Chiarimenti sulla ricarica in parallelo per le batterie LiPO

[marcodef]

Cercherò di fare un po’ di chiarezza sulla pratica della carica in parallelo delle batterie LiPO, cosa che sta diventando pratica diffusa per gli indubbi vantaggi, ma che espone anche a rischi se non effettuata correttamente.
Ho assistito a incidenti dovuti all’imperizia e alla totale mancanza di idea sul cosa fare, e ne ho sentite anche di peggio… le batterie ai polimeri di litio sono stati un enorme passo avanti nel nostro hobby, e permettono cose che quando avevo cominciato ormai ben più di 20 anni fa erano del tutto impensabili, ma non sono assolutamente esenti da rischi, pertanto mi sento di fare chiarezza in modo che qualcuno alle prime armi possa capire la pratica corretta essendo consapevole dei rischi/ benefici

Premessa

Da vecchio accademico mi permetto di fare una paio di precisazioni sulla terminologia da utilizzare, sebbene la grammatica sia certamente meno importate rispetto ai contenuti, è chiaro che quando si parla con la pretesa di esprimere dei concetti tecnici è certamente più convincente farlo nel modo corretto, almeno per ritagliarsi un minimo di credibilità in partenza.

Non voglio ripetere quanto scritto da Naraj, ma faccio un paio di aggiunte:

Le unità di misura ohm, ampere, volt etc.: si scrivono MINUSCOLE! Es: “la tensione di una batteria LiPO 3S e’ 11.1 volt” (NON Volt, non volts!), oppure “11.1 V” (stavolta maiuscolo, perché è un simbolo non una abbreviazione, e con uno spazio tra il numero e la unità di misura). Volta, Ampere e Ohm erano persone, valenti scienziati per altro.

3S, 3s2P, 20C etc. sono termini ad uso “modellistico”, è corretto scriverli in maiuscolo e senza spaziatura proprio per non confonderli con delle unità di misura.

Le parole “voltaggio” e “amperaggio” sono ormai nel vocabolario (anche se diffido dall’usarle durante un esame di elettronica o elettrotecnica), è ormai accettato il loro uso nel linguaggio comune, va però precisato che il termine “voltaggio” significa letteralmente “misura di una differenziale di potenziale espressa in volt”, pertanto non sarebbe del tutto sbagliato dire “due batterie dello stesso voltaggio” (anche se un tecnico lo eviterebbe), ma non ha alcun senso dire una frase del tipo “il voltaggio della batteria è 12 volt”. La differenza di potenziale elettrico si chiama tensione, non voltaggio!!
Stesso vale per amperaggio, wattaggio o altro…

Elettronica ed elettrotecnica sono scienze, cioè teorie validate da evidenze sperimentali riproducibili:
non è lecito sostenere qualcosa dei tipo: “io faccio cosi perch钔

“ho letto da qualche parte…”
“mi hanno detto cos셔
“mia nonna faceva cos셔
“è meglio di no (o di si)”

oppure la peggiore di tutte:

“a me così ha sempre funzionato”

queste cose vanno bene quando si esprimono opinioni, ma i fatti sono un’altra cosa.
La pratica della carica in parallelo, dal momento che può esporre a rischi concreti, dovrebbe essere effettuata conoscendone il principio su cui si basa, e non il sentito dire.
Di seguito provo a riassumere i concetti necessari e la pratica corretta della carica in parallelo delle batterie al LiPO, cose che a dire il vero sono già state scritte ma ormai perse dietro miriadi di post del tipo sopra.

Marco

[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

[marcodef]

ERRATA CORRIGE

ringrazio Paolo che mi ha fatto notare le cose sotto:

le formule ridotte per capacita' in serie e resistenze in parallelo sono chiaramente Ctot=C/n e Rtot=R/n! mi scuso per la svista... (ho scritto tutto di notte su un tablet in aeroporto..)

infatti e' proprio quello il motivo per cui la carica in parallelo e' "piu' efficiente": dal punto di vista del caricabatterie si vede una resistenza minore.

sul caso delle capacita' in serie: la formula riportata vale per i condensatori, si puo' pensare alla batteria come ad un condensatore che ha una tensione massima e minima possibile, pertanto le cose si complicano un po': in generale vale dire le batterie andranno con la prestazione dell'elemento peggiore, cioe' avranno la Capacita' dell'elemento con capacita' piu' bassa, e quando esso e' scarico, tutto il pacca risulta scarico... qui si potrebbe aggiungere molto ma non e' questo il posto... o post

marco

[marcodef]

visto che ho ricevuto commenti in mp, e questa cosa di poter mettere in parallelo batterie di capacita' diversa sembra proprio ostica da accettare, ho fatto un piccolo esperimento per dimostrarne il funzionamento.

Questo sembra l'unico forum dove questa cosa non viene digerita.
Ho letto qui diverse discussioni a riguardo, e si leggono cose non vere: non c'entra nulla la resistenza interna, i C della batteria, correnti di ricircolo (?) o quant'altro. La cosa funziona semplicemente perche' le batterie sono in parallelo e quindi alla stessa tensione (questo anche se il caricabatterie comanda in corrente!!!), pertanto esse assorbiranno una corrente proporzionale alla propria capacita', punto.
Non si tratta di una opinione personale, ma di un processo fisico, anche semplice.

le foto allegate mostrano un semplice esperimento:

Sono collegate in prallelo due batterie 3S, una da 1300 mAh, l'altra da 800 mAh.
Sono collegate anche le spinette del bilanciatore (e questo va SEMPRE fatto per questioni perlomeno di sicurezza!).
In serie alla batteria da 800 mAh e' collegato un wattmetro che misura la corrente, esso misura la corrente che scorre verso la batteria da 800 mAh.
Il caricabatterie e' impostato per una carica a 1C, cioe' (1300 +800) mA = 2.1 A.

