Cuando se construye una batería de litio con celdas 18650 o 21700, una de las decisiones más importantes es cómo se conectan entre sí. Dependiendo de si utilizamos una conexión en serie, en paralelo o una combinación de ambas, podemos modificar el voltaje, la capacidad y la energía total del conjunto.
Pero ¿qué diferencia existe entre conectar celdas en serie y en paralelo? ¿Por qué una batería 10S4P tiene 36 V nominales y otra 13S5P se comercializa como batería de 48 V?
En esta guía de Batterybro.es explicamos las diferencias entre ambos sistemas, cómo calcular sus características y qué debemos tener en cuenta para diseñar un pack de baterías de litio correctamente.
Tabla de contenidos
- Qué es la conexión en serie y en paralelo de baterías
- Conexión en serie: cómo aumenta el voltaje
- Conexión en paralelo: cómo aumenta la capacidad
- Diferencias entre la conexión en serie y en paralelo
- Cómo combinar la conexión en serie y en paralelo
- Ejemplos de conexión en serie y en paralelo con celdas 18650 y 21700
- Cómo calcular los Wh de una batería
- Qué conexión, en serie o en paralelo, permite entregar más corriente
- El papel del BMS en la conexión en serie y en paralelo
- Errores frecuentes en la conexión en serie y en paralelo
- Preguntas frecuentes sobre la conexión en serie y en paralelo
- Conclusión
Qué es la conexión en serie y en paralelo de baterías
Un pack de baterías es un conjunto de celdas conectadas eléctricamente para conseguir unas características determinadas de tensión, capacidad y corriente.
Por lo general, las dos formas principales de conexión son:
- Conexión en serie: permite aumentar el voltaje total.
- Conexión en paralelo: permite aumentar la capacidad en amperios-hora (Ah).
Además, en muchas baterías comerciales se combinan ambos sistemas para conseguir el voltaje y la autonomía necesarios.
Por ejemplo, las baterías de bicicletas eléctricas suelen utilizar grupos de celdas en paralelo conectados posteriormente en serie.
Para comprender mejor las unidades eléctricas utilizadas, puedes consultar nuestro artículo sobre amperios, Ah, mAh y Wh en baterías de litio.
Conexión en serie: cómo aumenta el voltaje
Una conexión en serie consiste en conectar el terminal positivo de una celda con el terminal negativo de la siguiente, formando una cadena eléctrica.
En esta configuración, las tensiones de las celdas se suman, mientras que la capacidad en Ah permanece igual cuando utilizamos celdas idénticas.
Ejemplo con tres celdas 18650
Por ejemplo, supongamos que tenemos tres celdas de litio con las siguientes características:
- Tensión nominal: 3,6 V.
- Capacidad: 3.000 mAh (3 Ah).
- Tensión máxima de carga: 4,2 V.
Entonces, si conectamos las tres celdas en serie, obtenemos:
Voltaje nominal:
3,6 V × 3 = 10,8 V
Capacidad:
3 Ah
Tensión máxima de carga:
4,2 V × 3 = 12,6 V
Por tanto, esta configuración se denomina 3S.
La letra S procede del término inglés Series.
Según el fabricante, la tensión nominal de una celda de litio puede indicarse como 3,6 V o 3,7 V. En esta guía usamos 3,6 V para todos los cálculos.
¿Por qué no aumenta la capacidad en Ah?
Porque en una conexión en serie circula la misma corriente por todas las celdas.
Aunque la tensión total aumenta, la capacidad expresada en amperios-hora permanece igual en un conjunto de celdas idénticas.
Sin embargo, la energía total en Wh sí aumenta, porque estamos incorporando más celdas al conjunto.
Conexión en paralelo: cómo aumenta la capacidad
Por otro lado, en una conexión en paralelo se unen los terminales positivos entre sí y los terminales negativos entre sí.
En este caso, la tensión nominal permanece igual, mientras que las capacidades de las celdas se suman.
Ejemplo con cuatro celdas 18650
En este caso, utilizamos cuatro celdas idénticas de:
- Tensión nominal: 3,6 V.
- Capacidad: 3.000 mAh.
Así, al conectarlas en paralelo obtenemos:
Voltaje nominal:
3,6 V
Capacidad total:
3.000 mAh × 4 = 12.000 mAh
Es decir, 12 Ah.
Así, esta configuración se denomina 4P.
