miniatura|300x300px|Contactes del battery pack usat en trepants sense cable DeWalt 20V Max (18V XR a Europa). Els contactes C1-C4 estan connectats a les cèl·lules individuals al battery pack i els utilitza el carregador per equilibra-les si el voltatge ès desigual. Un paquet de bateries o battery pack és un conjunt de qualsevol nombre de bateries (preferiblement) idèntiques o cèl·lules individuals. Poden configurar-se en sèrie, en paral·lel o en una combinació de tots dos per subministrar el voltatge i el corrent desitjats. El terme paquet de bateries s'usa sovint en referència a eines sense fil, joguines de radiocontrol i vehicles elèctrics
Els components dels paquets de bateries inclouen les bateries o cèl·lules individuals i les interconnexions que proporcionen conductivitat elèctrica entre elles. Els paquets de bateries recarregables solen contenir sensors de voltatge i temperatura, que el carregador utilitza per detectar el final de la càrrega. Les interconnexions entre cada cel·la també es solen trobar al connector de les bateries, quan estan organitzades en cadenes en sèrie, per poder-les balancejar. Per a conformar el paquet, se s'apilen les cèl·lules, ben compactades i es solden per punts amb un impuls de corrent que genera el calor suficient per soldar les connexions dels terminals.
Quan un paquet conté grups de cèl·lules en paral·lel, hi ha diferents configuracions de cablatge que tenen en compte lequilibri elèctric del circuit. Els sistemes de gestió de bateries s'utilitzen per tal d'equilibrar les cèl·lules i mantenir els seus voltatges per sota d'un valor màxim durant la càrrega, permetent que les bateries més febles es carreguin del tot, restablint així l'equilibri del paquet. L'equilibri actiu també pot realitzar-se mitjançant dispositius d'equilibri de bateries que transfereixen energia de les cèl·lules fortes a les més febles en temps real per aconseguir un equilibri global. Un paquet ben equilibrat dura més i ofereix un millor rendiment.
Càlcul de l'estat de càrrega miniatura|Paquet de bateries de ions de liti per a Lucid Motors El SOC (State of charge) és la mesura de la quantitat de càrrega restant. El SOC no es pot determinar amb un simple mesurament de voltatge, ja que el voltatge terminal d'una bateria pot romandre pràcticament constant fins a baixar-lo complet. En alguns tipus de bateria, la gravetat específica de l'electròlit pot estar relacionada amb l'estat de càrrega, però això no és mesurable a les cèl·lules típiques d'un paquet de bateries ni es relaciona amb l'estat de càrrega a la majoria dels tipus de bateries. La majoria dels mètodes de SOC tenen en compte el voltatge i el corrent, així com la temperatura i altres aspectes del procés de càrrega i descàrrega per, en essència, calcular l'augment o la disminució dins una capacitat predefinida del paquet.[ Els sistemes més complexos destimació de lestat de càrrega consideren lefecte Peukert, que relaciona la capacitat de la bateria amb la velocitat de descàrrega.
Taula: Voltatge vs. % de càrrega per a packs de 3 a 7 subgrups d'elements Càrrega3S (11.1 V)4S (14.8 V)5S (18.5 V)6S (22.2 V)7S (25.9 V)100 %12.6 V16.8 V21.0 V25.2 V29.4 V90 %12.4 V16.5 V20.6 V24.8 V28.9 V80 %12.2 V16.2 V20.2 V24.4 V28.4 V70 %12.0 V15.8 V19.8 V24.0 V27.9 V60 %11.8 V15.5 V19.4 V23.6 V27.4 V50 %11.6 V15.2 V19.0 V23.2 V26.9 V40 %11.4 V14.8 V18.6 V22.8 V26.4 V30 %11.2 V14.5 V18.2 V22.4 V25.9 V20 %11.0 V14.2 V17.8 V22.0 V25.4 V10 %10.8 V13.8 V17.4 V21.6 V24.9 V0 %9.0 V12.0 V15.0 V18.0 V21.0 V
Avantatges miniatura|Paquet de bateries de plom-àcid per a automòbil compost per 28 Optima Yellow Tops Un dels avantatges d'un paquet de bateries és la facilitat per intercanviar-les dins o fora d'un dispositiu. Això permet que diversos paquets ofereixin més autonomia, alliberant el dispositiu per a un ús continu mentre es carrega el paquet extret per separat.
