Pacchi batterie LiPo in serie o in parallelo: requisiti di tensione, capacità e protezione

Le connessioni in serie e in parallelo consentono ai produttori di batterie di creare un pacchetto basato sui requisiti di tensione, capacità, autonomia e alimentazione di un dispositivo.

Le regole di base sembrano semplici: le connessioni in serie aumentano la tensione, mentre le connessioni in parallelo aumentano la capacità. In pratica, tuttavia, la selezione di una configurazione influisce anche sulla tensione di carica, sulla capacità di corrente, sul bilanciamento delle celle, sul cablaggio, sui circuiti di protezione, sul layout fisico e sul comportamento in caso di guasto.

Un pacco batteria lipo 2S1P e un pacco batteria lipo 1S2P possono contenere lo stesso numero di celle e immagazzinare all'incirca la stessa energia totale, ma non sono intercambiabili. Uno fornisce una tensione più elevata, mentre l'altro mantiene la tensione della singola cella e fornisce una maggiore capacità amperora.

Questa guida spiega come funzionano i pacchi batteria LiPo in serie, parallelo e serie-parallelo, come calcolare le principali specifiche elettriche e quali requisiti di protezione dovrebbero essere considerati prima di scegliere la struttura del pacco.

Punti chiave

• Le celle collegate in serie aumentano la tensione del pacco ma non aggiungono le loro capacità amperora.

• Le celle collegate in parallelo aumentano la capacità mantenendo la tensione di una cella.

• Una configurazione serie-parallelo aumenta sia la tensione che la capacità.

• La lettera S indica il numero di gruppi di celle collegate in serie.

• La lettera P indica il numero di celle collegate in parallelo all'interno di ciascun gruppo.

• Un pacchetto 2S2P contiene quattro celle disposte come due gruppi in serie con due celle in ciascun gruppo parallelo.

• I wattora forniscono un confronto energetico migliore rispetto ai mAh quando i pacchi hanno tensioni diverse.

• I gruppi collegati in serie richiedono un monitoraggio individuale della tensione e potrebbero richiedere il bilanciamento.

• Le celle di un gruppo parallelo devono essere strettamente abbinate e portate ad una tensione adeguata prima del collegamento permanente.

• Una scheda di protezione deve corrispondere alla chimica delle celle, al conteggio delle serie, alla tensione di carica, alla corrente continua, alla corrente di picco e alle funzioni richieste.

• L'aggiunta di celle in parallelo non raddoppia automaticamente la corrente del pacco di sicurezza in ogni condizione operativa.

• I pacchi con voltaggi, capacità, età o stati di carica diversi non dovrebbero essere combinati senza una progettazione ingegnerizzata.

• La configurazione della batteria, il caricabatterie, il BMS, il connettore, il cablaggio e il sistema di alimentazione del dispositivo devono essere valutati insieme.

Cosa significano 1S, 2S, 2P e 2S2P?

Le configurazioni del pacco batteria sono normalmente descritte utilizzando le lettere S e P.

• S significa serie.

• P significa parallelo.

• Il numero prima di ogni lettera indica quante celle o gruppi di celle utilizzano quella connessione.

Esempi comuni includono:

Il conteggio totale delle cellule può essere calcolato come:

Celle totali = Conteggio serie × Conteggio parallelo

Per esempio:

3S2P = 3 × 2 = 6 celle

Nella maggior parte delle specifiche delle batterie, una configurazione scritta solo come '2S' è intesa come 2S1P a meno che non venga indicato separatamente un conteggio parallelo. Per un progetto OEM, tuttavia, entrambi i valori dovrebbero essere documentati per evitare ambiguità.

Panoramica dei pacchi batteria LiPo in serie e in parallelo

Il seguente confronto presuppone celle identiche con la stessa chimica, tensione nominale, capacità e capacità di scarica.

Questi sono principi di configurazione piuttosto che valutazioni garantite del pacchetto finito. Le prestazioni effettive potrebbero essere limitate dalle specifiche della cella, dalle interconnessioni, dalla scheda di protezione, dal connettore, dalle dimensioni del cavo, dalla temperatura e dalla progettazione del prodotto.

Come funziona una batteria LiPo in serie

Le celle sono collegate in serie unendo il terminale positivo di una cella al terminale negativo della successiva. I due terminali esterni rimanenti formano l'uscita del pacco.

La stessa corrente attraversa ogni cella o gruppo parallelo del percorso in serie.

In che modo la connessione in serie influisce sulla tensione

La tensione nominale del pacco è la somma delle tensioni nominali delle celle collegate in serie:

Tensione nominale del pacco = Tensione nominale della cella × Numero di serie

Per celle standard da 3,7 V:

La tensione di carica completa si calcola come:

Voltaggio massimo del pacco = Limite di carica della cella × Conteggio delle serie

Il valore di 4,2 V si applica a una cella polimerica agli ioni di litio convenzionale progettata per tale limite di carica. Una chimica ad alta tensione può richiedere 4,35 V, 4,4 V o un altro limite specificato per cella.

