Pacchi batteria in serie o in parallelo: quale configurazione è adatta a un dispositivo OEM?

Il modo in cui sono collegate le celle agli ioni di litio determina il comportamento elettrico di base di un pacco batteria.

• I collegamenti in serie aumentano la tensione.

• Le connessioni parallele aumentano la capacità e la capacità di corrente.

• Le configurazioni in serie-parallelo aumentano la tensione e la capacità allo stesso tempo.

Per un dispositivo OEM, la configurazione corretta del pacco batteria deve corrispondere a:

• Intervallo di tensione del dispositivo

• Capacità richiesta

• Corrente continua e di picco

• Obiettivo di esecuzione

• Progettazione del caricabatterie

• Requisiti BMS o PCM

• Spazio di installazione disponibile

• Limiti di peso e termici

• Requisiti di produzione e test

Scegliere tra serie e parallelo non è quindi solo un calcolo elettrico. È una decisione di progettazione a livello di sistema.

Risposta rapida: pacchi batteria in serie o in parallelo

Ad esempio, utilizzando celle da 3,7 V, 2500 mAh:

• 2S1P = 7,4 V, 2500 mAh

• 1S2P = 3,7 V, 5000 mAh

• 2S2P = 7,4 V, 5000 mAh

La giusta configurazione dipende dalla tensione target, dalla capacità, dalla corrente e dalla progettazione meccanica.

1. Cosa significano 'S' e 'P'?

La configurazione del pacco batteria viene comunemente scritta utilizzando le lettere S e P.

S significa serie

Il numero prima di S indica il numero di celle o gruppi di celle collegate in serie.

Esempi:

• 1S: un gruppo di celle in serie

• 2S: due gruppi di celle in serie

• 3S: tre gruppi di celle in serie

• 4S: quattro gruppi di celle in serie

I collegamenti in serie aumentano la tensione.

P significa parallelo

Il numero prima di P indica il numero di celle collegate in parallelo all'interno di ciascun gruppo in serie.

Esempi:

• 1P: una cella in ciascun gruppo parallelo

• 2P: due celle in parallelo

• 3P: tre celle in parallelo

• 4P: quattro celle in parallelo

Le connessioni parallele aumentano la capacità e la capacità di corrente.

Conteggio totale delle cellule

Il numero totale di celle è:

Celle totali = S × P

Per esempio:

• 2S1P = 2 celle

• 1S2P = 2 celle

• 2S2P = 4 celle

• 3S2P = 6 celle

2. Come funzionano i pacchi batteria in serie

Le celle collegate in serie sono collegate da un capo all'altro. Il terminale positivo di una cella si collega al terminale negativo della cella successiva.

Per celle abbinate in serie:

Voltaggio del pacco = Voltaggio delle celle × Numero di celle in serie

La capacità amperora rimane approssimativamente uguale alla capacità di una cella o di un gruppo parallelo.

Esempio: pacchetto 2S1P

Supponiamo che ogni cella abbia:

• Voltaggio nominale: 3,7 V

• Capacità: 2500mAh

Un pacchetto 2S1P fornisce:

• Voltaggio: 3,7 V × 2 = 7,4 V

• Capacità: 2500mAh

• Energia: 7,4 V × 2,5 Ah = 18,5 Wh

Il risultato è:

7,4 V, 2500 mAh, 18,5 Wh

Esempio: pacchetto 3S1P

Utilizzando le stesse celle:

• Voltaggio: 3,7 V × 3 = 11,1 V

• Capacità: 2500mAh

• Energia: 11,1 V × 2,5 Ah = 27,75 Wh

Il risultato è:

11,1 V, 2500 mAh, 27,75 Wh

Una configurazione in serie è adatta quando il dispositivo o il sistema di alimentazione richiede una tensione nominale più elevata.

3. Come funzionano i pacchi batteria paralleli

Le celle collegate in parallelo hanno i terminali positivi collegati insieme e i terminali negativi collegati insieme.

Per celle corrispondenti in parallelo:

Capacità del pacco = Capacità delle celle × Numero di celle in parallelo

La tensione rimane approssimativamente uguale alla tensione di una cella o di un gruppo in serie.

