Una sola celda no es suficiente para algunos dispositivos. Para lograr el voltaje deseado, las celdas se conectan en serie para agregar voltaje a las celdas. Para lograr la capacidad deseada, las celdas se conectan en paralelo para obtener una alta capacidad agregando amperios hora (Ah). Esta combinación de celdas se llama batería.
A veces las baterías se utilizan en ambas configuraciones juntas para obtener el voltaje deseado y la alta capacidad. Esta configuración se encuentra en la batería del portátil, que tiene cuatro celdas de iones de litio de 3,6 V conectadas en serie para obtener 14,4 V. Cada celda tiene otra celda conectada en paralelo para obtener el doble de capacidad de 6800 mAh.
Configuración de la batería del portátil.
La batería conectada en la configuración debe tener el mismo voltaje y capacidad, ya que una celda más débil provoca un desequilibrio. En una configuración en serie, la batería es tan fuerte como el eslabón más débil de la cadena de baterías, por lo que la celda de mayor capacidad no puede cargar más que la celda más débil. La celda más débil también se descarga y carga primero, lo que también causa problemas como descarga excesiva y sobrecarga del dispositivo.
Configuración de celda única
La configuración de celda única es la batería más simple. Esta configuración está disponible en reloj de pared, copia de seguridad de memoria y reloj de pulsera. Todos estos dispositivos son de bajo consumo de energía, por lo que utilizan una batería alcalina de 1,5 V. Los teléfonos móviles y tabletas también están disponibles en una configuración de una sola celda con una batería de iones de litio de 3,6 V. La siguiente imagen muestra la configuración de una sola celda. la batería de iones de litio.
Como hemos visto, el voltaje nominal de una sola celda de iones de litio es de 3,6 V. Una batería de níquel tiene un voltaje nominal de 1,2 V y una batería alcalina tiene un voltaje nominal de aproximadamente 1,2 V. 5 V. La otra La batería a base de litio tiene un voltaje entre 3,0 V y 3,9 V. El fosfato de litio tiene 3,2 V y el titanato de litio tiene 2,4 V. El manganeso de litio y otros sistemas a base de litio suelen utilizar voltajes de celda de 3,7 V y superiores.
Configuración en serie
La configuración en serie se utiliza cuando el voltaje de una sola celda no es suficiente. La configuración en serie se obtiene conectando el positivo de una celda al negativo de otra celda, como se muestra en la imagen a continuación. Las cuatro celdas de iones de litio de 3,6 V conectadas en serie proporcionarán 14,4 V, y esta configuración se llama 4S porque cuatro celdas están conectadas en serie.
El número de celdas puede variar dependiendo del voltaje de una sola celda. Una batería de plomo-ácido tiene un voltaje nominal de 2 V, por lo que se necesitan seis celdas conectadas en serie para alcanzar los 12 V. Seis baterías alcalinas con un voltaje de 1,5 V por celda conectadas en serie proporcionarán 9 V.
Si el dispositivo necesita un voltaje impar, por ejemplo 10 V, se pueden conectar tres baterías de iones de litio en serie. Pero cuando el dispositivo necesita iones de litio de 8,5 V, necesita conocer las especificaciones de su dispositivo. Si admite 10 V, se puede conectar directamente; de lo contrario, se utiliza una reducción o un refuerzo para alcanzar los 8,5 V.
Si una celda de una serie es defectuosa, la coincidencia de las celdas es un desafío en un paquete antiguo en el momento del reemplazo de las celdas. La nueva celda tiene mayor capacidad que las demás, lo que provoca un desequilibrio. Es por eso que las baterías comúnmente se reemplazan en las unidades.
El BMS (sistemas de gestión de baterías) o su controlador pueden determinar la batería defectuosa midiendo el voltaje en cada punto de la batería como se muestra a continuación en la imagen. La celda está defectuosa y proporciona 2,8 V en lugar de 3,6 V. Debido a esto, el voltaje de la batería colapsa y el dispositivo se apagará antes de tiempo con un mensaje de batería baja. Puedes arreglar tu batería reemplazando esta celda.
Configuración paralela
Las celdas se conectan en paralelo para cumplir con los requisitos de capacidad de corriente más altos si el dispositivo necesita una corriente más alta pero no hay suficiente espacio disponible para la batería. Este dispositivo puede utilizar una configuración paralela para ajustar una alta capacidad de corriente en un espacio pequeño. La configuración de cuatro celdas en paralelo se llama P4 y las tres celdas conectadas en una configuración en paralelo se llaman P3. La siguiente imagen muestra una configuración P4. El voltaje en el paquete sigue siendo el mismo, pero la capacidad actual (Ah) aumenta.
