¿Cuánto tiempo durará una batería de 12 V?

Las baterías de ciclo profundo de 12 V se encuentran comúnmente en diversas aplicaciones, desde la alimentación de sistemas eléctricos de viviendas en vehículos y embarcaciones hasta el apoyo a sistemas de energía renovable y el funcionamiento de electrodomésticos en instalaciones fuera de la red. Una de las preocupaciones más comunes entre los usuarios es comprender cuánto durarán estas baterías, tanto en términos de tiempo de funcionamiento restante hasta que sea necesario recargarlas como de su vida útil a largo plazo.

En realidad, esto es bastante difícil de cuantificar porque ambos factores pueden variar enormemente y están muy influenciados por varios factores, entre ellos el diseño y el tipo de composición química de la batería, los patrones de uso (cómo se descarga), las condiciones ambientales y las prácticas de carga y mantenimiento. Este artículo explora estos factores, ofrece recomendaciones sobre cómo maximizar la vida útil y le muestra cómo estimar el tiempo de funcionamiento antes de tener que recargar la batería.

Tipos de batería de 12 V

En primer lugar, veamos los distintos tipos de baterías de 12 V que se utilizan en aplicaciones de ciclo profundo. A continuación, enumeramos las más comunes que se utilizan en instalaciones automotrices, recreativas, marinas y fuera de la red, junto con una breve descripción y un resumen de sus características principales.

Plomo Ácido

Tradicionalmente, han sido el tipo más común de batería de ciclo profundo basada en la tecnología de plomo-ácido, con placas de plomo sumergidas en un electrolito de ácido sulfúrico. El oxígeno y el hidrógeno producidos durante la carga pueden escaparse, lo que eventualmente hace que el agua del electrolito se seque si no se recarga periódicamente. Si el electrolito se seca, la batería se dañará y el rendimiento se reducirá.

• Electrolito líquido: requiere mantenimiento
• Diseñado para un consumo de corriente continua moderada
• Ciclo de vida típico: 150-200 al 80 % DoD* (esperanza de vida promedio de 3 a 5 años)
• Propenso a la sulfatación si se deja en un estado parcialmente cargado.
• Requiere un cargo de mantenimiento cada pocos meses si no se utiliza.
• Tasa de carga 0,1 – 0,2 C**
• Amplio rango de temperatura de carga/descarga
• Debe instalarse en posición vertical

AGM (Absorbent Glass Mat )

Son baterías selladas basadas en tecnología de plomo-ácido, pero el electrolito está encapsulado en una fina capa de fibra de vidrio que las hace a prueba de derrames y más livianas que las baterías inundadas, con un mejor ciclo de vida y tasas de descarga más altas. Forman parte de la familia de baterías de plomo-ácido reguladas por válvula (VRLA) que recombinan el hidrógeno y el oxígeno producidos durante la carga en agua bajo presión moderada y tienen una válvula de liberación de seguridad incorporada para permitir que escape el exceso de gas. 

• Electrolito absorbido en esteras de vidrio: no requiere mantenimiento
• Puede suministrar altas corrientes
• Ciclo de vida típico: 300-500 con un máximo del 80 % de DoD (esperanza de vida promedio de 5 a 7 años)
• Menos propenso a la sulfatación que los inundados.
• Requiere un cargo de mantenimiento cada pocos meses si no se utiliza.
• Tasa de carga 0,2C+
• Sensible a la sobrecarga
• Buen rendimiento a baja temperatura.
• Se pueden colocar de lado (a prueba de derrames)

GEL

también son baterías VRLA selladas, pero el electrolito está suspendido en un gel de sílice, lo que también las hace a prueba de derrames. Tienen un buen rendimiento a altas temperaturas y el nivel de rendimiento se mantiene constante hasta casi el final de su vida útil, pero no son buenas para entregar corrientes altas (a diferencia de las baterías AGM).

