Como calcular a capacidade da bateria de íons de lítio

O cálculo da capacidade da bateria de íons de lítio requer mais do que somar a capacidade impressa em cada célula.

A capacidade final depende de como as células estão conectadas:

• As conexões em série aumentam a tensão.

• Conexões paralelas aumentam a capacidade de amperes-hora.

• As configurações série-paralelo aumentam a tensão e a capacidade.

Por exemplo, quatro células de 3,7 V e 1000 mAh podem ser organizadas de diferentes maneiras:

• 4S1P: aproximadamente 14,8 V, 1000 mAh

• 2S2P: aproximadamente 7,4 V, 2.000 mAh

• 1S4P: aproximadamente 3,7 V, 4000 mAh

O mesmo número de células pode, portanto, produzir especificações de baterias muito diferentes.

Este guia explica como calcular a capacidade da bateria de íons de lítio em mAh, Ah e Wh. Ele também esclarece a diferença entre a capacidade nominal e a capacidade utilizável para que os engenheiros OEM possam preparar uma especificação de bateria mais precisa.

Para uma relação mais ampla entre tensão, capacidade, BMS e tempo de execução, consulte Projeto da bateria de íons de lítio: tensão, capacidade, BMS e tempo de execução.

Resposta rápida: Como você calcula a capacidade da bateria?

Para células correspondentes com a mesma capacidade:

Capacidade do pacote em Ah

Capacidade do pacote (Ah) = Capacidade de uma célula (Ah) × Número de células em paralelo

Capacidade do pacote em mAh

Capacidade do pacote (mAh) = Capacidade de uma célula (mAh) × Número de grupos de células paralelas

Tensão do pacote

Tensão do pacote (V) = Tensão nominal da célula (V) × Número de células em série

Pacote de energia

Energia do pacote (Wh) = Tensão do pacote (V) × Capacidade do pacote (Ah)

O número de células conectadas em série é representado por S . O número de células conectadas em paralelo é representado por P.

Por exemplo:

• 2S1P significa duas células em série e um caminho paralelo.

• 1S2P significa um grupo de células em série e duas células em paralelo.

• 3S2P significa três grupos em série com duas células paralelas em cada grupo.

1. Entenda Capacidade, Tensão e Energia

Antes de calcular uma bateria, é importante distinguir entre três valores básicos.

Capacidade

A capacidade descreve quanta carga elétrica uma bateria pode armazenar. É comumente expresso em:

• Miliamperes-hora ou mAh

• Amp-horas ou Ah

A conversão é:

1Ah = 1000mAh

Uma célula de 3000 mAh equivale a uma célula de 3 Ah.

Tensão

A tensão descreve o potencial elétrico da bateria. É comumente expresso em volts.

Para muitas células padrão de íons de lítio e polímero de lítio, a tensão nominal é de aproximadamente 3,6 V ou 3,7 V. O valor exato depende da química da célula e das especificações do fabricante.

Energia

A energia combina tensão e capacidade. É expresso em watt-hora.

Energia (Wh) = Tensão (V) × Capacidade (Ah)

Uma classificação de mAh mais alta nem sempre significa uma energia total mais alta se a voltagem da bateria for diferente.

Por exemplo:

• 3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

• 7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

Os dois pacotes têm a mesma capacidade de amp-hora, mas energia diferente porque suas tensões são diferentes.

2. Como as conexões em série afetam a capacidade

Quando as células são conectadas em série, o terminal positivo de uma célula se conecta ao terminal negativo da próxima célula.

As conexões em série aumentam a tensão.

Para células correspondentes conectadas em série:

• Aumentos de tensão

• Ah a capacidade permanece aproximadamente a mesma

• A energia total aumenta porque a tensão aumenta

Exemplo: Bateria 2S1P

Suponha que cada célula tenha:

• Tensão nominal: 3,7 V

• Capacidade: 1000mAh

Um pacote 2S1P contém duas células em série.

Tensão do pacote:

3,7 V × 2 = 7,4 V

Capacidade do pacote:

1000mAh

Energia do pacote:

7,4 V × 1 Ah = 7,4 Wh

Portanto, uma bateria 2S1P é aproximadamente:

7,4V, 1000mAh, 7,4Wh

Tabela de configuração de série

Estes são valores nominais baseados em células de 3,7 V. A tensão de carga total é maior e deve ser considerada ao selecionar o carregador e o sistema de proteção.

3. Como as conexões paralelas afetam a capacidade

Quando as células são conectadas em paralelo, seus terminais positivos são conectados entre si e seus terminais negativos são conectados entre si.

