Batteries en série ou en parallèle : Quelles sont les différences ?

"Batteries en série ou en parallèle" est un concept fondamental pour quiconque conçoit ou optimise des systèmes énergétiques personnalisés. Qu'il s'agisse d'alimenter un véhicule électrique, une ferme solaire ou un appareil portable, la compréhension de ces configurations garantit des performances, une sécurité et une rentabilité optimales. 

Connexion en série des batteries

Dans une connexion en série, la borne positive d'une batterie est connectée à la borne négative de la suivante. Cette configuration permet d'obtenir une tension totale plus élevée, qui correspond à la somme des tensions de chaque batterie, alors que la capacité (Ah) reste identique à celle d'une batterie unique.

Avantages de la connexion en série

1. Une tension plus élevée pour des applications de haute puissance

   • Les appareils nécessitant une tension plus élevée, tels que les véhicules électriques (VE), les outils électriques et le stockage de l'énergie solaire, bénéficient d'une connexion en série car elle leur permet de fonctionner efficacement sans consommation excessive de courant.

2. Réduction de la charge de courant sur les fils et les composants

   • En augmentant la tension plutôt que le courant, une connexion en série permet de réduire les pertes d'énergie dues à la résistance des fils et des composants, ce qui améliore l'efficacité globale d'un système électrique.

3. Chargement efficace dans les applications à haute tension

   • De nombreux systèmes de charge, tels que les chargeurs de véhicules électriques et les systèmes de gestion des batteries à grande échelle, sont optimisés pour les batteries à haute tension, ce qui rend les configurations en série plus appropriées.

4. Meilleure distribution de l'énergie dans les applications à grande échelle

   • Les configurations en série permettent une distribution équilibrée de la puissance, garantissant que chaque batterie du système contribue de manière égale à la puissance totale.

Inconvénients de la connexion en série

1. Problèmes de déséquilibre de la batterie

   • Au fil du temps, les batteries individuelles peuvent développer de légères variations de capacité, ce qui fait que certaines atteignent leur pleine charge avant d'autres. Ce déséquilibre peut entraîner une surcharge ou une décharge profonde, ce qui risque de réduire la durée de vie de la batterie si elle n'est pas gérée correctement à l'aide d'un système de gestion de la batterie.

2. Défaillance complète du système en cas de défaillance d'une batterie

   • Si l'une des batteries de la série tombe en panne ou est déconnectée, l'ensemble du circuit est interrompu, ce qui entraîne l'arrêt du système, à moins qu'un circuit de dérivation ne soit en place.

3. Complexité accrue de la tarification

   • La charge d'un ensemble de batteries connectées en série nécessite un système de charge équilibré afin d'éviter que les cellules individuelles ne soient surchargées ou sous-chargées, ce qui peut s'avérer difficile dans le cas d'ensembles de batteries de grande taille.

4. Résistance interne plus élevée

   • La résistance interne de chaque batterie s'additionne dans une connexion en série, ce qui peut entraîner une augmentation de la production de chaleur et une perte d'énergie si elle n'est pas correctement gérée.

Connexion en parallèle des batteries

Dans une configuration parallèle, les bornes positives de toutes les batteries sont connectées ensemble, et les bornes négatives sont également connectées ensemble. Cette configuration maintient la même tension qu'une batterie unique mais augmente la capacité (Ah) en additionnant les capacités de toutes les batteries connectées.

Avantages de la connexion en parallèle

1. Capacité accrue de la batterie pour une plus longue durée d'utilisation

   • Comme la capacité (Ah) est additive, un ensemble de batteries en parallèle peut fournir une puissance plus durable, ce qui le rend idéal pour les appareils nécessitant une durée de vie prolongée, tels que les systèmes d'alimentation de secours (UPS), le stockage de l'énergie solaire et les appareils électroniques portables.

2. Amélioration de la redondance et de la fiabilité du système

   • Contrairement à une connexion en série, si une batterie tombe en panne dans une configuration parallèle, le système peut toujours fonctionner, en tirant l'énergie des batteries opérationnelles restantes. Cela renforce la fiabilité des applications critiques telles que les appareils médicaux et les systèmes d'alimentation de secours.

3. Consommation de courant plus faible par batterie

   • Comme le courant total est réparti entre plusieurs batteries, chaque batterie individuelle est moins sollicitée, ce qui réduit la production de chaleur et le stress sur les cellules, prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie.

4. Processus de chargement simplifié

   • La charge d'une batterie en parallèle est généralement plus facile et plus sûre, car la tension reste la même que celle d'un seul élément. Les chargeurs standard peuvent être utilisés sans nécessiter de circuits d'équilibrage complexes, comme c'est le cas pour les configurations en série.

