Baterias LiPo série vs paralelas: requisitos de tensão, capacidade e proteção

Conexões em série e paralelas permitem que os fabricantes de baterias criem um pacote em torno dos requisitos de tensão, capacidade, tempo de execução e energia de um dispositivo.

As regras básicas parecem simples: as conexões em série aumentam a tensão, enquanto as conexões paralelas aumentam a capacidade. Na prática, entretanto, a seleção de uma configuração também afeta a tensão de carga, a capacidade de corrente, o equilíbrio da célula, a fiação, o circuito de proteção, o layout físico e o comportamento de falha.

Uma bateria lipo 2S1P e uma bateria lipo 1S2P podem conter o mesmo número de células e armazenar aproximadamente a mesma energia total, mas não são intercambiáveis. Um fornece uma tensão mais alta, enquanto o outro retém a tensão de célula única e fornece maior capacidade de amperes-hora.

Este guia explica como funcionam as baterias LiPo em série, paralela e série paralela, como calcular suas principais especificações elétricas e quais requisitos de proteção devem ser considerados antes de escolher uma estrutura de bateria.

Principais conclusões

• Células conectadas em série aumentam a tensão do pacote, mas não somam suas capacidades de amperes-hora.

• Células conectadas em paralelo aumentam a capacidade enquanto mantêm a voltagem de uma célula.

• Uma configuração série-paralelo aumenta a tensão e a capacidade.

• A letra S indica o número de grupos de células conectados em série.

• A letra P indica o número de células conectadas em paralelo dentro de cada grupo.

• Um pacote 2S2P contém quatro células organizadas como dois grupos em série com duas células em cada grupo paralelo.

• Watt-hora fornece uma comparação de energia melhor do que mAh quando os pacotes têm voltagens diferentes.

• Grupos conectados em série requerem monitoramento de tensão individual e podem exigir balanceamento.

• As células em um grupo paralelo devem ser estreitamente combinadas e levadas a uma tensão adequada antes da conexão permanente.

• Uma placa de proteção deve corresponder à química da célula, contagem de séries, tensão de carga, corrente contínua, corrente de pico e funções necessárias.

• Adicionar células paralelas não duplica automaticamente a corrente do pacote seguro em todas as condições operacionais.

• Pacotes com tensões, capacidades, idades ou estados de carga diferentes não devem ser combinados sem um projeto de engenharia.

• A configuração da bateria, o carregador, o BMS, o conector, a fiação e o sistema de alimentação do dispositivo devem ser avaliados em conjunto.

O que significam 1S, 2S, 2P e 2S2P?

As configurações da bateria são normalmente descritas usando as letras S e P.

• S significa série.

• P significa paralelo.

• O número antes de cada letra indica quantas células ou grupos de células usam aquela conexão.

Exemplos comuns incluem:

A contagem total de células pode ser calculada como:

Total de células = contagem de séries × contagem paralela

Por exemplo:

3S2P = 3 × 2 = 6 células

Na maioria das especificações de bateria, uma configuração escrita apenas como “2S” significa 2S1P, a menos que uma contagem paralela seja declarada separadamente. Para um projeto OEM, entretanto, ambos os valores devem ser documentados para evitar ambiguidade.

Visão geral das baterias LiPo série versus paralela

A comparação a seguir pressupõe células idênticas com a mesma química, tensão nominal, capacidade e capacidade de descarga.

Estes são princípios de configuração, e não classificações garantidas de pacotes acabados. O desempenho real pode ser limitado pela especificação da célula, interconexões, placa de proteção, conector, tamanho do cabo, temperatura e design do produto.

Como funciona uma bateria LiPo da série

As células são conectadas em série unindo o terminal positivo de uma célula ao terminal negativo da próxima. Os dois terminais externos restantes formam a saída do pacote.

A mesma corrente passa por cada célula ou grupo paralelo no caminho em série.

Como a conexão em série afeta a tensão

A tensão nominal do pacote é a soma das tensões nominais das células conectadas em série:

Tensão nominal do pacote = Tensão nominal da célula × Contagem de séries

Para células padrão de 3,7 V:

A tensão de carga total é calculada como:

Tensão máxima do pacote = limite de carga da célula × contagem de séries

O valor de 4,2 V se aplica a uma célula convencional de polímero de íons de lítio projetada para esse limite de carga. Uma química de alta tensão pode exigir 4,35 V, 4,4 V ou outro limite especificado por célula.

Um produto projetado em torno as baterias LiPo de alta tensão precisam, portanto, de um carregador compatível e de um sistema de proteção. Um limite de carga por célula mais alto nunca deve ser assumido apenas a partir da tensão nominal.