Un prodotto progettato intorno Le batterie LiPo ad alta tensione necessitano quindi di un caricabatterie e di un sistema di protezione compatibili. Non si dovrebbe mai presupporre un limite di carica per cella più elevato a partire dalla sola tensione nominale.

In che modo la connessione in serie influisce sulla capacità

Il collegamento di celle identiche da 1000 mAh in serie non aumenta i loro valori di mAh.

Per esempio:

• Una cella da 3,7 V 1000 mAh: 3,7 V, 1000 mAh

• Due celle in serie: 7,4 V, 1000 mAh

• Tre celle in serie: 11,1 V, 1000 mAh

Il pacco contiene più energia perché la sua tensione è aumentata, anche se il valore Ah rimane invariato.

In che modo la connessione in serie influisce sulla corrente

In un pacco 2S1P la stessa corrente attraversa entrambe le celle. Se la cella è classificata per una determinata corrente continua, l'aggiunta di un'altra cella identica in serie non raddoppia automaticamente la corrente nominale.

La corrente del pacco finito è limitata dal valore applicabile più basso tra:

• Corrente di scarica continua della cella

• Capacità di corrente di picco della cella

• Potenza nominale PCM o BMS

• MOSFET e design con rilevamento della corrente

• Capacità di strisce, linguette, sbarre collettrici o PCB in nichel

• Dimensione del filo

• Valutazione del connettore

• Fusibile o componente di limitazione della corrente

• Condizioni termiche

Una tensione del pacco più elevata può consentire a un dispositivo di ottenere la stessa potenza con una corrente inferiore, ma ciò dipende dal carico e dall'architettura di conversione della potenza.

Perché i pacchi in serie necessitano del monitoraggio dei gruppi di celle

Le celle collegate in serie non rimangono perfettamente identiche per tutta la loro vita utile. Piccole differenze di capacità, resistenza interna, autoscarica, temperatura e invecchiamento possono far divergere i loro stati di carica.

Durante la carica, un gruppo in serie può raggiungere il limite di tensione superiore prima degli altri. Durante la scarica, il gruppo più debole può raggiungere per primo il limite inferiore.

Il sistema di protezione e monitoraggio deve quindi rispondere alle tensioni dei singoli gruppi in serie anziché fare affidamento solo sulla tensione totale del pacco.

Una lettura totale del pacco di 8,0 V, ad esempio, non dimostra che un pacco 2S sia bilanciato. Potrebbe consistere in:

• 4,0 V e 4,0 V

• 4,15 V e 3,85 V

• 4,25 V e 3,75 V

L'ultimo esempio ha la stessa tensione totale ma potrebbe già posizionare un gruppo oltre il limite consentito.

Come funziona una batteria LiPo parallela

In una connessione parallela, i terminali positivi sono collegati insieme e i terminali negativi sono collegati insieme.

Tutte le celle del gruppo condividono quindi la stessa tensione terminale.

In che modo la connessione parallela influisce sulla tensione

La tensione rimane uguale alla tensione di una cella:

Voltaggio del pacco = Voltaggio della cella

Per due celle standard da 3,7 V collegate in parallelo:

• Voltaggio nominale: 3,7 V

• Voltaggio tipico a piena carica: 4,2 V

• Configurazione: 1S2P

L'aggiunta di più celle in parallelo non produce 7,4 V o 11,1 V. Continua a formare un unico gruppo di tensione.

In che modo la connessione parallela influisce sulla capacità

Vengono aggiunte le capacità delle celle parallele strettamente abbinate:

Capacità del pacco = Capacità della cella × Conteggio parallelo

Per celle identiche da 1000 mAh:

Ciò rende utile la costruzione in parallelo quando l'applicazione richiede un tempo di funzionamento più lungo ma deve mantenere una piattaforma di tensione a cella singola.

In che modo la connessione parallela influisce sulla capacità attuale

In teoria, celle identiche collegate tramite percorsi di corrente bilanciati possono condividere il carico. Due celle adatte in parallelo possono quindi fornire più corrente di una cella.

Tuttavia, la corrente del pacchetto sicuro non deve essere calcolata moltiplicando la potenza della cella senza ulteriore valutazione.

La condivisione corrente può essere influenzata da:

• Resistenza interna della cella

• Variazione di capacità

• Differenze di temperatura

• Resistenza della linguetta e dell'interconnessione

• Posizione delle cellule all'interno del branco

• Simmetria del percorso dei cavi

• Differenze di stato di carica

• Invecchiamento

• Resistenza del connettore

• Limiti del pannello di protezione

Una cella può trasportare una porzione maggiore del carico se ha una resistenza inferiore o un percorso di corrente più breve. Il pacco può quindi sviluppare un riscaldamento localizzato anche quando la corrente totale sembra rientrare in un semplice limite teorico.

Il significato del tasso di scarico e la sua relazione con la capacità è spiegato più avanti cosa significa la classificazione C di una batteria ai polimeri di litio.

Le celle parallele necessitano di bilanciamento?

Le celle parallele collegate direttamente condividono la stessa tensione terminale, quindi un BMS normalmente tratta l'intero gruppo parallelo come un nodo di tensione.

