Последовательное и параллельное соединение аккумуляторных элементов

Базовые принципы соединения

Аккумуляторы достигают желаемого рабочего напряжения путем последовательного соединения нескольких элементов; каждый элемент добавляет свой потенциал, формируя суммарное напряжение на клеммах. Параллельное соединение обеспечивает более высокую емкость за счет сложения ампер-часов (А·ч). Часто применяется комбинация обоих методов для достижения необходимых характеристик батареи.

Аккумуляторы для ноутбуков обычно имеют 4 литий-ионных элемента по 3,6 В, соединенных последовательно для достижения напряжения 14,4 В, и еще два параллельно для увеличения емкости с 2400 мА·ч до 4800 мА·ч. Такая конфигурация обозначается как 4s2p. Изоляционная фольга между элементами предотвращает короткое замыкание через металлический корпус.

Большинство химических составов аккумуляторов подходят для последовательного и параллельного соединения. Важно использовать аккумуляторы одного типа с одинаковым напряжением и емкостью (А·ч) и никогда не смешивать аккумуляторы разных производителей и размеров. Более слабый элемент может привести к дисбалансу. Это особенно важно в последовательной конфигурации, поскольку аккумулятор настолько прочен, насколько прочно самое слабое звено в цепи. Аналогией является цепь, в которой звенья представляют собой элементы аккумулятора, соединенного последовательно (рисунок 1).

Рисунок 1: Сравнение аккумулятора с цепью

Слабый элемент может не выйти из строя сразу, но под нагрузкой разрядится быстрее, чем сильные. Во время зарядки элемент с низким зарядом заряжается раньше сильных, так как в нем меньше емкости для заполнения, и он остается в состоянии перезаряда дольше, чем другие. Во время разрядки слабый элемент разряжается первым, и его "подпирают" более сильные собратья. Элементы в многоэлементных батареях должны быть согласованы, особенно при использовании под большой нагрузкой.

Применение для отдельных ячеек

Одноячеечная конфигурация является простейшим аккумуляторным блоком; элемент не требует согласования, а схема защиты на небольшом литий-ионном элементе может быть простой. Типичными примерами являются мобильные телефоны и планшеты с одним литий-ионным элементом на 3,60 В. Другие способы использования одного элемента — это настенные часы, которые обычно используют щелочной элемент на 1,5 В, наручные часы и резервное копирование памяти, большинство из которых являются устройствами с очень низким энергопотреблением.

Литий-марганцевые и другие литиевые системы часто используют напряжение элементов 3,7 В и выше. Это меньше связано с химией, чем с содействием более высокой ватт-часовой (Вт·ч) характеристике, что становится возможным благодаря более высокому напряжению. Аргумент заключается в том, что низкое внутреннее сопротивление элемента поддерживает высокое напряжение под нагрузкой. Для эксплуатационных целей эти элементы являются кандидатами на 3,6 В. 

Последовательное соединение

Портативное оборудование, которое требует более высокого напряжения, использует аккумуляторные блоки с двумя или более элементами, соединенными последовательно. На рисунке 2 показан аккумуляторный блок с четырьмя литий-ионными элементами на 3,6 В, соединенными последовательно, также известными как 4S, для получения номинального напряжения 14,4 В. Для сравнения, свинцово-кислотный аккумулятор из шести элементов с напряжением 2 В/элемент будет генерировать 12 В, а четыре щелочных аккумулятора с напряжением 1,5 В/элемент дают 6 В.

Рисунок 2: Последовательное соединение четырех элементов (4s)
Добавление элементов в цепь увеличивает напряжение; емкость остается неизменной.

Если вам нужно нечетное напряжение, скажем, 9,50 вольт, соедините пять свинцово-кислотных, восемь никель-металлгидридных или никель-кадмиевых аккумуляторов или три литий-ионных последовательно. Конечное напряжение аккумулятора не обязательно должно быть точным, если оно выше указанного устройством. Вместо 9,50 В может работать источник питания 12 В. Большинство устройств, работающих от аккумуляторов, могут переносить некоторое перенапряжение; однако необходимо соблюдать конечное напряжение разряда.

Высоковольтные аккумуляторы имеют малый размер проводника. Беспроводные электроинструменты работают от аккумуляторов на 12 В и 18 В; модели высокого класса используют 24 В и 36 В. Большинство электровелосипедов оснащены литий-ионными аккумуляторами на 36 В, некоторые - на 48 В. Автомобильная промышленность хотела увеличить напряжение стартерного аккумулятора с 12 В (14 В) до 36 В, более известного как 42 В, разместив 18 свинцово-кислотных элементов последовательно. Логистика замены электрических компонентов и проблемы с искрением на механических переключателях помешали этому шагу.

