Baterías serie-baterías paralelo

Resulta que, en contra de lo puede parecer a primera vista, no obtenemos la misma autonomía en las baterías si las agrupamos en serie o en paralelo.

Para nosotros la autonomía en la iluminación es un aspecto clave para poder desempeñar actividades subterráneas y también desde el punto de vista de la seguridad.

¿Como es posible que la autonomía sea diferente si disponemos las celdas del pack de baterías en serie o en paralelo, cuando realmente disponemos de la misma potencia efectiva?.

Vamos a analizar paso a paso esta supuesta paradoja que, como veremos mas adelante, no es tal. Comencemos comprobando que realmente tenemos disponible la misma potencia efectiva en vatios/hora en ambas disposiciones.

Caso A: celdas en serie:

Caso B: celdas en paralelo:

Está claro, para celdas de Li-Ion de 3,7 voltios y 2.000 miliAmperios/hora, si las disponemos en serie duplicamos la tensión ; y si las disponemos en paralelo duplicamos la capacidad nominal del pack, que pasa a ser de 4.000 mA/h.

En el primer caso duplicamos la tensión y en el segundo la capacidad nominal, sin embargo la potencia disponible en ambos caso es la misma: 14,8 vatios/hora1).

Parece que disponer de 4.000 mA/h es mejor que solo 2.000 mA/h. Mas capacidad nominal… mas autonomía de luz. Esto no es así, en realidad ocurre al revés. Disponiendo las celdas en paralelo obtendremos una autonomía de iluminación menor que si las disponemos en serie. Aún disponiendo en ambos casos de la misma potencia.

Alberto ha testeado en cavidad ambas disposiciones. En ambos casos sobre un LED de 1 vatio de potencia. Mismo tipo de baterías, idéntico regulador, idéntico LED montados en dos cascos diferentes y realizando la misma actividad. En varias actividades ha observado que el pack de baterías con las celdas en paralelo proporciona una autonomía de iluminación apreciablemente inferior al pack con las celdas dispuestas en serie.

Es cierto que no existen dos LED idénticos, ni dos reguladores, ni dos baterías. Pero cuando consideramos dispositivos del mismo tipo, mismo fabricante y mismo lote, las diferencias entre unidades no son relevantes para lo que nos ocupa, salvo que se trate de unidades claramente defectuosas. Tampoco vamos a tomar en consideración, por el momento, las perdidas del regulador del LED, ya que se emplea el mismo tipo de regulador el ambos cascos2).

Pequeñas diferencias entre distintas unidades del mismo tipo no explican esta notable diferencia en la autonomía de la iluminación.

Pero, entonces…¿por que disponiendo las celdas en paralelo obtenemos una autonomía menor?.

Bueno,para encontrar la respuesta, primero que debemos entender que una batería convencional, del tipo que sea, produce electricidad a partir de una reacción química interna. El segundo punto importante es entender el concepto de capacidad nominal, en este enlace (en el punto 3) lo explica perfectamente. Ambos factores son interdependientes, ya que la capacidad nominal efectiva de la batería depende a fin de cuentas de la velocidad de reacción química que se produce en su interior.

Veamos unos diagramas del sistema de iluminación en funcionamiento.

El pack de baterías alimenta a un LED de 1 vatio de potencia a través de un regulador específico. Obviando las pérdidas, en ambos casos el regulador debe solicitar a las baterías 1 vatio de potencia para satisfacer el consumo del LED, que también es 1 vatio.

Veamos en los dibujos como trabaja el regulador para proporcionar la energía necesaria al LED cuando las baterias están dispuestas en serie, y cuando están en paralelo.

Caso A con las celdas en serie:

Caso B con las celdas en paralelo:

Vemos que cuando las celdas están en serie, la corriente que se extrae de las baterías es de 135 mA. Si las celdas están dispuestas en paralelo (menor tensión) la corriente extraida de las baterías es el doble, 272 mA, para porporcionar la misma potencia al LED.

Lo que cambia es la tasa de descarga de las baterías.

La capacidad nominal de las baterías se refiere simpre a una determinada tasa de descarga, como veíamos antes. Hablando claro, una bateria de 2000 mA/h ofrecerá esa capacidad energética a una determinada corriente de descarga. Si la corriente de descarga es superior a especificada, la bateria mostrará una capacidad real menor que la indicada en sus características. O sea… tendremos menor autonomía de luz.

Si la corriente de descarga es menor que la tasa de descarga característica de esa batería, mostrará una capacidad nominal superior a la indicada.

Parece que todo encaja ahora… pues no, no encaja del todo.

Con el pack de celdas puesto en paralelo extraemos el doble de corriente de la batería, pero al estar dispuestas en paralelo cada una solo debe proporcionar la mitad de la corriente total. Esto es, para 272 mA del total, cada batería solo debe proporcionar 136 mA, o sea prácticamente ¡la misma tasa de descarga que si estuviesen dispuestas en serie!.

-“Pues que lío… ahora si que no entiendo nada…”

La explicación es sencilla, lo hemos comentado antes. Puesto que no existen dos baterías iguales, cuando disponemos un pack de baterías en paralelo la corriente suministrada nunca se extrae por igual entre sus celdas. Si tenemos dos celdas en el pack, aquella que muestre una menor resistencia interna suministrará mas corriente que su compañera, agotándose antes. Lo que es lo mismo que decir que disponiendo las celdas en paralelo la tasa de descarga es diferente para cada una de ellas y su capacidad nominal será… impredecible.

Este efecto podría evitarse mediante un regulador computerizado que, monitorizando en tiempo real cada una de las celdas, equilibrase la corriente extraída de cada una de ellas. Pero los reguladores sencillos no hacen esto.

Ahora entra en juego también el rendimiento del regulador. El regulador del LED es un dispositivo electrónico en el cual siempre se produce una pérdida de energía cuando hace su trabajo. En el caso que nos ocupa, para alimentar un LED de 1 vatio, el regulador necesita extraer de las baterías 1,2 vatios, por ejemplo. La relación entre la potencia extraída de las baterías y la potencia entrega al LED es lo que se denomina rendimiento. Un regulador bien diseñado puede mostrar un rendimiento del 90% o 95% cuando trabaja en condiciones óptimas.

¿Que quiere decir esto?… pues que si no hacemos trabajar el regulador en su zona óptima, su rendimiento caerá hasta el 80%… 70%… 60%… a saber. Para hacernos una idea clara, una caída del rendimiento al 75% significa que el 25% de la energía almacenada en las baterías se pierde. Lo que para nuestra actividad significa que perder un 25% de autonomía de luz. Esto representa la cuarta parte de la energia disponible en las baterías. Poco no es, desde luego.

Los mejores valores de rendimiento se alcanzan siempre empleando mayor tensión, ya que la corriente que debe manejar el regulador es mas pequeña, para entregar la misma potencia.

Usar una tensión mas baja (al disponer las celdas en paralelo) obliga al regulador a drenar una corriente eléctrica mas elevada. Esto se traduce en mayores pérdidas óhmicas en el circuito, así como mayores pérdidas por histéresis y una eventual saturación del núcleo de la inductancia del conversor. Cosa bastante probable en reguladores sencillos, miniaturizados en extremo o diseñados al límite de especificaciones.

Resumiendo… que en las actividades realizadas con packs en serie y packs en paralelo, la mayor autonomía de iluminación se ha obtenido en todos los casos con los pack que tenían las celdas en serie.

(…)

1)
w/h, en los dibujos se muestra como v/h
2)
Aunque, como veremos mas adelante, también este aspecto juega un papel a tener en cuenta
Última modificación: 2016/11/16 16:56