Ciò non significa che la corrispondenza delle celle non sia necessaria. La stessa tensione ai terminali non garantisce la stessa capacità, resistenza, temperatura o contributo di corrente.

Le celle selezionate per un gruppo parallelo dovrebbero normalmente avere compatibilità:

• Chimica

• Limite della tensione di carica

• Capacità

• Resistenza interna

• Caratteristiche di scarica

• Storia della produzione

• Età e condizioni del ciclo

• Progettazione fisica

• Stato di carica in assemblea

Una cella danneggiata o notevolmente degradata può caricare ulteriormente le celle rimanenti e ridurre l'affidabilità dell'intero gruppo.

Perché è necessario controllare la tensione prima del collegamento in parallelo

Le celle a tensioni diverse non dovrebbero essere semplicemente collegate insieme.

Una volta collegata, la cella a tensione più alta può scaricarsi rapidamente nella cella a tensione più bassa. La corrente di equalizzazione risultante può essere limitata principalmente dalla resistenza della cella e della connessione e può diventare molto più elevata della normale corrente di carica.

Per questo motivo i gruppi paralleli dovrebbero essere assemblati attraverso un processo di produzione controllato utilizzando celle qualificate e strettamente abbinate. Gli utenti finali non dovrebbero aggiungere una nuova cella a un pacco vecchio o collegare due celle a sacca sciolte in parallelo senza una progettazione convalidata e un'attrezzatura adeguata.

Come funziona un pacco LiPo in serie-parallelo

Un pacchetto serie-parallelo combina entrambi i metodi di connessione.

Considera un design 2S2P composto da quattro celle identiche da 3,7 V, 1000 mAh:

1. Due celle sono collegate in parallelo per formare il primo gruppo da 3,7 V, 2000 mAh.

2. Altre due celle formano un secondo gruppo da 3,7 V, 2000 mAh.

3. I due gruppi paralleli sono collegati in serie.

La specificazione teorica risultante è:

• Voltaggio nominale: 7,4 V

• Capacità: 2000mAh

• Energia: 14,8 Wh

• Configurazione: 2S2P

• Celle totali: 4

Le formule sono:

Voltaggio del pacco = Voltaggio nominale della cella × S

Capacità del pacco = Capacità della cella × P

Conteggio totale delle cellule = S × P

Energia nominale = Voltaggio del pacco × Capacità del pacco in Ah

In questo progetto, il BMS monitora due tensioni di gruppi in serie. Ciascun gruppo monitorato contiene due celle parallele.

Un pacchetto 2S2P non viene quindi monitorato come un pacchetto 4S. Selezionare un pannello di protezione in base al numero totale di singole celle invece che al conteggio delle serie sarebbe errato.

Confronto di tensione, capacità e wattora

La differenza tra la costruzione in serie e quella in parallelo diventa più chiara quando i pacchi vengono confrontati utilizzando celle identiche da 3,7 V, 1000 mAh.

Entrambi gli esempi 2S1P e 1S2P contengono due celle e immagazzinano circa 7,4 Wh. I valori nominali di tensione e capacità differiscono, ma la loro energia nominale teorica è simile.

Non possono ancora essere sostituiti l'uno con l'altro perché il dispositivo rileva una tensione di ingresso diversa.

Perché i soli mAh non possono confrontare diversi pacchi batteria

Un pacco da 3,7 V 2000 mAh e un pacco da 7,4 V 1000 mAh contengono entrambi circa 7,4 Wh:

3,7 V × 2,0 Ah = 7,4 Wh

7,4 V × 1,0 Ah = 7,4 Wh

Guardando solo i mAh sembrerebbe che il primo pacchetto abbia il doppio della capacità. In termini energetici sono simili.

I wattora sono quindi più utili quando si confrontano pacchi con tensioni diverse.

Tuttavia, Wh uguali non garantiscono un'autonomia identica del dispositivo. Il tempo di funzionamento effettivo dipende anche da:

• Efficienza di conversione della tensione

• Corrente del dispositivo a diverse tensioni di ingresso

• Resistenza interna della batteria

• Tensione di interruzione

• Tasso di scarico

• Temperatura

• Invecchiamento cellulare

• Caduta di tensione sulla scheda di protezione

• Capacità utilizzabile sotto il carico effettivo

In ultima analisi, l'autonomia dovrebbe essere verificata nel dispositivo finito anziché essere prevista solo in base ai mAh.

Un numero di serie più elevato fornisce più potenza?

L’aumento della tensione può rendere disponibile più potenza, ma solo se la cella, il sistema di protezione, il cablaggio e il dispositivo sono in grado di fornire e accettare la corrente richiesta.

La potenza elettrica si calcola come:

Potenza = Tensione × Corrente

Un pacco da 7,4 V che eroga 2 A fornisce circa 14,8 W. Un pacco da 3,7 V dovrebbe erogare circa 4 A per fornire la stessa potenza in ingresso, prima di tenere conto delle perdite di conversione.

