O banco de baterias de um UPS é frequentemente dimensionado com uma simples divisão: a carga em watts, a bateria em amperes-hora e o resultado em horas. O resultado costuma ser otimista. As baterias não fornecem a capacidade total a 20 horas quando a corrente é elevada, o inversor não tem 100% de eficiência e a profundidade de descarga utilizável também não é de 100%.
Este artigo explica o método de cálculo correto, as duas químicas de bateria dominantes e os métodos de verificação no local que mantêm a autonomia dentro do que é credível.
O banco de baterias é também o único componente do UPS que envelhece de forma contínua. Uma autonomia que cumpria os requisitos no momento da entrada em serviço variará ano após ano em função da temperatura, do número de ciclos e da uniformidade das células. Por isso, o cálculo é apenas o primeiro passo: ao selecionar o sistema é necessário considerar também a margem de envelhecimento e a verificação no local.
Porque é que a autonomia não se pode calcular dividindo os Ah?
A capacidade nominal em Ah de uma bateria é normalmente especificada a uma taxa de descarga de 20 horas. Uma bateria de 100 Ah pode fornecer 5 A durante 20 horas; no entanto, descarregada a 100 A, não aguenta 1 hora. Tanto a resistência interna como a cinética eletroquímica reduzem a capacidade disponível: quanto maior é a corrente, menor é a capacidade efetiva.
O inversor acrescenta outra camada de perdas. Uma eficiência de 0.85 significa que 15% da energia de CC se perde antes de chegar à carga. A profundidade de descarga é a terceira limitação: um banco VRLA limita-se normalmente a 50–60% de profundidade de descarga para preservar uma vida cíclica razoável; um módulo LiFePO4 pode utilizar 80–90%.
O método correto consiste em consultar a tabela de descarga do fabricante da bateria para a tensão final e a corrente previstas. A fórmula dá o ponto de partida; a tabela, a autonomia.
Dentro de uma mesma cadeia de baterias, a falta de uniformidade entre células também degrada o desempenho do conjunto: ao carregar, a célula fraca atinge primeiro o limite superior, e ao descarregar, primeiro o limite inferior; a capacidade utilizável de toda a cadeia fica determinada pela célula mais fraca. Misturar baterias novas e velhas amplifica esta disparidade, pelo que numa mesma cadeia devem usar-se baterias do mesmo modelo e do mesmo lote.
Como se calcula a capacidade do banco de baterias?
Utilize a fórmula simplificada:
Ah = kW × 1,000 × horas ÷ (tensão do barramento CC × eficiência do inversor × profundidade de descarga utilizável)
Para uma carga de 7.2 kW, 1 hora, um barramento de 192 VDC, uma eficiência de 0.85 e uma profundidade de descarga de 0.6, o resultado é de aproximadamente 73.5 Ah. Uma cadeia de 16 baterias de 12 V 100 Ah, com 100 Ah nominais, cobre o objetivo com uma pequena margem. Para 2 horas, os Ah necessários duplicam para cerca de 147 Ah, pelo que são necessárias duas cadeias.
| Carga | Autonomia | Barramento CC | Ah estimados | Cadeias de 12 V 100 Ah |
|---|---|---|---|---|
| 3 kW | 30 min | 72 V | 35 Ah | 1 (6 unidades) |
| 3 kW | 1 h | 72 V | 69 Ah | 1 (6 unidades) |
| 7.2 kW | 30 min | 192 V | 37 Ah | 1 (16 unidades) |
| 7.2 kW | 1 h | 192 V | 74 Ah | 1 (16 unidades) |
| 7.2 kW | 2 h | 192 V | 147 Ah | 2 (32 unidades) |
| 14.4 kW | 1 h | 192 V | 147 Ah | 2 (32 unidades) |
| 36 kW | 1 h | 384 V | 184 Ah | 2 (64 unidades) |
O número de unidades é calculado com baterias de 100 Ah. Uma bateria de menor capacidade exige mais cadeias em paralelo; uma de maior capacidade, menos. Não exceda o número de cadeias em paralelo recomendado pelo fabricante.
Onde está a diferença real de autonomia entre VRLA e LiFePO4?
Um banco VRLA é normalmente dimensionado com uma profundidade de descarga utilizável de 50–60%. Um módulo LiFePO4 pode usar 80–90%, de modo que a mesma energia nominal oferece uma autonomia maior. A curva de descarga do LiFePO4 é mais plana, pelo que o inversor vê uma tensão de CC mais estável ao longo de toda a descarga.
O custo inicial do LiFePO4 é maior, mas a energia utilizável por kWh, a vida cíclica e o peso são melhores. Para uma autonomia de 2 horas numa sala com espaço limitado, o banco de lítio pode ser mais pequeno e leve do que o de chumbo-ácido; para um ride-through de 5 minutos numa sala fria, a VRLA é habitualmente a opção de menor custo.
