Послідовне та паралельне з'єднання акумуляторних елементів

Базові принципи з'єднання

Акумулятори досягають бажаної робочої напруги шляхом послідовного з'єднання кількох елементів; кожен елемент додає свій потенціал, формуючи сумарну напругу на клемах. Паралельне з'єднання забезпечує вищу ємність за рахунок додавання ампер-годин (А·год). Часто застосовується комбінація обох методів для досягнення необхідних характеристик батареї.

Акумулятори для ноутбуків зазвичай мають 4 літій-іонні елементи по 3,6 В, з'єднані послідовно для досягнення напруги 14,4 В, та ще два паралельно для збільшення ємності з 2400 мА·год до 4800 мА·год. Така конфігурація позначається як 4s2p. Ізоляційна фольга між елементами запобігає короткому замиканню через металевий корпус.

Більшість хімічних складів акумуляторів підходять для послідовного та паралельного з'єднання. Важливо використовувати акумулятори одного типу з однаковою напругою та ємністю (А·год) і ніколи не змішувати акумулятори різних виробників та розмірів. Слабший елемент може призвести до дисбалансу. Це особливо важливо в послідовній конфігурації, оскільки акумулятор настільки міцний, наскільки міцна найслабша ланка в ланцюзі. Аналогічною є ланцюг, у якому ланки представляють елементи акумулятора, з'єднаного послідовно (рисунок 1).

Рисунок 1: Порівняння акумулятора з ланцюгом

Слабкий елемент може не вийти з ладу одразу, але під навантаженням розрядиться швидше, ніж сильні. Під час заряджання елемент із низьким зарядом заряджається раніше за сильні, оскільки його менше для заповнення, і він залишається в стані перезарядження довше, ніж інші. Під час розряджання слабкий елемент заряджається першим і його заряджають сильніші брати. Елементи в багатопакетних батареях повинні бути узгоджені, особливо під час використання під великим навантаженням.

Застосування для окремих клітин

Одноклітинна конфігурація є найпростішим акумуляторним блоком; елемент не потребує узгодження, а схема захисту на невеликому літій-іонному елементі може бути простою. Типовими прикладами є мобільні телефони та планшети з одним літій-іонним елементом на 3,60 В. Інші способи використання одного елемента - це настінні годинники, які зазвичай використовують лужний елемент на 1,5 В, наручні годинники та резервне копіювання пам'яті, більшість з яких є пристроями з дуже низьким енергоспоживанням.

Літій-марганцеві та інші літієві системи часто використовують напругу елементів 3,7 В і вище. Це менше пов'язано з хімією, ніж зі сприянням вищій ват-годині (Вт·год), що стає можливим завдяки вищій напрузі. Аргумент полягає в тому, що низький внутрішній опір елемента підтримує високу напругу під навантаженням. Для експлуатаційних цілей ці елементи є кандидатами на 3,6 В. 

Послідовне з'єднання

Портативне обладнання, яке потребує вищої напруги, використовує акумуляторні блоки з двома або більше елементами, з'єднаними послідовно. На рисунку 2 показано акумуляторний блок з чотирма літій-іонними елементами на 3,6 В, з'єднаними послідовно, також відомими як 4S, для отримання номінальної напруги 14,4 В. Для порівняння, свинцево-кислотний акумулятор із шести елементів з напругою 2 В/елемент генеруватиме 12 В, а чотири лужні акумулятори з напругою 1,5 В/елемент дають 6 В.

Рисунок 2: Послідовне з'єднання чотирьох елементів (4s)
Додавання елементів у ланцюжок збільшує напругу; ємність залишається незмінною.

Якщо вам потрібна непарна напруга, скажімо, 9,50 вольт, з'єднайте п'ять свинцево-кислотних, вісім нікель-металгідридних або нікель-кадмієвих акумуляторів або три літій-іонні послідовно. Кінцева напруга акумулятора не обов'язково має бути точною, якщо вона вища за ту, що вказана пристроєм. Замість 9,50 В може працювати джерело живлення 12 В. Більшість пристроїв, що працюють від акумуляторів, можуть переносити деяке перенапруження; однак необхідно дотримуватися кінцевої напруги розряду.

Високовольтні акумулятори мають малий розмір провідника. Бездротові електроінструменти працюють від акумуляторів на 12 В та 18 В; моделі високого класу використовують 24 В та 36 В. Більшість електровелосипедів оснащені літій-іонними акумуляторами на 36 В, деякі - на 48 В. Автомобільна промисловість хотіла збільшити напругу стартерного акумулятора з 12 В (14 В) до 36 В, більш відомого як 42 В, розмістивши 18 свинцево-кислотних елементів послідовно. Логістика заміни електричних компонентів та проблеми з іскренням на механічних перемикачах завадили цьому кроку.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Деякі м’які гібридні автомобілі працюють на літій-іонному акумуляторі на 48 В та використовують перетворення постійного струму на 12 В для електричної системи. Запуск двигуна часто здійснюється за допомогою окремого свинцево-кислотного акумулятора на 12 В. Ранні гібридні автомобілі працювали на акумуляторі на 148 В, електромобілі зазвичай працюють на 450–500 В. Для такого акумулятора потрібно понад 100 літій-іонних елементів, з’єднаних послідовно.

