Pack de Baterias

 

PACKS DE BATERIAS

 

 

 

Muitas vezes uma única bateria não é capaz de fornecer a tensão ou a corrente necessária. Nesses casos é necessário montar várias baterias em conjunto.

Esses conjuntos de baterias são popularmente conhecidos como “packs de baterias”.

 

Figura 1 - Pack de baterias com 6 células de Li-Ion

 

Packs de baterias são feitos pela combinação de baterias individuais. Através da combinação de várias células, se obtêm capacidades e tensões diferentes.

A forma como estas células são combinadas determina as especificações finais para cada bateria resultante (pack de bateria).

 

 

Figura 2 - Pack com 40 células Li-Ion para e-bike

 

Figura 3 - Pack com 45 pilhas alcalinas

 

 

Baterias à base de níquel fornecem uma tensão de bateria de 1,2V por célula. Uma bateria de chumbo-ácido fornece 2V por célula e a maioria das baterias de Li-Ion são de 3,2V ou 3,6V. Os sistemas de lítio-manganês e Li-Ion às vezes usam 3,7V como tensão nominal da bateria. Pilhas alcalinas fornecem 1,5V.

Quando a tensão de uma célula não é suficientemente alta para alimentar determinada carga, ligam-se duas ou mais células em série, para obter tensões mais elevadas.

 

Figura 4 - Pack de lítio-polímero para modelismo

 

Em uma conexão em série, o terminal positivo de uma bateria é conectado ao polo negativo de outra bateria e assim sucessivamente. O terminal positivo de uma célula sempre se conecta ao polo negativo da célula seguinte.

 

Figura 5 - Ligação em série

 

Essas conexões em série podem combinar duas células ou centenas de células. O número de células ligadas em série depende da tensão que é necessária.

Para calcular a tensão de um conjunto de células de baterias ligadas em série, basta multiplicar a tensão de uma célula pelo número de células ligadas em série.

 
   

 

 

Numa ligação em série, a capacidade resultante é igual à capacidade individual de cada célula.

 

 

Figura 6 - Pack de baterias ligadas em série

 

Usando células de Li-Ion de 3,7V, se ligamos duas células em série, teremos 7,4V. Se adicionarmos uma célula a mais em série, para um total de três células teremos uma bateria de 11,1V. Com dez células em séries teremos 37V. Com quinze células em série teremos 55,5V.

Uma coisa importante de lembrar é que a tensão nominal de uma bateria ou célula é só um valor de tensão na curva de descarga da bateria. Na realidade, durante o processo de descarga, a bateria apresenta vários valores de tensão.

Uma célula de Li-Ion de 3,7V nominais pode ser carregada até 4,2V e descarregada até 2,5V.

Então se montarmos um pack de baterias com 10 células em série teremos uma tensão de 42V quando totalmente carregado até 25V quando totalmente descarregado.

Se temos um dispositivo que requer pelo menos 30V para operar, então pararíamos de descarregar esse pack em 3,0V por célula, mesmo que a bateria ainda tivesse energia suficiente para ser descarregada até 25V.

Isso equivale a não utilizar cerca de 5% da capacidade total do pack. Podemos achar que 5% não é uma grande coisa, mas e se esse dispositivo necessitasse 35V? Teríamos que parar a descarga quando cada célula chegasse a 3,5V, o que equivaleria a deixar cerca de 40% da capacidade da bateria não utilizada. É por isso que é importante considerar toda a gama de tensão de uma bateria ao calcular quantas células em série são necessárias para um projeto.

Muitos equipamentos eletrônicos como inversores, motores elétricos e outros dispositivos de corrente contínua são projetados para tensões em incrementos de 12V, como um farol de 12V ou uma bicicleta elétrica de 48V.

Este é um resquício de muitos anos, quando as baterias de chumbo-ácido foram usadas para estes tipos de dispositivos de potência.

Baterias de chumbo-ácido usam células que têm uma tensão nominal de 2V. Normalmente ligam-se 6 células em série no interior da bateria de forma a se obter 12V. Essas baterias de 12V são facilmente conectadas em série para criar qualquer outra bateria com incrementos de 12V. O problema que este velho sistema criou para nós é que a maioria das baterias de lítio não consegue dar uma tensão de 12V.

A maioria dos eletrônicos, mas não todos, são capazes de lidar com uma pequena gama de tensões acima ou abaixo de sua tensão nominal.  Por exemplo, um farol de 12V provavelmente funcione relativamente bem com uma tensão de entre 9V e 15V, embora equipamentos mais sensíveis tenham intervalos menores de tensão admissível. Esta gama de tensão nos permite usar uma bateria de lítio cuja tensão de 11,1V é próxima aos 12V.