Esempio: pacchetto 1S2P

Supponiamo che ogni cella abbia:

• Voltaggio nominale: 3,7 V

• Capacità: 2500mAh

Un pacchetto 1S2P fornisce:

• Voltaggio: 3,7 V

• Capacità: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh

• Energia: 3,7 V × 5 Ah = 18,5 Wh

Il risultato è:

3,7 V, 5000 mAh, 18,5 Wh

Una configurazione parallela è adatta quando il dispositivo funziona alla stessa tensione di una cella o di un gruppo in serie ma necessita di maggiore capacità, autonomia più lunga o capacità di corrente più elevata.

4. Serie vs. Parallelo: cosa cambia?

Le formule dettagliate della capacità sono trattate Come calcolare la capacità della batteria agli ioni di litio.

5. Che cos'è un pacco batteria in serie-parallelo?

La maggior parte dei pacchi batteria OEM personalizzati utilizza una combinazione di connessioni in serie e in parallelo.

Un pacchetto serie-parallelo utilizza:

• Collegamenti in serie per ottenere la tensione richiesta;

• Connessioni parallele per ottenere la capacità e la capacità di corrente richieste.

Esempio: pacchetto 2S2P

Utilizzando quattro celle da 3,7 V, 2500 mAh:

• Conteggio delle serie: 2

• Conteggio parallelo: 2

• Celle totali: 4

• Voltaggio nominale: 7,4 V

• Capacità: 5000mAh

• Energia: 37Wh

Calcolo:

3,7 V × 2 = 7,4 V

2500 mAh×2 = 5000 mAh

7,4 V × 5 Ah = 37 Wh

Il risultato è:

7,4 V, 5000 mAh, 37 Wh

Una configurazione 2S2P può essere appropriata per un dispositivo OEM che necessita di una piattaforma da 7,4 V e di più energia di quella che un pacchetto 2S1P può fornire.

6. Confronto pratico utilizzando le stesse due celle

Utilizzando due celle identiche da 3,7 V, 2500 mAh, le celle possono essere collegate in diversi modi.

Entrambe le configurazioni contengono all'incirca la stessa energia nominale perché utilizzano le stesse due celle. Tuttavia, non sono intercambiabili.

Il dispositivo deve essere progettato per il corretto:

• Tensione in ingresso;

• Tensione di carica;

• Attuale;

• BMS;

• Connettore;

• Disposizione meccanica.

Questo è un punto importante per la progettazione OEM: due pacchi batteria possono avere wattora simili ma essere comunque inadatti per lo stesso prodotto.

7. Quando un dispositivo OEM dovrebbe utilizzare una configurazione in serie?

Una configurazione in serie viene generalmente presa in considerazione quando il dispositivo richiede una tensione maggiore di quella che una cella può fornire.

I motivi tipici includono:

• Il motore o il sistema di alimentazione richiedono una tensione più elevata;

• Una tensione più elevata può ridurre la corrente per un dato livello di potenza;

• Il dispositivo utilizza già un'architettura elettrica 2S, 3S o 4S;

• Per un convertitore o un controller motore è necessario un ingresso di tensione più elevato;

• I componenti del sistema disponibili sono progettati per una piattaforma di tensione definita.

Per un carico a potenza costante:

Corrente = Potenza ÷ Tensione

A parità di potenza, una tensione della batteria più elevata può ridurre la corrente assorbita dal pacco. Ciò può influire sul dimensionamento dei conduttori, sulla selezione dei connettori e sulla progettazione della gestione dell'alimentazione.

Tuttavia, una tensione più elevata non significa automaticamente prestazioni migliori. L'elettronica del dispositivo, il caricabatterie, l'isolamento, il BMS e il controller del motore devono tutti supportare la tensione selezionata.

Per confronti pratici tra i livelli di tensione, vedere Pacchi batteria da 7,4 V, 11,1 V e 14,8 V.

8. Quando un dispositivo OEM dovrebbe utilizzare una configurazione parallela?

Una configurazione in parallelo viene generalmente presa in considerazione quando il dispositivo necessita di maggiore capacità o corrente maggiore alla stessa tensione nominale.

I motivi tipici includono:

• Autonomia richiesta più lunga;

• Corrente continua più elevata;

• Breve domanda ad alta corrente;

• Più energia all'interno della stessa piattaforma di tensione;

• Utilizzo di una cella con capacità individuale limitata;

• Necessità di distribuire la corrente su più celle.