Високовольтні акумулятори вимагають ретельного підбору елементів , особливо при великих навантаженнях або роботі за низьких температур. Якщо кілька елементів з'єднані в ланцюг, існує реальна можливість відмови одного з них, що призведе до його виходу з ладу. Щоб запобігти цьому, у деяких великих батареях твердотільний перемикач обходить несправний елемент, дозволяючи продовжувати протікання струму, хоча й при нижчій напрузі ланцюга.

Підбір елементів живлення є складним завданням під час заміни несправного елемента в старіючому акумуляторі. Новий елемент має більшу ємність, ніж інші, що призводить до дисбалансу. Зварена конструкція додає складності ремонту, і саме тому акумуляторні блоки зазвичай замінюють як єдине ціле.

Високовольтні акумулятори в електромобілях, у яких повна заміна була б надмірно важкою, поділяють блок на модулі, кожен з яких складається з певної кількості елементів. Якщо один елемент виходить з ладу, замінюється лише пошкоджений модуль. Якщо новий модуль оснащено новими елементами, може виникнути невеликий дисбаланс. 

На рисунку 3 зображено акумуляторну батарею, в якій «елемент 3» виробляє лише 2,8 В замість повних номінальних 3,6 В. При зниженій робочій напрузі ця батарея досягає точки кінцевого розряду швидше, ніж звичайна батарея. Напруга падає, і пристрій вимикається з повідомленням «Низький заряд батареї».

Рисунок 3: Послідовне з'єднання з несправним елементом 
Несправний елемент 3 знижує напругу та передчасно відключає обладнання.

Акумулятори в дронах та пультах дистанційного керування для аматорів, яким потрібен високий струм навантаження, часто демонструють неочікуване падіння напруги, якщо один елемент у ланцюжку слабкий. Подача максимального струму навантажує слабкі елементи, що призводить до можливого збою. Зчитування напруги після заряджання не виявляє цю аномалію; перевірка балансу елементів або ємності за допомогою аналізатора акумулятора дозволить.

Використання рядка послідовності

Існує поширена практика підключатися до послідовного з'єднання свинцево-кислотної батареї для отримання нижчої напруги. Потужному обладнанню, яке працює від акумуляторної батареї на 24 В, може знадобитися джерело живлення 12 В для допоміжної роботи, і ця напруга зручно доступна на півдорозі.

Не рекомендується використовувати постукування, оскільки це створює дисбаланс елементів, оскільки одна сторона акумуляторної батареї навантажується більше, ніж інша. Якщо нерівність не можна виправити за допомогою спеціального зарядного пристрою, побічним ефектом є скорочення терміну служби акумулятора. Ось чому:

Під час заряджання незбалансованого свинцево-кислотного акумулятора звичайним зарядним пристроєм, недозаряджена секція має тенденцію до сульфатації, оскільки елементи ніколи не отримують повного заряду. Високовольтна секція акумулятора, яка не отримує додаткового навантаження, має тенденцію до перезаряджання, що призводить до корозії та втрати води через газоутворення. Зверніть увагу, що зарядний пристрій, який заряджає весь акумулятор, враховує середню напругу та відповідно завершує заряд.

Відбивання напруги також є поширеним явищем на літій-іонних та нікелевих акумуляторах, і результати подібні до свинцево-кислотних: скорочений термін служби. Новіші пристрої використовують перетворювач постійного струму для подачі правильної напруги. Електричні та гібридні транспортні засоби, як варіант, використовують окремий низьковольтний акумулятор для допоміжної системи

Паралельне підключення

Якщо потрібні вищі струми, а більші елементи недоступні або не відповідають конструктивним обмеженням, один або декілька елементів можна з'єднати паралельно. Більшість хімічних складових акумуляторів дозволяють паралельне з'єднання з незначними побічними ефектами. На рисунку 4 зображено чотири елементи, з'єднані паралельно в схемі P4. Номінальна напруга проілюстрованого пакета залишається на рівні 3,60 В, але ємність (А·год) та час роботи збільшуються в чотири рази

Рисунок 4: Паралельне з'єднання чотирьох елементів (4p)
При паралельному з'єднанні елементів ємність в Аг та час роботи збільшуються, а напруга залишається незмінною.

Елемент, який розвиває високий опір або розмикається, менш критичний у паралельному колі, ніж у послідовній конфігурації, але несправний елемент зменшить загальну навантажувальну здатність. Це як двигун, що працює лише на трьох циліндрах, а не на всіх чотирьох. З іншого боку, коротке замикання є більш серйозним, оскільки несправний елемент висмоктує енергію з інших елементів, спричиняючи пожежну небезпеку. Більшість так званих коротких замикань є незначними та проявляються як підвищений саморозряд.