• Electrolito suspendido en gel de sílice, libre de mantenimiento.
• Diseñado para suministrar corrientes bajas a moderadas.
• Ciclo de vida típico: 500-1000 al 80 % DoD como máximo (esperanza de vida promedio de 7 a 10 años)
• Menos propenso a la sulfatación que los inundados.
• Requiere un cargo de mantenimiento cada pocos meses si no se utiliza.
• Tasa de carga 01.- 0,2C
• Sensible a la sobrecarga
• Buen rendimiento a alta temperatura.
• Se pueden colocar de lado (a prueba de derrames)

LiFePO4 (Fosfato de hierro y litio)

Una tecnología relativamente nueva y un tipo de batería de iones de litio que ahora es muy popular como opción para aplicaciones de baterías de ciclo profundo debido a su eficiencia, peso ligero, altas tasas de carga/descarga, larga vida útil y bajo mantenimiento. Por razones de seguridad, requieren protección contra sobrecarga/descarga y sobre-temperatura/temperatura insuficiente, pero la gran mayoría de las baterías comerciales vienen con un sistema de gestión de batería (BMS) incorporado para encargarse de esto. No se pueden cargar a temperaturas inferiores a 0 °C, aunque muchas tienen calentadores incorporados que aumentan la temperatura de la batería para permitir la carga. Muchas también cuentan ahora con un BMS con comunicación Bluetooth para que pueda monitorear el rendimiento de la batería a través de una aplicación de teléfono. 

• Puede suministrar altas corrientes
• Ciclo de vida típico: 2000-5000 con un máximo del 80 % de DoD (esperanza de vida promedio de 10 a 15 años)
• Se puede descargar muy profundamente (mayor capacidad Ah utilizable)
• Auto-descarga extremadamente baja: mantenimiento prácticamente nulo
• La tasa de carga suele ser de 0,5 C+
• Se puede descargar pero no cargar por debajo de 0 °C
• La mitad del peso de una batería de plomo-ácido inundada equivalente
• Necesita protección BMS para seguridad
• A menudo vienen con comunicación Bluetooth para usar con una aplicación.

La vida útil de la batería varía significativamente según el patrón de uso, por lo que los fabricantes suelen indicar la cantidad de ciclos de carga/descarga esperados en función de una profundidad de descarga (DoD) del 80 % a una velocidad de carga y descarga determinada. Esto significa que la batería se puede descargar al 80 % de su capacidad (quedando un 20 % restante) y recargar por completo la cantidad de veces indicadas antes de que la batería llegue al final de su vida útil.

Los fabricantes indican las tasas de carga y descarga recomendadas como proporción de la capacidad de la batería en Ah. Por lo tanto, una tasa de carga/descarga de 0,2 C para una batería de 100 Ah sería de 20 A, y esta cifra normalmente se indica junto con la DoD cuando se indica la vida útil (por ejemplo, 500 ciclos al 80 % DoD, 0,2 C). Es importante tener esto en cuenta al seleccionar un cargador para la batería o al considerar conectar una carga grande como un inversor de alto rendimiento, ya que superar las tasas de carga/descarga máximas recomendadas podría reducir la vida útil, en particular con baterías de plomo-ácido.

Factores que afectan la vida útil de la batería

Es importante distinguir entre el tiempo que se puede utilizar una batería antes de que se descargue y necesite recargarse (a veces denominado “tiempo restante”) y la vida útil total de una batería que se alcanza una vez que la reacción química reversible en su interior ya no es posible. Ambas cosas son importantes, pero en términos de uso diario, el tiempo restante entre recargas será de mucho más interés y relevancia.

En términos de vida útil total de una batería, existen varios factores clave que la determinan. Los enumeramos a continuación, junto con recomendaciones sobre cómo maximizar esta vida útil.

Patrones de uso:

• La DoD es uno de los factores más importantes que afectan la vida útil de la batería y la descarga regular de una batería a niveles bajos puede acortar rápidamente su vida útil. Lo ideal es que las baterías de plomo-ácido no se descarguen más del 50 % de su capacidad, y las descargas más superficiales pueden resultar en un aumento significativo de la vida útil. Las baterías de litio pueden soportar descargas mucho más profundas, pero aún se beneficiarán de ciclos más superficiales.
• La corriente de descarga también tiene una influencia significativa en la vida útil de la batería. Las corrientes de descarga más altas acortarán la vida útil de la batería, mientras que las corrientes de descarga más pequeñas la prolongarán. Las aplicaciones que exigen un mayor consumo de corriente durante períodos más prolongados (por ejemplo, inversores que funcionan durante varias horas) pueden ser inevitables si la aplicación lo exige, y esto está bien siempre que sepa que necesitará cambiar las baterías con mayor regularidad. Entonces, en resumen, si puede, intente hacer funcionar la batería con descargas más superficiales a corrientes más bajas para prolongar la vida útil de la batería.