Como a conexão em série afeta a capacidade

Conectar células idênticas de 1000 mAh em série não adiciona suas classificações de mAh.

Por exemplo:

• Uma célula de 3,7 V 1000 mAh: 3,7 V, 1000 mAh

• Duas células em série: 7,4 V, 1000 mAh

• Três células em série: 11,1 V, 1000 mAh

O pacote contém mais energia porque a sua tensão aumentou, embora o valor Ah permaneça inalterado.

Como a conexão em série afeta a corrente

Em um pacote 2S1P, a mesma corrente passa por ambas as células. Se a célula for classificada para uma determinada corrente contínua, adicionar outra célula idêntica em série não duplica automaticamente essa classificação de corrente.

A corrente do pacote finalizado é limitada pelo menor valor aplicável entre:

• Corrente de descarga contínua da célula

• Capacidade de corrente de pico da célula

• Classificação atual PCM ou BMS

• MOSFET e design de detecção de corrente

• Tira de níquel, aba, barramento ou capacidade de PCB

• Tamanho do fio

• Classificação do conector

• Fusível ou componente limitador de corrente

• Condições térmicas

Uma tensão de pacote mais alta pode permitir que um dispositivo obtenha a mesma potência com uma corrente mais baixa, mas isso depende da carga e da arquitetura de conversão de energia.

Por que os pacotes de séries precisam de monitoramento de grupo celular

As células conectadas em série não permanecem perfeitamente idênticas durante toda a sua vida útil. Pequenas diferenças na capacidade, resistência interna, autodescarga, temperatura e envelhecimento podem fazer com que seus estados de carga diverjam.

Durante o carregamento, um grupo em série pode atingir seu limite superior de tensão antes dos outros. Durante a alta, o grupo mais fraco pode atingir primeiro o seu limite inferior.

O sistema de proteção e monitoramento deve, portanto, responder às tensões individuais dos grupos em série, em vez de depender apenas da tensão total do conjunto.

Uma leitura total do pacote de 8,0 V, por exemplo, não prova que um pacote 2S esteja balanceado. Poderia consistir em:

• 4,0 V e 4,0 V

• 4,15 V e 3,85 V

• 4,25 V e 3,75 V

O último exemplo tem a mesma tensão total, mas já pode colocar um grupo além do limite permitido.

Como funciona uma bateria LiPo paralela

Numa conexão paralela, os terminais positivos são conectados entre si e os terminais negativos são conectados entre si.

Todas as células do grupo compartilham, portanto, a mesma tensão terminal.

Como a conexão paralela afeta a tensão

A tensão permanece igual à tensão de uma célula:

Tensão do pacote = Tensão da célula

Para duas células padrão de 3,7 V conectadas em paralelo:

• Tensão nominal: 3,7 V

• Tensão típica de carga total: 4,2 V

• Configuração: 1S2P

Adicionar mais células paralelas não produz 7,4 V ou 11,1 V. Continua formando um único grupo de tensão.

Como a conexão paralela afeta a capacidade

As capacidades de células paralelas estreitamente combinadas são adicionadas:

Capacidade do pacote = Capacidade da célula × Contagem paralela

Para células idênticas de 1000 mAh:

Isto torna a construção paralela útil quando a aplicação necessita de um tempo de operação mais longo, mas deve manter uma plataforma de tensão de célula única.

Como a conexão paralela afeta a capacidade atual

Em teoria, células idênticas conectadas através de caminhos de corrente balanceados podem compartilhar a carga. Duas células adequadas em paralelo podem, portanto, fornecer mais corrente do que uma célula.

No entanto, a corrente segura do pacote não deve ser calculada multiplicando a classificação da célula sem avaliação adicional.

O compartilhamento atual pode ser afetado por:

• Resistência interna da célula

• Variação de capacidade

• Diferenças de temperatura

• Resistência de guia e interconexão

• Posição da célula dentro do pacote

• Simetria de roteamento de cabos

• Diferenças de estado de carga

• Envelhecimento

• Resistência do conector

• Limites da placa de proteção

Uma célula pode transportar uma porção maior da carga se tiver menor resistência ou um caminho de corrente mais curto. O conjunto pode então desenvolver aquecimento localizado mesmo quando a corrente total parece estar dentro de um limite teórico simples.

O significado da taxa de descarga e sua relação com a capacidade é explicado mais detalhadamente em o que significa a classificação C de uma bateria de polímero de lítio.

As células paralelas precisam de equilíbrio?

Células paralelas conectadas diretamente compartilham a mesma tensão terminal, portanto um BMS normalmente trata o grupo paralelo completo como um nó de tensão.

Isso não significa que a correspondência de células seja desnecessária. A tensão terminal igual não garante capacidade, resistência, temperatura ou contribuição de corrente iguais.

