Chiarimenti sulla ricarica in parallelo per le batterie LiPO

[marcodef]

Cosa è la ricarica in parallelo

Mediante la connessione in parallelo di diversi pacchi batterie (ciascuno formato dalla serie di elementi uguali) è possibile caricare diverse batterie come fossero una sola.
Mediante la connessione in parallelo la tensione non cambia, pertanto è possibile la ricarica in parallelo solo di batterie formate dallo stesso numero di elementi in serie (2s con 2s, 3s con 3s etc..), mentre la capacità cambia (diventando la somma delle capacità delle varie batterie), pertanto la corrente necessarie per caricarle ad 1C aumenta di conseguenza.

Di sotto lo schema rappresenta la corretta connessione delle batterie per la carica in parallelo, vanno collegati insieme tra loro i poli positivi, e tra loro i poli negativi. Tutte le singole celle vanno messe in parallelo tra loro mediante la spinetta di bilanciamento. MAI, MAI caricare una batteria LiPO senza bilanciatore: questo potrebbe portare al surriscaldamento di un elemento e al superamento della soglia massima consentita (4.20 V per cella) con conseguenze disastrose che possono portare alla combustione della batteria (se va bene solo di quella).

Serie e parallelo

Il collegamento in serie di batterie prevede che ogni polo positivo di un elemento sia collegato al negativo del successivo, pertanto la tensione finale sara’ la somma delle singole tensioni, la capacita’ equivalente si attiene con la formula 1/Ctot = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 ect., che nel caso di n capacita uguali si riduce alla Ctot = C (MA l’energia immagazzinata sara’ comunque la somma delle energie di ogni singolo elemento!) e la resistenza totale sara’ la somma delle resistenze interne di ogni singolo elemento.
Nel collegamento in parallelo il polo negativo di ogni singolo elemento è collegato insieme e allo stesso modo il polo positivo. La tensione rimane costante (è quella di ogni singolo elemento o batteria) e la resistenza si riduce secondo la nota formula 1/Rtot = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3… ancora, nel caso di resistenze interne tutte uguali (R) essa si riduce a Rtot = R. Anche qui l’energia totale e’ la somma delle singole energie.
Facciamo una considerazione che e’ piu’ facile da intuire: supponiamo di avere un alimentatore da 12 V a cui colleghiamo due caricabatterie, entrambi in funzione ma con assorbimenti di corrente diversi.
Tutto funziona fintanto che l’alimentatore e’ in grado di fornire la corrente necessaria ad entrambi i CB, dal punto di vista dell’alimentatore di tensione vedremo un solo carico il cui assorbimento e’ uguale alla somma dei due caricabatterie. E’ chiaro che questo funziona anche se i due assorbimenti sono diversi tra loro.
Analogamente potremmo mettere in parallelo tra loro pacchi batterie con tensione uguale (stesso numero di celle e stesso stato di carica iniziale), anche se essi siano di capacità diverse. In ogni momento ogni singolo pacco vedrà la stessa tensione, e di conseguenza assorbirà la corrente che gli serve per stare a quel valore.
La carica delle batterie al litio funziona forzando una corrente fissa prima (e per farlo il caricabatterie forzerà la tensione necessaria a mantenere la corrente richiesta), e poi mantenendo la tensione costante quando ci si avvicina alla soglia massima di 4,2 V per cella. MAI sara’ possibile ad uno dei pacchi di “sovraccaricarsi” oltre il valore di tensione imposto dal caricabatterie in ogni istante. Pertanto è impossibile (anche se si è letto il contrario) che un pacco si sovraccarichi rispetto agli altri. Questo è impossibile a livello fisico, proprio per la natura del collegamento in parallelo.
Diverso è il discorso per il singolo elemento in serie nel pacco batterie, pertanto è necessario (SEMPRE!) collegare un bilanciatore al caricabatterie.

Il collegamento in parallelo dei pacchi batterie si fa mediante appositi cavi o basette, secondo lo schema nelle figure allegate.

Quali sono i vantaggi della carica in parallelo?

• Ovviamente il primo vantaggio e il tempo di carica, se carichiamo a 1C possiamo caricare fino a 6 o più batterie in meno di un’ora (a patto di avere un carica batterie abbastanza potente)

• E un sistema di carica multipla più efficiente rispetto alla carica in serie, e permette di caricare più pacchi contemporaneamente (ad esempio se volessimo caricare 4 batterie da 6S in serie ci servirebbero ben 4 x 25.2 = 100.8 V in uscita!). Per i carica batterie è più “facile” generare correnti elevate piuttosto che tensioni elevate, e lo fa con più efficienza.

• Tecnicamente la connessione in parallelo è più sicura rispetto a quella in serie e, a patto di avere gli adattatori corretti, è più difficile causare corti accidentali.

E gli svantaggi?

• E’ chiaro che se qualcosa andasse storto durante la carica, questo potrebbe affliggere tutti i pacchi collegati.

• Non possiamo monitorare i singoli pacchi e le singole celle (ma solo il relativo valore medio), pertanto ogni tanto sarebbe preferibile caricare le batterie singolarmente per monitorarne lo stato di conservazione.

• Non è il metodo adatto per ricaricare pacchi batterie che abbiano una diversa capacità residua: se essi avessero una tensione molto diversa tra loro, questo potrebbe provocare delle correnti molto elevate (su questo punto tornerò in seguito).