Questo è uno dei motivi per cui un progettista può scegliere un pacco ad alta tensione per motori, riscaldatori, pompe, robotica o altri prodotti che richiedono energia. Una corrente inferiore per la stessa potenza può ridurre le perdite dei conduttori, ma un numero maggiore di serie aumenta anche la tensione del caricabatterie, la complessità del BMS, i requisiti di tensione dei componenti e le considerazioni sull'isolamento.

La selezione dovrebbe iniziare con l'intervallo di tensione di ingresso del dispositivo e il profilo di carico piuttosto che con il presupposto che più celle in serie siano automaticamente migliori.

Requisiti di protezione per un pacchetto 1S

Un pacco monoserie ha un solo gruppo di tensione, quindi non richiede il bilanciamento tra le celle in serie.

Il suo PCM potrebbe ancora dover fornire:

• Protezione da sovraccarico

• Protezione da scarica eccessiva

• Protezione da sovracorrente

• Protezione da cortocircuito

• Controllo di carica e scarica

• Monitoraggio della temperatura

• Uscita NTC

• Identificazione della batteria

• Misurazione o comunicazione del carburante

Il caricabatterie deve corrispondere alla chimica della cella e alla tensione di carica massima. Un PCM interrompe le condizioni anomale, ma non sostituisce un caricabatterie adeguatamente controllato.

In un progetto 1S2P o 1S3P, il circuito di protezione vede il gruppo parallelo come un nodo di tensione di capacità maggiore. La sua valutazione attuale deve essere basata sul carico completo del pacco, non sulla capacità di una cella.

Requisiti di protezione per un pacchetto multiserie

Un progetto di serie 2S, 3S o superiore richiede un circuito di protezione adatto per quell'esatto numero di serie.

Potrebbe essere necessario che un BMS o un PCM multicella debba eseguire:

• Monitoraggio della tensione individuale in serie-gruppo

• Monitoraggio della corrente del pacco

• Protezione da sovracorrente di carica

• Protezione da sovracorrente di scarica

• Protezione da cortocircuito

• Interruzione del sovraccarico

• Interruzione per scarica eccessiva

• Bilanciamento dei gruppi cellulari

• Monitoraggio della temperatura

• Controllo MOSFET

• Stima dello stato di carica

• Registrazione dei guasti

• Comunicazione con il dispositivo host

La tensione nominale dei componenti deve inoltre adattarsi alla tensione massima del pacco, compreso un margine di progettazione adeguato.

Perché la tensione totale del pacco non è sufficiente

Il monitoraggio solo della tensione totale non può identificare in modo affidabile un singolo gruppo sovraccaricato o sovrascaricato.

Per questo motivo, un circuito di protezione 3S normalmente necessita di accesso a:

• Confezione negativa

• La connessione dopo il gruppo di serie 1

• La connessione dopo il gruppo di serie 2

• Confezione positiva dopo la serie del gruppo 3

Un cablaggio di monitoraggio convenzionale dispone quindi di un collegamento di tensione in più rispetto al numero di serie:

Connessioni di rilevamento della tensione = S + 1

Un pacchetto con BMS integrato potrebbe non esporre queste connessioni all'esterno, ma sono comunque necessarie internamente per il monitoraggio del singolo gruppo di serie.

Cosa fa il bilanciamento cellulare

Il bilanciamento aiuta a limitare le differenze tra i gruppi collegati in serie.

Un sistema di bilanciamento passivo rimuove tipicamente una piccola quantità di energia da un gruppo ad alta tensione in modo che i gruppi a bassa tensione possano continuare a caricarsi. Sistemi di bilanciamento attivo più avanzati possono ridistribuire l’energia tra i gruppi.

Il bilanciamento non può correggere completamente:

• Una cellula danneggiata

• Grave perdita di capacità

• Elevata autoscarica

• Una connessione elettrica scadente

• Principali differenze di resistenza interna

• Celle corrispondenti in modo errato

• Un layout della confezione inadatto

Un gruppo che sviluppa ripetutamente un ampio squilibrio dovrebbe essere ispezionato anziché fare affidamento sul circuito di bilanciamento per nascondere il problema di fondo.

Requisiti di protezione per gruppi paralleli

La costruzione parallela crea una serie diversa di priorità di progettazione.

Corrispondenza delle celle

Le celle devono essere selezionate da gruppi di produzione e prestazioni compatibili. La combinazione di celle di capacità, caratteristiche chimiche, limiti di tensione, età o resistenze interne diverse può causare una condivisione di corrente non uniforme.

Gli effetti pratici della variazione cellulare sono discussi più dettagliatamente in perché i pacchi batteria agli ioni di litio diventano incoerenti.

Progettazione del percorso corrente

La resistenza di interconnessione deve essere mantenuta bassa e ragionevolmente bilanciata. Il layout dovrebbe evitare di forzare una cella o una scheda a trasportare una quota sproporzionata della corrente.

I fattori di progettazione includono:

• Geometria della linguetta

• Dimensioni della striscia di nichel o della barra collettrice

• Spessore rame PCB

• Posizione di connessione

• Posizionamento dei lead

• Qualità della saldatura

• Spaziatura delle celle

• Dissipazione del calore

• Posizione del connettore

Contenimento dei guasti

In un gruppo parallelo permanentemente connesso, le celle sane possono fornire corrente a una cella guasta o a un ramo guasto.