As células selecionadas para um grupo paralelo normalmente devem ser compatíveis:

• Química

• Limite de tensão de carga

• Capacidade

• Resistência interna

• Características de descarga

• História de produção

• Idade e condição do ciclo

• Projeto físico

• Estado da carga na montagem

Uma célula danificada ou significativamente degradada pode colocar carga adicional nas células restantes e reduzir a confiabilidade de todo o grupo.

Por que a tensão deve ser verificada antes da conexão paralela

Células com tensões diferentes não devem simplesmente ser conectadas entre si.

Uma vez conectada, a célula de alta tensão pode descarregar rapidamente na célula de baixa tensão. A corrente de equalização resultante pode ser limitada principalmente pela resistência da célula e da conexão e pode tornar-se muito maior que a corrente de carga normal.

Por esta razão, os grupos paralelos devem ser montados através de um processo de fabricação controlado, utilizando células qualificadas e estreitamente combinadas. Os usuários finais não devem adicionar uma nova célula a um pacote antigo ou conectar duas células soltas em paralelo sem um projeto validado e equipamento adequado.

Como funciona um pacote LiPo série paralela

Um pacote série-paralelo combina ambos os métodos de conexão.

Considere um design 2S2P feito de quatro células idênticas de 3,7 V e 1000 mAh:

1. Duas células são conectadas em paralelo para formar o primeiro grupo de 3,7 V, 2.000 mAh.

2. Mais duas células formam um segundo grupo de 3,7 V e 2.000 mAh.

3. Os dois grupos paralelos estão conectados em série.

A especificação teórica resultante é:

• Tensão nominal: 7,4 V

• Capacidade: 2.000mAh

• Energia: 14,8Wh

• Configuração: 2S2P

• Total de células: 4

As fórmulas são:

Tensão do pacote = Tensão nominal da célula × S

Capacidade do pacote = Capacidade da célula × P

Contagem total de células = S × P

Energia nominal = Tensão do pacote × Capacidade do pacote em Ah

Neste projeto, o BMS monitora duas tensões de grupos em série. Cada grupo monitorado contém duas células paralelas.

Portanto, um pacote 2S2P não é monitorado como um pacote 4S. Selecionar uma placa de proteção de acordo com o número total de células individuais em vez da contagem de séries seria incorreto.

Comparando tensão, capacidade e watts-hora

A diferença entre a construção em série e paralela fica mais clara quando os pacotes são comparados usando células idênticas de 3,7 V e 1000 mAh.

Ambos os exemplos 2S1P e 1S2P contêm duas células e armazenam aproximadamente 7,4 Wh. Suas classificações de tensão e capacidade diferem, mas sua energia nominal teórica é semelhante.

Eles ainda não podem ser substituídos um pelo outro porque o dispositivo vê uma tensão de entrada diferente.

Por que o mAh sozinho não consegue comparar diferentes baterias

Um pacote de 3,7 V 2.000 mAh e um pacote de 7,4 V 1.000 mAh contêm aproximadamente 7,4 Wh:

3,7 V × 2,0 Ah = 7,4 Wh

7,4 V × 1,0 Ah = 7,4 Wh

Olhar apenas para mAh faria com que o primeiro pacote parecesse ter o dobro da capacidade. Em termos energéticos, são semelhantes.

Watt-horas são, portanto, mais úteis ao comparar pacotes com tensões diferentes.

No entanto, Wh igual não garante tempo de execução idêntico do dispositivo. O tempo de operação real também depende de:

• Eficiência de conversão de tensão

• Corrente do dispositivo em diferentes tensões de entrada

• Resistência interna da bateria

• Tensão de corte

• Taxa de descarga

• Temperatura

• Envelhecimento celular

• Queda de tensão na placa de proteção

• Capacidade utilizável sob a carga real

O tempo de execução deve ser verificado no dispositivo final, em vez de previsto apenas em mAh.

Uma contagem de séries mais alta fornece mais potência?

O aumento da tensão pode disponibilizar mais energia, mas somente se a célula, o sistema de proteção, a fiação e o dispositivo puderem fornecer e aceitar a corrente necessária.

A energia elétrica é calculada como:

Potência = Tensão × Corrente

Um pacote de 7,4 V que fornece 2 A fornece aproximadamente 14,8 W. Um pacote de 3,7 V precisaria fornecer aproximadamente 4 A para fornecer a mesma potência de entrada, antes de contabilizar as perdas de conversão.

