Fundamentos de Construcción de Baterías: Celdas, Resistencia Interna y Conectividad

El término batería denota un grupo de componentes similares. En jerga militar se refiere a un grupo de cañones; en electrónica describe un conjunto de celdas voltaicas combinadas para entregar mayor voltaje y/o corriente de lo que una sola celda puede proveer.

Los símbolos eléctricos son intencionalmente simples: una sola celda se representa por una línea larga y una corta, paralelas entre sí, con cables de conexión.

Un símbolo de batería es simplemente múltiples símbolos de celda apilados en serie, indicando que las celdas están conectadas para que sus voltajes se sumen.

Como se señaló previamente, el voltaje de una celda está fijado por su química; el tamaño físico de la celda no altera su voltaje nominal. Para lograr un voltaje total mayor, las celdas deben cablearse en serie, y el voltaje de salida de la batería iguala la suma de los voltajes de celda individuales. Por ejemplo, una batería automotriz estándar de plomo-ácido contiene seis celdas de 2,0 voltios, produciendo una salida nominal de 12,0 voltios:

En baterías automotrices, las celdas comparten una sola carcasa de goma dura. Barras de plomo gruesas, en lugar de alambres delgados, interconectan las celdas. Los electrodos y electrolito de cada celda están aislados en secciones particionadas de la carcasa. En baterías de gran capacidad, los electrodos son a menudo rejillas o placas metálicas grandes, comúnmente llamadas "placas".

Por simplicidad, los símbolos esquemáticos típicamente muestran solo cuatro líneas —alternando larga/corta— incluso si la batería real contiene muchas más celdas. Ocasionalmente verá un símbolo de batería con líneas extra para denotar voltajes inusualmente altos; cada línea representa una placa de celda individual:

¿Cómo Influye el Tamaño de la Celda en el Rendimiento?

Mientras el tamaño de una celda no afecta su voltaje, sí influye en la resistencia interna. Celdas mayores proveen mayor área de superficie de electrodo, reduciendo la resistencia de contacto entre electrodos y electrolito. Menor resistencia interna permite a una celda entregar mayor corriente a una carga.

En teoría, una celda se trata como una fuente de voltaje ideal. En la práctica, toda celda tiene resistencia interna que limita la entrega de corriente. El siguiente ejemplo ilustra este efecto:

El diagrama punteado muestra una batería real con 0,2 Ω de resistencia interna alimentando una carga de 1 Ω. Una batería ideal (sin resistencia interna) proveería 10 A (10 V / 1 Ω). La batería real, limitada por su resistencia interna, entrega solo 8,33 A. En cortocircuito (carga 0 Ω), la fuente ideal suministraría corriente infinita, mientras la batería real se limita a 50 A (10 V / 0,2 Ω). La química de la celda aún entrega 10 V, pero parte de ese voltaje cae a través de la resistencia interna, reduciendo el voltaje de terminal disponible para la carga.

Reduciendo Resistencia Interna mediante Conexión en Paralelo

En muchas aplicaciones, la resistencia interna de una batería es despreciable comparada con la resistencia de carga, así que su rendimiento se aproxima mucho a una fuente ideal. Cuando se requiere una resistencia global menor —para mayor capacidad de corriente— las celdas deben cablearse en paralelo:

Conectar cinco celdas idénticas en paralelo produce un equivalente de Thevenin de una sola fuente de 2,0 V con una resistencia interna que es una quinta parte de la resistencia de una sola celda. El voltaje total permanece 2,0 V, mientras la capacidad de corriente aumenta porque cada celda comparte la corriente de carga.

• Una batería es un conjunto de celdas ensambladas para aumentar voltaje y/o corriente de salida.
• Conexión en serie (polaridad alineada) suma voltajes de celdas.
• El tamaño físico de la celda reduce resistencia interna, mejorando entrega de corriente.
• Conexión en paralelo reduce resistencia interna equivalente, elevando corriente disponible.

• Hoja de Trabajo: Baterías
• Hoja de Trabajo: Teoremas de Thevenin, Norton y Transferencia de Potencia Máxima