Pilas en Serie vs. Pilas en Paralelo: ¿Cuáles son las diferencias?

"Baterías en serie frente a baterías en paralelo" es un concepto fundamental para cualquiera que diseñe u optimice sistemas energéticos a medida. Ya se trate de alimentar un vehículo eléctrico, un huerto solar o un dispositivo portátil, comprender estas configuraciones garantiza un rendimiento, una seguridad y una rentabilidad óptimos. 

Conexión en serie de las baterías

En una conexión en serie, el borne positivo de una pila se conecta al borne negativo de la siguiente. Esta configuración da como resultado una tensión total más alta, que es la suma de la tensión de cada pila individual, mientras que la capacidad (Ah) sigue siendo la misma que la de una sola pila.

Ventajas de la conexión en serie

1. Mayor tensión para aplicaciones de alta potencia

   • Los dispositivos que requieren una tensión más alta, como los vehículos eléctricos (VE), las herramientas eléctricas y el almacenamiento de energía solar, se benefician de una conexión en serie porque les permite funcionar de forma eficiente sin un consumo excesivo de corriente.

2. Menor carga de corriente en cables y componentes

   • Al aumentar la tensión en lugar de la corriente, una conexión en serie ayuda a reducir las pérdidas de energía debidas a la resistencia de los cables y los componentes, lo que mejora la eficacia general de un sistema de alimentación.

3. Carga eficiente en aplicaciones de alta tensión

   • Muchos sistemas de carga, como los cargadores de vehículos eléctricos y los sistemas de gestión de baterías a gran escala, están optimizados para paquetes de baterías de alto voltaje, lo que hace que las configuraciones en serie sean más adecuadas.

4. Mejor distribución de la energía en aplicaciones a gran escala

   • Las configuraciones en serie permiten una distribución equilibrada de la energía, garantizando que cada batería del sistema contribuya por igual a la potencia total de salida.

Desventajas de la conexión en serie

1. Problemas de desequilibrio de la batería

   • Con el tiempo, las baterías individuales pueden desarrollar ligeras variaciones de capacidad, haciendo que algunas alcancen la carga completa antes que otras. Este desequilibrio puede provocar una sobrecarga o una descarga profunda, acortando potencialmente la vida útil de la batería si no se gestiona adecuadamente con un sistema de gestión de baterías.

2. Fallo completo del sistema si falla una batería

   • Si una batería de la serie falla o se desconecta, todo el circuito se rompe, haciendo que el sistema deje de funcionar a menos que exista un circuito de derivación.

3. Mayor complejidad en la carga

   • La carga de un paquete de baterías conectadas en serie requiere un sistema de carga equilibrado para evitar que las celdas individuales se sobrecarguen o se descarguen insuficientemente, lo que puede suponer un reto en configuraciones de baterías de gran tamaño.

4. Mayor resistencia interna

   • La resistencia interna de cada pila se suma en una conexión en serie, lo que puede dar lugar a una mayor generación de calor y pérdida de energía si no se gestiona adecuadamente.

Conexión en paralelo de las baterías

En una configuración en paralelo, los terminales positivos de todas las baterías se conectan entre sí, y los terminales negativos también se conectan entre sí. Esta configuración mantiene el mismo voltaje que una sola batería pero aumenta la capacidad (Ah) al sumar las capacidades de todas las baterías conectadas.

Ventajas de la conexión en paralelo

1. Mayor capacidad de la batería para una mayor autonomía

   • Dado que la capacidad (Ah) es aditiva, un paquete de baterías en paralelo puede proporcionar una energía más duradera, lo que lo hace ideal para dispositivos que requieren una mayor duración de la batería, como los sistemas de alimentación de reserva (SAI), el almacenamiento de energía solar y los aparatos electrónicos portátiles.

2. Redundancia y fiabilidad del sistema mejoradas

   • A diferencia de una conexión en serie, si una batería falla en una configuración en paralelo, el sistema puede seguir funcionando, tomando energía de las baterías operativas restantes. Esto aumenta la fiabilidad en aplicaciones críticas como los dispositivos médicos y las copias de seguridad de energía de emergencia.

3. Menor consumo de corriente por batería

   • Dado que la corriente total se distribuye entre varias baterías, cada batería individual experimenta un menor consumo de corriente, lo que reduce la generación de calor y el estrés en las celdas, lo que prolonga la vida útil de la batería.

4. Proceso de carga más sencillo

   • Cargar una configuración de baterías en paralelo suele ser más fácil y seguro, ya que la tensión sigue siendo la misma que la de una sola célula. Se pueden utilizar cargadores estándar sin necesidad de complejos circuitos de equilibrado como los requeridos en las configuraciones en serie.

