La configurazione determina ciò che la batteria aumenta: il collegamento delle celle in serie aumenta la tensione totale, mentre il collegamento in parallelo aumenta la capacità in ampere-ora (Ah). Tre celle da 2 V in serie producono circa 6 V, mentre tre celle identiche da 2 V e 10 Ah in parallelo rimangono a circa 2 V, ma forniscono 30 Ah. Negli assemblaggi pratici in laboratorio, l'abbinamento delle celle, la resistenza di contatto e il bilanciamento determinano quanto le prestazioni misurate si avvicinino a questi valori ideali.
La serie somma la tensione; il parallelo somma la capacità. La capacità in serie è effettivamente limitata dalla cella più debole, mentre i gruppi in parallelo condividono la corrente e sommano i rispettivi valori in Ah quando le celle sono adeguatamente abbinate.
Come i collegamenti in serie modificano le prestazioni della batteria
Le celle in serie aumentano la tensione
Un collegamento in serie unisce il terminale positivo di una cella al terminale negativo della successiva. Le tensioni delle celle vengono quindi sommate:
- Tre celle da 2 V in serie: circa 6 V
- Quattro celle da 3,7 V in serie: circa 14,8 V nominali
La tensione operativa esatta varia in base alla chimica della cella, allo stato di carica, al carico e alla temperatura.
La capacità in serie non si somma
Per celle identiche collegate in serie, la capacità in Ah del pacco rimane approssimativamente uguale alla capacità di una singola cella.
Ad esempio, quattro celle da 3,7 V e 10 Ah collegate in serie producono circa:
- 14,8 V
- 10 Ah
- 148 Wh di energia nominale
La stringa in serie può fornire una tensione più elevata, ma non offre una capacità in Ah quattro volte superiore.
La cella più debole limita la stringa
In una stringa reale di celle in serie, la capacità utilizzabile è determinata dalla cella che raggiunge per prima il proprio limite superiore di tensione durante la carica o il proprio limite inferiore di tensione durante la scarica.
Una cella con capacità inferiore, resistenza interna più elevata o uno stato di carica diverso può quindi ridurre l'energia utilizzabile dell'intera stringa.
Come i collegamenti in parallelo modificano le prestazioni della batteria
Le celle in parallelo aumentano la capacità
Un collegamento in parallelo unisce tra loro i terminali positivi e i terminali negativi. La tensione rimane approssimativamente quella di una singola cella, mentre le capacità si sommano:
- Tre celle da 2 V e 10 Ah in parallelo: circa 2 V, 30 Ah
- Due celle da 3,7 V e 5 Ah in parallelo: circa 3,7 V, 10 Ah
Le celle in parallelo possono inoltre condividere la corrente di carico, rendendo questa configurazione utile quando è necessaria una maggiore capacità di corrente.
I collegamenti in parallelo riducono la resistenza effettiva
Per celle ragionevolmente ben abbinate, il collegamento in parallelo riduce la resistenza interna effettiva del gruppo, poiché la corrente viene distribuita tra più percorsi conduttivi.
Ciò può migliorare la stabilità della tensione sotto carico e aumentare la potenza disponibile, sebbene differenze nella resistenza delle celle possano causare una distribuzione non uniforme della corrente.
Gli assemblaggi serie-parallelo combinano entrambi gli effetti
I moduli batteria utilizzano spesso una struttura serie-parallelo, indicata come P × S o S × P.
Ad esempio, una configurazione 5P95S che utilizza celle da 10 Ah fornisce circa:
- Cinque celle in parallelo: 50 Ah per gruppo in parallelo
- Novantacinque gruppi in serie: tensione pari a 95 volte la tensione della cella
- Per celle LFP con una tensione nominale di circa 3,2 V: circa 304 V e 50 Ah
Il numero di celle in parallelo determina la capacità e la capacità di condivisione della corrente; il numero di celle in serie determina la tensione.
Cosa significa per l'assemblaggio in laboratorio
Definisci prima l'obiettivo elettrico
La tensione desiderata del sistema determina il numero di celle o gruppi collegati in serie. La capacità in Ah e la capacità di corrente richieste determinano quante celle vengono posizionate in parallelo.
Questa separazione rende il progetto più facile da valutare:
- Numero di celle in serie: controlla la tensione
- Numero di celle in parallelo: controlla la capacità in Ah e la condivisione della corrente
- Chimica della cella: determina la tensione nominale, i limiti operativi e i requisiti di carica
Abbina le celle prima di collegarle
Le celle utilizzate nello stesso assemblaggio serie-parallelo dovrebbero essere abbinate attentamente in base a:
- Capacità
- Tensione iniziale
- Stato di carica
- Resistenza interna
- Comportamento in funzione della temperatura
Un rivestimento uniforme degli elettrodi, una densità di pressatura costante, un fissaggio affidabile dei terminali e una sigillatura ripetibile contribuiscono a ridurre la variazione tra le celle.
Misura ogni cella individualmente
Un sistema di test da laboratorio dovrebbe caratterizzare le celle prima dell'assemblaggio, invece di basarsi soltanto sulle specifiche nominali.
Le misurazioni utili includono:
- Capacità durante la carica e la scarica controllate
- Tensione a circuito aperto o tensione iniziale
- Resistenza interna
- Risposta alla temperatura
- Comportamento durante i cicli
Il test individuale identifica le celle che potrebbero diventare gli elementi limitanti di una stringa in serie o causare una condivisione non uniforme della corrente in un gruppo in parallelo.
Controlla la qualità dei contatti fisici ed elettrici
Le attrezzature di assemblaggio, le presse, le crimpatrici e i componenti di collegamento dovrebbero mantenere una pressione meccanica costante e contatti elettrici affidabili a bassa resistenza.
