Batterie in serie e in parallelo: Quali sono le differenze?

"Batterie in serie o in parallelo" è un concetto fondamentale per chiunque progetti o ottimizzi sistemi energetici personalizzati. Che si tratti di alimentare un veicolo elettrico, un impianto solare o un dispositivo portatile, la comprensione di queste configurazioni garantisce prestazioni, sicurezza ed efficienza economica ottimali. 

Collegamento in serie delle batterie

In un collegamento in serie, il polo positivo di una batteria è collegato al polo negativo della successiva. Questa configurazione determina una tensione totale più elevata, che è la somma della tensione di ogni singola batteria, mentre la capacità (Ah) rimane la stessa di una singola batteria.

Vantaggi del collegamento in serie

1. Tensione più elevata per applicazioni ad alta potenza

   • I dispositivi che richiedono una tensione più elevata, come i veicoli elettrici (EV), gli utensili elettrici e l'accumulo di energia solare, traggono vantaggio da un collegamento in serie perché consentono di operare in modo efficiente senza un eccessivo assorbimento di corrente.

2. Riduzione del carico di corrente su fili e componenti

   • Aumentando la tensione anziché la corrente, un collegamento in serie contribuisce a ridurre le perdite di energia dovute alla resistenza dei fili e dei componenti, migliorando l'efficienza complessiva di un sistema di alimentazione.

3. Ricarica efficiente nelle applicazioni ad alta tensione

   • Molti sistemi di ricarica, come i caricabatterie per veicoli elettrici e i sistemi di gestione delle batterie su larga scala, sono ottimizzati per i pacchi batteria ad alta tensione, rendendo più adatte le configurazioni in serie.

4. Migliore distribuzione dell'energia nelle applicazioni su larga scala

   • Le configurazioni in serie consentono una distribuzione bilanciata della potenza, garantendo che ogni batteria del sistema contribuisca in egual misura alla potenza totale.

Svantaggi del collegamento in serie

1. Problemi di squilibrio della batteria

   • Nel corso del tempo, le singole batterie possono subire lievi variazioni di capacità, facendo sì che alcune raggiungano la carica completa prima di altre. Questo squilibrio può portare a sovraccarichi o scariche profonde, riducendo potenzialmente la durata della batteria se non viene gestito correttamente con un sistema di gestione della batteria.

2. Guasto completo del sistema in caso di guasto di una batteria

   • Se una batteria della serie si guasta o si scollega, l'intero circuito si interrompe, causando l'interruzione del funzionamento del sistema, a meno che non sia presente un circuito di bypass.

3. Aumento della complessità della tariffazione

   • La carica di un pacco batterie collegato in serie richiede un sistema di carica bilanciato per evitare che le singole celle siano sovraccaricate o sottocaricate, il che può essere difficile in configurazioni di batterie di grandi dimensioni.

4. Resistenza interna più elevata

   • La resistenza interna di ogni batteria si somma in un collegamento in serie, che può provocare una maggiore generazione di calore e una perdita di energia se non viene gestito correttamente.

Collegamento in parallelo delle batterie

In una configurazione in parallelo, i terminali positivi di tutte le batterie sono collegati insieme e anche i terminali negativi sono collegati insieme. Questa configurazione mantiene la stessa tensione di una singola batteria, ma aumenta la capacità (Ah) sommando le capacità di tutte le batterie collegate.

Vantaggi del collegamento in parallelo

1. Maggiore capacità della batteria per una maggiore autonomia

   • Poiché la capacità (Ah) è additiva, un pacco batterie in parallelo è in grado di fornire un'alimentazione più duratura, rendendolo ideale per i dispositivi che richiedono una durata prolungata della batteria, come i sistemi di alimentazione di backup (UPS), l'accumulo di energia solare e l'elettronica portatile.

2. Miglioramento della ridondanza e dell'affidabilità del sistema

   • A differenza di una connessione in serie, se una batteria si guasta in una configurazione in parallelo, il sistema può continuare a funzionare, attingendo energia dalle restanti batterie operative. Ciò aumenta l'affidabilità in applicazioni critiche come i dispositivi medici e i backup di emergenza.

3. Minore assorbimento di corrente per batteria

   • Poiché la corrente totale viene distribuita tra più batterie, ogni singola batteria subisce un minore assorbimento di corrente, riducendo la generazione di calore e lo stress sulle celle, con conseguente prolungamento della durata della batteria.

4. Processo di ricarica più semplice

   • La ricarica di una configurazione di batterie in parallelo è generalmente più facile e sicura, poiché la tensione rimane la stessa di una singola cella. È possibile utilizzare caricabatterie standard senza dover ricorrere a complessi circuiti di bilanciamento come quelli richiesti dalle configurazioni in serie.