Desventajas de la conexión en paralelo

1. Salida de tensión limitada

   • Dado que las conexiones en paralelo no aumentan la tensión, las aplicaciones que requieren fuentes de alimentación de alta tensión pueden no ser adecuadas para una configuración puramente en paralelo sin circuitos adicionales.

2. Distribución desigual de la corriente entre las pilas

   • Si las baterías tienen resistencias internas diferentes o se encuentran en niveles de carga distintos, pueden repartirse la carga de forma desigual, lo que provoca que algunas baterías se descarguen o carguen más rápido que otras, lo que puede causar una degradación prematura.

3. Potencial de problemas de sobrecorriente

   • Si una batería de una configuración en paralelo sufre un cortocircuito, puede provocar un elevado consumo de corriente de las otras baterías, dañando potencialmente todo el sistema a menos que se disponga de los fusibles o circuitos de protección adecuados.

4. Más cableado y requisitos de espacio

   • Aunque las configuraciones en paralelo mejoran la duración de las baterías, requieren más conexiones y espacio físico debido a la necesidad de baterías adicionales para alcanzar la capacidad deseada.

Diferencias entre pilas en serie y en paralelo

A la hora de elegir entre configuraciones de baterías en serie y en paralelo, es fundamental comprender cómo afectan a la tensión, la corriente, la capacidad, la eficiencia, el rendimiento y la seguridad. A continuación encontrará una comparación detallada de las principales diferencias:

1. Salida de tensión

• Conexión en serie:

  • La tensión aumenta a medida que las pilas se conectan en serie.
  • La tensión total es la suma de las tensiones individuales de las células.
  • Fórmula: Vtotal=V1+V2+V3+...+Vn​
  • Ejemplo: Conectando cuatro baterías de iones de litio de 3,7 V en serie se obtiene un pack de 14,8 V.
  • Lo mejor para: Aplicaciones que requieren una tensión más alta, como vehículos eléctricos (VE), herramientas eléctricas y equipos industriales.

• Conexión en paralelo:

  • El voltaje sigue siendo el mismo que el de una sola pila, independientemente de cuántas pilas estén conectadas.
  • Fórmula: Vtotal=Vbatería única​
  • Ejemplo: Conectar cuatro pilas de 3,7 V en paralelo sigue dando como resultado una salida de 3,7 V.
  • Lo mejor para: Aplicaciones en las que se necesita una gran capacidad y una mayor autonomía, como bancos de energía, almacenamiento de energía solar y dispositivos médicos.

2. Capacidad de corriente (amperaje)

• Conexión en serie:

  • La corriente sigue siendo la misma que con una sola pila.
  • Fórmula: Itotal=Pila única​
  • Ejemplo: Si cada pila proporciona 2Ah, la capacidad total sigue siendo de 2Ah en una conexión en serie.
  • Limitación: Dado que la corriente total no aumenta, las aplicaciones de alta potencia pueden requerir cables más gruesos o diseños de circuitos más eficientes para manejar la demanda de potencia.

• Conexión en paralelo:

  • La capacidad total de corriente aumenta, ya que se suman las capacidades de todas las baterías conectadas.
  • Fórmula: Itotal=I1+I2+I3+...+In​
  • Ejemplo: Si se conectan en paralelo cuatro baterías de 2Ah, la capacidad total pasa a ser de 8Ah, lo que permite un funcionamiento más prolongado.
  • Lo mejor para: Dispositivos que requieren una larga autonomía sin aumentar la tensión, como ordenadores portátiles, tabletas y sistemas de almacenamiento de energía renovable.

3. Capacidad de la batería (Ah) y autonomía

• Conexión en serie:

  • La capacidad total (Ah) sigue siendo la misma que la de una sola batería.
  • Fórmula: Ctotal=Cpila única​
  • Impacto: El tiempo de funcionamiento del sistema no aumenta significativamente, a menos que se utilice la conversión de voltaje (como el uso de un convertidor CC-CC) para optimizar la eficiencia.

• Conexión en paralelo:

  • La capacidad (Ah) aumenta, lo que significa una mayor duración de la batería antes de que sea necesario recargarla.
  • Fórmula: Ctotal=C1+C2+C3+...+Cn​
  • Impacto: Una mayor capacidad significa un mayor tiempo de funcionamiento, lo que resulta especialmente útil para los sistemas de alimentación de reserva, los equipos médicos y los dispositivos de comunicación.

