Baterias série versus paralelas: qual configuração se adapta a um dispositivo OEM?

A forma como as células de íons de lítio são conectadas determina o comportamento elétrico básico de uma bateria.

• As conexões em série aumentam a tensão.

• Conexões paralelas aumentam a capacidade e a capacidade atual.

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

Para um dispositivo OEM, a configuração correta da bateria deve corresponder a:

• Faixa de tensão do dispositivo

• Capacidade necessária

• Corrente contínua e de pico

• Alvo de tempo de execução

• Projeto do carregador

• Requisitos BMS ou PCM

• Espaço de instalação disponível

• Peso e limites térmicos

• Requisitos de produção e teste

Escolher entre série e paralelo não é, portanto, apenas um cálculo elétrico. É uma decisão de design em nível de sistema.

Resposta rápida: baterias em série vs. baterias paralelas

Por exemplo, usando células de 3,7 V e 2.500 mAh:

• 2S1P = 7,4V, 2500mAh

• 1S2P = 3,7V, 5000mAh

• 2S2P = 7,4V, 5000mAh

A configuração correta depende da tensão alvo, capacidade, corrente e projeto mecânico.

1. O que significam “S” e “P”?

A configuração da bateria é comumente escrita usando as letras S e P.

S significa série

O número antes de S indica o número de células ou grupos de células conectados em série.

Exemplos:

• 1S: um grupo de células em série

• 2S: dois grupos de células em série

• 3S: três grupos de células em série

• 4S: quatro grupos de células em série

As conexões em série aumentam a tensão.

P significa paralelo

O número antes de P indica o número de células conectadas em paralelo dentro de cada grupo de séries.

Exemplos:

• 1P: uma célula em cada grupo paralelo

• 2P: duas células em paralelo

• 3P: três células em paralelo

• 4P: quatro células em paralelo

Conexões paralelas aumentam a capacidade e a capacidade atual.

Contagem total de células

O número total de células é:

Total de células = S × P

Por exemplo:

• 2S1P = 2 células

• 1S2P = 2 células

• 2S2P = 4 células

• 3S2P = 6 células

2. Como funcionam as baterias em série

Células conectadas em série são conectadas de ponta a ponta. O terminal positivo de uma célula se conecta ao terminal negativo da próxima célula.

Para células correspondentes em série:

Tensão do pacote = Tensão da célula × Número de células em série

A capacidade de amp-hora permanece aproximadamente igual à capacidade de uma célula ou de um grupo paralelo.

Exemplo: Pacote 2S1P

Suponha que cada célula tenha:

• Tensão nominal: 3,7 V

• Capacidade: 2500mAh

Um pacote 2S1P fornece:

• Tensão: 3,7 V × 2 = 7,4 V

• Capacidade: 2500mAh

• Energia: 7,4 V × 2,5 Ah = 18,5 Wh

O resultado é:

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

Exemplo: Pacote 3S1P

Usando as mesmas células:

• Tensão: 3,7 V × 3 = 11,1 V

• Capacidade: 2500mAh

• Energia: 11,1 V × 2,5 Ah = 27,75 Wh

O resultado é:

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

Uma configuração em série é adequada quando o dispositivo ou sistema de energia requer uma tensão nominal mais alta.

3. Como funcionam as baterias paralelas

Células conectadas em paralelo têm seus terminais positivos conectados entre si e seus terminais negativos conectados entre si.

Para células correspondentes em paralelo:

Capacidade do pacote = Capacidade da célula × Número de células em paralelo

A tensão permanece aproximadamente igual à tensão de uma célula ou grupo em série.

Exemplo: Pacote 1S2P

Suponha que cada célula tenha:

• Tensão nominal: 3,7 V

• Capacidade: 2500mAh

Um pacote 1S2P fornece:

• Tensão: 3,7V

• Capacidade: 2.500mAh × 2 = 5.000mAh

• Energia: 3,7 V × 5 Ah = 18,5 Wh

O resultado é:

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

Uma configuração paralela é adequada quando o dispositivo opera na mesma tensão que uma célula ou grupo em série, mas precisa de mais capacidade, tempo de execução mais longo ou capacidade de corrente mais alta.

4. Série vs. Paralelo: O que muda?

As fórmulas detalhadas de capacidade são abordadas em Como calcular a capacidade da bateria de íons de lítio.

5. O que é uma bateria série paralela?

A maioria das baterias OEM personalizadas usa uma combinação de conexões em série e paralelas.

Um pacote série paralela usa:

• Conexões em série para atingir a tensão necessária;

• Conexões paralelas para atingir a capacidade necessária e a capacidade atual.