Svantaggi del collegamento in parallelo

1. Uscita di tensione limitata

   • Poiché i collegamenti in parallelo non aumentano la tensione, le applicazioni che richiedono alimentatori ad alta tensione potrebbero non essere adatte a una configurazione in puro parallelo senza circuiti aggiuntivi.

2. Distribuzione disuguale della corrente tra le batterie

   • Se le batterie hanno resistenze interne diverse o si trovano a livelli di carica diversi, possono ripartire il carico in modo non uniforme, facendo sì che alcune batterie si scarichino o si carichino più velocemente di altre, con conseguente degrado prematuro.

3. Potenziale di problemi di sovracorrente

   • Il cortocircuito di una batteria in un impianto in parallelo può causare un elevato assorbimento di corrente dalle altre batterie, danneggiando potenzialmente l'intero sistema, a meno che non siano presenti fusibili o circuiti di protezione adeguati.

4. Ulteriori requisiti di cablaggio e spazio

   • Se da un lato le configurazioni in parallelo migliorano la durata della batteria, dall'altro richiedono più connessioni e spazio fisico a causa della necessità di batterie aggiuntive per raggiungere la capacità desiderata.

Differenze tra batterie in serie e in parallelo

Quando si sceglie tra le configurazioni delle batterie in serie e in parallelo, è fondamentale capire come influiscono su tensione, corrente, capacità, efficienza, prestazioni e sicurezza. Di seguito un confronto dettagliato delle principali differenze:

1. Uscita di tensione

• Connessione alla serie:

  • La tensione aumenta con il collegamento in serie delle batterie.
  • La tensione totale è la somma delle tensioni delle singole celle.
  • Formula: Vtotale=V1+V2+V3+...+Vn​
  • Esempio: Collegando in serie quattro batterie agli ioni di litio da 3,7 V si ottiene un pacco da 14,8 V.
  • Ideale per: Applicazioni che richiedono una tensione più elevata, come veicoli elettrici (EV), utensili elettrici e apparecchiature industriali.

• Collegamento in parallelo:

  • La tensione rimane la stessa di una singola cella, indipendentemente dal numero di batterie collegate.
  • Formula: Vtotale=Vsingola batteria​
  • Esempio: Collegando quattro batterie da 3,7 V in parallelo si ottiene comunque un'uscita da 3,7 V.
  • Ideale per: Applicazioni in cui è necessaria un'elevata capacità e una maggiore autonomia, come ad esempio le banche di energia, l'accumulo di energia solare e i dispositivi medici.

2. Capacità di corrente (amperaggio)

• Connessione alla serie:

  • La corrente rimane la stessa di una singola batteria.
  • Formula: Itotale=Batteria singola​
  • Esempio: Se ogni batteria fornisce 2Ah, la capacità totale rimane di 2Ah in un collegamento in serie.
  • Limitazione: Poiché la corrente totale non aumenta, le applicazioni ad alta potenza possono richiedere fili più spessi o progetti di circuiti più efficienti per gestire la richiesta di potenza.

• Collegamento in parallelo:

  • La capacità di corrente totale aumenta sommando le capacità di tutte le batterie collegate.
  • Formula: Itotale=I1+I2+I3+...+In​
  • Esempio: Se quattro batterie da 2Ah sono collegate in parallelo, la capacità totale diventa di 8Ah, consentendo un funzionamento più lungo.
  • Ideale per: Dispositivi che richiedono una lunga autonomia senza aumentare la tensione, come laptop, tablet e sistemi di accumulo di energia rinnovabile.

3. Capacità della batteria (Ah) e tempo di funzionamento

• Connessione alla serie:

  • La capacità totale (Ah) rimane la stessa di una batteria singola.
  • Formula: Ctotale=Batteria singola​
  • Impatto: Il tempo di funzionamento del sistema non aumenta in modo significativo, a meno che non si ricorra alla conversione della tensione (ad esempio utilizzando un convertitore DC-DC) per ottimizzare l'efficienza.

• Collegamento in parallelo:

  • La capacità (Ah) aumenta, il che significa una maggiore durata della batteria prima di doverla ricaricare.
  • Formula: Ctotale=C1+C2+C3+...+Cn​
  • Impatto: una maggiore capacità significa una maggiore autonomia, particolarmente utile per i sistemi di alimentazione di riserva, le apparecchiature mediche e i dispositivi di comunicazione.

