¿Por qué se miden algunas baterías en mAh y otras en Wh?

Más de alguno tendrá una batería externa, también conocidas como powerbank, con la que recargamos los teléfonos y gadgets que usamos a diarios. Lo común es que la "capacidad" de estas baterías sean designadas con unidades como mAh (Miliamperios-hora). Por otra parte, también te habrás encontrado con baterías de notebooks, e incluso de estaciones de carga portátiles muy grandes, las que en su capacidad se designa por Wh (Watts hora o Vatios-hora). Dejemos claro un punto, comúnmente se dice que mAh mide "corriente", pero físicamente no es correcto. Sino que en realidad expresa la capacidad de carga (corriente multiplicada por el tiempo) que la batería es capaz de entregar. Por otro lado, los Wh son una unidad de energía que indican el trabajo total que se puede extraer de la batería. Veamos algo de física para entender el origen de las baterías expresadas en mAh o Wh Si quieres entender la diferencia entre las unidades Wh y mAh, es necesario recordar algunos fundamentos básicos de electricidad. Voltaje (V): Es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. Funciona como la “presión” que impulsa a los electrones a través de un circuito. Corriente (I): Se mide en amperios (A) y representa la cantidad de carga eléctrica que fluye por segundo. Potencia (P): Se mide en vatios o Watts (W) y representa la cantidad de energía transferida por unidad de tiempo. Estas tres magnitudes se relacionan de acuerdo con la Ley de Watt que dice que: la potencia eléctrica (P) dentro de un circuito, es el igual al producto entre el voltaje (V) aplicado y la corriente (I). Esto significa que la cantidad de energía transferida por unidad de tiempo (medida en vatios) aumenta directamente si se incrementa el voltaje o la corriente. La ley es fundamental en el análisis de circuitos eléctricos, pues permite relacionar la energía con los parámetros operativos del circuito. Fundamentos de Física de Halliday. Desde el punto de vista de la física, una batería se caracteriza por dos propiedades claves: Cantidad de carga eléctrica que puede almacenar (Q) Energía total que puede entregar (E). Capacidad (Q): es una unidad física que representa la cantidad de carga eléctrica (I) que puede otorgar una batería para que funcione un dispositivo eléctrico, generalmente se mide en amperios hora (Ah) o miliamperios hora (mAh). Se define como: Donde t es el tiempo medido en horas. Energía (E): Es la magnitud física de energía acumulada de la batería, o bien es la cantidad total de trabajo que puede entregar una batería y se mide en vatios hora (Wh). Se calcula como sigue: La energía (E) entregada en un tiempo (t), puede expresar como el producto entre la potencia (P) y el tiempo (t). Al juntar las tres ecuaciones anteriores, se puede encontrar la equivalencia entre Q y E, es decir, el modo de expresar la carga de una batería en términos de Wh o mAh, respectivamente. Combinadas las ecuaciones anteriores, se pueden encontrar las expresiones, que permiten expresar las baterías en términos de mAh o Wh. Nótese que: 1Ah=1000mAh ¿Por qué usar diferentes unidades de medidas? En el papel, la elección entre mAh y Wh se basa en cómo se mide la capacidad y la energía de una batería. En general, no hay una regla clara que establezca qué unidad usar, sin embargo, al observar las diferentes publicaciones de los fabricantes, depende del contexto en el que se vaya a usar y la claridad al comunicar cuánta energía tiene una batería. Ya sabemos qué miliamperios-hora (mAh) es una medida de la capacidad en carga eléctrica que puede proporcionar una batería durante una hora. Los mAh están pensados para dispositivos electrónicos pequeños como los smartphones, smartwatch, audífonos, cámaras, etc., donde el voltaje es que casi un estándar para las baterías de ion litio, entre 3.5 a 3.7 V. Con esto en mente, es fácil comparar las capacidades de diferentes baterías, para una tensión (o voltaje) constante. Por lo anterior es que podemos llegar y comparar directamente las baterías entre todos los teléfonos. Por su parte, los vatios-hora o Watt-hora (Wh) están definidos para establecer la cantidad total de energía que almacena el banco de baterías, y para ello toma en cuenta la capacidad en mAh como el voltaje (V) El contexto de uso de los Wh es para equipos grandes como estaciones de carga portátiles, notebooks, UPS, etc., debido a que estas pueden usar distintas configuraciones de tensiones (o voltaje). El uso de Wh como medida permite evitar que se generen los números muy altos de mAh cuando se usan diferentes tensiones, y por ende mejora la comprensión para el consumidor o el técnico. Normativas En lo referente a normativas, lo más crítico es el transporte aéreo, ya que organismos como la IATA exigen declarar la energía en Wh cuando las baterías superan los 100 Wh, esto lo veremos en detalle en un post aparte. "Para las baterías de litio el contenido de metal de litio no debe exceder 2 g y para las baterías de ion litio la capacidad nominal en vatios hora no debe exceder 100 Wh […] El límite máximo por persona es de 15 PED (Dispositivos electrónicos portátiles) […] Si se ofrece como equipaje facturado, la batería debe retirarse y transportarse en la cabina". Reglamentación sobre Mercancías Peligrosas, IATA Lo anterior se considera porque las baterías con más capacidad pueden presentar más riegos para los vuelos, de ahí a que se puedan exigir otras condiciones como bolsos ignífugos, entre otros. Así que si llevas baterías muy grandes, es bueno que sepas cómo traspasar esos mAh a Wh, o bien tengas a mano las