Inconvénients de la connexion en parallèle

1. Tension de sortie limitée

   • Comme les connexions parallèles n'augmentent pas la tension, les applications qui nécessitent des alimentations à haute tension peuvent ne pas convenir à une configuration purement parallèle sans circuit supplémentaire.

2. Répartition inégale du courant entre les batteries

   • Si les batteries ont des résistances internes différentes ou sont à des niveaux de charge différents, elles peuvent répartir la charge de manière inégale, ce qui fait que certaines batteries se déchargent ou se chargent plus rapidement que d'autres, ce qui peut entraîner une dégradation prématurée.

3. Risque de surintensité

   • Si l'une des batteries d'une installation en parallèle présente un court-circuit, cela peut entraîner une forte consommation de courant par les autres batteries, ce qui risque d'endommager l'ensemble du système, à moins que des fusibles ou des circuits de protection adéquats ne soient en place.

4. Plus de câblage et d'espace

   • Si les configurations parallèles améliorent la durée de vie des batteries, elles nécessitent davantage de connexions et d'espace physique en raison de la nécessité d'ajouter des batteries supplémentaires pour obtenir la capacité souhaitée.

Différences entre batteries en série et en parallèle

Lorsqu'il s'agit de choisir entre des configurations de batteries en série et en parallèle, il est essentiel de comprendre comment elles influencent la tension, le courant, la capacité, l'efficacité, les performances et la sécurité. Vous trouverez ci-dessous une comparaison détaillée des principales différences :

1. Sortie en tension

• Connexion à la série :

  • La tension augmente au fur et à mesure que les batteries sont connectées en série.
  • La tension totale est la somme des tensions individuelles des cellules.
  • Formule : VPTrondissementV1+V2+V3+...+Vn​
  • Exemple : La connexion en série de quatre batteries lithium-ion de 3,7V permet d'obtenir un pack de 14,8V.
  • Idéal pour : Applications nécessitant une tension plus élevée, telles que les véhicules électriques, les outils électriques et les équipements industriels.

• Connexion parallèle :

  • La tension reste la même pour un seul élément, quel que soit le nombre de piles connectées.
  • Formule : VPTrondissement de la batterie simple​
  • Exemple : La connexion de quatre batteries de 3,7V en parallèle donne toujours une sortie de 3,7V.
  • Idéal pour : Applications nécessitant une grande capacité et une longue durée de fonctionnement, telles que les banques d'alimentation, le stockage de l'énergie solaire et les appareils médicaux.

2. Capacité de courant (ampérage)

• Connexion à la série :

  • Le courant reste le même qu'avec une seule batterie.
  • Formule : Itotal=Batterie unique​
  • Exemple : Si chaque batterie fournit 2Ah, la capacité totale reste de 2Ah dans une connexion en série.
  • Limitation : Comme le courant total n'augmente pas, les applications à forte puissance peuvent nécessiter des fils plus épais ou des circuits plus efficaces pour répondre à la demande de puissance.

• Connexion parallèle :

  • La capacité totale de courant augmente lorsque les capacités de toutes les batteries connectées sont additionnées.
  • Formule : Itotal=I1+I2+I3+...+In​
  • Exemple : Si quatre batteries de 2Ah sont connectées en parallèle, la capacité totale devient 8Ah, ce qui permet un fonctionnement plus long.
  • Idéal pour : Appareils nécessitant une longue durée de fonctionnement sans augmentation de la tension, tels que les ordinateurs portables, les tablettes et les systèmes de stockage d'énergie renouvelable.

3. Capacité de la batterie (Ah) et durée d'utilisation

• Connexion à la série :

  • La capacité totale (Ah) reste identique à celle d'une batterie unique.
  • Formule : C CIPANCapacité d'une seule batterie​
  • Impact : La durée de fonctionnement du système n'augmente pas de manière significative, à moins que la conversion de la tension (par exemple à l'aide d'un convertisseur DC-DC) ne soit utilisée pour optimiser l'efficacité.

• Connexion parallèle :

  • La capacité (Ah) augmente, ce qui signifie que la batterie a une plus longue durée de vie avant de devoir être rechargée.
  • Formule : C CliquetisC1+C2+C3+...+Cn​
  • Impact : Une capacité plus élevée signifie une durée de fonctionnement plus longue, ce qui est particulièrement utile pour les systèmes d'alimentation de secours, les équipements médicaux et les appareils de communication.