4. Resistenza interna ed efficienza

• Connessione alla serie:

  • La resistenza interna si somma, riducendo l'efficienza e generando più calore.
  • Una resistenza più elevata comporta perdite di energia durante la trasmissione di energia, soprattutto nelle applicazioni ad alta tensione.
  • L'efficienza può essere migliorata con sistemi di gestione delle batterie (BMS) e circuiti di equalizzazione adeguati.

• Collegamento in parallelo:

  • La resistenza interna diminuisce, rendendo più efficiente l'erogazione di potenza con una minore generazione di calore.
  • La perdita di energia è minore, a tutto vantaggio dei sistemi ad alta efficienza come l'accumulo di energia solare.
  • Richiede circuiti di carica bilanciati per evitare una distribuzione non uniforme della corrente.

5. Caratteristiche di carica

• Connessione alla serie:

  • Richiede un caricabatterie bilanciato per garantire una carica uniforme di tutte le batterie.
  • Se una batteria viene sovraccaricata o sottocaricata, può degradarsi più rapidamente, riducendo la durata complessiva del pacco.
  • È necessario un sistema di gestione della batteria più complesso per monitorare e regolare la carica.

• Collegamento in parallelo:

  • Più facile da caricare perché tutte le batterie condividono la stessa tensione.
  • Tuttavia, possono verificarsi squilibri di corrente se le batterie hanno resistenze interne diverse.
  • Se una batteria è più debole, le altre potrebbero compensare eccessivamente, causando un'usura non uniforme.

6. Considerazioni sulla sicurezza

• Connessione alla serie:

  • Se una batteria si guasta o si degrada, può influenzare l'intero pacco, con conseguente potenziale instabilità della tensione.
  • Le tensioni più elevate possono aumentare il rischio di scosse elettriche o di fuga termica se non sono gestite correttamente.
  • Necessita di un sistema di gestione della batteria per proteggersi da sovraccarico, surriscaldamento e squilibri di tensione.

• Collegamento in parallelo:

  • Una batteria guasta in una configurazione parallela non interrompe l'intero sistema, aumentando l'affidabilità complessiva.
  • Rischio di sovracorrente in caso di cortocircuito di una batteria, che richiede fusibili o circuiti di limitazione della corrente per evitare danni.
  • È necessario più spazio per il cablaggio supplementare e i circuiti di protezione.

7. Applicazioni comuni

Quale configurazione scegliere?

Scegliere la serie se:
✅ È necessaria una tensione più elevata (ad esempio, sistemi a 24 V, 48 V).
L'applicazione richiede una potenza elevata con una corrente ridotta.
✅ Si stanno utilizzando motori a corrente continua, apparecchiature industriali o pacchi batteria ad alta tensione.

Scegliere Parallelo se:
✅ Avete bisogno di una maggiore durata della batteria e di un alta capacità.
Si desidera un funzionamento più affidabile, anche in caso di guasto di una batteria.
La vostra applicazione comprende l'accumulo di energia solare, l'alimentazione di riserva o i dispositivi portatili.

Scegliere Serie-Parallelo se:
È necessario sia un voltaggio più elevato che una maggiore capacità.
✅ Il sistema richiede una potenza equilibrata e un'efficienza di funzionamento.
State costruendo soluzioni di batteria personalizzate per applicazioni come motocicli elettrici, sistemi energetici ibridi o backup della rete.

Domande frequenti

1. Posso mescolare diversi tipi di batterie in serie o in parallelo?

   Non è consigliabile mescolare tipi, capacità o età diverse di batterie, poiché ciò può causare squilibri, prestazioni ridotte e potenziali rischi per la sicurezza.

2. Cosa succede se una batteria in una configurazione in serie si guasta?

   Una batteria guasta può interrompere l'intero circuito, con conseguente riduzione delle prestazioni o guasto completo del dispositivo.

3. Il bilanciamento della batteria è necessario per le configurazioni in parallelo?

   Mentre le configurazioni in parallelo si bilanciano naturalmente in una certa misura, differenze significative nelle tensioni o nelle capacità delle celle possono causare problemi, rendendo importante il monitoraggio.

4. Come influisce la temperatura sulle configurazioni delle batterie in serie e in parallelo?

   Le temperature estreme possono influire sulle prestazioni e sulla durata delle batterie in entrambe le configurazioni. È fondamentale far funzionare le batterie entro gli intervalli di temperatura specificati.

5. Posso aggiungere altre batterie a una configurazione esistente in serie o in parallelo?

   L'aggiunta di batterie a un impianto esistente deve essere fatta con cautela, assicurando la compatibilità in termini di tipo, capacità ed età per evitare squilibri e potenziali danni.