¿Baterías en Serie y Paralelo?

¿Cómo conectar baterías para incrementar el voltaje o lograr mayor capacidad?

Las baterías logran la operación deseada mediante la conexión de varias celdas en serie; cada celda suma su potencial de voltaje para lograr el voltaje total en las terminales. La conexión en paralelo consigue mayor capacidad por la adición del total de amperes-hora (Ah).

Algunos conjuntos pueden consistir en una combinación de conexiones en serie y en paralelo. Las baterías para Laptop comúnmente tienen cuatro celdas de 3.6V Li-ion en serie para lograr el voltaje nominal de 14.4V y dos en paralelo para impulsar la capacidad desde 2,400mAh hasta 4,800mAh. Esa configuración es llamada 4s2p, que significa cuatro celdas en serie y dos en paralelo. Una lámina aislante entre las celdas impide que la cubierta metálica conductora cause un cortocircuito.

La mayoría de las químicas de batería se prestan para conexiones en serie y en paralelo. Es importante usar el mismo tipo de batería con igual voltaje y capacidad (Ah) y nunca mezclar diferentes modelos y tamaños. Una celda más débil causaría un desbalance. Esto es particularmente crítico en la configuración en serie porque la batería es apenas tan fuerte como la celda más débil de la cadena. Una analogía es una cadena en la cual los eslabones representan las celdas de una batería conectada en serie.

Una celda débil puede no fallar inmediatamente, pero se agotará más rápidamente que las más fuertes cuando esté conectada a un consumo. En la carga, la celda baja se llena más rápido que las fuertes porque hay menos para llenar y permanece en “sobre-carga” por más tiempo que las otras. En descarga, la celda débil se vacía primero y resulta golpeada por sus hermanos más fuertes. Las celdas en empaques múltiples deben ser coincidentes, especialmente bajo condiciones de consumo pesado.

Aplicaciones de Celda única

La configuración de celda única es la batería más simple, la celda no necesita parearse con otras y el circuito de protección en una celda pequeña de Li-ion puede ser sencillo. Ejemplos típicos son los teléfonos móviles y las tabletas con una celda de 3.60V Li-ion. Otros usos de celda única son los relojes de pared, que típicamente usan una celda alcalina de 1.5V, relojes de pulsera y respaldos de memoria, la mayoría de los cuales son aplicaciones de baja potencia.

El voltaje nominal de una celda de batería basada en níquel es 1.2V, de una alcalina es 1.5V, de una de óxido de plata es 1.6V y en una de plomo-ácido es 2.0V. Las baterías primarias de litio están en el rango de 3.0Vy 3.9V. En Li-ion es 3.6V, en Li-fosfato es 3.2V y en Li-titanato es 2.4V.

Li-manganeso y otros sistemas basados en litio a menudo usan voltajes de celda de 3.7V y más altos. Esto tiene menos que ver con la química que con promover un mayor watt-hora (Wh), el cual se hace posible con un mayor voltaje. El argumento es que una celda con baja resistencia interna mantiene el voltaje frente a un gran consumo. Para propósitos operacionales estas celdas funcionan como candidatos para 3.6V.

Conexión en Serie

El equipo portátil que necesita voltajes mayores usa conjuntos de baterías con dos o más celdas conectadas en serie. La Figura 2 muestra un empaque de batería con cuatro celdas de 3.6V Li-ion en serie, también conocido como 4S, para producir 14.4V nominales. En comparación, una serie de seis celdas de plomo ácido con 2V/celda generará 12V, y cuatro alcalinas con 1.5V/celda darán 6V.

Si usted necesita un voltaje raro, digamos, 9.50 volts, conecte cinco celdas de plomo acido, ocho de NiMH o NiCd, o tres Li-ion en serie. El voltaje final de la batería no necesita ser exacto siempre que sea mayor a lo que especifica el aparato. Un suministro de 12V podría trabajar en lugar de uno de 9.50V. La mayoría de los aparatos operados por batería pueden tolerar algo de sobre voltaje; sin embargo, el voltaje de fin de descarga debe ser respetado.

Las baterías de alto voltaje mantienen pequeño el tamaño del conductor. Las herramientas inalámbricas funcionan con baterías de 12V y 18V; los modelos de alta gama usan 24V y 36V. Muchas bicicletas eléctricas vienen con 36V Li-ion, y algunas con 48V. La industria del automóvil quiso incrementar la batería de 12V (14V) a 36V, más conocida como 42V, colocando 18 celdas de plomo ácido en serie. La logística de cambiar los componentes eléctricos y los problemas de chispeo en los interruptores mecánicos detuvieron la iniciativa.