La celda que desarrolla una alta resistencia o apertura es menos crítica en un circuito en paralelo que en una configuración en serie, pero la celda que falla reducirá la capacidad de corriente total. Por otro lado, un cortocircuito es más grave porque la celda defectuosa drena energía de las otras celdas y provoca un incendio. El corto se produce debido a un sesgo inverso o al crecimiento de dendritas. La celda grande incluye un fusible para desconectar la celda fallida cuando se produce un cortocircuito. En la imagen inferior, la tercera celda del cuadro azul ha fallado y la capacidad se ha reducido a 1500 mAh. No afecta el voltaje, pero reduce la capacidad total.
Configuración serie-paralelo
En esta configuración, las celdas están conectadas en serie y en paralelo. La configuración serie-paralelo puede proporcionar el voltaje y la capacidad deseados en el tamaño más pequeño posible. Puede ver dos celdas de 3,6 V y 3400 mAh conectadas en paralelo en la imagen a continuación, lo que duplica la capacidad actual de 3400 mAh a 6800 mAh. Como estos paquetes paralelos están conectados en serie, el voltaje también se duplica de 3,6 V a 7,2 V. La potencia total de este paquete es ahora de 48,96 Wh. Esta configuración se llama 2SP2. Si la configuración consta de ocho celdas con la configuración 4SP2, dos celdas están en paralelo y cuatro paquetes de esta combinación en paralelo están conectados en serie. La potencia total producida por este pack es de 97,92 Wh.
Protección de la batería
IEC 62133 armonizó los requisitos de seguridad para baterías y celdas a base de níquel y litio para aplicaciones portátiles. Las baterías de iones de litio son las más peligrosas de su categoría porque la química de la batería contiene material explosivo. La protección de la batería es necesaria para evitar cualquier daño debido a descargas de alta corriente, sobrecarga, aumento de temperatura, etc. La protección puede incorporarse a la estructura de la batería o se pueden utilizar circuitos de protección externos para desconectar la batería.
Protección de batería integrada
Algunas baterías vienen con elementos de seguridad dentro de la estructura de la batería. La siguiente imagen ilustra la característica de seguridad de las celdas de iones de litio 18650. PTC (coeficiente térmico positivo) es la resistencia que es muy baja durante la temperatura normal. Pero cuando la temperatura excede la condición crítica, su resistencia aumenta para reducir el flujo de corriente. El PTC tiene una resistencia normal cuando la temperatura cae por debajo del rango crítico.
El CID (dispositivo de interrupción de corriente) es un dispositivo tipo fusible que corta permanentemente el circuito cuando la presión, temperatura o rango de voltaje de la celda excede sus límites. Si la presión interna aumenta aproximadamente 1000 kPa, el disco superior se desconecta de la lámina metálica y desconecta el flujo de corriente. En la parte superior hay una abertura para liberar el gas y se puede volver a cerrar.
Protección integrada.FE
Circuito de protección de batería
Algunas baterías de iones de litio 18650 vienen con un circuito de protección. La función básica del circuito de protección es proteger las baterías contra sobretensión, subtensión, sobrecorriente y sobretemperatura. Esto es parte del BMS. El BMS monitorea el estado de la batería para operaciones más seguras y envía la señal al circuito de protección en caso de falla de la batería. Cuando el circuito de protección está conectado al terminal positivo de la batería, se denomina protección del lado alto. Cuando se conecta al lado negativo de la batería, se llama protección del lado negativo.
A continuación se muestra el diagrama de bloques del circuito de protección. Este es un circuito de protección del lado alto. La configuración de la batería es S4 (cuatro en serie) y se conecta un fusible al lado positivo de la batería para apagarla cuando la corriente excede los límites. Hay monitoreo BMS del voltaje de cada celda para equilibrio y detección de fallas. La unidad de detección de corriente detectará la carga y descargará la corriente que envía al BMS. Si alguna lectura de voltaje o corriente excede los límites, el BMS envía la señal al circuito de protección que apaga la celda con cargador o carga.
Circuito de protección en baterías.
Hay algunos circuitos prefabricados disponibles en el mercado que se adaptan a sus necesidades de voltaje o corriente. Simplemente conozca las especificaciones de corriente y voltaje de los módulos de protección de batería, o también puede construir los suyos propios con MOSFET y BMS disponibles comercialmente.
Referencias
- /aprender/artículo/circuitos_de_seguridad_para_baterías_modernas