Exemplo: Pacote 2S2P

Usando quatro células de 3,7 V e 2.500 mAh:

• Contagem de séries: 2

• Contagem paralela: 2

• Total de células: 4

• Tensão nominal: 7,4 V

• Capacidade: 5000mAh

• Energia: 37Wh

Cálculo:

3,7 V × 2 = 7,4 V

2.500mAh × 2 = 5.000mAh

7,4 V × 5 Ah = 37 Wh

O resultado é:

7,4V, 5000mAh, 37Wh

Uma configuração 2S2P pode ser apropriada para um dispositivo OEM que precisa de uma plataforma de 7,4 V e mais energia do que um pacote 2S1P pode fornecer.

6. Comparação prática usando as mesmas duas células

Usando duas células idênticas de 3,7 V e 2500 mAh, as células podem ser conectadas de diferentes maneiras.

Ambas as configurações contêm aproximadamente a mesma energia nominal porque utilizam as mesmas duas células. No entanto, eles não são intercambiáveis.

O dispositivo deve ser projetado para:

• Tensão de entrada;

• Tensão de carregamento;

• Atual;

• BMS;

• Conector;

• Disposição mecânica.

Este é um ponto importante para o design OEM: duas baterias podem ter watts-hora semelhantes, mas ainda assim serem inadequadas para o mesmo produto.

7. Quando um dispositivo OEM deve usar uma configuração em série?

Uma configuração em série é geralmente considerada quando o dispositivo requer uma tensão mais alta do que uma célula pode fornecer.

Os motivos típicos incluem:

• O motor ou sistema de potência requer uma tensão mais alta;

• Tensão mais alta pode reduzir a corrente para um determinado nível de potência;

• O aparelho já utiliza arquitetura elétrica 2S, 3S ou 4S;

• Uma entrada de tensão mais alta é necessária para um conversor ou controlador de motor;

• Os componentes do sistema disponíveis são projetados para uma plataforma de tensão definida.

Para uma carga de potência constante:

Corrente = Potência ÷ Tensão

Com a mesma potência, uma tensão mais alta da bateria pode reduzir a corrente consumida da bateria. Isto pode afetar o dimensionamento do condutor, a seleção do conector e o projeto de gerenciamento de energia.

No entanto, tensão mais alta não significa automaticamente melhor desempenho. A eletrônica do dispositivo, o carregador, o isolamento, o BMS e o controlador do motor devem suportar a tensão selecionada.

Para comparações práticas de nível de tensão, consulte Pacotes de baterias de 7,4 V x 11,1 V x 14,8 V.

8. Quando um dispositivo OEM deve usar uma configuração paralela?

Uma configuração paralela é geralmente considerada quando o dispositivo necessita de mais capacidade ou corrente mais alta na mesma tensão nominal.

Os motivos típicos incluem:

• Tempo de execução necessário mais longo;

• Maior corrente contínua;

• Demanda curta de alta corrente;

• Mais energia dentro da mesma plataforma de tensão;

• Utilização de cela com capacidade individual limitada;

• Precisa distribuir a corrente por várias células.

Células paralelas podem compartilhar corrente, mas o projeto ainda deve levar em conta:

• Correspondência de células;

• Distribuição atual;

• Resistência de conexão;

• Temperatura celular;

• Qualidade de soldagem;

• BMS ou projeto de proteção;

• Suporte mecânico.

Células paralelas não devem ser tratadas como automaticamente idênticas. Diferenças na resistência interna ou no estado de carga podem afetar o compartilhamento atual e a consistência do pacote a longo prazo.

9. Requisitos de correspondência de células

As baterias em série e paralelas requerem células compatíveis.

As células usadas na mesma embalagem devem corresponder a características relevantes, como:

• Modelo;

• Capacidade nominal;

• Tensão;

• Resistência interna;

• Lote de produção;

• Condição de envelhecimento;

• Histórico de temperatura.

Por que a correspondência é importante em pacotes de séries

Em um pacote em série, a célula mais fraca pode atingir seu limite superior ou inferior de tensão antes das outras células. Isto pode reduzir a capacidade utilizável do pacote e causar corte prematuro da proteção.

Por que a correspondência é importante em pacotes paralelos

Em um grupo paralelo, células com voltagem ou resistência interna diferentes podem não compartilhar a corrente uniformemente. Uma célula pode transportar mais carga ou receber mais corrente de carga do que outra.

Para obter mais informações sobre inconsistência de embalagens e diferenças de células, consulte Por que as baterias de íons de lítio se tornam inconsistentes e o que fazer.

10. Requisitos BMS para pacotes em série e paralelos

O sistema de gerenciamento de bateria deve corresponder à configuração do pacote.

Pacotes de séries

Um pacote com múltiplas células em série geralmente requer monitoramento de grupos de células individuais.

O BMS pode precisar fornecer:

• Monitoramento de tensão celular;

• Equilíbrio celular;

• Proteção contra sobrecarga;

• Proteção contra descarga excessiva;

• Proteção contra sobrecorrente;

• Proteção contra curto-circuito;

• Monitoramento de temperatura.