Esta é uma das razões pelas quais um projetista pode escolher um pacote de tensão mais alta para motores, aquecedores, bombas, robótica ou outros produtos que exigem energia. Uma corrente mais baixa para a mesma potência pode reduzir as perdas do condutor, mas uma contagem de séries mais alta também aumenta a tensão do carregador, a complexidade do BMS, os requisitos de tensão dos componentes e as considerações de isolamento.

A seleção deve começar com a faixa de tensão de entrada e o perfil de carga do dispositivo, e não com a suposição de que mais células em série são automaticamente melhores.

Requisitos de proteção para um pacote 1S

Um pacote de série única possui apenas um grupo de tensão, portanto não requer balanceamento entre células em série.

Seu PCM ainda pode precisar fornecer:

• Proteção contra sobrecarga

• Proteção contra descarga excessiva

• Proteção contra sobrecorrente

• Proteção contra curto-circuito

• Controle de carga e descarga

• Monitoramento de temperatura

• Saída NTC

• Identificação da bateria

• Medição ou comunicação de combustível

O carregador deve corresponder à química da célula e à tensão máxima de carga. Um PCM interrompe condições anormais, mas não substitui um carregador devidamente controlado.

Em um projeto 1S2P ou 1S3P, o ​​circuito de proteção vê o grupo paralelo como um nó de tensão de maior capacidade. Sua classificação atual deve ser baseada na carga completa do pacote, não na capacidade de uma célula.

Requisitos de proteção para um pacote multissérie

Um projeto de série 2S, 3S ou superior requer circuitos de proteção adequados para essa contagem exata de séries.

Um BMS ou PCM multicelular pode precisar executar:

• Monitoramento individual de tensão de grupo em série

• Monitoramento atual do pacote

• Carregar proteção contra sobrecorrente

• Descarregue a proteção contra sobrecorrente

• Proteção contra curto-circuito

• Corte de sobrecarga

• Corte de descarga excessiva

• Balanceamento de grupo de células

• Monitoramento de temperatura

• Controle MOSFET

• Estimativa do estado de carga

• Gravação de falhas

• Comunicação com o dispositivo host

A classificação de tensão dos componentes também deve acomodar a tensão máxima do pacote, incluindo a margem de projeto apropriada.

Por que a tensão total do pacote não é suficiente

Monitorar apenas a tensão total não pode identificar com segurança um grupo individual que esteja sobrecarregado ou descarregado.

Por esta razão, um circuito de proteção 3S normalmente precisa de acesso a:

• Pacote negativo

• A conexão após o grupo de série 1

• A conexão após o grupo de série 2

• Pacote positivo após série grupo 3

Um chicote de monitoramento convencional, portanto, possui uma conexão de tensão a mais do que a contagem em série:

Conexões de detecção de tensão = S + 1

Um pacote com um BMS integrado pode não expor essas conexões externamente, mas elas ainda são necessárias internamente para monitoramento individual de grupos em série.

O que o balanceamento celular faz

O balanceamento ajuda a limitar as diferenças entre grupos conectados em série.

Um sistema de balanceamento passivo normalmente remove uma pequena quantidade de energia de um grupo de tensão mais alta para que os grupos mais baixos possam continuar carregando. Sistemas de equilíbrio ativo mais avançados podem redistribuir a energia entre os grupos.

O balanceamento não pode corrigir totalmente:

• Uma célula danificada

• Perda severa de capacidade

• Alta autodescarga

• Uma conexão elétrica ruim

• Principais diferenças de resistência interna

• Células correspondentes incorretamente

• Um layout de pacote inadequado

Um pacote que desenvolve repetidamente um grande desequilíbrio deve ser inspecionado em vez de confiar no circuito de equilíbrio para esconder o problema subjacente.

Requisitos de proteção para grupos paralelos

A construção paralela cria um conjunto diferente de prioridades de projeto.

Correspondência de células

As células devem ser selecionadas de grupos de produção e desempenho compatíveis. A mistura de células de diferentes capacidades, químicas, limites de tensão, idades ou resistências internas pode causar compartilhamento desigual de corrente.

Os efeitos práticos da variação celular são discutidos com mais detalhes em por que as baterias de íon de lítio se tornam inconsistentes.

Design do caminho atual

A resistência de interconexão deve ser mantida baixa e razoavelmente equilibrada. O layout deve evitar forçar uma célula ou guia a transportar uma parcela desproporcional da corrente.

Os fatores de design incluem:

• Geometria da guia

• Dimensões da tira de níquel ou barramento

• Espessura de cobre PCB

• Posição de conexão

• Colocação de leads

• Qualidade de solda

• Espaçamento celular

• Dissipação de calor

• Localização do conector

Contenção de falhas

Em um grupo paralelo permanentemente conectado, as células saudáveis ​​podem fornecer corrente para uma célula com falha ou ramificação com falha.

