el consumo de energía del motor y la eficiencia del sistema. Los diseñadores de vehículos eléctricos, los ingenieros de robótica y los desarrolladores de equipos portátiles la utilizan para dimensionar las baterías durante el tiempo de funcionamiento requerido. La predicción precisa del tiempo de ejecución evita que las baterías de tamaño insuficiente queden varadas en los vehículos o los paquetes sobredimensionados que desperdician peso y costes.
Según los fundamentos de la ingeniería de baterías («Manual de baterías» de Linden, cuarta edición, McGraw-Hill) e IEC 61960 (pilas y baterías de litio secundarias para aplicaciones portátiles), tiempo de ejecución = (Battery_Wh × DoD)/P_average, donde DoD es la profundidad de descarga (normalmente un 80% para plomo-ácido, un 90% para iones de litio y un 95% para LiFePO4 según las directrices del fabricante). Las clasificaciones de eficiencia de los motores que determinan el promedio de P siguen las normas IEC 60034-30-1 (máquinas eléctricas rotativas: clases de eficiencia) y NEMA MG-1-2021 (normas de eficiencia NEMA Premium para motores eléctricos). En el caso de los sistemas de motores, P_average debe incluir todas las pérdidas: p_total = p_motor/ (～_motor × τ_controller × τ_wiring), que normalmente tienen una eficiencia total del sistema entre el 75 y el 85%.
El efecto Peukert tiene un impacto significativo en las baterías de plomo-ácido: la capacidad disminuye a velocidades de descarga más altas después de c_effective = C_rated × (I_rated/i_actual) ^ (k-1), donde k = 1,1-1,3 para las químicas de plomo-ácido y 1,02-1,08 para las químicas de litio. Una batería de plomo-ácido de 100 Ah con una descarga de 2 °C (200 A) solo ofrece una capacidad utilizable de 70 a 80 Ah, un 30% menos que la capacidad nominal de 1 °C. La temperatura también afecta a la capacidad: los iones de litio ofrecen aproximadamente un 80% de capacidad a 0 °C y un ~ 60% a -20 °C, según las especificaciones del fabricante.
Ejemplo Resuelto
Calcule el tiempo de ejecución de un carrito de golf eléctrico. Batería: paquete LiFePO4 de 48 V y 150 Ah. Motores: dos motores de cubo de 1,5 kW. Uso típico: ciclo de trabajo del 70% al 50% de aceleración, terreno montañoso.
Paso 1: Calcule la energía utilizable de la batería: e_Total = V × Ah = 48 × 150 = 7200 Wh DoD para LiFePO4:95% e_Utilizable = 7200 × 0,95 = 6840 Wh
Paso 2 — Estime el consumo medio de energía del motor: Al 50% de aceleración: motores P = 0,50 × (2 × 1500 W) = 1500 W de potencia mecánica Eficiencia del motor (85%): P_motor_ELEC = 1500/ 0.85 = 1765 W Eficiencia del controlador (95%): P_system = 1765/ 0.95 = 1858 W
Paso 3: Tenga en cuenta el ciclo de trabajo: Potencia media: P_avg = 1858 W × 0,70 = 1301 W Corriente promedio: i_AVG = 1301/48 = 27.1A
Paso 4: verifique la tasa C y el efecto Peukert: Tasa C = 27,1/150 = 0,18 °C Exponente de Peukert en LiFePO4 ≈ 1,05 Reducción de capacidad: (1/0.18) ^0.05 = 1.09 (bonificación del 9% frente a la calificación de 1C) Capacidad efectiva: 150 × 1,09 = equivalente a 163 Ah
Paso 5 — Calcular el tiempo de ejecución: Tiempo de ejecución = (48 × 163 × 0,95)/1301 = 7430/1301 = 5,71 horas
Resultado: el carrito de golf funciona aproximadamente 5,7 horas (34 km a una media de 6 km/h) en condiciones típicas de un ciclo de trabajo del 70%. Añada un margen de seguridad del 20%: planifique un intervalo de 4,6 horas entre cargas para tener en cuenta el envejecimiento y las variaciones de temperatura.
Consejos Prácticos
- ✓Según las pautas de duración de la batería, limite el DoD al 80% para el litio NMC (más de 1000 ciclos) y al 50% para el plomo-ácido (más de 500 ciclos); una descarga más profunda acelera la pérdida de capacidad; una celda NMC 100% DoD dura solo de 300 a 500 ciclos
- ✓Registre la corriente real con un contador de culombios durante ciclos de operación representativos; el promedio real suele ser del 40 al 60% de las estimaciones más desfavorables debido a la inercia, la regeneración y las cargas variables
- ✓De acuerdo con las directrices para climas fríos, reduce la capacidad de iones de litio en un 20% a 0 °C y un 40% a -20 °C; el plomo-ácido pierde un 50% de su capacidad a 0 °C, lo que es fundamental para las aplicaciones exteriores de invierno
Errores Comunes
- ✗Uso de la corriente máxima del motor en lugar de la media: según la práctica de dimensionamiento de la batería, un robot con un ciclo de trabajo del 60% consume una corriente promedio de 0,6 veces el pico; el uso de picos sobreestima el consumo en un 67%, lo que provoca un sobredimensionamiento innecesario de la batería
- ✗Ignorando el efecto de Peukert en las baterías de plomo-ácido: con una descarga de 2 °C, el plomo-ácido produce solo entre el 70 y el 80% de los Ah nominales según la ecuación de Peukert; las baterías de litio (k=1,05) son casi inmunes a este efecto
- ✗Olvídese de las pérdidas del controlador y del cableado: según el análisis del sistema, la eficiencia del controlador del motor es del 90 al 97% y las pérdidas de cable aumentan del 1 al 5%; la eficiencia total del sistema, del 80 al 90%, reduce el tiempo de ejecución entre un 10 y un 20% en comparación con los cálculos únicamente del motor
Preguntas Frecuentes
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