Ligando Várias Baterias - Dicas Úteis

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.

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.

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 1 –Ligando Baterias 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.

No exemplo da figura 1, três baterias de chumbo de 12V e 7Ah são ligadas em série. A tensão resultante é de 36V e a capacidade resultante é de 7Ah.

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.

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 cinco 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.

Figura 2 –Ligando Baterias em Paralelo

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.

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.

No exemplo da figura 2, três baterias de chumbo de 12V e 7Ah são ligadas em paralelo. A tensão resultante é de 12V e a capacidade resultante é de 21Ah.

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 3 - Pack de Baterias Ligadas em Paralelo

Uma nota importante de segurança: antes de se conectar qualquer célula ou bateria 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.

Como exemplo, vamos imaginar que estamos ligando duas baterias em paralelo como mostrado na figura 4.

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).

Figura 4 – Momento Inicial da Ligação Paralela

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 5 – Ligando Baterias 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.

Existem duas formas de se ligar baterias em série e paralelo como mostrado na figura 6.

Figura 6 - Tipos de Ligação em Série e em Paralelo

No conjunto A da figura 6, primeiro liga-se as baterias em paralelo e depois em série. No conjunto 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 conjunto de baterias, maior a probabilidade de haver células com capacidades diferentes.

No exemplo da figura 6 se todas as células tivessem 2Ah, a capacidade do conjunto A e do conjunto pack B seria 8Ah. Porém, se em cada conjunto tivermos três células com a capacidade reduzida para 1Ah, o conjunto A teria 7Ah enquanto o conjunto B teria apenas 5Ah.

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

Fonte: https://www.sta-eletronica.com.br/artigos/baterias-em-geral/packs-de-baterias/ligando-varias-baterias-dicas-uteis