Некоторые мягкие гибридные автомобили работают на литий-ионном аккумуляторе на 48 В и используют преобразование постоянного тока в 12 В для электрической системы. Запуск двигателя часто осуществляется с помощью отдельного свинцово-кислотного аккумулятора на 12 В. Ранние гибридные автомобили работали на аккумуляторе на 148 В, электромобили обычно работают на 450–500 В. Для такого аккумулятора требуется более 100 литий-ионных элементов, соединенных последовательно.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Высоковольтные аккумуляторы требуют тщательного подбора элементов , особенно при больших нагрузках или работе при низких температурах. Если несколько элементов соединены в цепь, существует реальная возможность отказа одного из них, что приведет к его выходу из строя. Чтобы предотвратить это, в некоторых больших батареях твердотельный переключатель обходит неисправный элемент, позволяя продолжать протекание тока, хотя и при более низком напряжении цепи.

Подбор элементов питания является сложной задачей при замене неисправного элемента в стареющем аккумуляторе. Новый элемент имеет большую емкость, чем другие, что приводит к дисбалансу. Сварная конструкция добавляет сложности ремонту, и именно поэтому аккумуляторные блоки обычно заменяют как единое целое.

Высоковольтные аккумуляторы в электромобилях, в которых полная замена была бы чрезмерно трудной, делят блок на модули, каждый из которых состоит из определенного количества элементов. Если один элемент выходит из строя, заменяется только поврежденный модуль. Если новый модуль оснащен новыми элементами, может возникнуть небольшой дисбаланс. 

На рисунке 3 изображена аккумуляторная батарея, в которой «элемент 3» производит всего 2,8 В вместо полных номинальных 3,6 В. При пониженном рабочем напряжении эта батарея достигает точки конечного разряда быстрее, чем обычная батарея. Напряжение падает, и устройство отключается с сообщением «Низкий заряд батареи».

Рисунок 3: Последовательное соединение с неисправным элементом 
Неисправный элемент 3 снижает напряжение и преждевременно отключает оборудование.

Аккумуляторы в дронах и пультах дистанционного управления для любителей, которым требуется высокий ток нагрузки, часто демонстрируют неожиданное падение напряжения, если один элемент в цепи слаб. Подача максимального тока нагружает слабые элементы, что приводит к возможному сбою. Считывание напряжения после зарядки не выявляет эту аномалию; проверка баланса элементов или емкости с помощью анализатора аккумулятора позволит.

Использование отвода от последовательной цепи

Существует распространенная практика подключаться к последовательному соединению свинцово-кислотной батареи для получения более низкого напряжения. Мощному оборудованию, которое работает от аккумуляторной батареи на 24 В, может потребоваться источник питания 12 В для вспомогательной работы, и это напряжение удобно доступно на полпути.

Не рекомендуется использовать отводы, поскольку это создает дисбаланс элементов, так как одна сторона аккумуляторной батареи нагружается больше, чем другая. Если неравенство нельзя исправить с помощью специального зарядного устройства, побочным эффектом является сокращение срока службы аккумулятора. Вот почему:

Во время зарядки несбалансированного свинцово-кислотного аккумулятора обычным зарядным устройством, недозаряженная секция имеет тенденцию к сульфатации, поскольку элементы никогда не получают полного заряда. Высоковольтная секция аккумулятора, которая не получает дополнительной нагрузки, имеет тенденцию к перезарядке, что приводит к коррозии и потере воды из-за газообразования. Обратите внимание, что зарядное устройство, которое заряжает весь аккумулятор, учитывает среднее напряжение и соответственно завершает заряд.

Отвод напряжения также является распространенным явлением на литий-ионных и никелевых аккумуляторах, и результаты подобны свинцово-кислотным: сокращенный срок службы. Новые устройства используют преобразователь постоянного тока для подачи правильного напряжения. Электрические и гибридные транспортные средства, как вариант, используют отдельный низковольтный аккумулятор для вспомогательной системы

Параллельное подключение

Если требуются более высокие токи, а более крупные элементы недоступны или не соответствуют конструктивным ограничениям, один или несколько элементов можно соединить параллельно. Большинство химических составов аккумуляторов позволяют параллельное соединение с незначительными побочными эффектами. На рисунке 4 изображено четыре элемента, соединенных параллельно в схеме P4. Номинальное напряжение иллюстрированного пакета остается на уровне 3,60 В, но емкость (А·ч) и время работы увеличиваются в четыре раза

Рисунок 4: Параллельное соединение четырех элементов (4p)
При параллельном соединении элементов емкость в А·ч и время работы увеличиваются, а напряжение остается неизменным.

Элемент, который развивает высокое сопротивление или размыкается, менее критичен в параллельной цепи, чем в последовательной конфигурации, но неисправный элемент уменьшит общую нагрузочную способность. Это как двигатель, работающий только на трех цилиндрах, а не на всех четырех. С другой стороны, короткое замыкание является более серьезным, поскольку неисправный элемент высасывает энергию из других элементов, вызывая пожарную опасность. Большинство так называемых коротких замыканий являются незначительными и проявляются как повышенный саморазряд.