À medida que a contagem da série aumenta, o BMS deve ser projetado para o número correspondente de células.

Pacotes Paralelos

Células paralelas podem compartilhar o mesmo ponto de medição de tensão, mas o BMS ou sistema de proteção ainda precisa levar em conta:

• Corrente total;

• Correspondência de células;

• Temperatura;

• Comportamento de carregamento;

• Resistência de conexão;

• Condições de falha.

Pacotes Série-Paralela

Um pacote série-paralelo normalmente exige que o BMS monitore cada grupo de série enquanto gerencia a corrente total do pacote.

O BMS deve ser selecionado durante a fase de projeto da bateria, e não adicionado após a configuração da célula ser finalizada.

11. Requisitos de cobrança

As configurações em série e paralela exigem diferentes considerações de carregamento.

Carregamento em série

O carregador deve suportar a tensão total em série.

Por exemplo:

• Pacote 1S: carregador projetado para uma célula;

• Pacote 2S: carregador projetado para bateria 2S;

• Pacote 3S: carregador projetado para bateria 3S;

• Pacote 4S: carregador projetado para bateria 4S.

Um carregador projetado para uma única célula não deve ser usado diretamente com um pacote multissérie.

Carregamento paralelo

Um pacote paralelo ainda usa a tensão de uma célula ou de um grupo em série, mas o sistema de carregamento pode precisar fornecer mais corrente ou aceitar um tempo de carregamento mais longo.

Carregamento série-paralelo

O sistema de carregamento deve corresponder a ambos:

• Tensão total em série;

• Capacidade do pacote e requisitos de corrente de carga.

O carregador, a bateria e o BMS devem ser testados como um sistema.

12. Combine a configuração com o dispositivo OEM

A configuração correta depende dos requisitos reais do dispositivo.

Este é apenas um guia de seleção preliminar. A configuração final também deve ser verificada em relação à demanda atual, dimensões, carga, temperatura e requisitos de produção.

13. Exemplo OEM: Escolhendo uma configuração para um dispositivo de 7,4 V

Suponha que um produto OEM exija:

• Tensão nominal: aproximadamente 7,4 V;

• Capacidade alvo: 5000 mAh;

• Corrente contínua: moderada;

• Compartimento de bateria retangular compacto;

• Operação recarregável;

• Monitoramento em nível de célula.

Uma configuração preliminar poderia ser:

2S2P usando células de 3,7 V, 2.500 mAh

Cálculo:

• Tensão: 3,7 V × 2 = 7,4 V;

• Capacidade: 2.500mAh × 2 = 5.000mAh;

• Total de células: 2 × 2 = 4 células;

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

A equipe de design deve então confirmar:

• Se a faixa de tensão 2S é compatível com o dispositivo;

• Se é necessário um BMS 2S com balanceamento;

• Se as células podem suportar a corrente;

• Se o carregador foi projetado para 2S;

• Se o pacote cabe no gabinete;

• Se o conector suporta a corrente necessária;

• Se a bateria passa nos testes planejados.

ZERNE A página da bateria de lítio de 7,4 V pode ser usada como referência de nível de produto para configurações de bateria 2S, enquanto os projetos personalizados devem ser avaliados em relação ao dispositivo OEM real.

14. Exemplo de configuração para um dispositivo de tensão mais alta

Suponha que outro produto OEM exija:

• Tensão nominal: aproximadamente 11,1 V;

• Capacidade: 5000mAh;

• Saída estável durante operação contínua.

Uma configuração preliminar poderia ser:

3S2P usando células de 3,7 V, 2500 mAh

Cálculo:

• Tensão: 3,7 V × 3 = 11,1 V;

• Capacidade: 2.500mAh × 2 = 5.000mAh;

• Total de células: 3 × 2 = 6 células;

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

Um pacote de 11,1 V requer um carregador e um BMS projetado para uma configuração 3S.

Para uma referência de produto existente, consulte o manual da ZERNE Página da bateria de lítio de 11,1 V.

15. Considerações sobre Projeto Mecânico

Conexões em série e paralelas também afetam o layout físico do pacote.

O designer deve considerar:

• Orientação celular;

• Espaçamento celular;

• Pontos de soldagem;

• Barramentos ou condutores;

• Isolamento;

• Localização do BMS;

• Roteamento de cabos;

• Posição do conector;

• Dimensões da habitação;

• Dissipação de calor;

• Pontos de montagem;

• Vibração e impacto.

Uma configuração eletricamente correta pode ainda ser inadequada se não for adequada ao gabinete disponível.

Para embalagens de células cilíndricas, a disposição das células pode afetar a largura, o comprimento e a altura da embalagem. Para pacotes de células-bolsa, as localizações das abas em série e paralelas podem influenciar o layout interno e a saída do cabo.

