Batterie: tensione, capacità, serie e parallelo
Capire una batteria significa distinguere correttamente tensione, capacità ed energia. Quando poi colleghiamo più celle o batterie, serie e parallelo modificano il comportamento del pacco in modo diverso: la serie aumenta la tensione, il parallelo aumenta la capacità disponibile e la corrente potenzialmente erogabile.
Tensione nominale, massima e minima
La tensione indicata su una batteria è spesso una tensione nominale, cioè un valore rappresentativo del suo funzionamento. La tensione reale cambia durante carica e scarica e dipende dalla chimica utilizzata.
Per progettare correttamente un circuito bisogna quindi conoscere non soltanto la tensione nominale, ma anche il valore massimo a piena carica e la tensione minima ammessa.
Capacità: Ah e mAh
La capacità indica quanta carica elettrica può fornire una batteria in determinate condizioni ed è espressa normalmente in ampere-ora (Ah) o milliampere-ora (mAh).
2 A per 1 ora
1 A per 2 ore
0,5 A per 4 ore
Energia: perché gli Wh sono così importanti?
Due batterie possono avere la stessa capacità in Ah ma contenere quantità di energia molto diverse se lavorano a tensioni differenti. Per confrontare l’energia disponibile è quindi più utile usare i wattora.
Batteria B: 12 V · 2 Ah ≈ 24 Wh
Hanno gli stessi Ah, ma non la stessa energia.
Capacità non significa corrente massima
Gli Ah non indicano direttamente quanta corrente una batteria può erogare in sicurezza. La corrente massima dipende da chimica, costruzione, resistenza interna, temperatura e specifiche del produttore.
In alcune celle la capacità di scarica viene espressa anche tramite il cosiddetto C-rate.
Tensione, capacità ed energia di una batteria
Batterie collegate in serie
Nel collegamento in serie il positivo di una cella viene collegato al negativo della successiva. Le tensioni si sommano, mentre la capacità in Ah del pacco resta idealmente quella della singola cella se tutte le celle sono uguali.
Tensione nominale = 3 × 3,7 = 11,1 V
Capacità = 2 Ah
Energia ≈ 11,1 × 2 = 22,2 Wh
Batterie collegate in parallelo
Nel parallelo tutti i terminali positivi vengono collegati insieme e tutti i negativi insieme. La tensione nominale resta la stessa, mentre le capacità in Ah si sommano se le celle sono compatibili.
Tensione nominale = 3,7 V
Capacità = 3 × 2 = 6 Ah
Energia ≈ 3,7 × 6 = 22,2 Wh
Batterie in serie e in parallelo a confronto
Pacchi serie-parallelo
Nei pacchi reali vengono spesso combinate serie e parallelo. Una configurazione indicata come 3S2P, per esempio, contiene tre gruppi in serie e due celle in parallelo per ciascun gruppo.
Tensione nominale = 3 × 3,7 = 11,1 V
Capacità = 2 × 2 = 4 Ah
Energia ≈ 11,1 × 4 = 44,4 Wh
Come stimare l’autonomia
Una stima molto semplice può essere ottenuta dividendo la capacità per la corrente assorbita, quando entrambe sono espresse in unità compatibili.
4 / 0,5 = 8 ore ideali
Se tra batteria e carico è presente un convertitore DC-DC, è spesso più corretto ragionare in termini di energia e potenza.
Perché l’autonomia reale è diversa?
| Fattore | Effetto possibile |
|---|---|
| Temperatura bassa | Può ridurre la capacità disponibile. |
| Corrente elevata | Aumenta le perdite interne e la caduta di tensione. |
| Invecchiamento | Riduce progressivamente capacità e prestazioni. |
| Convertitore DC-DC | Introduce perdite legate all’efficienza. |
| Cutoff del dispositivo | Può impedire di utilizzare tutta l’energia teoricamente immagazzinata. |
Resistenza interna e caduta sotto carico
Ogni batteria possiede una resistenza interna equivalente. Quando circola corrente, una parte della tensione viene persa internamente.
Una cella con resistenza interna elevata può quindi mostrare una tensione corretta a vuoto ma crollare quando il carico richiede corrente.
Compatibilità tra celle e sicurezza
Quando più celle vengono collegate insieme devono essere compatibili per chimica, tensione nominale, capacità, stato di carica e caratteristiche elettriche.
Nei pacchi al litio sono inoltre fondamentali sistemi di protezione e gestione dedicati, che approfondiremo nelle guide successive su Li-ion, LiPo e BMS.
Errori comuni
- confondere Ah con ampere massimi;
- confrontare batterie soltanto in base ai mAh ignorando la tensione;
- pensare che la serie aumenti gli Ah;
- pensare che il parallelo aumenti la tensione;
- collegare in parallelo batterie con tensioni molto diverse;
- mescolare celle di chimica o capacità differenti senza progetto adeguato;
- stimare l’autonomia senza considerare l’efficienza del convertitore;
- ignorare la resistenza interna;
- usare il valore nominale come se fosse la tensione costante durante tutta la scarica;
- trascurare i limiti di corrente e temperatura dichiarati dal produttore.