Dependendo do tamanho da embalagem e da avaliação de risco, o projeto pode exigir:

• Interconexões fusíveis

• Limitação de corrente de ramificação

• Separação térmica

• Sensores de temperatura

• Materiais resistentes a chamas

• Barreiras mecânicas

• Fusão em nível de pacote

• Espaço de ventilação controlado

• Funções adicionais de detecção de falhas

A abordagem necessária depende da energia do pacote, do tipo de célula, da aplicação, do invólucro, dos requisitos de conformidade e das condições de falha previsíveis.

Classificação atual da placa de proteção

O BMS deve suportar a corrente total esperada do pacote, incluindo:

• Corrente operacional normal

• Corrente contínua máxima

• Aumento de inicialização

• Corrente de parada do motor

• Inrush do aquecedor

• Picos do transmissor de comunicação

• Corrente de carregamento

• Limites de detecção de falhas

A corrente anunciada da placa não deve ser tratada como a corrente utilizável do dispositivo sem verificar as perdas do MOSFET, aumento de temperatura, condições de resfriamento, tamanho do condutor e tempo de corte.

Requisitos de carregador para pacotes em série e paralelo

O carregador deve corresponder à química do pacote, à contagem de séries, ao limite de tensão de carga e à corrente de carga permitida.

Para células convencionais de 4,2 V:

Um pacote 2S não deve ser carregado com um carregador 1S. Da mesma forma, um carregador destinado a células padrão de 4,2 V pode ser inadequado para produtos químicos de alta tensão com um limite de carga diferente.

A capacidade paralela afeta o cálculo da corrente de carga. Se duas células idênticas forem colocadas em paralelo, um pacote adequado pode aceitar mais corrente total do que uma célula, mas o valor correto depende de:

• Limite de taxa de carga celular

• Capacidade do pacote

• Temperatura

• Compartilhamento atual paralelo

• Classificação da placa de proteção

• Classificação do conector e do fio

• Meta de tempo de carregamento

• Requisitos de ciclo de vida

Um carregador e um BMS executam funções diferentes. O carregador regula o perfil de carga, enquanto o sistema de proteção responde a condições anormais definidas. Um não deve ser usado como substituto do outro.

Requisitos de correspondência de células

Um pacote multicelular confiável começa com a seleção de células adequadas.

As células usadas na mesma montagem podem precisar ser combinadas para:

• Modelo celular

• Química

• Capacidade nominal

• Capacidade medida

• Tensão de circuito aberto

• Resistência interna

• Espessura e dimensões

• Autodescarga

• Lote de produção

• Idade

• Histórico do ciclo

A correspondência é importante tanto em estruturas em série quanto em estruturas paralelas.

Em uma cadeia em série, o grupo de menor capacidade ou maior resistência pode atingir primeiro seu limite de tensão e restringir a capacidade utilizável do pacote.

Num grupo paralelo, as diferenças de resistência e de ligação influenciam a forma como a corrente é partilhada. Uma célula pode trabalhar mais e envelhecer mais rápido que as outras.

Os fabricantes de baterias devem estabelecer critérios de triagem de células apropriados ao produto, em vez de combinar células simplesmente porque possuem a mesma especificação impressa.

Os pacotes LiPo finalizados podem ser conectados em série?

Dois conjuntos acabados não devem ser conectados em série, a menos que o sistema completo tenha sido projetado e validado para esse arranjo.

Os problemas potenciais incluem:

• Diferentes estados de carga

• Diferentes capacidades ou idades

• Circuitos de proteção incompatíveis

• Aterramento incorreto

• Incompatibilidade do carregador

• Lacunas no monitoramento do equilíbrio

• Limites de tensão do conector

• Comportamento inesperado de corte do BMS

• Um pacote sendo cobrado reversamente pelo outro

• Procedimentos inseguros de serviço ou substituição

Alguns pacotes protegidos usam comutação no lado inferior ou interfaces de comunicação que tornam a conexão em série externa inadequada. Uma bateria que é segura como produto independente não é automaticamente segura quando combinada com outro pacote.

Se a aplicação exigir uma tensão mais alta, usar um conjunto multissérie projetado para esse fim geralmente é mais confiável do que conectar baterias protegidas de forma independente após a produção.

Os pacotes LiPo finalizados podem ser conectados em paralelo?

Os pacotes prontos não devem ser conectados em paralelo apenas porque suas etiquetas mostram a mesma tensão nominal.

Antes da operação paralela, o projeto deve abordar:

• Diferença de tensão do pacote

• Diferença de estado de carga

• Capacidade e idade

• Resistência interna

• Interação BMS

• Corrente reversa

• Distribuição de corrente de carga

• Sequência do conector

• Remoção de pacote enquanto energizado

• Proteção de filiais

• Isolamento obrigatório

Se um pacote tiver uma tensão mais alta, uma grande corrente de equalização poderá fluir assim que os conectores fizerem contato.