A diferença na vida cíclica amplia-se rapidamente em cenários com carga e descarga diárias; se a bateria apenas se descarrega algumas vezes por ano, o custo inicial e a compatibilidade do carregador costumam ser mais importantes do que o número de ciclos.
| Critério | VRLA | LiFePO4 |
|---|---|---|
| Profundidade de descarga utilizável | 50–60% | 80–90% |
| Vida cíclica | 300–600 ciclos a 50% DOD | 6,000 ciclos a 80% DOD |
| Peso | Elevado | Aproximadamente um terço |
| Espaço ocupado | Maior | Menor |
| Carregador | Curva de chumbo-ácido | Curva de lítio + BMS |
| Sensibilidade à temperatura | Alta | Moderada |
| Custo inicial | Menor por kWh | Maior por kWh |
Como afeta a temperatura a autonomia?
As temperaturas baixas reduzem a capacidade disponível da bateria, enquanto as temperaturas altas encurtam a sua vida útil. Uma bateria VRLA a 0 °C pode fornecer apenas 80–85% da sua capacidade a 25 °C; a 40 °C a sua capacidade pode ser maior, mas a vida útil reduz-se de forma notável. O LiFePO4 tem uma janela de funcionamento mais ampla, mas para atingir a sua vida cíclica nominal continua a necessitar de uma sala com temperatura controlada.
A sala de baterias VRLA deve ser mantida entre 20 e 25 °C. Por cada 10 °C acima de 25 °C, a vida útil de projeto reduz-se aproximadamente para metade. Uma bateria que «continua a funcionar» a 35 °C pode falhar no ano 3 em vez do ano 8.
O efeito das temperaturas baixas e das temperaturas altas vai em direções distintas: as primeiras reduzem a energia que pode ser fornecida nesse momento; as segundas podem aumentar a capacidade a curto prazo, mas à custa da vida útil. Ao dimensionar o banco de baterias, é necessário corrigir em função da temperatura mais desfavorável do local, e não do valor ideal de 25 °C.
Quando vale a pena escolher um módulo de lítio?
Escolha LiFePO4 quando a autonomia for longa, a sala pequena, o número de ciclos elevado ou o peso for um fator crítico. Um módulo de 51.2 V 100 Ah armazena aproximadamente 5.12 kWh e pesa cerca de 45 kg; um banco de chumbo-ácido equivalente é muito mais pesado e volumoso. Numa sala na cobertura ou em pisos elevados, a diferença de peso pode decidir o projeto.
No entanto, não utilize baterias de lítio se o carregador não for compatível. Um carregador de chumbo-ácido pode manter a tensão do barramento num nível que as células de lítio não suportam, ou pode não fornecer a curva de carga correta. Além disso, o BMS deve comunicar com o UPS para se obter uma proteção completa.
| Aplicação | Química recomendada | Motivo |
|---|---|---|
| Ride-through de 5–15 min | VRLA | Menor custo, carregador simples |
| Sala de servidores de 1–2 h | VRLA ou LiFePO4 | Comparar espaço e ciclo de vida |
| Local remoto de 4–8 h | LiFePO4 | Energia utilizável e peso |
| Ciclagem diária / solar | LiFePO4 | Vida cíclica |
| Sala quente | LiFePO4 ou VRLA com refrigeração | Tolerância à temperatura |
Como se verifica a autonomia após a instalação?
Realize um teste de descarga com a carga de projeto e meça o tempo até à tensão de fim de descarga. Registe a temperatura da bateria, a tensão da cadeia e a bateria mais fraca. Um UPS que indica «bateria correta» pode falhar igualmente sob carga.
O teste deve ser realizado com a carga de projeto e prolongar-se até à tensão final, de modo que a bateria mais fraca fique exposta. Um teste breve com carga ligeira não demonstra a autonomia real.
Teste a cada 12–24 meses, e também após qualquer descarga profunda ou substituição das baterias. Se a autonomia cair abaixo do requisito do local, substitua o banco ou aumente a capacidade. Não espere por um corte real para descobrir que as baterias estão debilitadas.
Lista de verificação da bateria
- Converta kW em Ah com o barramento CC, a eficiência e a profundidade de descarga utilizável.
- Consulte a tabela de descarga de alta taxa; não dependa do valor nominal a 20 horas.
- Mantenha a sala de baterias a 20–25 °C.
- Confirme a corrente de carga e a capacidade máxima de baterias.
- Não misture baterias novas e velhas numa mesma cadeia.
- Utilize LiFePO4 apenas se o carregador e o BMS forem compatíveis.
- Teste a autonomia com a carga de projeto a cada 12–24 meses.
A bateria é o componente do UPS que determina a autonomia e merece a mesma atenção de engenharia que o próprio equipamento, e não uma linha acrescentada à última hora ao pedido.