La letra P procede del término inglés Parallel.
¿Qué ventajas tiene la conexión en paralelo?
En primer lugar, permite aumentar la capacidad del conjunto sin modificar su tensión nominal.
También puede aumentar la corriente total admisible, siempre que las celdas, conexiones y protecciones estén dimensionadas correctamente.
No obstante, la corriente no se reparte necesariamente de forma idéntica entre todas las celdas, especialmente cuando existen diferencias de resistencia interna o de conexiones.
Diferencias entre la conexión en serie y en paralelo
La siguiente tabla resume las características principales de la conexión en serie y en paralelo.
| Característica | Conexión en serie | Conexión en paralelo |
|---|---|---|
| Voltaje | Se suma | Permanece igual |
| Capacidad en Ah | Permanece igual | Se suma |
| Energía total en Wh | Aumenta | Aumenta |
| Corriente | La misma atraviesa cada celda | Se reparte entre las celdas |
| Identificación | S | P |
| Ejemplo | 3S | 3P |
| Aplicación | Aumentar tensión | Aumentar capacidad |
Ejemplo comparativo:
Por ejemplo, si utilizamos cuatro celdas idénticas de 3,6 V y 3 Ah:
- En serie (4S): 14,4 V y 3 Ah.
- En paralelo (4P): 3,6 V y 12 Ah.
No obstante, ambas configuraciones almacenan nominalmente 43,2 Wh.
En cambio, la diferencia está en cómo se distribuyen el voltaje y la capacidad.
Cómo combinar la conexión en serie y en paralelo
Además, en numerosas aplicaciones no basta con aumentar únicamente el voltaje o la capacidad.
Por eso se utilizan configuraciones mixtas que combinan grupos en paralelo conectados entre sí en serie.
Por ejemplo, una de las más habituales es la configuración 10S4P.
¿Qué significa 10S4P?
- 10S: diez grupos conectados en serie.
- 4P: cuatro celdas conectadas en paralelo dentro de cada grupo.
Por lo tanto, el número total de celdas es:
10 × 4 = 40 celdas.
Si cada celda tiene una tensión nominal de 3,6 V y una capacidad de 3 Ah, obtenemos:
Voltaje: 10 × 3,6 = 36 V.
Capacidad: 4 × 3 = 12 Ah.
Energía: 36 × 12 = 432 Wh.
Tensión máxima de carga: 10 × 4,2 = 42 V. Por eso, una batería de 36 V necesita un cargador de 42 V.
Esta configuración es habitual en baterías de bicicletas eléctricas de 36 V, aunque existen muchas otras posibilidades.
¿Y qué significa 13S5P?
Del mismo modo, en una batería 13S5P tenemos:
- Trece grupos en serie.
- Cinco celdas en paralelo por grupo.
- Un total de 65 celdas.
Utilizando celdas de 3,6 V y 3 Ah:
Voltaje nominal: 46,8 V.
Capacidad: 15 Ah.
Energía nominal: 702 Wh.
Tensión máxima de carga: 13 × 4,2 = 54,6 V. Es la tensión del cargador habitual para baterías de 48 V.
Por eso, esta configuración se comercializa habitualmente como batería de 48 V.
Ejemplos de conexión en serie y en paralelo con celdas 18650 y 21700
Veamos cómo afecta la conexión en serie y en paralelo a dos formatos de celdas habituales en baterías de litio.
Ejemplo 1. Pack con celdas 18650 de 3.000 mAh
En primer lugar, supongamos que utilizamos celdas 18650 con tensión nominal de 3,6 V y capacidad de 3.000 mAh.
| Configuración | Nº de celdas | Voltaje nominal | Capacidad | Energía |
|---|---|---|---|---|
| 3S1P | 3 | 10,8 V | 3 Ah | 32,4 Wh |
| 7S3P | 21 | 25,2 V | 9 Ah | 226,8 Wh |
| 10S4P | 40 | 36 V | 12 Ah | 432 Wh |
| 13S5P | 65 | 46,8 V | 15 Ah | 702 Wh |
Eso sí, estos valores son teóricos y corresponden a celdas idénticas de las características indicadas.