Le celle parallele possono condividere la corrente, ma la progettazione deve comunque tenere conto di:

• Corrispondenza delle celle;

• Distribuzione attuale;

• Resistenza di connessione;

• Temperatura della cella;

• Qualità della saldatura;

• BMS o progettazione della protezione;

• Supporto meccanico.

Le celle parallele non dovrebbero essere trattate come automaticamente identiche. Le differenze nella resistenza interna o nello stato di carica possono influenzare la condivisione della corrente e la consistenza del pacco a lungo termine.

9. Requisiti di corrispondenza delle celle

I pacchi batteria in serie e in parallelo richiedono entrambi celle compatibili.

Le celle utilizzate nello stesso pacchetto devono corrispondere a caratteristiche pertinenti quali:

• Modello;

• Capacità nominale;

• Voltaggio;

• Resistenza interna;

• Lotto di produzione;

• Condizione di invecchiamento;

• Storia della temperatura.

Perché la corrispondenza è importante nei pacchetti in serie

In un pacco in serie, la cella più debole può raggiungere il limite di tensione superiore o inferiore prima delle altre celle. Ciò può ridurre la capacità utilizzabile della confezione e causare un'interruzione prematura della protezione.

Perché la corrispondenza è importante nei pacchetti paralleli

In un gruppo parallelo, celle con tensione o resistenza interna diversa potrebbero non condividere la corrente in modo uniforme. Una cella può trasportare più carico o ricevere più corrente di carica di un'altra.

Per ulteriori informazioni sull'incoerenza dei pacchetti e sulle differenze tra celle, vedere Perché i pacchi batteria agli ioni di litio diventano incoerenti e cosa fare.

10. Requisiti BMS per pacchi in serie e paralleli

Il sistema di gestione della batteria deve corrispondere alla configurazione del pacco.

Pacchetti di serie

Un pacco con più celle in serie richiede generalmente il monitoraggio dei singoli gruppi di celle.

Il BMS potrebbe dover fornire:

• Monitoraggio della tensione delle celle;

• Bilanciamento cellulare;

• Protezione da sovraccarico;

• Protezione da scarica eccessiva;

• Protezione da sovracorrente;

• Protezione da cortocircuito;

• Monitoraggio della temperatura.

All'aumentare del conteggio delle serie, il BMS deve essere progettato per il numero corrispondente di celle.

Pacchetti paralleli

Le celle parallele possono condividere lo stesso punto di misurazione della tensione, ma il BMS o il sistema di protezione deve comunque tenere conto di:

• Corrente totale;

• Corrispondenza delle celle;

• Temperatura;

• Comportamento di carica;

• Resistenza di connessione;

• Condizioni di guasto.

Pacchetti serie-paralleli

Un pacco serie-parallelo in genere richiede che il BMS monitori ciascun gruppo in serie gestendo al tempo stesso la corrente totale del pacco.

Il BMS dovrebbe essere selezionato durante la fase di progettazione della batteria e non aggiunto dopo aver finalizzato la configurazione della cella.

11. Requisiti di ricarica

Le configurazioni in serie e in parallelo richiedono considerazioni diverse sulla ricarica.

Ricarica in serie

Il caricabatterie deve supportare la tensione in serie totale.

Per esempio:

• Pacchetto 1S: caricabatterie progettato per una cella;

• Pacchetto 2S: caricabatterie predisposto per una batteria 2S;

• Pacchetto 3S: caricabatterie predisposto per una batteria 3S;

• Pacchetto 4S: caricabatterie progettato per una batteria 4S.

Un caricabatterie progettato per una singola cella non deve essere utilizzato direttamente con un pacco multi-serie.

Ricarica parallela

Un pacco parallelo utilizza ancora la tensione di una cella o di un gruppo in serie, ma il sistema di ricarica potrebbe dover fornire più corrente o accettare un tempo di ricarica più lungo.

Carica in serie-parallelo

Il sistema di addebito deve corrispondere ad entrambi:

• Tensione in serie totale;

• Capacità del pacco e requisiti di corrente di carica.

Il caricabatterie, la batteria e il BMS devono essere testati come un unico sistema.

12. Abbina la configurazione al dispositivo OEM

La corretta configurazione dipende dalle effettive esigenze del dispositivo.

Questa è solo una guida alla selezione preliminare. La configurazione finale dovrebbe inoltre essere verificata rispetto alla domanda attuale, alle dimensioni, alla ricarica, alla temperatura e ai requisiti di produzione.