Por exemplo, bicicletas elétricas são geralmente projetadas para baterias de 24V, 36V ou 48V. Novamente, isso ocorre porque a maioria dos componentes para bicicletas elétricas foram originalmente projetados para baterias de chumbo-ácido.

A bateria de Li-Ion mais comumente aceita para bicicletas elétricas de 24V, são 7 células em série, que criam uma tensão de 25,9V nominal e que na prática varia de aproximadamente de 21V a 29V durante o uso.

Para bicicletas elétricas de 36V, quase todos os fabricantes usam 10 células de Li-Ion em série para criar 37V nominais que vária de aproximadamente 30V a 42V durante o uso.

Quando se trata de bicicletas elétricas de 48V baterias de Li-Ion com 13 células em série costuma ser a configuração mais popular para uma bateria de 48V. Isto resulta em uma tensão nominal de 48,1V e uma tensão sob uso de aproximadamente entre 39V e 54V.

No entanto, com a queda de tensão, a bateria realmente passaria a maioria de seu tempo abaixo de 48V, o que resulta em menos energia.

Por esta razão, muitas baterias de 48V para bicicletas elétricas são feitas agora com 14 células em série o que dá uma tensão nominal de 51,8V e tem uma maior gama de tensão variando de aproximadamente 42V a 58,8V.

Estas baterias são muitas vezes especificadas como baterias de 52V em vez de 48V para significar que elas tem de fato uma tensão maior do que as baterias de Li-Ion de 48V.

Outras indústrias nem sempre tem esse problema de incremento de 12V e essencialmente podem usar qualquer tensão que projetem para seus dispositivos. Ferramentas que usam baterias são um grande exemplo.

Células de LiFePO4 se prestam mais facilmente a incrementos de 12V. Com 3,2V nominais por/célula, combinando-se quatro células de LiFePO4 em série, se criará um pack de tensão de 12,8V nominais, que está muito perto de 12V.

As células de LiFePO4 são bastante populares para veículos elétricos originalmente projetados para baterias de chumbo-ácido de 12V.

Um conjunto de 5 baterias à base de níquel ligadas em série, fornece 6V (6,25V com uma tensão nominal de 1,25V por célula) e um conjunto de 6 baterias fornece 7,2V.

A bateria de chumbo-ácido portátil vem em formato de 3 células (6V) e em 6 células (12V).

A família de baterias Li-Ion tem 3,6V para um conjunto de 1 célula, 7,2V para um conjunto de 2 células e 10,8V para um conjunto de 3 células. As baterias de 3,6V e 7,2V são comumente usadas em telefones celulares; laptops usam conjuntos de 10,8V.

 

 

 

 

Conexões em paralelo são usadas para a obtenção de altas taxas de Ah (ampère hora).

Quando possível, projetistas de conjuntos de baterias preferem usar baterias maiores. Isso não pode ser sempre praticado porque novas químicas de baterias vêm em tamanhos limitados.

Frequentemente, uma conexão paralela é a única opção para aumentar a capacidade da bateria.

Também é necessária a utilização em paralelo se as dimensões do conjunto restringirem o uso de baterias maiores.

Entre as químicas de baterias, a de Li-Ion é a que melhor permite conexão paralela.

Conexões paralelas são feitas conectando os terminais positivos entre si e também os terminais negativos.

 

Figura 7 - Ligação em paralelo

 

Para conectar duas células em paralelo, simplesmente conecta-se o terminal positivo da primeira célula com o terminal positivo da segunda célula e em seguida, conecta-se o terminal negativo da primeira célula para o terminal negativo da segunda célula.

Isto essencialmente cria uma célula maior, porque as duas células agora partilham os mesmos terminais e funcionam como células de uma bateria.

Na ligação em paralelo a corrente do conjunto é igual à soma das correntes de cada bateria. A tensão do conjunto é igual à tensão de uma bateria.

 

 

Duas células Li-Ion, cada uma com uma tensão nominal de 3,7V e capacidade de 3.000mAh, conectadas em paralelo, juntando-se os terminais positivos e, em seguida, seus terminais negativos, criam uma bateria de 3,7V e 6.000mAh.

Adicionando uma célula a mais em paralelo com as duas primeiras, se criará um pack de baterias com 3,7V e 9.000mAh.