A seconda delle dimensioni della confezione e della valutazione del rischio, la progettazione può richiedere:

• Interconnessioni fusibili

• Limitazione della corrente di ramo

• Separazione termica

• Sensori di temperatura

• Materiali ignifughi

• Barriere meccaniche

• Fusione a livello di pacchetto

• Spazio di ventilazione controllata

• Funzioni aggiuntive di rilevamento guasti

L'approccio richiesto dipende dall'energia del pacco, dal tipo di cella, dall'applicazione, dall'involucro, dai requisiti di conformità e dalle condizioni di guasto prevedibili.

Corrente nominale del pannello di protezione

Il BMS deve supportare la corrente totale prevista del pacchetto, tra cui:

• Corrente operativa normale

• Corrente continua massima

• Impennata di avvio

• Corrente di stallo del motore

• Spunto del riscaldatore

• Picchi del trasmettitore di comunicazione

• Corrente di carica

• Soglie di rilevamento guasti

La corrente pubblicizzata sulla scheda non deve essere trattata come corrente utilizzabile dal dispositivo senza controllare le perdite del MOSFET, l'aumento della temperatura, le condizioni di raffreddamento, le dimensioni del conduttore e i tempi di interruzione.

Requisiti del caricabatterie per pacchi in serie e parallelo

Il caricabatterie deve corrispondere alla composizione chimica del pacco, al numero di serie, al limite della tensione di carica e alla corrente di carica consentita.

Per celle convenzionali da 4,2 V:

Un pacchetto 2S non deve essere caricato utilizzando un caricabatterie 1S. Allo stesso modo, un caricabatterie destinato a celle standard da 4,2 V potrebbe non essere adatto per una chimica ad alta tensione con un limite di carica diverso.

La capacità parallela influisce sul calcolo della corrente di carica. Se due celle identiche vengono poste in parallelo, un pacco adatto può accettare più corrente totale di una cella, ma il valore corretto dipende da:

• Limite della velocità di carica della cella

• Capacità del pacco

• Temperatura

• Condivisione della corrente parallela

• Valutazione del pannello di protezione

• Potenza del connettore e del cavo

• Obiettivo del tempo di ricarica

• Requisiti di ciclo di vita

Un caricabatterie e un BMS svolgono funzioni diverse. Il caricabatterie regola il profilo di carica, mentre il sistema di protezione risponde a condizioni anomale definite. L'uno non dovrebbe essere usato come sostituto dell'altro.

Requisiti di corrispondenza delle celle

Un pacco multicella affidabile inizia con un'adeguata selezione delle celle.

Potrebbe essere necessario abbinare le celle utilizzate nello stesso assieme per:

• Modello cellulare

• Chimica

• Capacità nominale

• Capacità misurata

• Tensione a circuito aperto

• Resistenza interna

• Spessore e dimensioni

• Autoscarica

• Lotto di produzione

• Età

• Storia del ciclo

La corrispondenza è importante sia nelle strutture in serie che in quelle parallele.

In una stringa in serie, il gruppo con la capacità più bassa o con la resistenza più alta può raggiungere per primo il limite di tensione e limitare la capacità utilizzabile del pacco.

In un gruppo parallelo, le differenze di resistenza e connessione influenzano la modalità di condivisione della corrente. Una cellula può lavorare di più e invecchiare più velocemente delle altre.

I produttori di batterie dovrebbero stabilire criteri di screening delle celle adeguati al prodotto piuttosto che combinare le celle semplicemente perché hanno le stesse specifiche stampate.

I pacchi LiPo finiti possono essere collegati in serie?

Due pacchi finiti non devono essere collegati in serie a meno che il sistema completo non sia stato progettato e convalidato per tale disposizione.

I potenziali problemi includono:

• Diversi stati di carica

• Capacità o età diverse

• Circuiti di protezione incompatibili

• Messa a terra errata

• Incompatibilità del caricabatterie

• Lacune nel monitoraggio del saldo

• Limiti di tensione del connettore

• Comportamento imprevisto dell'interruzione del BMS

• Un pacco viene addebitato inverso dall'altro

• Procedure di assistenza o sostituzione non sicure

Alcuni pacchetti protetti utilizzano interfacce di comunicazione o commutazione low-side che rendono inadatto il collegamento in serie esterno. Una batteria sicura come prodotto autonomo non è automaticamente sicura se combinata con un altro pacco.

Se l'applicazione richiede una tensione più elevata, l'utilizzo di un gruppo multi-serie appositamente progettato è solitamente più affidabile rispetto al collegamento di batterie protette in modo indipendente dopo la produzione.

I pacchi LiPo finiti possono essere collegati in parallelo?

I pacchi già pronti non dovrebbero essere collegati in parallelo semplicemente perché le loro etichette riportano la stessa tensione nominale.