Contatti scadenti o non uniformi possono introdurre una resistenza erroneamente attribuita alle celle stesse, alterando le misurazioni di potenza, efficienza, riscaldamento e capacità.
Perché cambiano anche energia e potenza
L'energia nominale è approssimativamente additiva
L'energia della batteria può essere stimata come:
[ \text{Energia (Wh)} \approx \text{Tensione (V)} \times \text{Capacità (Ah)} ]
Sia che le celle siano disposte in serie o in parallelo, l'aggiunta dello stesso numero di celle identiche produce approssimativamente la stessa energia nominale totale. La configurazione determina se tale energia si manifesta a una tensione più elevata o a una capacità maggiore.
L'energia effettivamente utilizzabile dipende dai limiti di tensione, dalla resistenza, dalla temperatura, dal bilanciamento e dalla cella che limita per prima il funzionamento.
La serie favorisce i sistemi a tensione più elevata
Una configurazione in serie consente al sistema di raggiungere una tensione target senza richiedere una corrente molto elevata per un determinato livello di potenza.
Poiché:
[ \text{Potenza (W)} = \text{Tensione (V)} \times \text{Corrente (A)} ]
una tensione più elevata può ridurre la corrente necessaria per la stessa potenza, a condizione che i sistemi di isolamento, commutazione, misurazione e sicurezza siano progettati per quella tensione.
Il parallelo favorisce una maggiore capacità di corrente
I gruppi in parallelo aumentano la capacità in Ah e consentono di condividere la corrente tra le celle. Ciò può ridurre la caduta di tensione e il riscaldamento di ciascuna cella sotto carico.
Tuttavia, la condivisione della corrente è affidabile solo quando le celle e le interconnessioni presentano una resistenza e una condizione elettrica sufficientemente simili.
Comprendere i compromessi
Le stringhe in serie richiedono bilanciamento e monitoraggio
Le celle collegate in serie non mantengono automaticamente lo stesso stato di carica. Durante la carica, la cella con la tensione o lo stato di carica più elevato può raggiungere per prima il proprio limite superiore; durante la scarica, la cella più debole può raggiungere per prima il proprio limite inferiore.
Senza un monitoraggio e un bilanciamento adeguati, il caricabatterie o il carico devono arrestarsi anticipatamente, lasciando energia utilizzabile nelle altre celle.
I gruppi in parallelo possono presentare una condivisione non uniforme della corrente
Le celle in parallelo sono collegate elettricamente a una tensione comune, ma potrebbero non condividere la corrente in modo uniforme. Differenze nella resistenza interna, nella temperatura, nello stato di carica o nella resistenza dei collegamenti possono far sì che una cella conduca più corrente di un'altra.
Le celle devono pertanto essere abbinate e collegate mediante interconnessioni controllate a bassa resistenza.
Un numero maggiore di celle aumenta la complessità
Un assemblaggio serie-parallelo più grande richiede più connessioni, più punti di misurazione e un numero maggiore di possibili difetti di assemblaggio.
I moduli a tensione più elevata richiedono inoltre isolamento adeguato, rilevamento dei guasti, controllo dei relè, monitoraggio termico e procedure di test sicure.
Non utilizzare i valori nominali come limiti operativi
La tensione nominale di una cella è una classificazione utile, non rappresenta l'intero intervallo di carica o scarica. I protocolli di laboratorio devono utilizzare i limiti di tensione, corrente, temperatura e cutoff specificati per la chimica e il design della cella selezionati.
Per i sistemi agli ioni di litio multicella, un sistema di gestione della batteria generalmente necessita del rilevamento della tensione e della temperatura di ogni cella, della misurazione della corrente, del monitoraggio dello stato di carica, di allarmi per i guasti e di adeguati controlli di protezione.
Scegliere la configurazione giusta per il proprio obiettivo
Scegli la configurazione in base al requisito elettrico e ai limiti delle celle e delle apparecchiature di test.
- Se l'obiettivo principale è una tensione di sistema più elevata: collega in serie celle o gruppi in parallelo abbinati, quindi monitora ogni cella o gruppo in serie per verificare la tensione e lo squilibrio dello stato di carica.
- Se l'obiettivo principale è una maggiore capacità o capacità di corrente: collega in parallelo celle abbinate, utilizzando interconnessioni a bassa resistenza per favorire una condivisione uniforme della corrente.
- Se l'obiettivo principale è una tensione e una capacità definite: utilizza un design serie-parallelo, con il numero di celle in serie che determina la tensione e il numero di celle in parallelo che determina la capacità in Ah.
- Se l'obiettivo principale è ottenere dati di laboratorio affidabili: caratterizza individualmente le celle, controlla la pressione di assemblaggio e la resistenza di contatto e testa il modulo completato in condizioni termiche ed elettriche controllate.
La serie determina la tensione, il parallelo determina la capacità e un abbinamento disciplinato delle celle determina se la batteria assemblata funzionerà in modo sicuro e prevedibile.
Tabella riepilogativa:
| Configurazione | Tensione | Capacità (Ah) | Impatto |
|---|---|---|---|
| Serie | Si somma (ad es., 3×2 V = 6 V) | Uguale a quella di una singola cella | Tensione più elevata, limitata dalla cella più debole |
| Parallelo | Uguale a quella di una singola cella | Si somma (ad es., 3×10 Ah = 30 Ah) | Capacità maggiore, resistenza ridotta, necessità di celle bilanciate |
| Serie-parallelo | La serie determina la tensione | Il parallelo determina la capacità | Tensione e capacità personalizzate, necessità di monitoraggio e bilanciamento |
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