Prácticas de carga y descarga

• La sobrecarga o la carga insuficiente pueden dañar las baterías, por lo que el uso de un cargador adecuado y el seguimiento de las prácticas de carga recomendadas ayudan a prolongar la vida útil de la batería. Los cargadores inteligentes que se ajustan a las necesidades de la batería pueden ser especialmente beneficiosos. Asegúrese de que el cargador sea de varias etapas, de la corriente nominal correcta para el tipo y la capacidad de su batería, y que se pueda programar con los voltajes de carga correctos para su tipo/química de batería específicos. En caso de duda, consulte la hoja de datos o el manual del usuario del fabricante para conocer las velocidades y voltajes de carga recomendados. Los cargadores de alta gama, como la gama Blue Smart de Victron Energy, tienen procesos de carga adaptativos que supervisarán el patrón de uso de la batería y ajustarán las etapas de carga en consecuencia para optimizar la vida útil de la batería.

• También es importante la forma en que se conectan las fuentes de carga a las baterías. Los cables deben ser lo suficientemente largos para evitar una caída excesiva de tensión y los cables positivo y negativo deben tener la misma longitud. Cuando las baterías están conectadas en paralelo, las fuentes de carga deben estar conectadas a través del banco para garantizar que todas las baterías reciban voltajes de carga iguales. Con esto queremos decir que el cable de carga positivo debe conectarse al terminal positivo de la primera batería y el cable de carga negativo debe conectarse al terminal negativo de la última batería. Este patrón de conexión “a través del banco” se aplica tanto a las cargas como a las fuentes de carga, lo que garantiza que todas las baterías se descarguen al mismo ritmo.

Condiciones ambientales

Las temperaturas extremas pueden afectar negativamente la vida útil de la batería. Las altas temperaturas aceleran las reacciones químicas dentro de la batería, lo que provoca una degradación más rápida, mientras que las bajas temperaturas pueden reducir la capacidad efectiva de la batería, lo que dificulta su carga. Lo ideal es que las baterías se almacenen y utilicen en condiciones moderadas. Al comprar un cargador de batería, intente conseguir uno que tenga compensación de temperatura a través de un sensor incorporado o, preferiblemente, un sensor externo que se pueda conectar directamente a la batería. Esto optimizará los voltajes de carga en relación con la temperatura de la batería y prolongará su vida útil.

Almacenamiento y mantenimiento

El mantenimiento regular de las baterías almacenadas puede ayudar a prolongar significativamente su vida útil. En el caso de las baterías de plomo-ácido, cárguelas por completo antes de almacenarlas y realice una carga de mantenimiento cada dos meses (verifique los niveles de electrolito en las baterías inundadas y recargue según sea necesario). Lo ideal es mantenerlas conectadas a un cargador que las pruebe y las mantenga (todos los cargadores modernos y buenos lo harán). En el caso de las baterías de litio, almacénelas aproximadamente al 50 % del estado de carga (SoC) y recárguelas a un nivel similar cada 6 meses aproximadamente. Todas las baterías deben almacenarse en condiciones limpias y secas a temperaturas moderadas y los terminales deben mantenerse cubiertos para evitar cortocircuitos accidentales.

Calidad de la batería

Las baterías de fabricantes de confianza que utilizan componentes de alta calidad y trazables suelen tener una vida útil más larga. Invertir en una buena batería de una marca consolidada como 
Victron Energy puede ahorrar dinero a largo plazo al reducir la frecuencia de los reemplazos.