13. Esempio OEM: scelta di una configurazione per un dispositivo da 7,4 V

Supponiamo che un prodotto OEM richieda:

• Voltaggio nominale: circa 7,4 V;

• Capacità prevista: 5000 mAh;

• Corrente continua: moderata;

• Vano batteria rettangolare compatto;

• Funzionamento ricaricabile;

• Monitoraggio a livello cellulare.

Una configurazione preliminare potrebbe essere:

2S2P che utilizza celle da 3,7 V, 2500 mAh

Calcolo:

• Voltaggio: 3,7 V × 2 = 7,4 V;

• Capacità: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Celle totali: 2 × 2 = 4 celle;

• Energia nominale: 7,4 V × 5 Ah = 37 Wh.

Il team di progettazione deve quindi confermare:

• Se l'intervallo di tensione 2S è compatibile con il dispositivo;

• Se è necessario un BMS 2S con bilanciamento;

• Se le cellule possono sostenere la corrente;

• Se il caricabatterie è progettato per 2S;

• Se il pacco si adatta al contenitore;

• Se il connettore supporta la corrente richiesta;

• Se la batteria supera i test pianificati.

ZERNE La pagina del pacco batteria al litio da 7,4 V può essere utilizzata come riferimento a livello di prodotto per le configurazioni del pacco batteria 2S, mentre i progetti personalizzati devono essere valutati rispetto al dispositivo OEM effettivo.

14. Esempio di configurazione per un dispositivo ad alta tensione

Supponiamo che un altro prodotto OEM richieda:

• Voltaggio nominale: circa 11,1 V;

• Capacità: 5000mAh;

• Uscita stabile durante il funzionamento continuo.

Una configurazione preliminare potrebbe essere:

3S2P che utilizza celle da 3,7 V, 2500 mAh

Calcolo:

• Voltaggio: 3,7 V × 3 = 11,1 V;

• Capacità: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Celle totali: 3 × 2 = 6 celle;

• Energia nominale: 11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh.

Un pacco da 11,1 V richiede un caricabatterie e un BMS progettati per una configurazione 3S.

Per un riferimento al prodotto esistente, vedere ZERNE Pacco batteria al litio da 11,1 V pag.

15. Considerazioni sulla progettazione meccanica

Le connessioni in serie e in parallelo influiscono anche sul layout fisico del pacco.

Il progettista dovrebbe considerare:

• Orientamento delle cellule;

• Spaziatura delle celle;

• Punti di saldatura;

• Sbarre o conduttori;

• Isolamento;

• Posizione del BMS;

• Instradamento dei cavi;

• Posizione del connettore;

• Dimensioni dell'alloggiamento;

• Dissipazione del calore;

• Punti di montaggio;

• Vibrazioni e impatti.

Una configurazione elettricamente corretta potrebbe comunque non essere idonea se non si adatta all'armadio disponibile.

Per i pacchi di celle cilindriche, la disposizione delle celle può influenzare la larghezza, la lunghezza e l'altezza del pacco. Per i pacchi di celle a sacchetto, le posizioni delle linguette in serie e parallele possono influenzare il layout interno e l'uscita del cavo.

Gli spazi dettagliati del vano batteria, i limiti di compressione e rigonfiamento devono essere gestiti separatamente Design del vano batteria LiPo: spazio e rigonfiamento.

16. Errori comuni di progettazione in serie e in parallelo

Errore 1: supporre che la serie aumenti i mAh

I collegamenti in serie aumentano la tensione, normalmente non la capacità amperora.

Errore 2: supporre che il parallelo aumenti la tensione

Le celle parallele mantengono approssimativamente la stessa tensione di una cella o di un gruppo in serie.

Errore 3: utilizzare un caricabatterie per il conteggio delle serie sbagliato

Un caricabatterie per un pacco 1S non è adatto per un pacco 2S, 3S o 4S.

Errore 4: collegamento di celle non corrispondenti

Differenti condizioni di capacità, resistenza o invecchiamento possono ridurre la consistenza della confezione e le prestazioni utilizzabili.

Errore 5: selezionare il BMS dopo il layout del pacco

Il conteggio delle serie, la domanda attuale e i requisiti di comunicazione dovrebbero essere noti prima di selezionare il BMS.