Conexões paralelas aumentam a capacidade.

Para células correspondentes conectadas em paralelo:

• A tensão permanece aproximadamente a mesma

• Ah a capacidade aumenta

• A capacidade atual pode aumentar

• A energia total aumenta porque a capacidade aumenta

Exemplo: Bateria 1S2P

Suponha que cada célula tenha:

• Tensão nominal: 3,7 V

• Capacidade: 1000mAh

Um pacote 1S2P contém duas células em paralelo.

Tensão do pacote:

3,7V

Capacidade do pacote:

1000mAh × 2 = 2000mAh

Energia do pacote:

3,7 V × 2 Ah = 7,4 Wh

Portanto, uma bateria 1S2P é aproximadamente:

3,7 V, 2.000 mAh, 7,4 Wh

Tabela de configuração paralela

Os cálculos de capacidade paralela assumem que as células possuem o mesmo modelo, capacidade, condição e características elétricas.

4. Como calcular uma bateria série-paralela

Uma bateria série-paralela combina ambos os métodos de conexão.

As fórmulas gerais são:

Tensão do pacote = Tensão da célula × S

Capacidade do pacote = Capacidade da célula × P

Contagem total de células = S × P

Onde:

• S = número de células em série

• P = número de células em paralelo

Exemplo: Bateria 2S2P

Suponha que cada célula tenha:

• Tensão nominal: 3,7 V

• Capacidade: 1000mAh

Para um pacote 2S2P:

Tensão do pacote:

3,7 V × 2 = 7,4 V

Capacidade do pacote:

1000mAh × 2 = 2000mAh

Número total de células:

2 × 2 = 4 células

Energia do pacote:

7,4 V × 2 Ah = 14,8 Wh

O resultado é:

7,4V, 2.000mAh, 14,8Wh

Exemplo: Bateria 3S2P

Usando as mesmas células de 3,7 V e 1000 mAh:

Tensão do pacote:

3,7 V × 3 = 11,1 V

Capacidade do pacote:

1000mAh × 2 = 2000mAh

Número total de células:

3 × 2 = 6 células

Energia do pacote:

11,1 V × 2 Ah = 22,2 Wh

O resultado é:

11,1 V, 2.000 mAh, 22,2 Wh

Para obter uma explicação mais ampla de como essas configurações afetam a compatibilidade do dispositivo, consulte Baterias em série vs. baterias paralelas.

5. Como calcular a contagem paralela necessária

Se a capacidade alvo e a capacidade individual das células forem conhecidas, o número necessário de células paralelas pode ser estimado com:

Contagem paralela = Capacidade alvo do pacote ÷ Capacidade da célula

Exemplo: Alvo de 7,4 V, 3000 mAh

Assumir:

• Tensão nominal alvo: 7,4 V

• Capacidade alvo: 3000 mAh

• Tensão nominal da célula: 3,7 V

• Capacidade da célula: 1500 mAh

Etapa 1: Determine a contagem da série.

7,4 V ÷ 3,7 V = 2S

Etapa 2: Determine a contagem paralela.

3000mAh ÷ 1500mAh = 2P

A configuração preliminar é:

2S2P

Número total de células:

2 × 2 = 4 células

Exemplo: alvo de 11,1 V, 5000 mAh

Assumir:

• Tensão nominal alvo: 11,1 V

• Capacidade alvo: 5000 mAh

• Tensão nominal da célula: 3,7 V

• Capacidade da célula: 2500 mAh

Contagem de séries:

11,1 V ÷ 3,7 V = 3S

Contagem paralela:

5000mAh ÷ 2500mAh = 2P

A configuração preliminar é:

3S2P

Número total de células:

3 × 2 = 6 células

Este cálculo fornece uma configuração inicial. O projeto final ainda precisa verificar a demanda atual, o espaço disponível, a capacidade de descarga das células, os requisitos de proteção e a viabilidade de produção.

6. Como calcular a energia da bateria em Wh

A capacidade Amp-hora é útil para comparar baterias com a mesma voltagem. Watt-horas são mais úteis ao comparar pacotes com diferentes níveis de tensão.

A fórmula é:

Energia do pacote (Wh) = Tensão nominal do pacote (V) × Capacidade do pacote (Ah)

Exemplo de comparação

O valor mAh é o mesmo neste exemplo, mas a energia total muda com a tensão.

É por isso que as equipes OEM não devem comparar baterias usando apenas mAh. Quando a tensão for diferente, compare também os watts-hora.

7. Capacidade nominal versus capacidade utilizável

A capacidade impressa em uma bateria é normalmente uma capacidade nominal ou nominal medida sob condições de teste específicas.

