Uma única célula não é suficiente para alguns dispositivos. Para atingir a tensão desejada, as células são conectadas em série para adicionar a tensão das células. Para atingir a capacidade desejada, as células são conectadas em paralelo para obter alta capacidade adicionando amperes-hora (Ah). Essa combinação de células é chamada de bateria.
Às vezes, as baterias são usadas em ambas as configurações juntas para obter a tensão desejada e alta capacidade. Essa configuração é encontrada na bateria do laptop, que possui quatro células de íon-lítio de 3,6 V conectadas em série para obter 14,4 V. Cada célula possui uma outra célula conectada em paralelo para obter o dobro da capacidade de 6800mAh.
Configuração da bateria do laptop.
A bateria conectada na configuração deve ter a mesma tensão e capacidade, pois a célula mais fraca causa desequilíbrio. Numa configuração em série, a bateria é tão forte quanto o elo mais fraco da cadeia de baterias, de modo que a célula de maior capacidade não pode carregar mais do que a célula mais fraca. A célula mais fraca também descarrega e carrega primeiro, o que também causa problemas como descarga excessiva e carga excessiva no dispositivo.
Configuração de célula única
A configuração de célula única é a bateria mais simples. Esta configuração está disponível em relógio de parede, backup de memória e relógio de pulso. Todos esses dispositivos são de baixo consumo de energia, portanto usam uma bateria alcalina de 1,5 V. Celulares e tablets também estão disponíveis em uma configuração de célula única com bateria de íon-lítio de 3,6 V. A imagem abaixo mostra a configuração de célula única da bateria de íon-lítio.
Como vimos, a tensão nominal de uma única célula de íon-lítio é de 3,6 V. Uma bateria à base de níquel tem uma tensão nominal de 1,2 V, e uma bateria alcalina tem uma tensão nominal de cerca de 1,5 V. A outra bateria à base de lítio a bateria tem uma voltagem entre 3,0 V e 3,9 V. O fosfato de lítio tem 3,2 V e o titanato de lítio tem 2,4 V. O manganês-lítio e outros sistemas à base de lítio geralmente usam tensões de célula de 3,7 V e superiores.
Configuração de série
A configuração em série é usada onde a tensão de uma única célula não é suficiente. A configuração em série é obtida conectando o positivo de uma célula ao negativo de outra célula, conforme mostra a imagem abaixo. As quatro células de íons de lítio de 3,6 V conectadas em série fornecerão 14,4 V, e essa configuração é chamada de 4S porque quatro células estão conectadas em série.
O número de células pode variar de acordo com a voltagem de uma única célula. Uma bateria de chumbo-ácido tem uma tensão nominal de 2 V, portanto, são necessárias seis células conectadas em série para atingir 12 V. As seis baterias alcalinas com tensão de 1,5 V por célula conectadas em série fornecerão 9 V.
Se o dispositivo precisar de uma tensão ímpar, por exemplo, 10 V, três baterias de íons de lítio poderão ser conectadas em série. Mas quando o dispositivo precisa de 8,5 V de íon-lítio, você precisa conhecer as especificações do seu dispositivo. Se suportar 10 V, então pode ser conectado diretamente; caso contrário, um buck ou boost é usado para atingir 8,5 V.
Se uma célula de uma série estiver com defeito, a correspondência de células é um desafio em um pacote envelhecido no momento da substituição das células. A nova célula tem capacidade maior que as demais, o que causa desequilíbrio. É por isso que as baterias são comumente substituídas em unidades.
O BMS (Battery Management Systems) ou seu controlador pode determinar a bateria com defeito medindo a voltagem em cada ponto da bateria, conforme mostrado abaixo na imagem. A célula está com defeito, que está dando 2,8 V em vez de 3,6 V. Devido a isso, a voltagem da bateria entra em colapso e o dispositivo desligará mais cedo com uma mensagem de bateria fraca. Você pode consertar sua bateria substituindo esta célula.
Configuração paralela
As células são conectadas em paralelo para atender aos requisitos de capacidade de corrente mais elevados se o dispositivo precisar de uma corrente mais alta, mas não houver espaço suficiente disponível para a bateria. Esse dispositivo pode usar a configuração paralela para ajustar a capacidade de alta corrente em um espaço pequeno. A configuração de quatro células em paralelo é chamada de P4, e as três células conectadas em uma configuração paralela são chamadas de P3. A imagem abaixo mostra uma configuração P4. A tensão no pacote permanece a mesma, mas a capacidade de corrente (Ah) é aumentada.