Estimación del tiempo de funcionamiento restante entre cargas  
(tiempo restante)

Para calcular el tiempo que una batería de 12 V específica podrá descargarse antes de tener que recargarse, debe tener en cuenta su capacidad de almacenamiento de energía (medida en amperios-hora, Ah) y el consumo total de corriente de la carga que alimentará (medido en amperios, A). La fórmula para calcular el tiempo de funcionamiento es:

• Tiempo de funcionamiento (horas) = ​​Capacidad de la batería (Ah) / Carga (A)

Sin embargo, este es un cálculo teórico y supone:

• La batería tiene 100% SoC inicialmente
• La batería está en buen estado y su capacidad no se degrada con el paso del tiempo o el uso indebido.
• Un DoD del 100% no causa daño (no es el caso en la realidad)
• La carga es constante (muy poco probable en la realidad)
• No hay corte de energía cuando la batería alcanza un SoC muy bajo (esto varía según el tipo de batería)
• Esa capacidad sigue siendo la misma para todos los tamaños de carga (no es el caso en la realidad; consulte “Eficiencia Peukert” a continuación)

En la práctica, debe basar este cálculo en el DoD máximo con el que se sienta satisfecho para su tipo de batería. Por lo tanto, si tiene una batería de plomo-ácido inundada de 100 Ah y desea mantener un DoD “seguro” del 50 %, debe incluir su capacidad utilizable de 50 Ah en el cálculo anterior, lo que significa que, en realidad, solo tiene 5 horas de autonomía. 

Como puedes ver, aquí hay muchas suposiciones, por lo que este método solo te brinda una estimación muy aproximada.

Monitoreo de la batería

El cálculo anterior es una estimación muy aproximada y hace muchas suposiciones, incluyendo que el consumo de corriente es constante durante todo el tiempo de funcionamiento y que la batería está completamente cargada para empezar. En realidad, las baterías rara vez se utilizan de esta manera, ya que las cargas varían con la hora del día/noche y la estación, y la carga y descarga a menudo se producen simultáneamente (por ejemplo, carga mientras está conectado pero utilizando sistemas de 12 V). Si a esto le sumamos el hecho de que las baterías rara vez se descargan al mismo nivel cada vez antes de volver a cargarse, y a menudo reciben solo una carga parcial antes de volver a descargarse, ¡calcular el SoC de una batería en un momento dado comienza a parecer una tarea casi imposible!

Afortunadamente, existe una solución en forma de monitores de batería que son fáciles de instalar y eliminan las dudas sobre el estado del sistema de carga de la batería. Los monitores de batería utilizan un shunt, que es una resistencia de alta precisión, que permite medir el flujo de corriente que entra y sale de la batería, de modo que el monitor puede calcular la carga neta de la batería en cualquier momento, incluso mientras se carga y se descarga simultáneamente.

El software de estos monitores es bastante sofisticado y tiene en cuenta una serie de otros factores que complican la situación. Uno de ellos es la eficiencia de Peukert, un efecto según el cual cuanto más rápido se descarga una batería, menor capacidad efectiva tiene. Por lo tanto, una batería de 100 Ah completamente descargada con una carga de 1 A tendrá una capacidad efectiva mayor que cuando se descarga con una carga de 10 A. Este fenómeno también se puede observar con los cambios de temperatura, pero los efectos son mucho menores. Además, debido a la ineficiencia de carga, la cantidad de energía de carga que se puede descargar de una batería es menor que la energía de carga que le aporta una fuente de carga. El software del monitor de batería tiene en cuenta todos estos factores al calcular el SoC, lo que le permite realizar un seguimiento preciso del estado de su batería.

Vale la pena señalar que muchas de las baterías de litio más nuevas cuentan con un BMS habilitado para Bluetooth. Esto le permite conectarse al BMS a través de una aplicación en su teléfono y ver mucha información sobre la batería, incluido el SoC, el flujo de corriente de entrada/salida, Ah acumulados cargados/descargados, etc., lo que hace que la necesidad de un monitor de batería independiente sea cuestionable. Sin embargo, debe decirse que los monitores de batería tienden a tener muchas otras características útiles, como salidas para activar dispositivos externos como un relé o una alarma audible en condiciones programables por el usuario (como alcanzar un umbral de bajo voltaje) y, a menudo, tienen más opciones de configuración que las que encontraría en una aplicación BMS, por lo que aún vale la pena considerarlos.

Conclusión final:

La vida útil de una batería de 12 V varía enormemente según el tipo, el patrón de uso y el cuidado. Si comprende las necesidades específicas de su batería en particular y sigue las mejores prácticas, podrá maximizar su vida útil y garantizar un rendimiento confiable durante muchos años. Si comprende bien lo que puede esperar de su batería en términos de vida útil, también podrá planificar para cuando llegue el momento de reemplazarla.