Prima del funzionamento in parallelo, la progettazione deve affrontare:

• Differenza di tensione del pacco

• Differenza di stato di carica

• Capacità ed età

• Resistenza interna

• Interazione con il BMS

• Corrente inversa

• Distribuzione della corrente di carica

• Sequenza del connettore

• Rimozione del pacco mentre è sotto tensione

• Protezione dei rami

• Isolamento dei problemi

Se un pacco ha una tensione più elevata, non appena i connettori entrano in contatto può fluire una grande corrente di equalizzazione.

I moduli batteria paralleli possono essere progettati in modo sicuro, ma necessitano di un metodo di connessione definito, un'architettura di protezione compatibile, una precarica controllata dove richiesto e un comportamento in caso di guasto convalidato.

In che modo la configurazione influisce sulle dimensioni e sul layout della batteria

L'aggiunta di celle aumenta l'energia ma cambia anche il design meccanico.

Gli assiemi in serie e in parallelo possono influenzare:

• Spessore totale

• Larghezza e lunghezza

• Peso

• Centro di gravità

• Spazio per il passaggio dei cavi

• Raggio di curvatura

• Dissipazione del calore

• Indennità di espansione cellulare

• Protezione contro le cadute

• Resistenza alle vibrazioni

• Accesso al servizio

• Assemblaggio della custodia

Due celle a sacca affiancate possono creare un pacco ampio e sottile. Impilarli può creare un ingombro ridotto con uno spessore maggiore.

Una struttura serie-parallela può anche richiedere:

• Isolamento aggiuntivo

• Più punti di saldatura

• Un BMS più grande

• Cablaggio del rilevamento della tensione

• Sensori di temperatura

• Un telaio di supporto più forte

• Avvolgimento pacchi più complesso

• Maggiore spazio attorno alle linguette e ai componenti di protezione

La configurazione elettrica dovrebbe quindi essere selezionata insieme al vano batterie disponibile piuttosto che dopo la finalizzazione dell'involucro.

Serie vs Parallelo: quale configurazione scegliere?

Scegliere il conteggio delle serie in base alla tensione richiesta dal dispositivo.

Scegli il conteggio parallelo in base all'energia, all'autonomia, alla capacità di corrente, allo spazio e al peso richiesti.

Un design incentrato sulla serie può essere adatto quando:

• Il dispositivo richiede una tensione di ingresso più elevata

• Un motore o un riscaldatore funziona in modo più efficiente a una tensione più elevata

• Il sistema utilizza una linea di tensione superiore all'intervallo di un pacco 1S

• Per un dato livello di potenza è preferibile una corrente inferiore

• Il dispositivo include già un caricabatterie multicella compatibile

• Il prodotto può ospitare un BMS multi-serie

Un design focalizzato sul parallelo può essere adatto quando:

• Il prodotto deve mantenere una piattaforma nominale da 3,7 V

• È necessaria una maggiore autonomia

• Una singola cella non può fornire una capacità sufficiente

• È necessaria più corrente di uscita nelle condizioni operative convalidate della cella

• Il recinto può ospitare più celle

• Il caricabatterie e il sistema di protezione supportano la capacità e la corrente risultanti

Un progetto in serie-parallelo può essere adatto quando:

• Il dispositivo necessita sia di una tensione più elevata che di una maggiore autonomia

• Una singola stringa in serie non può fornire la corrente richiesta

• Il fabbisogno energetico supera la capacità di una pratica singola stringa

• Lo spazio deve essere distribuito su diverse posizioni di cella

• L'applicazione giustifica il BMS aggiuntivo e la complessità dell'assemblaggio

ZERNE Le soluzioni personalizzate di batterie ai polimeri di litio supportano strutture a cella singola, multi-serie, parallele e serie-parallele in base ai requisiti di tensione, capacità, dimensione, corrente, connettore e protezione del dispositivo.

Un pratico processo di selezione della configurazione della batteria

1. Confermare l'intervallo di tensione del dispositivo

Identificare:

• Tensione operativa minima

• Tensione operativa normale

• Massima tensione di ingresso sicura

• Requisito di tensione di avvio

• Tensione di spegnimento

• Campo di ingresso del regolatore di tensione

• Tensione del motore, del riscaldatore o dell'attuatore

• Voltaggio in ingresso e in uscita del caricabatterie

La tensione massima del pacco completamente carico deve rimanere entro l'intervallo di sicurezza di ogni componente collegato.

2. Definire il profilo di carico

Documentazione:

• Corrente di riserva

• Corrente operativa tipica

• Corrente continua massima

• Corrente di picco

• Durata del picco

• Corrente di avvio o di stallo

• Orario di funzionamento giornaliero

• Autonomia richiesta per carica

La sola corrente media potrebbe non rivelare se le celle, il BMS e il connettore possono supportare brevi eventi ad alta corrente.

3. Calcolare l'energia richiesta

Una prima stima può essere calcolata utilizzando:

Energia richiesta in Wh = Potenza media in W × Tempo di funzionamento in ore

Una progettazione pratica dovrebbe anche tenere conto di:

• Perdite di conversione di tensione

• Invecchiamento della batteria

• Perdita di capacità a bassa temperatura

• Abbassamento di tensione a carico elevato

• Capacità di riserva

• Consumo del BMS

• Consumo in standby del dispositivo

• Profondità di scarico consentita

4. Selezionare il conteggio delle serie

Scegli il numero di gruppi di serie necessari per soddisfare la tensione del dispositivo.