Módulos de bateria paralelos podem ser projetados com segurança, mas precisam de um método de conexão definido, arquitetura de proteção compatível, pré-carga controlada quando necessário e comportamento de falha validado.

Como a configuração afeta o tamanho e o layout da bateria

Adicionar células aumenta a energia, mas também altera o projeto mecânico.

Montagens em série e paralelas podem afetar:

• Espessura total

• Largura e comprimento

• Peso

• Centro de gravidade

• Espaço para roteamento de cabos

• Raio de curvatura

• Dissipação de calor

• Subsídio de expansão celular

• Proteção contra quedas

• Resistência à vibração

• Acesso ao serviço

• Montagem do gabinete

Duas células de bolsa colocadas lado a lado podem criar uma embalagem larga e fina. Empilhá-los pode criar uma área menor com maior espessura.

Uma estrutura série-paralela também pode exigir:

• Isolamento adicional

• Mais pontos de solda

• Um BMS maior

• Fiação com detecção de tensão

• Sensores de temperatura

• Uma estrutura de suporte mais forte

• Embalagem de embalagem mais complexa

• Maior espaçamento em torno das abas e componentes de proteção

A configuração elétrica deve, portanto, ser selecionada juntamente com o compartimento de bateria disponível, e não após a finalização do gabinete.

Série vs Paralelo: Qual configuração você deve escolher?

Escolha a contagem de séries de acordo com a tensão exigida pelo dispositivo.

Escolha a contagem paralela de acordo com a energia necessária, tempo de execução, capacidade atual, espaço e peso.

Um design focado em série pode ser adequado quando:

• O dispositivo requer uma tensão de entrada mais alta

• Um motor ou aquecedor opera com mais eficiência em tensões mais altas

• O sistema usa um barramento de tensão acima da faixa de um pacote 1S

• Corrente mais baixa é preferida para um determinado nível de potência

• O dispositivo já inclui um carregador multicelular compatível

• O produto pode acomodar um BMS multissérie

Um design com foco paralelo pode ser adequado quando:

• O produto deve manter uma plataforma nominal de 3,7 V

• É necessário um tempo de execução mais longo

• Uma única célula não pode fornecer capacidade suficiente

• Mais corrente de saída é necessária dentro das condições operacionais validadas da célula

• O gabinete pode acomodar várias células

• O carregador e o sistema de proteção suportam a capacidade e a corrente resultantes

Um projeto série-paralelo pode ser adequado quando:

• O dispositivo precisa de tensão mais alta e tempo de execução mais longo

• Uma única string em série não pode fornecer a corrente necessária

• A necessidade de energia excede a capacidade de uma corda única prática

• O espaço deve ser distribuído em várias posições de células

• A aplicação justifica o BMS adicional e a complexidade da montagem

ZERNE soluções personalizadas de bateria de polímero de lítio suportam estruturas de célula única, multisséries, paralelas e série-paralelas com base na tensão, capacidade, tamanho, corrente, conector e requisitos de proteção do dispositivo.

Um processo prático de seleção de configuração de bateria

1. Confirme a faixa de tensão do dispositivo

Identificar:

• Tensão operacional mínima

• Tensão operacional normal

• Tensão de entrada segura máxima

• Requisito de tensão de inicialização

• Tensão de desligamento

• Faixa de entrada do regulador de tensão

• Tensão do motor, aquecedor ou atuador

• Tensão de entrada e saída do carregador

A tensão máxima do pacote totalmente carregado deve permanecer dentro da faixa segura de cada componente conectado.

2. Defina o perfil de carga

Registro:

• Corrente de espera

• Corrente operacional típica

• Corrente contínua máxima

• Corrente de pico

• Duração do pico

• Corrente de inicialização ou parada

• Tempo de operação diário

• Tempo de execução necessário por carga

A corrente média por si só pode não revelar se as células, o BMS e o conector podem suportar eventos curtos de alta corrente.

3. Calcule a energia necessária

Uma primeira estimativa pode ser calculada usando:

Energia necessária em Wh = Potência média em W × Tempo de operação em horas

Um design prático também deve levar em conta:

• Perdas de conversão de tensão

• Envelhecimento da bateria

• Perda de capacidade em baixa temperatura

• Afundamento de tensão em alta carga

• Capacidade de reserva

• Consumo de BMS

• Consumo em espera do dispositivo

• Profundidade de descarga permitida

4. Selecione a contagem de séries

Escolha o número de grupos de séries necessários para atender à tensão do dispositivo.