Ejemplo 2. Pack con celdas 21700 de 5.000 mAh
A continuación, utilizamos celdas 21700 con tensión nominal de 3,6 V y capacidad de 5.000 mAh.
| Configuración | Nº de celdas | Voltaje nominal | Capacidad | Energía |
|---|---|---|---|---|
| 3S2P | 6 | 10,8 V | 10 Ah | 108 Wh |
| 7S3P | 21 | 25,2 V | 15 Ah | 378 Wh |
| 10S4P | 40 | 36 V | 20 Ah | 720 Wh |
| 13S5P | 65 | 46,8 V | 25 Ah | 1.170 Wh |
Como podemos observar, utilizar celdas de mayor capacidad permite aumentar la energía almacenada sin modificar necesariamente el número de celdas del pack.
Sin embargo, la capacidad no es el único factor importante.
También debemos comprobar la corriente máxima de descarga, la resistencia interna y las condiciones de funcionamiento.
Cómo calcular los Wh de una batería
En general, la energía almacenada en una batería se expresa habitualmente en vatios-hora (Wh).
Para calcularla utilizamos la fórmula:
Wh = V × Ah
Donde:
- V es la tensión nominal de la batería.
- Ah es la capacidad total en amperios-hora.
- Wh es la energía nominal en vatios-hora.
Ejemplo práctico
Por ejemplo, tenemos una batería de 36 V y 15 Ah.
36 × 15 = 540 Wh.
Por lo tanto, la batería dispone de una energía nominal de 540 Wh.
Además, esta cifra permite comparar baterías de diferentes voltajes y capacidades. Si quieres hacer estos cálculos de forma automática, puedes usar nuestra calculadora de packs de baterías de litio.
Por ejemplo:
- Batería A: 36 V y 15 Ah = 540 Wh.
- Batería B: 48 V y 12 Ah = 576 Wh.
Aunque la batería B tiene menos Ah, almacena más energía nominal.
Por eso no debemos comparar la autonomía de dos baterías únicamente por sus amperios-hora.
La autonomía real también depende del consumo, la temperatura, la eficiencia del equipo y el estado de las celdas.
Qué conexión, en serie o en paralelo, permite entregar más corriente
Una duda frecuente es si la conexión en serie o en paralelo permite conseguir más amperios de descarga.
En realidad, la respuesta depende de qué entendamos por corriente y de las características de las celdas.
Corriente en una conexión en serie
Como hemos visto, en una cadena de celdas conectadas en serie circula la misma corriente por todas ellas.
Por tanto, conectar más celdas en serie no multiplica directamente la corriente máxima admisible en amperios.
En cambio, lo que aumenta es el voltaje.
Corriente en una conexión en paralelo
En cambio, en una conexión en paralelo, la corriente total se reparte entre las celdas.
Por ejemplo, si una celda admite una corriente continua de descarga de 10 A, un grupo de cuatro celdas idénticas en paralelo podría admitir teóricamente hasta 40 A.
Sin embargo, este valor solo es orientativo.
De hecho, la corriente real admisible depende de la temperatura, el estado de las celdas, las conexiones y los límites establecidos por el fabricante.
¿Qué ocurre con la potencia?
Por otra parte, la potencia eléctrica se calcula mediante:
W = V × A
Por tanto, aumentar el voltaje puede permitir transmitir una mayor potencia manteniendo la misma corriente.
En definitiva, esto explica por qué las características eléctricas de una batería deben evaluarse conjuntamente y no solo mediante su capacidad en Ah.
El papel del BMS en la conexión en serie y en paralelo
Cuando un pack combina la conexión en serie y en paralelo, cada grupo de celdas en serie necesita un sistema de gestión y protección adecuado.
Para ello, el BMS supervisa determinados parámetros eléctricos y, según el modelo, también térmicos.
Entre sus funciones pueden encontrarse:
- Protección contra sobretensión.
- Protección contra descarga excesiva.
- Protección contra sobrecorriente.
- Protección contra cortocircuitos.
- Supervisión de temperatura.
- Equilibrado entre grupos de celdas.
Por ejemplo, una batería 10S4P necesita un sistema compatible con diez grupos en serie.
En cambio, no sería correcto instalar un BMS diseñado exclusivamente para una configuración 13S.
Si quieres profundizar en este tema, consulta nuestra guía sobre cómo elegir un BMS para una batería de litio.
Errores frecuentes en la conexión en serie y en paralelo
Mezclar celdas de diferente capacidad
Utilizar celdas con capacidades muy diferentes puede provocar desequilibrios y limitar el rendimiento del conjunto.