Un altre avantatge és la flexibilitat del disseny i la implementació, permetent l'ús de cèl·lules o bateries d'alta producció i més barates per combinar-les en un paquet per a gairebé qualsevol aplicació.
Al final de la vida útil del producte, les bateries es poden treure i reciclar per separat, cosa que redueix el volum total de residus perillosos.
Desavantatges Els paquets solen ser més fàcils de reparar o manipular per als usuaris finals que una bateria o cel·la segellada inservible. Si bé alguns podrien considerar això un avantatge, és important prendre precaucions de seguretat en fer el manteniment d'un paquet de bateries, ja que representen un perill potencial d'incendi, risc químic i elèctric.
Gestió i equilibrat de cèl·lules
miniatura|Diferents estats de càrrega a una bateria. La cel·la 5 té menor capacitat. La cel·la 5 té una alta taxa d'autodescàrrega. El sistema d'equilibrat de bateria, ( Battery Management System, BMS) fa referència a les tècniques que maximitzen la capacitat duna bateria de tenir tota la seva energia disponible per al seu ús i augmentar la longevitat de la bateria es poden classificar segons la ubicació i les funcions:
BMS al carregador Aquest tipus de sistema està fora del paquet de bateries i forma part del circuit de càrrega. La seva funció principal és controlar el procés de càrrega, incloent-hi el tall per sobrevoltatge, la limitació de corrent i, en alguns casos, l'equilibrat passiu de les cèl·lules. És comú en carregadors externs per a bateries de liti.
Avantatges: fàcil manteniment, possibilitat d'actualització independent.
Limitacions: no protegeix durant la descàrrega ni en repòs.
BMS integrat Està integrat dins del propi paquet de bateries. Supervisa contínuament l'estat de cada cel·la, controla la càrrega i la descàrrega, protegeix contra sobretemperatura, curtcircuits i desequilibris de voltatge. Hi ha dels següents tipus:
Centralitzat : una sola unitat controla totes les cèl·lules. Distribuït : cada cel·la o mòdul té el seu propi controlador. Modular : combina aspectes dels anteriors, permetent escalabilitat. Integrat : embegut al paquet, ideal per a dissenys compactes.
Equilibrat de les cèl·lules Les cèl·lules individuals d'un paquet de bateries presenten lleugeres diferències de capacitat per variacions de fabricació, envelliment, muntatge o condicions tèrmiques. Aquestes diferències provoquen que, després de diversos cicles de càrrega i descàrrega, les cèl·lules assoleixin estats de càrrega (State of Charge, SOC) diferents. Un BMS complet pot incloure lʻequilibrat actiu, així com el control de la temperatura, la càrrega i altres funcions per maximitzar la vida útil dʻuna bateria.
L'equilibri de la bateria es pot fer mitjançant convertidors DC-DC, en una d'aquestes tres topologies:
Cel·la a bateria : energia transferida des d'una cel·la al conjunt. Bateria a cel·la : energia redistribuïda des del conjunt a cèl·lules individuals. Bidireccional : permet flux d'energia en ambdós sentits.
L'equilibrat cerca igualar el SOC entre cèl·lules connectades en sèrie, maximitzant la capacitat útil i perllongant la vida del paquet. Les cèl·lules connectades en paral·lel s'equilibren de forma directa, però els grups en sèrie-paral·lel requereixen balanceig actiu o passiu entre blocs connectats en sèrie.
Regulador de bateries L'equilibri pot ser actiu o passiu. El terme regulador de bateries sol referir-se únicament als dispositius que realitzen un equilibrat passiu.
Equilibrat passiu : l'energia de les cèl·lules més carregades es dissipa com a calor mitjançant resistències. És simple però menys eficient. Equilibrat actiu : transfereix energia de les cèl·lules més carregades a les menys carregades mitjançant convertidors DC-DC, condensadors o inductors. És més eficient però complex.