Errore 6: confrontare solo mAh

Un pacco da 3,7 V, 5000 mAh e un pacco da 7,4 V, 5000 mAh non contengono la stessa quantità di energia.

Errore 7: ignorare la corrente di picco

La configurazione deve supportare la domanda di picco del dispositivo, non solo la corrente media.

17. Elenco di controllo del pacco batterie in serie e parallelo

Prima di approvare la configurazione della batteria, confermare:

• Tensione nominale del dispositivo;

• Tensione minima e massima del dispositivo;

• Capacità target;

• Corrente continua;

• Corrente di picco;

• Conteggio delle serie richieste;

• Conteggio parallelo richiesto;

• Modello e capacità della cella;

• Conteggio totale delle cellule;

• Requisiti di corrispondenza delle celle;

• Struttura BMS o PCM;

• Compatibilità del caricabatterie;

• Classificazione del connettore e del cavo;

• Adattamento meccanico;

• Condizioni di temperatura;

• Obiettivo di esecuzione;

• Requisiti di prova;

• Volume di produzione previsto.

Per criteri più ampi di progettazione della batteria, vedere Progettazione del pacco batteria agli ioni di litio: tensione, capacità, BMS e autonomia.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra un pacco batteria in serie e uno in parallelo?

Un pacco batteria in serie aumenta la tensione, mentre un pacco batteria in parallelo aumenta la capacità e la capacità di corrente. Un pacchetto serie-parallelo combina entrambi gli effetti.

Il collegamento delle batterie in serie aumenta la capacità?

Normalmente no. Il collegamento di celle di uguale capacità in serie aumenta la tensione mentre la capacità ampere-ora rimane approssimativamente la stessa.

Collegare le batterie in parallelo aumenta la tensione?

Normalmente no. Il collegamento di celle di uguale tensione in parallelo aumenta la capacità mantenendo approssimativamente la stessa tensione.

Cosa significa 2S2P?

2S2P significa due gruppi di celle collegati in serie, con due celle collegate in parallelo in ciascun gruppo. Contiene quattro celle in totale.

Qual è la capacità di un pacco 2S2P che utilizza celle da 2500 mAh?

La capacità della confezione è di circa 5000 mAh. Se le celle hanno una tensione nominale di 3,7 V, la tensione del pacco è di circa 7,4 V.

I pacchi batteria di serie necessitano di un BMS?

I pacchi batterie al litio multiserie richiedono generalmente una protezione e un bilanciamento adeguati. L'esatta struttura del BMS dipende dalla chimica della cella, dal numero di serie, dalla corrente, dal caricabatterie e dall'applicazione.

I pacchi batteria in serie-parallelo sono migliori dei pacchi solo in serie o solo in parallelo?

Non automaticamente. Una configurazione in serie-parallelo è utile quando il dispositivo richiede sia una tensione più elevata che una capacità più elevata, ma la scelta finale dipende dall'applicazione e dai vincoli fisici.

È possibile collegare in parallelo diverse celle della batteria?

Le celle non devono essere collegate insieme casualmente se differiscono per modello, capacità, tensione, resistenza interna o condizioni. Un progetto di batteria qualificato dovrebbe utilizzare celle compatibili e adeguatamente abbinate.

Conclusione

La regola di base per la configurazione del pacco batteria è:

La serie aumenta la tensione.

Il parallelo aumenta la capacità e la capacità attuale.

Il parallelo in serie aumenta sia la tensione che la capacità.

Per un dispositivo OEM, anche la configurazione corretta deve corrispondere:

• Intervallo di tensione;

• Capacità ed energia;

• Domanda attuale;

• Caricabatterie;

• BMS;

• Corrispondenza delle celle;

• Spazio meccanico;

• Connettore;

• Temperatura;

• Requisiti di prova.

Per esempio:

• 2S1P fornisce una tensione più elevata;

• 1S2P fornisce una capacità maggiore alla stessa tensione della cella;

• 2S2P fornisce sia una tensione più elevata che una capacità più elevata.

Se stai sviluppando un pacco batteria personalizzato, condividi la tensione del dispositivo, la capacità target, la domanda attuale, le dimensioni, il metodo di ricarica e la quantità prevista con il team tecnico ZERNE. ZERNE fornisce soluzioni personalizzate di pacchi batterie al litio per progetti OEM e ODM e può aiutare a valutare la configurazione appropriata in serie, parallelo o serie-parallelo.