4. Résistance interne et efficacité

• Connexion à la série :

  • La résistance interne augmente, ce qui peut réduire l'efficacité et générer plus de chaleur.
  • Une résistance plus élevée entraîne des pertes d'énergie lors de la transmission du courant, en particulier dans les applications à haute tension.
  • L'efficacité peut être améliorée grâce à des systèmes de gestion de la batterie (BMS) et des circuits d'égalisation appropriés.

• Connexion parallèle :

  • La résistance interne diminue, ce qui rend la distribution d'énergie plus efficace et réduit la production de chaleur.
  • Moins d'énergie est perdue, ce qui est bénéfique pour les systèmes à haut rendement comme le stockage de l'énergie solaire.
  • Nécessite des circuits de charge équilibrés pour éviter une distribution inégale du courant.

5. Caractéristiques de charge

• Connexion à la série :

  • Nécessite un chargeur équilibré pour garantir une charge homogène de toutes les batteries.
  • Si une batterie est surchargée ou sous-chargée, elle peut se dégrader plus rapidement, ce qui réduit la durée de vie totale du pack.
  • Un système de gestion de la batterie plus complexe est nécessaire pour surveiller et réguler la charge.

• Connexion parallèle :

  • Plus facile à charger car toutes les batteries ont la même tension.
  • Cependant, des déséquilibres de courant peuvent se produire si les piles ont des résistances internes différentes.
  • Si une batterie est plus faible, les autres peuvent surcompenser, ce qui entraîne une usure inégale.

6. Considérations relatives à la sécurité

• Connexion à la série :

  • Si une batterie tombe en panne ou se dégrade, cela peut affecter l'ensemble du pack, entraînant une instabilité potentielle de la tension.
  • Des tensions plus élevées peuvent accroître le risque de choc électrique ou d'emballement thermique si elles ne sont pas correctement gérées.
  • Nécessite un système de gestion de la batterie pour la protéger contre la surcharge, la surchauffe et les déséquilibres de tension.

• Connexion parallèle :

  • Une batterie défaillante dans une configuration parallèle ne perturbe pas l'ensemble du système, ce qui augmente la fiabilité globale.
  • Risque de surintensité en cas de court-circuit d'une batterie, nécessitant des fusibles ou des circuits de limitation de courant pour éviter les dommages.
  • Plus d'espace est nécessaire pour le câblage supplémentaire et les circuits de protection.

7. Applications communes

Quelle configuration choisir ?

Choisissez la série si :
✅ Vous avez besoin d'une tension plus élevée (par exemple, systèmes 24V, 48V).
✅ Votre application nécessite une puissance de sortie élevée avec un courant plus faible.
✅ Vous utilisez des moteurs à courant continu, des équipements industriels ou des batteries à haute tension.

Choisissez Parallèle si :
✅ Vous avez besoin d'une plus longue durée de vie de la batterie et grande capacité.
✅ Vous souhaitez un fonctionnement plus fiable, même en cas de défaillance d'une batterie.
✅ Votre application comprend le stockage solaire, l'alimentation de secours ou les appareils portables.

Choisissez Série-Parallèle si :
Vous avez besoin d'une tension plus élevée et d'une capacité accrue.
✅ Votre système nécessite une puissance et une efficacité de fonctionnement équilibrées.
✅ Vous construisez solutions personnalisées pour les batteries pour des applications telles que les motos électriques, les systèmes énergétiques hybrides ou la sauvegarde du réseau.

Questions fréquemment posées

1. Puis-je mélanger différents types de piles en série ou en parallèle ?

   Il n'est pas recommandé de mélanger des piles de types, de capacités ou d'âges différents, car cela peut entraîner un déséquilibre, une réduction des performances et des risques potentiels pour la sécurité.

2. Que se passe-t-il si l'une des batteries d'une configuration en série tombe en panne ?

   Une batterie défaillante peut perturber l'ensemble du circuit, entraînant une baisse des performances ou une panne complète de l'appareil.

3. L'équilibrage des batteries est-il nécessaire pour les configurations en parallèle ?

   Bien que les configurations parallèles s'équilibrent naturellement dans une certaine mesure, des différences significatives dans les tensions ou les capacités des cellules peuvent causer des problèmes, d'où l'importance de la surveillance.

4. Comment la température affecte-t-elle les configurations de batteries en série et en parallèle ?

   Les températures extrêmes peuvent avoir un impact sur les performances et la durée de vie des batteries dans les deux configurations. Il est essentiel d'utiliser les batteries dans les plages de température spécifiées.

5. Puis-je ajouter des batteries à une installation en série ou en parallèle ?

   L'ajout de batteries à une installation existante doit se faire avec prudence, en veillant à la compatibilité en termes de type, de capacité et d'âge, afin d'éviter tout déséquilibre et tout dommage potentiel.