As folgas detalhadas do compartimento da bateria, as tolerâncias de compressão e expansão devem ser tratadas separadamente em Design do compartimento da bateria LiPo: folga e inchaço.

16. Erros comuns de design em série e paralelo

Erro 1: presumir que a série aumenta mAh

As conexões em série aumentam a tensão, e não normalmente a capacidade de amp-hora.

Erro 2: presumir que o paralelo aumenta a tensão

As células paralelas retêm aproximadamente a mesma voltagem que uma célula ou um grupo em série.

Erro 3: usar um carregador para a contagem de séries errada

Um carregador para um pacote 1S não é adequado para um pacote 2S, 3S ou 4S.

Erro 4: conectar células incompatíveis

Diferentes condições de capacidade, resistência ou envelhecimento podem reduzir a consistência da embalagem e o desempenho utilizável.

Erro 5: Selecionar o BMS após o layout da embalagem

A contagem de séries, a demanda atual e os requisitos de comunicação devem ser conhecidos antes da seleção do BMS.

Erro 6: Comparando apenas mAh

Um pacote de 3,7 V, 5.000 mAh e um pacote de 7,4 V, 5.000 mAh não contêm a mesma quantidade de energia.

Erro 7: Ignorar a corrente de pico

A configuração deve suportar a demanda de pico do dispositivo, e não apenas a sua corrente média.

17. Lista de verificação de baterias em série e paralelas

Antes de aprovar a configuração da bateria, confirme:

• Tensão nominal do dispositivo;

• Tensão mínima e máxima do dispositivo;

• Capacidade alvo;

• Corrente contínua;

• Corrente de pico;

• Contagem de séries necessária;

• Contagem paralela necessária;

• Modelo e capacidade celular;

• Contagem total de células;

• Requisitos de correspondência de células;

• Estrutura BMS ou PCM;

• Compatibilidade do carregador;

• Classificação do conector e do cabo;

• Ajuste mecânico;

• Condições de temperatura;

• Alvo de tempo de execução;

• Requisitos de teste;

• Volume de produção esperado.

Para critérios mais amplos de design de bateria, consulte Projeto da bateria de íons de lítio: tensão, capacidade, BMS e tempo de execução.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre uma bateria em série e uma bateria paralela?

Uma bateria em série aumenta a tensão, enquanto uma bateria em paralelo aumenta a capacidade e a capacidade de corrente. Um pacote série-paralelo combina ambos os efeitos.

Conectar baterias em série aumenta a capacidade?

Normalmente, não. Conectar células de igual capacidade em série aumenta a tensão enquanto a capacidade de amp-hora permanece aproximadamente a mesma.

Conectar baterias em paralelo aumenta a tensão?

Normalmente, não. Conectar células de igual tensão em paralelo aumenta a capacidade, mantendo aproximadamente a mesma tensão.

O que significa 2S2P?

2S2P significa dois grupos de células conectados em série, com duas células conectadas em paralelo em cada grupo. Ele contém quatro células no total.

Qual é a capacidade de um pacote 2S2P usando células de 2500 mAh?

A capacidade do pacote é de aproximadamente 5000 mAh. Se as células tiverem uma tensão nominal de 3,7 V, a tensão do pacote será de aproximadamente 7,4 V.

As baterias em série precisam de um BMS?

As baterias de lítio de várias séries geralmente requerem proteção e balanceamento adequados. A estrutura exata do BMS depende da química da célula, contagem de séries, corrente, carregador e aplicação.

As baterias em série paralela são melhores do que as baterias somente em série ou somente em paralelo?

Não automaticamente. Uma configuração série-paralelo é útil quando o dispositivo requer maior tensão e maior capacidade, mas a escolha final depende da aplicação e das restrições físicas.

Diferentes células de bateria podem ser conectadas em paralelo?

As células não devem ser conectadas casualmente se diferirem em modelo, capacidade, tensão, resistência interna ou condição. Um projeto de bateria qualificado deve usar células compatíveis e devidamente combinadas.

Conclusão

A regra básica para configuração da bateria é:

A série aumenta a tensão.

Paralelo aumenta a capacidade e a capacidade atual.

O paralelo em série aumenta a tensão e a capacidade.

Para um dispositivo OEM, a configuração correta também deve corresponder:

• Faixa de tensão;

• Capacidade e energia;

• Demanda atual;

• Carregador;

• BMS;

• Correspondência de células;

• Espaço mecânico;

• Conector;

• Temperatura;

• Requisitos de teste.

Por exemplo:

• 2S1P fornece tensão mais alta;

• 1S2P fornece maior capacidade na mesma tensão de célula;

• 2S2P fornece maior tensão e maior capacidade.

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