 

Figura 8 - Pack de baterias ligadas em paralelo

 

Uma nota importante de segurança: antes de se conectar qualquer célula ou baterias em paralelo, deve-se garantir que elas tenham tensões quase idênticas.

Se as tensões são muito diferentes, isto significa que uma célula está em um estado maior de carga do que o outro.

Quando se conecta células com tensões diferentes, a célula com tensão maior vai descarregar parte de sua energia nas células que estão com tensão menor.

Se a diferença de carga é grande, a célula mais carregada tentará despejar uma grande quantidade de energia de uma só vez dentro da célula de carga inferior.

Este fluxo de corrente alto irá danificar as duas células e pode resultar em células superaquecidas ou até pegando fogo.

 

Figura 9 - Ligação paralela

 

Como exemplo, vamos imaginar que estamos ligando duas baterias em paralelo como mostrado na figura acima.

A primeira bateria está totalmente carregada com 4,2V e a segunda bateria está  descarregada com 2,2V. Vamos supor que as duas baterias tenham uma resistência interna de 10 miliohms (R1 e R2).

Para calcular a corrente inicial (I) utiliza-se a lei de Ohm:

 

I = (VB1-VB2) / (R1+R2)

I = (4,2-2,2) / 0,01=200 A

 

Essa corrente de 200A irá danificar as duas baterias mesmo que ela dure muito pouco tempo.

Na prática nem sempre a diferença de tensão é tão grande e nem as resistências internas são tão pequenas.

Mas mesmo assim, ao ligar duas baterias em paralelo haverá circulação de corrente até que a tensão entre as baterias seja equalizada.

Para que a corrente inicial seja a mais baixa possível, para que as células não sejam danificadas, certifique-se que as células têm tensões semelhantes ou idênticas antes de conectá-las em paralelo.

 

 

 

Até agora vimos que conexões em série aumentam a tensão de uma bateria, mas não afetam a capacidade, enquanto conexões paralelas aumentam a capacidade da bateria, mas não afetam a tensão.

Então, como aumentar tanto a tensão bem como a capacidade simultaneamente? Simplesmente combinando conexões paralelas e em série.

 

Figura 10 - Baterias ligadas em série e paralelo

 

No exemplo da figura acima, temos três conjuntos de baterias ligados em série. Cada conjunto é composto por três baterias ligadas em paralelo. Sendo assim, cada conjunto de três baterias ligadas em paralelo, pode ser considerado uma única bateria de 3,7V e 9.000mAh. Ligando-se estes três conjuntos em série obtêm-se 11,1V e 9.000mAh.

Para falar sobre a montagem desses packs usamos abreviaturas. A ligação em série é indicada por “s” e a ligação em paralelo é indicada por “p”.

A bateria que criamos no exemplo acima poderia ser nomeada como uma bateria 3s3p, pois tem três conjuntos em série, sendo cada conjunto com três células em paralelo.

Se usarmos as mesmas células do exemplo da figura 10 para criar uma bateria 10s4p, teríamos um pack de baterias de 37V e 12Ah, que podemos calcular como:

 

Tensão = 10 células em série x 3,7V por célula = 37V

Capacidade  = 4 células em paralelo x 3Ah por célula = 12Ah

Um pack de baterias 13s4p, usando células de Li-Ion de 3,7V e 3Ah teria as seguintes especificações:

 

Total de tensão = 13 células em série x 3,7V por célula = 48,1V

Capacidade total = 4 células em paralelo x 3Ah por célula = 12Ah

 

Figura 11 - Tipos de ligação em série e em paralelo

 

Existem duas formas de se ligar baterias em série e paralelo como mostrado na figura acima.

No pack A da figura 11, primeiro liga-se as baterias em paralelo e depois em série. No pack B, primeiro liga-se as baterias em série e depois em paralelo.

Se todas as baterias tivessem a mesma capacidade, as duas formas de se ligar as células seriam equivalentes.

Porém na prática nem sempre isso ocorre. Quanto maior o numero de células num pack de baterias, maior a probabilidade de haver células com capacidades diferentes.

No exemplo da figura 11 se todas as células tivessem 2Ah, a capacidade do pack A e do pack B seria 8Ah. Porém, se em cada pack tivermos três células com a capacidade reduzida para 1Ah, o pack A teria 7Ah enquanto o pack B teria apenas 5Ah.

Portanto é preferível ligar primeiro as células em paralelo e depois colocar os conjuntos em série como no pack A.