Conectar celdas en paralelo con tensiones diferentes
Si se conectan directamente celdas con diferencias importantes de tensión, pueden producirse corrientes de igualación peligrosas.
Confundir la conexión en serie con la conexión en paralelo
Añadir celdas en serie aumenta la tensión, pero no los amperios-hora de una cadena formada por celdas idénticas.
Por el contrario, añadir celdas en paralelo aumenta la capacidad, pero no la tensión nominal.
No comprobar la corriente máxima de descarga
Por ejemplo, dos celdas con la misma capacidad pueden tener límites de descarga muy diferentes.
Por eso, la elección debe realizarse según las necesidades reales del equipo.
Utilizar un BMS incompatible
Por lo tanto, el BMS debe ser compatible con la química, el número de grupos en serie y las corrientes previstas.
No dimensionar correctamente las conexiones
Asimismo, las tiras de níquel, cables, conectores, fusibles y elementos de protección deben soportar las condiciones eléctricas y térmicas del conjunto.
En cualquier caso, el montaje de baterías de litio debe realizarse con conocimientos técnicos, equipos adecuados y procedimientos de seguridad. No es recomendable improvisar conexiones ni soldar directamente sobre las celdas con un soldador convencional. Para unir las tiras de níquel a las celdas se utiliza un soldador por puntos.
Como referencia técnica externa, Battery University explica las configuraciones en serie y paralelo y la importancia de utilizar celdas compatibles.
Preguntas frecuentes sobre la conexión en serie y en paralelo
¿Qué es mejor, la conexión en serie o en paralelo?
Ninguna configuración es mejor en todos los casos. La conexión en serie aumenta el voltaje y la conexión en paralelo aumenta la capacidad. La elección depende de las necesidades del equipo.
¿Conectar baterías en paralelo aumenta la autonomía?
Puede aumentar la autonomía porque incrementa la capacidad y la energía almacenada, siempre que las celdas y el sistema sean compatibles.
¿Puedo conectar celdas 18650 y 21700 juntas?
En general, no es recomendable mezclar formatos o modelos diferentes dentro de un mismo grupo o pack sin un diseño técnico que justifique su compatibilidad. Pueden presentar diferencias de capacidad, resistencia interna y comportamiento eléctrico.
¿Cuántas celdas necesito para una batería de 36 V?
Por lo general, con celdas Li-ion de 3,6 V nominales se utilizan habitualmente diez grupos en serie. El número de celdas en paralelo dependerá de la capacidad y la corriente que necesitemos.
¿Una batería 10S4P tiene más voltaje que una 10S2P?
No. Ambas tienen diez grupos en serie y, utilizando la misma química, la misma tensión nominal. La configuración 10S4P tiene el doble de capacidad teórica si todas las celdas son idénticas.
¿Qué significa 13S5P en una batería de litio?
Significa que la batería tiene trece grupos conectados en serie y cinco celdas en paralelo por grupo. En total contiene 65 celdas.
¿Se pueden conectar baterías de diferente capacidad en paralelo?
No debe hacerse sin comprobar expresamente la compatibilidad y las condiciones de funcionamiento. En packs de celdas es preferible utilizar unidades del mismo modelo, con características y estados de carga compatibles.
¿Es lo mismo conectar pilas en serie que celdas de litio?
La idea es la misma: en serie se suma el voltaje y en paralelo, la capacidad. Sin embargo, las pilas normales no se recargan; las celdas de litio como las 18650 y 21700 son baterías recargables y, por eso, en un pack necesitan un BMS y celdas compatibles.
Conclusión
En resumen, comprender las diferencias entre una conexión en serie y una conexión en paralelo es fundamental para interpretar correctamente las características de cualquier pack de baterías de litio.
La conexión en serie permite aumentar el voltaje, mientras que la conexión en paralelo aumenta la capacidad en Ah.
Además, al combinar ambos sistemas podemos obtener configuraciones como 7S3P, 10S4P o 13S5P, utilizadas en bicicletas eléctricas, patinetes, herramientas y otros equipos.
Sin embargo, diseñar una batería no consiste únicamente en sumar voltajes y capacidades.
También debemos seleccionar celdas compatibles, comprobar la corriente máxima de descarga y utilizar un BMS y unas conexiones adecuadas.
En Batterybro.es encontrarás celdas de litio, BMS y accesorios para baterías y guías técnicas para comprender mejor sus características y aplicaciones.