Premetto che la batteria da 800 mAh e' nuova, ed ha una resistenza interna molto inferiore a quella da 1300 mAh che invece e' molto usata, pertanto secondo molti ragionamenti fatti qui sul Barone dovrebbe assorbire piu' corrente. Guarda caso invece cosi' non e': essa infatti assorbe i sui 0.8 A giusti giusti... l'altra i restanti 1.3 A.

a disposizione se servissero altri chiarimenti

buoni voli,

marco

[Paolo Gx]

Marco, stai combattendo una battaglia persa.

Ho fatto la stessa tua prova qui:
http://www.baronerosso.it/forum/batt...ml#post4554843
ma non e' servito a niente, ho dovuto rinunciare a cercare di far capire.

Se hai pazienza di leggerti questo 3d:
http://www.baronerosso.it/forum/batt...aneamente.html
e questo:
http://www.baronerosso.it/forum/batt...parallelo.html
ti renderai conto...

[marcodef]

Originalmente inviato da Paolo Gx

Marco, stai combattendo una battaglia persa.

Ho fatto la stessa tua prova qui:
http://www.baronerosso.it/forum/batt...ml#post4554843
ma non e' servito a niente, ho dovuto rinunciare a cercare di far capire.

Se hai pazienza di leggerti questo 3d:
http://www.baronerosso.it/forum/batt...aneamente.html
e questo:
http://www.baronerosso.it/forum/batt...parallelo.html
ti renderai conto...

non avevo visto la tua prova.

in quei posts si leggono cose agghiaccianti...
sembra proprio che la legge di ohm sia ormai un'opinione...

marco

[audioman]

Originalmente inviato da 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..)...

marco

Grazie Marco per i chiarimenti, non sono un appassionato, per ora, ho comprato un drone syma x8hw alle mie ragazzine e voglio aggiungere qualche batteria di ricambio per farle volare più tempo, ho trovato il kit fotografato sotto sul sito GearBest: Online Shopping - Best Gear at Best Prices lo schemino sotto il prodotto è quello preso da questo post. Ero dubbioso sul collegamento, ma leggendo i tuoi chiarimenti credo che ordinero tre batterie + cavetto + alimentatore


unico dubbio è questo l' alimentatore in foto che dovrei acquistare, è uguale a quello fornito col drone in mio possesso, quindi se una ricarica con una batteria dura 200 minuti circa con tre batterie durerà tre volte tanto, è esatto?
Accetto anche altri consigli
buon Natale e felice anno nuovo a tutti i forumer
Ciao Franco

[marcodef]

Originalmente inviato da audioman

Grazie Marco per i chiarimenti, non sono un appassionato, per ora, ho comprato un drone syma x8hw alle mie ragazzine e voglio aggiungere qualche batteria di ricambio per farle volare più tempo, ho trovato il kit fotografato sotto sul sito GearBest: Online Shopping - Best Gear at Best Prices lo schemino sotto il prodotto è quello preso da questo post. Ero dubbioso sul collegamento, ma leggendo i tuoi chiarimenti credo che ordinero tre batterie + cavetto + alimentatore


unico dubbio è questo l' alimentatore in foto che dovrei acquistare, è uguale a quello fornito col drone in mio possesso, quindi se una ricarica con una batteria dura 200 minuti circa con tre batterie durerà tre volte tanto, è esatto?
Accetto anche altri consigli
buon Natale e felice anno nuovo a tutti i forumer
Ciao Franco

ciao Franco, non mi funziona il link che hai messo, dalle foto sembra che carichi tramite spinetta di bilanciamento, giusto?

se e' cosi' e la corrente e' fissa, forse non ti conviene neanche ricaricare in parallelo, tanto impiegheresti lo stesso tempo tempo che a caricarne una per volta..

buoni voli alle tue bimbe

marco

[tomcat79]

Originalmente inviato da marcodef

Cercherò di fare un po’ di chiarezza sulla pratica della carica in parallelo delle batterie LiPO...

Marco

Ottima lettura, grazie per i chiarimenti.

Solo una domanda: e se volessi usare la funzione STORAGE del caricabatterie collegando in parallelo pacchi sbilanciati tra loro? Più saranno sbilanciati e più tempo occorrerà per portare le celle a 3,80 V?

Esempio:

Lipo 3S 3,87 3,88 3,85
Lipo 3S 3,92 3,91 3,93
Lipo 3S 3,76 3,75 3,77

[marcodef]

Originalmente inviato da tomcat79

Ottima lettura, grazie per i chiarimenti.

Solo una domanda: e se volessi usare la funzione STORAGE del caricabatterie collegando in parallelo pacchi sbilanciati tra loro? Più saranno sbilanciati e più tempo occorrerà per portare le celle a 3,80 V?

Esempio:

Lipo 3S 3,87 3,88 3,85
Lipo 3S 3,92 3,91 3,93
Lipo 3S 3,76 3,75 3,77

Ciao,

nel tuo caso sei al limite con le tensioni, c'e' circa 0,5V di differenza tra un pacco e l'altro, questo e' il massimo per cui le metterei in parallelo.

molti caricabatterie non bilanciano le celle durante lo "storage" (negli iCharger e cloni vari, per esempio, devi abilitare i bilanciamento durante lo storage, altrimenti di default non lo fanno), in ogni caso il bilanciamento e' piu' veloce quando le batterie sono messe in parallelo, poiche' collegherai in parallelo anche le singole celle tra loro e quindi, di fatto, si "autobilanciano". Questo e' vero se i pacchi hanno circa lo stesso stato di usura e non ci sono celle malandate. nel tuo caso non sembra poiche' le tensioni sono molto simili tra loro nei singoli pacchi 3S.