Não use apenas tensão nominal. Verificar:

• Tensão máxima de carga

• Faixa operacional típica

• Tensão de corte BMS

• Limite de subtensão do dispositivo

• Tensão do carregador

• Classificações de tensão dos componentes

5. Selecione a contagem paralela

Determine quanta capacidade e corrente uma sequência em série pode fornecer. Adicione células paralelas somente quando necessário para energia, tempo de execução, corrente ou empacotamento.

Mais células paralelas também adicionam peso, volume, custo, pontos de solda e energia de falha.

6. Projete o Sistema de Proteção

Definir:

• Química

• Contagem de séries

• Capacidade do pacote

• Limite de corrente de carga

• Corrente de descarga contínua

• Corrente de pico e duração

• Limite de sobrecarga

• Limite de descarga excessiva

• Limite de sobrecorrente

• Resposta a curto-circuito

• Limites de temperatura

• Estratégia de equilíbrio

• Requisitos de comunicação

7. Confirme o carregador e o conector

O carregador deve corresponder ao pacote completo, enquanto o conector principal e os fios devem suportar a corrente real.

A série do conector, a polaridade, a pinagem, a bitola do fio, o comprimento do cabo e a conexão de equilíbrio devem ser documentados antes da produção das amostras.

8. Construir e testar amostras

A validação deve ser concluída dentro do dispositivo real.

Os testes relevantes podem incluir:

• Compatibilidade de carregamento

• Tensão de carga total

• Tensão individual de grupo em série

• Equilíbrio celular

• Tempo de execução

• Queda de tensão de carga máxima

• Resposta de corrente de pico

• Aumento de temperatura

• Comportamento de corte do BMS

• Proteção contra curto-circuito

• Aquecimento do conector

• Roteamento de cabos

• Ajuste do gabinete

• Desempenho de queda e vibração

• Ciclismo repetido

• Armazenamento e autodescarga

O O sistema de controle de qualidade da bateria de polímero de lítio fornece informações adicionais sobre testes de células, inspeção de montagem, verificação elétrica e controle de embalagem acabada.

Exemplos de configuração trabalhada

Exemplo 1: Dispositivo de Rastreamento Compacto

Suponha que um rastreador opere a partir de uma plataforma de tensão de célula única e exija mais tempo de execução do que uma célula de 1000 mAh pode fornecer.

Uma configuração possível é:

• Célula: 3,7 V, 1000 mAh

• Estrutura: 1S2P

• Tensão do pacote: 3,7 V nominal

• Capacidade da embalagem: 2.000 mAh

• Energia nominal: 7,4 Wh

O projeto mantém uma tensão de carga de célula única, mas requer um circuito de proteção e um conector adequados para a corrente e capacidade combinadas.

Exemplo 2: Dispositivo portátil que requer 7,4 V

Suponha que um produto portátil precise de aproximadamente 7,4 V e 2.000 mAh.

Usando células de 3,7 V, 2.000 mAh:

• Estrutura: 2S1P

• Tensão do pacote: 7,4 V nominal

• Capacidade da embalagem: 2.000 mAh

• Energia nominal: 14,8 Wh

• Tensão típica de carga total: 8,4 V

O pacote requer um sistema de proteção 2S e um perfil de carregamento de íons de lítio de 8,4 V.

Exemplo 3: Robô que requer maior tensão e capacidade

Suponha que um robô precise de 11,1 V nominais e 4.000 mAh. Usando células de 2.000 mAh:

• Estrutura: 3S2P

• Total de células: 6

• Tensão do pacote: 11,1 V nominal

• Capacidade do pacote: 4000 mAh

• Energia nominal: 44,4 Wh

• Tensão típica de carga total: 12,6 V

O BMS deve monitorar três grupos em série enquanto suporta a corrente normal do robô, o surto de inicialização e a possível corrente de parada do motor.

Erros comuns de design de baterias em série e paralelas

Informações a serem fornecidas para uma bateria personalizada

Um fabricante pode avaliar a configuração em série e em paralelo com mais precisão quando as informações a seguir estão disponíveis.