Non utilizzare solo la tensione nominale. Controllo:

• Tensione di carica massima

• Intervallo operativo tipico

• Tensione di interruzione BMS

• Soglia di sottotensione del dispositivo

• Voltaggio del caricabatterie

• Valori di tensione dei componenti

5. Selezionare il conteggio parallelo

Determinare quanta capacità e quanta corrente può fornire una stringa in serie. Aggiungi celle parallele solo quando richiesto per energia, autonomia, corrente o confezionamento.

Un numero maggiore di celle parallele aggiunge anche peso, volume, costo, punti di saldatura ed energia di guasto.

6. Progettare il sistema di protezione

Definire:

• Chimica

• Conteggio delle serie

• Capacità del pacco

• Limite della corrente di carica

• Corrente di scarica continua

• Corrente di picco e durata

• Soglia di sovraccarico

• Soglia di scarica eccessiva

• Soglia di sovracorrente

• Risposta al cortocircuito

• Limiti di temperatura

• Strategia di bilanciamento

• Requisiti di comunicazione

7. Confermare il caricabatterie e il connettore

Il caricabatterie deve corrispondere al pacchetto completo, mentre il connettore principale e i cavi devono supportare la corrente effettiva.

La serie dei connettori, la polarità, la piedinatura, la sezione del filo, la lunghezza del cavo e il collegamento del bilanciamento devono essere documentati prima della produzione dei campioni.

8. Costruisci e testa campioni

La convalida dovrebbe essere completata all'interno del dispositivo reale.

I test rilevanti possono includere:

• Compatibilità di ricarica

• Tensione di carica completa

• Tensione individuale in serie-gruppo

• Bilanciamento cellulare

• Durata

• Caduta di tensione al carico massimo

• Risposta alla corrente di picco

• Aumento della temperatura

• Comportamento di interruzione del BMS

• Protezione da cortocircuito

• Riscaldamento del connettore

• Instradamento dei cavi

• Adatta alla custodia

• Prestazioni in caso di cadute e vibrazioni

• Cicli ripetuti

• Stoccaggio e autoscarica

IL Il sistema di controllo qualità delle batterie ai polimeri di litio fornisce informazioni aggiuntive sui test delle celle, sull'ispezione dell'assemblaggio, sulla verifica elettrica e sul controllo del pacco finito.

Esempi di configurazione elaborata

Esempio 1: dispositivo di localizzazione compatto

Supponiamo che un tracker funzioni da una piattaforma di tensione a cella singola e richieda più autonomia di quella che una cella da 1000 mAh può fornire.

Una possibile configurazione è:

• Batteria: 3,7 V, 1000 mAh

• Struttura: 1S2P

• Voltaggio pacco: 3,7 V nominali

• Capacità della confezione: 2000 mAh

• Energia nominale: 7,4 Wh

Il design mantiene una tensione di carica a cella singola ma richiede un circuito di protezione e un connettore adatti alla corrente e alla capacità combinate.

Esempio 2: dispositivo portatile che richiede 7,4 V

Supponiamo che un prodotto portatile richieda circa 7,4 V e 2000 mAh.

Utilizzando celle da 3,7 V, 2000 mAh:

• Struttura: 2S1P

• Voltaggio pacco: 7,4 V nominali

• Capacità della confezione: 2000 mAh

• Energia nominale: 14,8 Wh

• Voltaggio tipico a piena carica: 8,4 V

Il pacchetto richiede un sistema di protezione 2S e un profilo di ricarica agli ioni di litio da 8,4 V.

Esempio 3: robot che richiede tensione e capacità più elevate

Supponiamo che un robot abbia bisogno di 11,1 V nominali e 4000 mAh. Utilizzando celle da 2000 mAh:

• Struttura: 3S2P

• Celle totali: 6

• Voltaggio pacco: 11,1 V nominale

• Capacità della confezione: 4000 mAh

• Energia nominale: 44,4 Wh

• Tensione tipica a piena carica: 12,6 V

Il BMS deve monitorare tre gruppi in serie supportando al tempo stesso la corrente normale del robot, la sovratensione di avvio e l'eventuale corrente di stallo del motore.

Errori comuni nella progettazione di batterie in serie e in parallelo

Informazioni da fornire per un pacco batteria personalizzato

Un produttore può valutare la configurazione in serie e in parallelo in modo più accurato quando sono disponibili le seguenti informazioni.

