¿Por qué las baterías se miden en amperios-hora y la electricidad en kilovatios-hora?

Question

Estaba leyendo sobre el uso de la energía en las baterías y no entiendo muy bien por qué se mide en unidades diferentes a las del uso eléctrico doméstico. Un amperio-hora no incluye una medida de voltios. Pero tengo entendido que una batería tiene un voltaje constante (1,5V, 9V, ...) tanto como el uso eléctrico doméstico (120V, 220V, ...). Así que no veo por qué tienen unidades de medida diferentes.

Answer 1

$kW \cdot h$ son una medida de la energía, por la que se factura a los clientes de la red y que suele aparecer en su factura en números fáciles de entender (0-1000, no 0-1 ni números muy grandes; rangos que, por desgracia, confunden a mucha gente).

$A \cdot h$ son una medida de la carga eléctrica. Una pila (o condensador) puede almacenar más o menos una determinada cantidad de carga independientemente de sus condiciones de funcionamiento, mientras que su energía de salida puede cambiar. Si se conoce la curva de tensión de una batería en determinadas condiciones de funcionamiento (circuito, temperatura, vida útil), también se conoce su energía de salida, pero no de otro modo, aunque se pueden hacer algunas estimaciones bastante buenas.

Para convertir de $A \cdot h$ a $kW \cdot h$ para una fuente de tensión constante, multiplicar por dicha tensión; para una fuente de tensión y/o corriente cambiante, integrar en el tiempo: $$\frac{1 kW\cdot h}{1000 W\cdot h}\int_{t_1}^{t_2} \! I(t)E(t)dt ~;~~E~[V],~I~[A],~{t_{1,2}}~[h]$$

Answer 2

Una nota sobre el voltaje de la batería: La tensión nominal de la batería es "nominal". Una batería de plomo-ácido de 12 voltios completamente cargada comienza con unos 14,4 voltios y va disminuyendo a medida que se le extrae energía. El voltaje real de la batería depende de una serie de factores que no se limitan al estado de carga, la edad de la batería, el perfil de carga, la química, etc,... Por ejemplo, una batería de iones de litio de 3,7 V (nominal) puede comenzar a 4,15 voltios y disminuir a ~2,7 voltios antes de requerir una recarga.

Los vatios-hora (o kW-H) son un indicador de la capacidad de almacenamiento de energía de la batería, mientras que los amperios-hora se referirían a cuántos amperios como mínimo se pueden extraer de una batería a plena carga durante una hora antes de que deje de ser capaz de proporcionar ese nivel de flujo (¿quizá a la tensión nominal o por encima de ella?). Están estrechamente relacionados, pero no son equivalentes. Algunas baterías están más diseñadas para aparatos que consumen mucha corriente, mientras que otras están diseñadas para durar mucho tiempo en aparatos que consumen poca corriente.

Anexo: Ahora que miro la batería de mi móvil, me doy cuenta de que tiene impresas las tres clasificaciones. Se trata de una batería de iones de litio cuya tensión nominal es de 3,7 V. Su capacidad energética es de 4,81 vatios-hora. Su capacidad de carga eléctrica es de 1300 miliamperios-hora. Esto parece indicar que Energía = Tensión * Carga eléctrica (al menos en lo que respecta a los valores nominales de la batería), aunque creo que esta ecuación oculta el hecho de que se está produciendo una integración de P=VI y que V es más un valor medio que una constante, lo que probablemente da una aproximación bastante buena.

Answer 3

El voltaje de una pila cambia a lo largo de su vida útil. La corriente la determina el circuito al que está conectada.

Como la corriente es un valor constante conocido y se puede predecir, y la tensión no, las unidades están en el valor que se puede predecir.

Su suministro eléctrico es de tensión constante y puede predecirse.

Answer 4

Tal y como funciona una batería, el total de culombios que puede empujar cae más directamente que el total de energía que puede almacenar. La tensión no es constante. Varía según el estado de carga de una y otra, y la relación entre ambas puede ser muy diferente según la química de la batería. Todo esto viene a decir que los A-h son más relevantes para los fabricantes de baterías que los W-h o los julios.

Por supuesto, los julios pueden ser relevantes para el diseño de circuitos, por lo que esta información está disponible, pero no se incluye en el fragmento de sonido de 2 segundos llamado clasificación Amp-hora. Las hojas de datos de las baterías pueden ser bastante complejas. Como ocurre con la mayoría de las cosas, hay una serie de ventajas y desventajas, y una información exhaustiva es más que un simple número. Si tiene que elegir sólo dos números para caracterizar rápidamente una batería, los voltios y los amperios-hora son tan buenos como cualquier otro, y es en lo que la industria ha convergido.

Answer 5

Un factor que aún no se ha mencionado es que, dado que las pilas tienen cierta resistencia interna, si se consume más corriente, el voltaje disminuirá. Supongamos, hipotéticamente, que una batería determinada que se ha descargado una cierta cantidad suministra 12 voltios cuando se le suministran 10mA, o 10 voltios cuando se le suministran 100mA. Extraer 10 mA de la batería durante 10 horas la descargará tanto como extraer 100 mA durante una hora, pero en el primer caso la batería habrá suministrado un 20% más de energía "útil". Punto clave: se perderá una fracción mayor de la energía de una batería cuando se intente descargarla rápidamente que cuando se intente descargarla lentamente.

Las líneas eléctricas también tienen un cierto nivel de resistencia, y pueden aplicarse factores similares, pero la tensión de línea que llega al contador de un cliente residente no suele verse afectada de forma apreciable por el consumo de ese cliente. Una compañía eléctrica podría suministrar un amperio a 105 voltios utilizando un 20% menos de energía (por unidad de tiempo) de la que necesitaría para suministrar un amperio a 126 voltios. Si a los clientes se les facturara por amperio-hora, las compañías eléctricas tendrían un incentivo para suministrar su energía al voltaje más bajo posible. Facturar por kWh significa que el consumo facturable del cliente será proporcional a la cantidad de energía que la compañía eléctrica tenga que generar para suministrarlo. Por cierto, algunos aparatos (como los motores de inducción) suelen consumir menos corriente a tensiones más altas (haciendo el mismo trabajo), mientras que otros, como las lámparas incandescentes y los calefactores, consumen más corriente a tensiones más altas (produciendo mucha más luz y calor).