A capacidade útil real pode ser menor devido a:

• Corrente de descarga

• Tensão de corte

• Temperatura

• Envelhecimento celular

• Resistência interna

• Limites de proteção BMS

• Conversão de energia do dispositivo

• Reserva de vida útil necessária

Uma fórmula conceitual simples é:

Capacidade utilizável ≈ Capacidade nominal × Fator de redução aplicável

O fator de redução não é um número universal. Deve ser estabelecido de acordo com a ficha técnica da célula, condições de descarga e requisitos de aplicação.

Por exemplo, um pacote de 2.000 mAh pode não fornecer exatamente 2.000 mAh em todas as aplicações se:

• A carga é alta;

• O dispositivo para antes que a célula atinja a tensão mínima;

• A temperatura está baixa;

• A matilha envelheceu;

• O BMS desconecta a carga para proteção.

O pacote deve, portanto, ser especificado com ambos:

• Capacidade nominal

• Capacidade utilizável necessária sob condições definidas

8. Por que a correspondência de células é importante

A fórmula básica de capacidade pressupõe que todas as células correspondam.

As células utilizadas na mesma embalagem devem ser compatíveis em termos de:

• Capacidade

• Tensão

• Resistência interna

• Modelo celular

• Lote de produção

• Condição de envelhecimento

• Estado de carga

Se as células tiverem características significativamente diferentes, a célula mais fraca poderá atingir o seu limite de tensão mais cedo do que as outras. Isto pode reduzir a capacidade utilizável do pacote completo e aumentar os requisitos de balanceamento.

Para uma discussão mais profunda sobre inconsistência celular, consulte Por que as baterias de íons de lítio se tornam inconsistentes e o que fazer.

Em uma especificação OEM, é melhor definir o modelo de célula necessário e os requisitos correspondentes, em vez de apenas indicar a capacidade alvo da bateria.

9. Como a capacidade celular afeta o tamanho do pacote

Uma célula de maior capacidade pode reduzir o número de células paralelas necessárias, mas também pode ser fisicamente maior ou ter características de descarga diferentes.

Os engenheiros OEM devem avaliar:

• Dimensões da célula

• Layout do pacote

• Espaço disponível

• Capacidade alvo

• Demanda atual

• Peso

• Condições térmicas

• Disponibilidade de células

Por exemplo, uma célula de 3.000 mAh pode permitir uma contagem paralela menor do que uma célula de 1.500 mAh. Porém, se a célula de 3000 mAh for muito grande ou não conseguir atender a corrente necessária, pode não ser a melhor escolha.

O cálculo da capacidade deve, portanto, ser combinado com a análise da viabilidade mecânica e elétrica.

10. Exemplo de cálculo de capacidade para um pacote OEM personalizado

Suponha que um dispositivo OEM exija:

• Tensão nominal: aproximadamente 7,4 V

• Capacidade alvo: 4000 mAh

• Tensão nominal da célula: 3,7 V

• Capacidade da célula: 2.000 mAh

Etapa 1: Calcule a contagem da série.

7,4 V ÷ 3,7 V = 2S

Etapa 2: Calcule a contagem paralela.

4000mAh ÷ 2000mAh = 2P

Etapa 3: Calcule a contagem total de células.

2S × 2P = 4 células

Etapa 4: Calcule a energia nominal.

7,4 V × 4 Ah = 29,6 Wh

A especificação preliminar do pacote é:

2S2P, 7,4 V nominal, 4000 mAh, aproximadamente 29,6 Wh

Antes que esta configuração seja aprovada, o OEM e o fabricante da bateria devem verificar:

• Se as células podem fornecer a corrente necessária;

• Se a embalagem cabe no espaço disponível;

• Se é necessário um BMS com balanceamento;

• Se o carregador é compatível;

• Se o conector e a fiação suportam a carga;

• Se a capacidade alvo é medida sob as condições de teste exigidas.

11. Erros comuns no cálculo da capacidade da bateria

Erro 1: Adicionar capacidade em série

Um pacote 2S1P feito de duas células de 1.000 mAh não é um pacote de 2.000 mAh. Tem aproximadamente 7,4 V e 1000 mAh.

Erro 2: Ignorar a contagem paralela

Se o pacote usar vários caminhos paralelos, a capacidade deverá ser multiplicada pelo número de células paralelas.

Erro 3: Comparar mAh sem comparar tensão

Um pacote de 2.000 mAh a 3,7 V e um pacote de 2.000 mAh a 7,4 V não contêm a mesma quantidade de energia.