especificaciones, como en el caso de las baterías de los drones, pueden ser críticas. Ejemplos de cálculo de mAh a Wh y de Wh a mAh Entre los ejemplos de cálculos consideramos lo siguiente: Powerbank Ugreen Nexode de 25.000mAh Capacidad en Wh Tiempo de carga Estación de carga portátil BLUETTI AC1800 Capacidad en Wh y mAh Tiempo de carga Powerbank Ugreen Nexode de 25.000mAh Veamos una batería externa marca Ugreen modelo Nexode Power Bank 25000mAh, como ya ves viene especificado en mAh, y nos interesa saber su capacidad en Wh. Además, a modo de ejemplo, usaremos las fórmulas de más arriba para ver su tiempo de carga. Entre sus especificaciones que nos interesan, nos fijaremos en la capacidad y en los parámetros "input" que se refiere a los diferentes modos de carga de la batería. Capacidad: 25.000mAh Voltaje nominal de 3.5 a 3.7V, asumamos 3.7V , típico para baterías de tipo ion litio. Al convertir mAh a Ah y luego a Wh, se tiene lo siguiente: Cálculo de 25000 mAh a 92.5 Wh considerando 3.7V de voltaje nominal típico de una batería de lítio. Ahora, si consideramos 3.6V de voltaje nominal, se tiene: Cálculo de 25000 mAh a 90 Wh considerando 3.6V de voltaje nominal típico de una batería de lítio. Por otra parte, y a modo de ejercicio, en el caso particular de esta powerbank, se informa que las salidas posibles desde el USB C 1, son: 5V a 3A, 9V a 3A, 12V a 3A, 15V a 3A, 20V a 5A, 28V a 5A, esto se presenta así, ya que el dispositivo es capaz de adaptar la salida, en función de los requisitos que acepta el dispositivo a cargar. Lo anterior es importante si queremos saber cuántas horas podrá alimentar de manera continua el equipo. Esta es una estimación teórica, asumiendo un voltaje constante en todo ese periodo. Esta idea, es esencialmente útil, por ejemplo, si queremos tener una estimación cercana de cuántas horas duraría el teléfono con la pantalla encendida viendo series. Para lo anterior, primero se requiere la capacidad total del dispositivo en Wh, ya se calculó más arriba 90Wh (con 3.6V de voltaje nominal interno de la batería ion litio). Segundo, se requiere que se calcule la potencia asociada al de voltaje y corriente de salida considerada, usando P=IxV da un resultado en Watt (W). Tercero, para saber el tiempo máximo teórico en condiciones iguales, se hará una división entre la capacidad total de 90Wh, por la potencia calculada en el paso dos. https://datawrapper.dwcdn.net/axQM9/1/ Estación portátil de carga BLUETTI AC1800 (de Wh a mAh) Es el turno de una estación de carga portátil con la BLUETTI de la foto. De hecho, dado que la cantidad de batería es enorme comparada con las powerbank, esta se informa Wh. Además, cuenta con otro tipo de tecnología para la batería, las de litio ferro fosfato. Estación de carga portátil BLUETTI AC180, con 1152 Wh de capacidad total Como vimos en el ejemplo anterior, no siempre se informa el voltaje interno del dispositivo, pero esta se puede inferir con base en la química del tipo de baterías y configuración de las celdas. Entre sus especificaciones que nos interesan, nos fijaremos en la capacidad total. Capacidad total de 1152Wh. Notemos que la powerbank anterior era de 25.000mAh, ya nos parecía enorme su capacidad, pero solo tiene 90Wh disponible de carga total. En el caso de las baterías de litio ferro fosfato, el voltaje nominal de una celda se puede asumir en 3.2V, y depende de la distribución de la posición de las celdas, circuitos en serie o en paralelo. Para su cálculo de la capacidad en mAh, no se puede considerar de manera directa el voltaje de la celda (3.2V), sino que se debe obtener un voltaje equivalente que represente a todo el banco de baterías de la estación de carga de BLUETTI. Este tipo de estación de carga se considera un banco de batería con múltiplos 4 de celdas en serie 4S, 8S, 16S, etc., pero eso no siempre es así. De manera particular, esta unidad pareciera tener una configuración 10S, es decir, 10 celdas en serie. Así, para un paquete de 10 celdas en serie, tenemos que el voltaje total sería de 10x3.2V = 32V, de esto se asumiría que el voltaje nominal total de la unidad es de 32V. Cálculo de la capacidad de la estaciónd de carga BLUETTI AC1800 en mAh y Ah, considerando 32V de corriente nominal, basados en una configuración de 10 celdas de litio ferro fosfato en serie. Dado que el voltaje nominal es más alto, claramente esos 36.000 mAh no nos hacen sentido al compararlos con los 25.000 mAh de la powerbank Ugreen. La diferencia está en el voltaje nominal usado. De ahí que conviene considerar directamente el valor indicado por el fabricante para la capacidad. Por ejemplo, si tenemos un laptop que consume 100 W, la respuesta es casi inmediata por deducción simple: 11.52 horas. Esto se debe a que los Wh ya incluyen el voltaje y nos indican cuánta energía hay disponible, sin necesidad de hacer más cálculos. Por otra parte, el fabricante informa en su sitio web que la BLUETTI AC180 es capaz de cargar o mantener operativa los productos de este modo. Puede cargar 103 veces un teléfono. Puede cargar 17 veces un laptop. Mantiene una 1 hora la cafetera. Mantiene 103 horas una ampolleta. Mantiene 26 horas un ventilador. Mantiene 17 horas de un frigorífico. Capacidada de carga de dispositios informada por BLUETTI, pero nótese que no se informa la potencia de ellas. https://datawrapper.dwcdn.net/AlCSH/1/ Nótese que todos los cálculos efectuados acá son teóricos en condiciones ideales; lo correcto sería determinar un coeficiente de eficiencia que, por lo general, se considera apropiado un 85%. ¿Te interesa que sigamos viendo temas de este tipo? Cuéntanos en los comentarios.