4. Resistencia interna y eficiencia

• Conexión en serie:

  • La resistencia interna se acumula, lo que puede reducir la eficiencia y generar más calor.
  • Una mayor resistencia conlleva pérdidas de energía durante la transmisión de potencia, especialmente en aplicaciones de alta tensión.
  • La eficiencia puede mejorarse con sistemas adecuados de gestión de baterías (BMS) y circuitos de ecualización.

• Conexión en paralelo:

  • La resistencia interna disminuye, lo que hace que la entrega de potencia sea más eficiente con una menor generación de calor.
  • Se pierde menos energía, lo que es beneficioso para los sistemas de alta eficiencia como el almacenamiento de energía solar.
  • Requiere circuitos de carga equilibrados para evitar una distribución desigual de la corriente.

5. Características de carga

• Conexión en serie:

  • Requiere un cargador equilibrado para garantizar que todas las baterías se cargan por igual.
  • Si una pila se sobrecarga o se carga insuficientemente, puede degradarse más rápidamente, reduciendo la vida útil total del pack.
  • Se necesita un sistema de gestión de baterías más complejo para supervisar y regular la carga.

• Conexión en paralelo:

  • Más fácil de cargar porque todas las baterías comparten el mismo voltaje.
  • Sin embargo, pueden producirse desequilibrios de corriente si las pilas tienen resistencias internas diferentes.
  • Si una pila es más débil, las otras pueden compensar en exceso, provocando un desgaste desigual.

6. Consideraciones de seguridad

• Conexión en serie:

  • Si una batería falla o se degrada, puede afectar a todo el pack, provocando una inestabilidad potencial de la tensión.
  • Los voltajes más altos pueden aumentar el riesgo de descarga eléctrica o de embalamiento térmico si no se gestionan adecuadamente.
  • Necesita un sistema de gestión de la batería para protegerse contra la sobrecarga, el sobrecalentamiento y los desequilibrios de tensión.

• Conexión en paralelo:

  • Una batería averiada en una configuración en paralelo no interrumpe todo el sistema, lo que aumenta la fiabilidad general.
  • Riesgo de sobrecorriente si una batería se cortocircuita, lo que requiere fusibles o circuitos limitadores de corriente para evitar daños.
  • Se necesita más espacio para el cableado adicional y los circuitos de protección.

7. Aplicaciones comunes

¿Qué configuración debe elegir?

Elija la serie si:
✅ Necesita un voltaje más alto (por ejemplo, sistemas de 24V, 48V).
✅ Su aplicación requiere una alta potencia de salida con una corriente más baja.
✅ Está utilizando motores de corriente continua, equipos industriales o baterías de alto voltaje.

Elija Paralelo si:
✅ Necesita una mayor duración de la batería y gran capacidad.
✅ Usted desea un funcionamiento más fiable, incluso si falla una pila.
✅ Su aplicación incluye almacenamiento solar, energía de reserva o dispositivos portátiles.

Elija Serie-Paralelo si:
✅ Necesita tanto un mayor voltaje como una mayor capacidad.
✅ Su sistema requiere una potencia equilibrada y eficiencia de funcionamiento.
✅ Está construyendo soluciones de pilas a medida para aplicaciones como motocicletas eléctricas, sistemas híbridos de energía o apoyo a la red.

Preguntas frecuentes

1. ¿Puedo mezclar distintos tipos de pilas en serie o en paralelo?

   No se recomienda mezclar diferentes tipos, capacidades o edades de pilas, ya que esto puede provocar desequilibrios, reducir el rendimiento y suponer un riesgo potencial para la seguridad.

2. ¿Qué ocurre si falla una pila de una configuración en serie?

   Una pila averiada puede interrumpir todo el circuito, provocando una reducción del rendimiento o el fallo completo del aparato.

3. ¿Es necesario equilibrar las baterías en las configuraciones en paralelo?

   Aunque las configuraciones en paralelo se equilibran de forma natural hasta cierto punto, las diferencias significativas en los voltajes o capacidades de las células pueden causar problemas, por lo que es importante su supervisión.

4. ¿Cómo afecta la temperatura a las configuraciones en serie y en paralelo de las pilas?

   Las temperaturas extremas pueden afectar al rendimiento y la vida útil de las pilas en ambas configuraciones. Es crucial operar las baterías dentro de sus rangos de temperatura especificados.

5. ¿Puedo añadir más pilas a una configuración existente en serie o en paralelo?

   Añadir baterías a una instalación existente debe hacerse con precaución, asegurando la compatibilidad en términos de tipo, capacidad y antigüedad para evitar desequilibrios y posibles daños.