A célula que desenvolve alta resistência ou abre é menos crítica em um circuito paralelo do que em uma configuração em série, mas a célula com falha reduzirá a capacidade total de corrente. Por outro lado, um curto-circuito é mais grave porque a célula defeituosa drena energia das outras células e provoca um incêndio. O curto ocorre por polarização reversa ou crescimento de dendritos. A célula grande inclui um fusível para desconectar a célula com falha quando ela entrar em curto. Na imagem abaixo, a terceira célula da caixa azul falhou e a capacidade foi reduzida para 1500 mAh. Não afeta a tensão, mas reduz a capacidade total.
Configuração série-paralela
Nesta configuração, as células são conectadas em série e em paralelo. A configuração série-paralelo pode fornecer a tensão e a capacidade desejadas no menor tamanho possível. Você pode ver duas células de 3,6 V 3400mAh conectadas em paralelo na imagem abaixo, o que dobra a capacidade de corrente de 3400 mAh para 6800 mAh. Como esses pacotes paralelos são conectados em série, a tensão também dobra de 3,6 V para 7,2 V. A potência total deste pacote agora é de 48,96 Wh. Esta configuração é chamada de 2SP2. Se a configuração consiste em oito células com a configuração de 4SP2, duas células estão em paralelo e quatro pacotes desta combinação paralela são conectados em série. A potência total produzida por este pacote é de 97,92 Wh.
Proteção em baterias
A IEC 62133 harmonizou os requisitos de segurança para baterias e células à base de níquel e lítio para aplicações portáteis. As baterias de íon-lítio são as baterias mais perigosas em sua categoria porque a química da bateria contém material explosivo. A proteção da bateria é necessária para evitar qualquer dano devido a descarga de alta corrente, sobrecarga, aumento de temperatura, etc. A proteção pode ser incorporada na estrutura da bateria ou o circuito de proteção externo pode ser usado para desconectar a bateria.
Proteção integrada nas baterias
Algumas baterias vêm com recursos de segurança dentro da estrutura da bateria. A imagem abaixo ilustra o recurso de segurança das células de íons de lítio 18650. O PTC (coeficiente térmico positivo) é a resistência que é muito baixa durante a temperatura normal. Mas quando a temperatura ultrapassa a condição crítica, sua resistência aumenta para reduzir o fluxo de corrente. O PTC fica sob resistência normal quando a temperatura cai abaixo da faixa crítica.
O CID (dispositivo de interrupção de corrente) é um dispositivo do tipo fusível que corta permanentemente o circuito quando a faixa de pressão, temperatura ou tensão da célula excede seus limites. Se a pressão interna aumentar cerca de 1.000 kPa, o disco superior se desconecta da folha metálica e desconecta o fluxo de corrente. Há uma abertura na parte superior para liberar o gás e pode ser fechada novamente.
Proteção integrada.FE
Circuito de proteção em baterias
Algumas baterias de íon-lítio 18650 vêm com um circuito de proteção. A função básica do circuito de proteção é proteger as baterias contra sobretensão, subtensão, sobrecorrente e sobre e subtemperatura. Isso faz parte do BMS. O BMS monitora o estado das baterias para operações mais seguras e envia o sinal ao circuito de proteção caso haja alguma falha nas baterias. Quando o circuito de proteção está conectado ao terminal positivo da bateria, ele é chamado de proteção do lado alto. Quando está conectado ao lado negativo da bateria, é chamado de proteção do lado negativo.
O diagrama de blocos do circuito de proteção é fornecido abaixo. Este é um circuito de proteção do lado alto. A configuração da bateria é S4 (quatro em série) e um fusível é conectado ao lado positivo da bateria para desligar a bateria quando a corrente excede os limites. Há monitoramento BMS de cada tensão de célula para balanceamento e detecção de falhas. A unidade de detecção de corrente detectará a carga e descarregará a corrente que envia ao BMS. Se alguma leitura de tensão ou corrente ultrapassar os limites, o BMS envia o sinal para o circuito de proteção que desliga a célula com carregador ou carga.
Circuito de proteção em baterias.
Existem alguns circuitos pré-fabricados disponíveis no mercado que são fixos para suas necessidades de tensão ou corrente. Basta conhecer as especificações de corrente e tensão dos módulos de proteção de bateria, ou você também pode construir o seu próprio com MOSFETs e BMS disponíveis no mercado.
Referências
- /aprender/artigo/circuitos_de_segurança_para_baterias_modernas