Considerazioni sul bilanciamento iniziale delle batterie…

Facendo riferimento (come fatto finora) a questo blog How-To: Parallel Charging - TJinTech faccio un paio di considerazioni sul collegamento in parallelo di batterie a diverso stato di carica residua.
Traduco quello esposto nel link e poi darò le misure che ho fatto io (che di fatto confermano quello riportato ne blog di cui sopra):

Supponiamo di avere due pacchi batterie da 6S, 5000 mAh. Il primo è completamente carico a 25.2 V, il secondo è a 22.2 V. La differenza di tensione è pertanto 3V.
Se supponiamo che la resistenza interna di ogni singola batteria sia 0.018 ohm (quindi una buona batteria!), otteniamo una resistenza totale di 0.036 ohm. Pertanto se ora colleghiamo in parallelo i due pacchi otterremo una corrente di 3 V / 0.036 ohm = 83.3 A (trascurando le resistenze dei connettori e dei cavi). Ora, questo valore è sopportabile dalle celle (molto probabilmente non dalla basetta per la ricarica in parallelo), infatti non corrisponderebbe neanche a 20C. inoltre ci aspettiamo la corrente si riduca molto rapidamente mentre le batterie si bilanciano tra di loro.

In pratica ho fatto lo stesso esperimento riportato nel blog sopra: collego in parallelo due pacchi uguali ma a tensione diversa, in serie ad uno di essi metto un wattmeter che mi legge la corrente e riporto la corrente di bilanciamento.

Questi i due pacchi usati del collega del blog:
Batt1 2600 mAh 6S, V iniziale: 24.96 V, IR 4/5 mohm per cella
Batt2 2600 mAh 6S, V iniziale: 23,73 V, IR 3/4 mohm per cella
Questi quelli che ho usato io:
Batt1 1300 mAh 3S, V iniziale: 12.47 V, IR 16 mohm per pacco
Batt2 1300 mAh 3S, V iniziale: 11.32 V, IR 14 mohm per pacco


Questo il risultato, a sinistra i valori per le 2600 mAh 6S e a destra le mie 1300 mAh 3S

Corrente iniziale 18.7 A ---
Corrente @ .5 s 15 A 18 A
Corrente @ 1 s 12 A 11.2 A
Corrente @ 2 s 10 A 9.5 A
Corrente @ 5 s 8 A 5 A
Corrente @ 10 s 6 A 3 A
Corrente @ 20 s 5 A 1.3 A

Possiamo fare un paio di considerazioni: nonostante le batterie fossero 6S vs 3S la corrente iniziale dipende dalla differenza totale di tensione totale (tra l’altro più celle in serie, più elevata la RI totale), ma, come potevano aspettarci, i pacchi più piccoli si sono bilanciati più in fretta. Io non sono riuscito a vedere la corrente iniziale, e non ho un logger sul wattmeter, per cui ho riportato solo il primo valore che sono riuscito a leggere. Nel caso reale (senza wattmeter in serie) la corrente potrebbe essere leggermente superiore (manca la resistenza serie dello shunt dello strumento e di due connettori in più).

La ricarica in parallelo

A fronte di quanto mostrato da questo semplice esperimento possiamo fare il punto sul processo di carica in parallelo:

possiamo caricare in parallelo fra loro pacchi batterie che abbiano lo stesso numero di celle e una tensione iniziale simile. Direi che fino a 0.5 V di differenza si può fare con ragionevole margine di sicurezza a patto di:

Collegare prima i connettori principali (deans, XT60, etc.) perché’ vogliamo che la corrente di primo “autobilanciamento” dei pacchi scorra sui conduttori (cavi) a sezione maggiore. I cavetti di bilanciamento non sono adatti a sopportare tali correnti.

Aspettare qualche minuto e poi collegare una per una le spinette di bilanciamento nella apposita sede (per sicurezza utilizzare sempre la presa da 3s per spinetta da 3s, 4s con 4s e così via in modo da evitare di saltare un pin e fare il botto!)

Solo a questo punto collegare il carica batterie alla basetta (attenzione: in ogni caso il CB non vedrebbe la corrente di autobilanciamento delle batterie, che non sarebbe dannosa, MA se ci fosse un corto… quello lo vedrebbe eccome, meglio evitarlo anche se il carica batterie avesse una protezione in uscita)

Avviare la carica come se stessimo caricando un pacco singolo con la capacità uguale alla somma di tutte le capacita’ delle batterie in parallelo: ad esempio supponiamo di caricare 5 pacchi

2 x 3S 2600 mAh
1 x 3S 1300 mAh
2 x 3S 800 mAh

La capacita totale sarebbe (2600 + 2600 + 1300 + 800 + 800) mAh = 8.1 Ah. A questo punto, andando sul sicuro e volendo caricare a 1C, possiamo impostare 8,1 A.

Quando è finita la ricarica sarebbe opportuno staccare prima il carica batterie, poi ogni singola batteria dalla basetta, questo sempre per evitare che un corto eventuale possa danneggiarle il prezioso strumento.

Nota: è chiaro che un corto non dovrebbe succedere, ma per esempio il re dell’hobby vende delle basette con i deans scoperti, attenzione che è molto facile mettere in corto i terminali scoperti rimasti liberi che sono sempre collegati alle batterie!!

Nota: Soprattutto gli elicotteristi stanno sempre più andando alla ricerca di sistemi di ricarica molto potenti, oltre i 1000 W, perché essi permettono di caricare rapidamente in parallelo anche batterie molto generose in tensione e capacità. Valgono tutte le regole di cui sopra ma vorrei fare un ultimo avvertimento per che’ lo ho visto succedere:

Per favore usate dei cavi di sezione adeguata alle correnti che usate!! Questo vale anche per il cavo che va alla presa di casa dall’alimentatore, un cavo da PC non va bene per quelle potenze!! ho visto cavi prendere fuoco (ci sono anche dei video sul tubo), e soprattutto (visto anche questo) se usate 1000 W di potenza e usate un prolunga avvolgibile: per favore svolgete tutto il cavo della prolunga!!!!

Tutto qui!

Buoni voli

marco