Повне коротке замикання може виникнути через зворотну поляризацію або ріст дендритів. Великі батареї часто містять запобіжник, який відключає несправний елемент від паралельного кола у разі короткого замикання. На рисунку 5 показано паралельну конфігурацію з одним несправним елементом.

Слабкий елемент живлення не вплине на напругу, але забезпечить низький час роботи через знижену ємність. Коротке замикання елемента може спричинити надмірне нагрівання та стати пожежонебезпечним. У більших акумуляторах запобіжник запобігає високому струму, ізолюючи елемент.

Послідовне/паралельне з'єднання

Послідовно-паралельна конфігурація, показана на рисунку 6, забезпечує гнучкість проектування та досягає бажаних номінальних значень напруги та струму зі стандартним розміром елемента. Загальна потужність дорівнює сумі напруги, помноженої на струм, елемент 3,6 В (номінальна) помножений на 3400 мАг, виробляє 12,24 Вт·год. Чотири енергетичні елементи 18650 ємністю 3400 мАг кожен можна з'єднати послідовно та паралельно, як показано, щоб отримати номінальну напругу 7,2 В та загальну потужність 48,96 Вт·год. Комбінація з 8 елементів вироблятиме 97,92 Вт·год, що є допустимою межею для перевезення в літаку або перевезення без небезпечних матеріалів класу 9.

Рисунок 6: Послідовне/паралельне з'єднання чотирьох елементів (2s2p) 
Така конфігурація забезпечує максимальну гнучкість проектування. Паралельне з'єднання елементів допомагає в управлінні напругою.

Літій-іонні акумулятори добре підходять для послідовного/паралельного з'єднання, але елементи потребують контролю, щоб залишатися в межах напруги та струму. Інтегральні схеми (ІС) для різних комбінацій елементів доступні для контролю до 13 літій-іонних елементів. Більші батареї потребують спеціальних схем, і це стосується акумуляторів для електровелосипедів, гібридних автомобілів та Tesla Model 85, яка використовує понад 7000 елементів 18650 для формування батареї ємністю 90 кВт·год.

Батарейні монітори

Відстежуй основні показники акумуляторів та будь у курсі стану твого акб

Батарейний монітор Victron BMV-700

Монітор підходить для AGM, GEL, а також літієвих батарей LiFePO4, і вимірює напругу, струм, спожиту ємність, час до розрядження, а також може опціонально відображати температуру батареї.

Купити

Батарейний монітор Victron SmartShunt 500A

Це інтелектуальний шунт з функціями повноцінного батарейного монітору, який підключається до вашого смартфона або GX-пристрою через вбудований Bluetooth або VE.Direct порт.

Купити

Батарейний монітор Victron SmartShunt 500A IP65

Вдосконалена версія популярного SmartShunt, розроблена для використання у вологих, пилових або морських умовах, з повним захистом корпусу за стандартом IP65

Купити

Подивитися більше

Термінологія для опису послідовного та паралельного з'єднання

Виробники акумуляторів спочатку визначають кількість елементів, що з'єднуються послідовно, а потім кількість елементів, що з'єднуються паралельно. Прикладом є 2s2p. У літій-іонних акумуляторах паралельні ланцюги завжди виготовляються першими, потім готові паралельні блоки розміщуються послідовно. Літій-іонні акумулятори — це система, що базується на напрузі, яка добре підходить для паралельного з'єднання. Об'єднання кількох елементів у паралельне з'єднання, а потім послідовне додавання блоків зменшує складність контролю напруги для захисту акумуляторів .

Спочатку побудова послідовних ланцюгів, а потім їх паралельне з'єднання може бути більш поширеним явищем для NiCd-батарей, щоб задовольнити механізм хімічного човника, який врівноважує заряд у верхній частині заряду. Поширеним є «2s2p»; були опубліковані офіційні документи, що стосуються 2p2s, коли послідовний ланцюг з'єднаний паралельно.

Захисні пристрої в послідовному та паралельному з'єднанні

Реле з позитивним температурним коефіцієнтом (PTC) та пристрої переривання заряду (CID) захищають акумулятор від перевантаження по струму та надмірного тиску. Хоча для безпеки їх рекомендується використовувати в менших 2- або 3-елементних батареях з послідовною та паралельною конфігурацією, ці захисні пристрої часто не використовуються в більших багатоелементних акумуляторах, таких як ті, що використовуються для електроінструментів. PTC та CID працюють належним чином, відключаючи елемент при надмірному струмі та внутрішньому тиску; проте вимкнення відбувається в каскадному форматі. Хоча деякі елементи можуть передчасно вийти з ладу, струм навантаження викликає надмірний струм на решті елементів. Таке перевантаження може призвести до теплового виходу, перш ніж спрацюють інші захисні пристрої.

Деякі елементи мають вбудовані PCT та CID; ці захисні пристрої також можна додавати ретроактивно. Інженер-конструктор повинен знати, що будь-який захисний пристрій може вийти з ладу. Крім того, PTC індукує невеликий внутрішній опір, який зменшує струм навантаження.