Полное короткое замыкание может возникнуть из-за обратной поляризации или роста дендритов. Большие батареи часто содержат предохранитель, который отключает неисправный элемент от параллельной цепи в случае короткого замыкания. На рисунке 5 показана параллельная конфигурация с одним неисправным элементом.

Слабый элемент питания не повлияет на напряжение, но обеспечит низкое время работы из-за сниженной емкости. Короткое замыкание элемента может вызвать чрезмерный нагрев и стать пожароопасным. В больших аккумуляторах предохранитель предотвращает высокий ток, изолируя элемент.

Последовательно-параллельное соединение

Последовательно-параллельная конфигурация, показанная на рисунке 6, обеспечивает гибкость проектирования и достигает желаемых номинальных значений напряжения и тока со стандартным размером элемента. Общая мощность равна сумме напряжения, умноженного на ток, элемент 3,6 В (номинальная) умноженный на 3400 мАч, производит 12,24 Вт·ч. Четыре энергетических элемента 18650 емкостью 3400 мАч каждый можно соединить последовательно и параллельно, как показано, чтобы получить номинальное напряжение 7,2 В и общую мощность 48,96 Вт·ч. Комбинация из 8 элементов будет производить 97,92 Вт·ч, что является допустимым пределом для перевозки в самолете или перевозки без опасных материалов класса 9.

Рисунок 6: Последовательно-параллельное соединение четырех элементов (2s2p) 
Такая конфигурация обеспечивает максимальную гибкость проектирования. Параллельное соединение элементов помогает в управлении напряжением.

Литий-ионные аккумуляторы хорошо подходят для последовательного/параллельного соединения, но элементы нуждаются в контроле, чтобы оставаться в пределах напряжения и тока. Интегральные схемы (ИС) для различных комбинаций элементов доступны для контроля до 13 литий-ионных элементов. Большие батареи требуют специальных схем, и это касается аккумуляторов для электровелосипедов, гибридных автомобилей и Tesla Model 85, которая использует более 7000 элементов 18650 для формирования батареи емкостью 90 кВт·ч.

Батарейные мониторы

Отслеживай основные показатели аккумуляторов и будь в курсе состояния твоего АКБ

Батарейный монитор Victron BMV-700

Монитор подходит для AGM, GEL, а также литиевых батарей LiFePO4, и измеряет напряжение, ток, потреблённую ёмкость, время до разряда, а также может опционально отображать температуру батареи.

Купить

Батарейный монитор Victron SmartShunt 500A

Это интеллектуальный шунт с функциями полноценного батарейного монитора, который подключается к вашему смартфону или GX-устройству через встроенный Bluetooth или VE.Direct порт.

Купить

Батарейный монитор Victron SmartShunt 500A IP65

Улучшенная версия популярного SmartShunt, разработанная для использования во влажных, пыльных или морских условиях, с полной защитой корпуса по стандарту IP65.

Купить

Посмотреть больше

Терминология для описания последовательного и параллельного соединения

Производители аккумуляторов сначала определяют количество элементов, соединяемых последовательно, а затем количество элементов, соединяемых параллельно. Примером является 2s2p. В литий-ионных аккумуляторах параллельные цепи всегда изготавливаются первыми, затем готовые параллельные блоки размещаются последовательно. Литий-ионные аккумуляторы — это система, основанная на напряжении, которая хорошо подходит для параллельного соединения. Объединение нескольких элементов в параллельное соединение, а затем последовательное добавление блоков уменьшает сложность контроля напряжения для защиты аккумуляторов .

Сначала построение последовательных цепей, а затем их параллельное соединение может быть более распространенным явлением для NiCd-батарей, чтобы удовлетворить механизм химического челнока, который уравновешивает заряд в верхней части заряда. Распространенным является «2s2p»; были опубликованы официальные документы, касающиеся 2p2s, когда последовательная цепь соединена параллельно.

Защитные устройства в последовательном и параллельном соединении

Реле с положительным температурным коэффициентом (PTC) и устройства прерывания заряда (CID) защищают аккумулятор от перегрузки по току и избыточного давления. Хотя для безопасности их рекомендуется использовать в меньших 2- или 3-элементных батареях с последовательной и параллельной конфигурацией, эти защитные устройства часто не используются в больших многоэлементных аккумуляторах, таких как те, что используются для электроинструментов. PTC и CID работают должным образом, отключая элемент при чрезмерном токе и внутреннем давлении; однако отключение происходит в каскадном формате. Хотя некоторые элементы могут преждевременно выйти из строя, ток нагрузки вызывает чрезмерный ток на остальных элементах. Такая перегрузка может привести к тепловому разгону, прежде чем сработают другие защитные устройства.

Некоторые элементы имеют встроенные PCT и CID; эти защитные устройства также можно добавлять ретроактивно. Инженер-конструктор должен знать, что любое защитное устройство может выйти из строя. Кроме того, PTC индуцирует небольшое внутреннее сопротивление, которое уменьшает ток нагрузки.