Requisitos do dispositivo

• Tipo de produto

• Faixa de tensão de entrada necessária

• Tensão de entrada segura máxima

• Corrente operacional típica

• Corrente contínua máxima

• Corrente de pico e duração

• Tempo de execução necessário

• Método de carregamento

• Temperatura operacional

• Espaço disponível para bateria

• Peso alvo da embalagem

Requisitos de bateria

• Química preferida

• Tensão nominal do pacote

• Capacidade necessária

• Necessidade de energia

• Série esperada e configuração paralela

• Meta de ciclo de vida

• Tempo de carregamento

• Taxa de descarga necessária

• Requisitos de baixa ou alta temperatura

• Requisito de célula de alta tensão

Requisitos de proteção

• PCM ou BMS

• Proteção contra sobrecarga e descarga excessiva

• Proteção contra sobrecorrente e curto-circuito

• Número e localização dos sensores de temperatura

• Equilíbrio celular

• Medidor de combustível

• Exibição do estado de carga

• SMBus, CAN ou outro protocolo de comunicação

• Autenticação ou identificação da bateria

• Requisito de fusível ou proteção de ramificação

Requisitos Mecânicos e de Conexão

• Espessura, largura e comprimento máximos

• Arranjo celular

• Invólucro ou embalagem

• Fabricante do conector e número da peça

• Polaridade e pinagem

• Calibre do fio

• Comprimento do cabo

• Líder de equilíbrio

• NTC ou fios de comunicação

• Montagem e alívio de tensão

• Requisitos de vibração e queda

O a bateria de lítio deve ser especificada como um sistema completo, e não apenas como valores de tensão e mAh.

Conclusão

Conexões em série e paralelas servem a propósitos diferentes em uma bateria LiPo.

Uma conexão em série aumenta a tensão do pacote enquanto mantém a capacidade Ah de um caminho em série. Uma conexão paralela retém a tensão de uma célula enquanto adiciona capacidade e aumenta potencialmente a capacidade de corrente. Uma estrutura série-paralela combina ambos os efeitos.

Estas regras elétricas são apenas o ponto de partida. O pacote finalizado também deve levar em conta a tensão máxima de carga, Watts-hora, carga do dispositivo, correspondência de células, compartilhamento de corrente, balanceamento, corrente BMS, temperatura, fiação, conectores, compatibilidade do carregador e proteção mecânica.

Para pacotes multisséries, o sistema de proteção deve monitorar tensões individuais de grupos de séries e corresponder à contagem exata de séries. Para projetos paralelos, células estreitamente combinadas e caminhos de corrente controlados são essenciais. Em ambos os casos, os valores teóricos devem ser confirmados através de testes ao nível da embalagem e do dispositivo antes da produção.

Perguntas frequentes

Conectar baterias LiPo em série aumenta a capacidade?

Ele aumenta a energia total armazenada e a tensão do pacote, mas a classificação Ah ou mAh permanece igual à capacidade de um caminho em série. Duas células de 3,7 V e 1000 mAh em série formam um pacote de 7,4 V e 1000 mAh.

Conectar baterias LiPo em paralelo aumenta a tensão?

Não. Células paralelas retêm a voltagem de uma célula enquanto suas capacidades são adicionadas. Duas células de 3,7 V e 1000 mAh em paralelo formam um pacote de 3,7 V e 2000 mAh.

Qual é a diferença entre 2S2P e 4S1P?

Um pacote 2S2P possui dois grupos de séries com duas células paralelas em cada grupo. Um pacote 4S1P possui quatro células em série, portanto fornece o dobro da tensão nominal, mas metade da capacidade em Ah quando células idênticas são usadas.

Um pacote 2S2P precisa de um BMS 2S ou 4S?

Normalmente requer um BMS 2S porque o sistema de proteção monitora dois grupos de tensão em série. O BMS também deve suportar a capacidade total, a corrente de carga, a corrente de descarga e os requisitos de balanceamento dos dois grupos paralelos.

As células LiPo de capacidade diferente podem ser conectadas em paralelo?

Normalmente, eles não devem ser combinados em um pacote OEM, a menos que o projeto completo tenha sido especificamente avaliado. Diferenças na capacidade, resistência, idade ou condição podem produzir partilha desigual de corrente e degradação acelerada.

Duas baterias LiPo protegidas podem ser conectadas em paralelo?

Somente se o sistema de bateria tiver sido projetado para operação de módulo paralelo. As diferenças de tensão do pacote, a corrente reversa, a interação do BMS, a sequência de conexão e a proteção do ramal devem ser abordadas.

Adicionar células paralelas duplica a corrente de descarga?

Pode aumentar a corrente disponível quando células idênticas e caminhos de corrente balanceados são usados, mas a corrente segura do pacote finalizado ainda é limitada pelo BMS, guias, interconexões, fiação, conector, temperatura e comportamento de compartilhamento de corrente.

Qual configuração oferece maior tempo de execução: série ou paralelo?

O tempo de execução não pode ser determinado apenas pela contagem de S ou P. Compare o total de Watts-hora e teste o dispositivo completo porque a tensão de entrada, a eficiência de conversão, o comportamento da carga, a tensão de corte, a temperatura e a taxa de descarga também afetam o tempo de execução utilizável.