Equilibrat passiu A l'equilibrat passiu, l'energia s'extreu de la cèl·lula més carregada i es dissipa en forma de calor, normalment a través de resistències
L'equilibri passiu iguala l'estat de càrrega en un punt fix, normalment "equilibri superior", en què totes les cèl·lules arriben al 100% de SOC alhora, o "equilibrat inferior", en què totes les cèl·lules arriben al SOC mínim alhora. Això es pot aconseguir drenant energia de les cèl·lules amb major estat de càrrega (per exemple, un curtcircuit controlat a través d'una resistència o transistor), o derivant energia a través d'una ruta en paral·lel amb una cel·la durant el cicle de càrrega, de manera que la cel·la consumeixi menys corrent (normalment constant regulada). L'equilibrat passiu és inherentment malbaratador, ja que part de l'energia del pack es gasta en forma de calor per igualar l'estat de càrrega entre les cel·les. L'acumulació de calor residual també pot limitar la velocitat a què es pot produir l'equilibri.
Equilibrat actiu L'equilibrat actiu sol operar amb potències molt menors que les de càrrega/descàrrega del paquet complet, però millora significativament l'eficiència i la durabilitat. A l'equilibri actiu, l'energia s'extreu de la cèl·lula més carregada i es transfereix a les cèl·lules menys carregades, normalment a través de convertidors basats en condensadors, inductors o DC-DC.
L'equilibrat actiu intenta redistribuir l'energia de les cèl·lules amb càrrega completa a les que tenen un estat de càrrega inferior. L'energia es pot purgar d'una cèl·lula amb un SOC més alt connectant un condensador de reserva en circuit amb la cèl·lula, desconnectant després el condensador i tornant-lo a connectar a una cèl·lula amb un SOC més baix, o mitjançant un convertidor CC-CC connectat a tot el pack. A causa de les ineficiències, part de l'energia se segueix desaprofitant en forma de calor, però no en la mateixa mesura. Malgrat els avantatges evidents, el cost addicional i la complexitat d'una topologia d'equilibrat actiu poden ser considerables i no sempre tenen sentit en funció de l'aplicació.
Una altra variant utilitzada de vegades a les bateries EAPC utilitza un connector de diverses patilles amb una resistència i un díode en sèrie a cada node: quan es coneixen les caigudes, el carregador aplica un corrent de descàrrega adequat o carrega les cèl·lules febles fins que totes tenen la mateixa tensió al terminal carregat. Això té lavantatge de reduir lleugerament el pes del paquet i disminuir el consum paràsit, a més de permetre lequilibri multipunt.
Tecnologia dels paquets de bateries Els packs de bateries necessiten un balancejat de bateria, que és una tècnica que maximitza la capacitat d'una bateria de tenir tota la seva energia disponible per al seu ús i augmentar la longevitat de la bateria Normalment el regulador de bateria és un dispositiu incorporat dins del paquet de bateries que duu a terme l'equilibri de les cel·les entre sí. La majoria dels packs de bateries moderns utilitzen bateries d'ions de lit que ofereixen:
Major densitat energètica. Menor pes. Absència defecte memòria. Càrrega ràpida i vida útil perllongada.
Els fabricants d'eines elèctriques ofereixen bateries amb diferents voltatges per adaptar-se a diverses aplicacions. Aquests voltatges determinen la potència i l'autonomia de l'eina. Les bateries de més voltatge solen utilitzar-se en aplicacions més exigents, com perforació en formigó o tall de materials durs. A continuació es presenten els voltatges més comuns: Fabricant Model Voltatge Capacitat (Ah) Tipus de BMS Observacions Bosch PBA 12V 2.5Ah 12V 2.5 Extern Ús domèstic, sistema Power for All Bosch GBA 18V 5.0Ah 18V 5.0 Intern Professional, tecnologia CoolPack Bosch ProCORE 18V 8.0Ah 18V 8.0 Intern Alta densitat energètica, BMS intel·ligent Makita BL1021B 12V 2.0 Extern Sèrie CXT, compacte Makita BL1850B 18V 5.0 Intern Sèrie LXT, amb indicador de càrrega Makita BL4040 40V 4.0 Intern Sèrie XGT, comunicació digital bateria-màquina DeWalt DCB124 12V 3.0 Extern XR Compacta, ús professional lleuger DeWalt DCB184 18V 5.0 Intern XR Li-Ion, compatible amb tota la gamma 18V DeWalt DCB546 18V / 54V 6.0 Intern FLEXVOLT, voltatge dual, BMS intel·ligent
Arquitectura interna dels packs de bateries