Algunos autos híbridos emplean 48V Li-ion y usan conversión CC-CC a 12V para el sistema eléctrico. El arranque del motor a menudo se hace con una batería de plomo y ácido en 12V separada. Los primeros autos híbridos usaban baterías de 148V; los vehículos eléctricos típicamente tienen 450–500V. Tales baterías necesitan más de 100 celdas de Li-ion conectadas en serie.

Las baterías de alto voltaje requieren una coincidencia cuidadosa de celdas, especialmente cuanto se conectan consumos pesados o cuando se opera a bajas temperaturas. Con múltiples celdas conectadas en serie, la posibilidad de fallo de una celda es real y eso causaría un problema. Para evitar que esto suceda, en algunos empaques grandes un interruptor de estado sólido hace bypass a la celda fallada para permitir que siga fluyendo la corriente, a pesar del menor voltaje resultante.

La coincidencia de celdas es un desafío cuando se reemplaza una celda fallada en un empaque envejecido. Una celda nueva tiene mayor capacidad que las otras, causando un desbalance. La construcción soldada agrega complejidad a la reparación, y ésta es la razón por la cual los paquetes de batería usualmente se reemplazan como una unidad.

Las baterías de alto voltaje en vehículos eléctricos, en los cuales un reemplazo completo sería prohibido, se dividen en módulos, cada uno de ellos consistente en un número específico de celdas. Si una celda falla, solo el modulo afectado debe ser reemplazado. Un leve desbalance puede ocurrir si el nuevo módulo viene equipado con celdas nuevas.

Las baterías en drones y controles remotos para aficionados, que requieren un alto consumo de corriente, a menudo presentan una caída de voltaje inesperada si una celda de la serie es débil. Extraer la máxima corriente estresa las celdas débiles, llevándolas a una posible falla. Leer el voltaje luego de una carga no identifica esta anomalía, sin embargo puede lograrse examinando el balance de celdas o chequeando la capacidad con un analizador de batería.

Conexión en Paralelo

Si se requieren altas corrientes y no hay disponibles celdas más grandes o no cumplen la restricción de diseño, una o más celdas pueden conectarse en paralelo. La mayoría de las químicas de las baterías permiten configuraciones en paralelo con pequeños efectos colaterales. La Figura  ilustra cuatro celdas conectadas en paralelo en un arreglo P4. El voltaje nominal del conjunto ilustrado permanece en 3.6 V, pero la capacidad (Ah) y el tiempo de funcionamiento se cuadruplican.

Una celda que desarrolla una alta resistencia o que se corta es menos crítica en un circuito en paralelo que en una configuración en serie, pero una celda que falla reducirá la capacidad total de suministro. Es como un motor a explosión que funciona con sólo tres en lugar de sus cuatro cilindros. Un cortocircuito eléctrico, por otra parte, es más serio ya que la celda fallada drena la energía de las otras celdas, causando un peligro de fuego. Muchos de esos cortocircuitos eléctricos son suaves y se manifiestan como una elevada “auto descarga”.

Un cortocircuito total puede ocurrir a través de la polarización reversa o el crecimiento de dendritas. Los conjuntos grandes suelen incluir un fusible que desconecta la celda fallada del paralelo si se pone en corto. La Figura 5 ilustra una configuración en paralelo con una celda fallada.

Conexión Serie/Paralelo

La configuración serie/paralelo mostrada en la Figura 6 permite flexibilidad de diseño y alcanza el voltaje y corriente deseados con un tamaño estándar de celda. La potencia total es el producto por la corriente: cuatro celdas de 3.6V (nominal) multiplicado por 3,400mAh producen 12.24Wh. Cuatro celdas de energía 18650 de 3,400mAh cada una pueden ser conectadas en serie y paralelo como se muestra para obtener 7.2V nominales y 12.24Wh. La celda delgada permite flexibilidad de diseño en el empaque pero un Circuito protector se hace necesario.

El ion de litio (Li-ion) se presta bien a configuraciones en serie/paralelo pero las celdas necesitan monitoreo para quedar dentro de los límites de voltaje y corriente. Circuitos integrados (ICs) para varias combinaciones de celdas están disponibles para supervisar hasta 13 celdas de Li-ion. Empaques más grandes requieren circuitos a la medida, y esto aplica a baterías de bicicletas eléctricas, autos híbridos y el Tesla Modelo 85 que devora más de 7000 celdas 18650 para armar el empaque de 90kWh.

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