Erro 4: Usar Tensão de Carga Total para Cálculo de Energia

A energia nominal é normalmente calculada usando a tensão nominal e não a tensão máxima de carga.

Erro 5: presumir que a capacidade nominal é igual à capacidade utilizável

A capacidade utilizável real depende da corrente, temperatura, tensão de corte, envelhecimento e configurações de proteção.

Erro 6: misturar diferentes modelos de células

Células com capacidades, resistências internas ou condições de envelhecimento diferentes não devem ser combinadas casualmente na mesma embalagem.

Erro 7: Ignorar a demanda de energia do dispositivo

O cálculo da capacidade por si só não determina o tempo de execução. O tempo de execução também depende da potência do dispositivo e da eficiência do sistema.

Para o método de cálculo de tempo de execução separado, consulte Como calcular o tempo de execução de uma bateria de lítio.

12. Lista de verificação de cálculo de capacidade para compradores OEM

Antes de solicitar um orçamento de bateria, confirme:

• Tensão nominal alvo

• Tensão mínima e máxima do dispositivo

• Capacidade alvo em mAh ou Ah

• Energia utilizável necessária em Wh

• Tensão nominal da célula

• Capacidade nominal da célula

• Contagem de séries obrigatória

• Contagem paralela necessária

• Contagem total de células

• Corrente contínua

• Corrente de pico

• Temperatura operacional

• Espaço disponível para bateria

• Método de carregamento

• BMS ou requisitos de proteção

• Condições de teste de capacidade

• Tempo de execução esperado

• Protótipo e quantidade de produção

O valor da capacidade deve sempre estar conectado a uma condição de teste definida. Uma cotação informando apenas “bateria de 4000 mAh” está incompleta, a menos que o fornecedor também identifique a tensão, o modelo da célula, a configuração e as condições de medição.

Perguntas frequentes

Como calculo a capacidade da bateria de íons de lítio?

Multiplique a capacidade de uma célula pelo número de células conectadas em paralelo. Por exemplo, quatro células de 1.000 mAh em uma configuração 2S2P fornecem capacidade de aproximadamente 2.000 mAh.

Uma conexão em série aumenta a capacidade da bateria?

Não. Uma conexão em série aumenta a tensão. A capacidade de amp-hora normalmente permanece aproximadamente igual à capacidade de um grupo paralelo.

Uma conexão paralela aumenta a capacidade da bateria?

Sim. Uma conexão paralela aumenta a capacidade de amperes-hora de acordo com o número de células paralelas.

Qual é a capacidade de uma bateria 2S2P?

Se cada célula for avaliada em 3,7 V e 1000 mAh, um pacote 2S2P terá aproximadamente 7,4 V e 2.000 mAh, com quatro células no total.

Como calculo os watts-hora da bateria?

Multiplique a tensão nominal do pacote pela capacidade em amperes-hora. Um pacote de 7,4 V, 2 Ah contém aproximadamente 14,8 Wh de energia nominal.

Uma bateria de 3,7 V e 2.000 mAh é igual a uma bateria de 7,4 V e 2.000 mAh?

Não. O pacote de 7,4 V e 2.000 mAh contém aproximadamente o dobro da energia nominal do pacote de 3,7 V e 2.000 mAh.

Por que a capacidade real da bateria é inferior ao valor nominal?

O resultado pode ser afetado pela corrente de descarga, temperatura, tensão de corte, envelhecimento da célula, resistência interna, configurações do BMS e condições de medição.

Quantas células eu preciso para uma bateria personalizada?

A contagem total de células é:

Total de células = contagem de séries × contagem paralela

A contagem final também deve satisfazer os requisitos de tensão, capacidade, corrente, tamanho, peso e proteção.

Conclusão

O cálculo da capacidade da bateria de íons de lítio começa com a compreensão da diferença entre conexões em série e paralelas.

As fórmulas principais são:

Tensão do pacote = Tensão da célula × Contagem de séries

Capacidade do pacote = Capacidade da célula × Contagem paralela

Total de células = contagem de séries × contagem paralela

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

Por exemplo, usando células de 3,7 V e 1000 mAh:

• 1S1P = 3,7V, 1000mAh

• 2S1P = 7,4V, 1000mAh

• 1S2P = 3,7V, 2.000mAh

• 2S2P = 7,4V, 2.000mAh

Esses cálculos fornecem o ponto de partida para o projeto de uma bateria. A bateria final ainda deve ser verificada quanto à demanda atual, correspondência de células, capacidade utilizável, requisitos de BMS, ajuste mecânico, compatibilidade de carregamento e viabilidade de produção.

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