Requisiti del dispositivo

• Tipo di prodotto

• Intervallo di tensione in ingresso richiesto

• Massima tensione di ingresso sicura

• Corrente operativa tipica

• Corrente continua massima

• Corrente di picco e durata

• Tempo di esecuzione richiesto

• Metodo di ricarica

• Temperatura operativa

• Spazio disponibile nella batteria

• Peso previsto della confezione

Requisiti della batteria

• Chimica preferita

• Voltaggio nominale del pacco

• Capacità richiesta

• Fabbisogno energetico

• Configurazione prevista in serie e parallelo

• Obiettivo del ciclo di vita

• Tempo di ricarica

• Tasso di scarico richiesto

• Requisiti di bassa o alta temperatura

• Requisiti delle celle ad alta tensione

Requisiti di protezione

• PCM o BMS

• Protezione da sovraccarico e scarica eccessiva

• Protezione da sovracorrente e cortocircuito

• Numero e posizione dei sensori di temperatura

• Bilanciamento cellulare

• Indicatore del carburante

• Visualizzazione dello stato di carica

• SMBus, CAN o un altro protocollo di comunicazione

• Autenticazione o identificazione della batteria

• Requisito di fusibile o protezione del ramo

Requisiti meccanici e di connessione

• Spessore, larghezza e lunghezza massimi

• Disposizione delle cellule

• Involucro o avvolgimento

• Produttore del connettore e numero di parte

• Polarità e piedinatura

• Calibro del filo

• Lunghezza del cavo

• Piombo dell'equilibrio

• NTC o cavi di comunicazione

• Montaggio e pressacavo

• Requisiti relativi a vibrazioni e cadute

IL il pacco batteria al litio dovrebbe essere specificato come un sistema completo piuttosto che solo come voltaggio e valori mAh.

Conclusione

Le connessioni in serie e in parallelo hanno scopi diversi in un pacco batteria LiPo.

Un collegamento in serie aumenta la tensione del pacco mantenendo la capacità Ah di un percorso in serie. Una connessione parallela mantiene la tensione di una cella aggiungendo capacità e aumentando potenzialmente la capacità di corrente. Una struttura serie-parallela combina entrambi gli effetti.

Queste regole elettriche sono solo il punto di partenza. Il pacchetto finito deve inoltre tenere conto della tensione di carica massima, dei wattora, del carico del dispositivo, dell'abbinamento delle celle, della condivisione della corrente, del bilanciamento, della corrente BMS, della temperatura, del cablaggio, dei connettori, della compatibilità del caricabatterie e della protezione meccanica.

Per i pacchi multiserie, il sistema di protezione deve monitorare le tensioni dei singoli gruppi di serie e corrispondere all'esatto conteggio delle serie. Per i progetti paralleli sono essenziali celle strettamente abbinate e percorsi di corrente controllati. In entrambi i casi, i valori teorici dovrebbero essere confermati attraverso test a livello di confezione e di dispositivo prima della produzione.

Domande frequenti

Il collegamento delle batterie LiPo in serie aumenta la capacità?

Aumenta l'energia immagazzinata totale e la tensione del pacco, ma la valutazione in Ah o mAh rimane uguale alla capacità di un percorso in serie. Due celle da 3,7 V, 1000 mAh in serie formano un pacco da 7,4 V, 1000 mAh.

Collegare le batterie LiPo in parallelo aumenta la tensione?

No. Le celle parallele mantengono la tensione di una cella mentre le loro capacità vengono aggiunte. Due celle da 3,7 V, 1000 mAh in parallelo formano un pacco da 3,7 V, 2000 mAh.

Qual è la differenza tra 2S2P e 4S1P?

Un pacco 2S2P ha due gruppi in serie con due celle parallele in ciascun gruppo. Un pacco 4S1P ha quattro celle in serie, quindi fornisce il doppio della tensione nominale ma metà della capacità Ah quando vengono utilizzate celle identiche.

Un pacchetto 2S2P necessita di un BMS 2S o 4S?

Normalmente richiede un BMS 2S perché il sistema di protezione monitora due gruppi di tensione in serie. Il BMS deve inoltre supportare la capacità totale, la corrente di carica, la corrente di scarica e i requisiti di bilanciamento dei due gruppi paralleli.

È possibile collegare in parallelo celle LiPo di diversa capacità?

Normalmente non dovrebbero essere combinati in un pacchetto OEM a meno che il progetto completo non sia stato specificamente valutato. Differenze di capacità, resistenza, età o condizione possono produrre una condivisione di corrente non uniforme e un degrado accelerato.

È possibile collegare in parallelo due batterie LiPo protette?

Solo se il sistema batteria è stato progettato per il funzionamento in parallelo dei moduli. È necessario affrontare le differenze di tensione del pacchetto, la corrente inversa, l'interazione BMS, la sequenza di connessione e la protezione delle diramazioni.

L'aggiunta di celle in parallelo raddoppia la corrente di scarica?

Può aumentare la corrente disponibile quando vengono utilizzate celle identiche e percorsi di corrente bilanciati, ma la corrente sicura del pacco finito è ancora limitata dal BMS, dalle schede, dalle interconnessioni, dal cablaggio, dal connettore, dalla temperatura e dal comportamento di condivisione della corrente.

Quale configurazione offre un'autonomia più lunga: in serie o in parallelo?

Il tempo di esecuzione non può essere determinato solo dal conteggio S o P. Confronta i Wattora totali e testa il dispositivo completo perché anche la tensione di ingresso, l'efficienza di conversione, il comportamento del carico, la tensione di interruzione, la temperatura e la velocità di scarica influiscono sull'autonomia utilizzabile.