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 lítio íon

 

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 de baterias com 40 células de lítio íon para e-bike

 

 

 

Figura 3 – Pack de baterias com 45 pilhas alcalinas

 

 

Figura 4 - Pack de baterias com células de lítio polímero para veículos elétricos

 

 

 

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 5 – Pack de baterias 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 6 - Ligação em série

 

Essas conexões em série podem combinar apenas 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 em conexão em série.

 

Tensão do pack com baterias em série = Tensão de uma célula x número de células em série.

 

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

 

Figura 7 - Pack de baterias ligadas em série

 

Capacidade do pack com baterias em série = Capacidade de uma célula

  

Numa ligação em série, a corrente que pode ser fornecida pelo pack de baterias é igual à corrente individual que cada célula é capaz de fornecer. Se cada célula é capaz de fornecer uma corrente de 1C, a corrente que o pack de baterias poderá fornecer também será de 1C.

 

Corrente do pack com baterias em série = Corrente de uma célula

 

Usando células de lítio íon 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 37 V. Com quinze células em série teremos 55,5 V.

 

Uma coisa importante a 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 lítio íon 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 e de 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 se ligam 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 íon 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 e abaixo de sua tensão nominal. Por exemplo, um farol de 12V provavelmente funciona 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 íon 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 lítio íon 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 lítio íon 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 lítio íon 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 têm de fato uma tensão maior do que as baterias de lítio íon 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 quatro células de LiFePO4 em série, se criará um pack de baterias 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 lítio íon 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 alta capacidade (Ah) ou alta corrente (A). Frequentemente, uma conexão paralela é a única opção de aumentar a capacidade da bateria. Entre as químicas de baterias, a de lítio íon é a que melhor permite conexão paralela. Conexões paralelas são feitas conectando os terminais positivos entre si e também os terminais negativos.

 

 

Figura 8 - Ligação em paralelo

 

Para conectar duas células em paralelos, 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 capacidade do conjunto é igual à soma das capacidades de cada bateria.

 

 

Capacidade do pack com baterias em paralelo = Capacidade de uma célula x número de células em paralelo.

 

A corrente do pack com baterias ligadas em paralelo é igual à soma das correntes que cada célula em paralelo é capaz de fornecer.

 

Corrente do pack com baterias em paralelo = Corrente de uma célula x número de células em paralelo.

 

A tensão do pack com bateria em paralelo é igual à tensão de uma célula.

 

Tensão do pack com baterias em paralelo = Tensão de uma célula

 

Conectando-se em paralelo duas células de 3,7V e capacidade de 3.000 mAh e corrente de 1C ou 3.000 mA, juntando-se os terminais positivos e, em seguida, seus terminais negativos, teremos criado uma bateria de 3,7V, 6.000 mAh e corrente de 6.000 mA.

 

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

 

 

 

Figura 9 - Pack de baterias ligadas em paralelo