Проблематика соединения нескольких АКБ последовательно
- Зачем соединять ячейки последовательно?
- Принцип последовательного соединения
- Что происходит в последовательной цепи из разных ячеек?
- Что происходит при зарядке и разрядке?
- Важные особенности
- Суммируется ли емкость аккумуляторов при последовательном соединении?
Чтобы получить автономный источник питания достаточно высокой мощности, аккумуляторы объединяют в батареи. В любой электрической схеме происходят потери из-за нагрева проводников. Поэтому передавать мощность выгоднее при высоком напряжении, чтобы снизить ток и омические потери. Мощность или энерговооруженность батареи рассчитывается как произведение ее емкости и напряжения.
Мощные источники автономного питания представляют собой АКБ на 48, 60, 72 В или другого вольтажа, состоящие из последовательно соединенных ячеек. Это выгоднее, чем собирать параллельную цепь на 12 В, ведь с ростом напряжения увеличивается КПД накопителя энергии. Параллельно аккумуляторы соединяют, когда нужна большая токоотдача. При параллельной коммутации суммируется емкость ячеек, а от нее зависят допустимые токи разряда и заряда.
Зачем соединять ячейки последовательно?
Аккумуляторы соединяют последовательно для суммирования их напряжения. Это позволяет получать аккумуляторные батареи любого вольтажа: на 12, 18, 24, 36, 48, 60, 72 В и т.д. Например, номинальное напряжение большинства Li-ion элементов составляет 3,6 или 3,7 В. При последовательном соединении двух аккумуляторов получаем суммарное напряжение 7,2 или 7,4 В, а при сборке батареи из 10 элементов (схема 10S) – 36 или 37 вольт. У аккумуляторов подвида LiFePO4 номинальный вольтаж равен 3,2 В. Соответственно, при их последовательной сборке по схеме 15S получаем АКБ на 48 В.
У элементов питания подвида LTO номинальное напряжение составляет 2,3 В, у Li-Pol – 3,7 В, у Ni-Cd и Ni-MH – 1,2 вольта. Батарею нужного вольтажа можно собрать из любых элементов, но в составе каждой сборки должны быть ячейки, одинаковые по всем параметрам. Если при суммировании значений не удается получить заданное напряжение АКБ, желательно округлить расчетное число элементов питания в сторону увеличения – чтобы получить дополнительный запас мощности.
Принцип последовательного соединения
При этом способе коммутации элементы питания последовательно соединяют в единую цепочку. Плюс первой «банки» соединяют с минусом второго аккума, плюс второго с минусом третьего и т.д. В итоге получается цепочка с 2 свободными клеммами: отрицательным выводом первой «банки» и положительным выводом последнего аккума. Эти свободные контакты используют для подключения батареи к внешней цепи.
При последовательном соединении в АКБ нескольких ячеек получаем:
- напряжение, равное сумме напряжений всех элементов;
- емкость, равную емкости одной «банки» (емкости всех ячеек должны быть одинаковыми, иначе батарея будет иметь характеристики самого слабого звена);
- внутреннее сопротивление – суммарное от всех ячеек;
- уровень токоотдачи – такой же, как у отдельных элементов в составе батареи.
Метод последовательного соединения аккумуляторов позволяет увеличивать вольтаж батареи до любого значения, но емкость и сила разрядного тока АКБ останутся неизменными. Они будут равны соответствующим характеристикам одного элемента. Для нормальной работы аккумуляторной батареи важно, чтобы емкости всех «банок» максимально совпадали.
Что происходит в последовательной цепи из разных ячеек?
Предположим, что у нас есть батарея из последовательно соединенных аккумуляторов одного типа химии, но разной емкости. Например, Li-ion ячейки Samsung 25R 18650 емкостью 2500 мАч с внутренним сопротивлением 18 мОм и Samsung 30Q 18650 с характеристиками 3000 мАч и 20 мОм. При замыкании цепи нагрузки или зарядки значение тока для всех ячеек будет одинаковым, а изменения напряжений – разными.
Из-за этого при зарядке напряжение на элементах Samsung 25R окажется выше установленной максимальной границы, а при разрядке – ниже минимального предела. Перезаряд элементов приводит к их перегреву и может спровоцировать возгорание, а глубокий разряд вредит внутренней структуре, ускоряет процесс старения и сокращает срок службы аккумуляторов.
Что происходит при зарядке и разрядке?
Например, батарея собрана по схеме 10S из 5 элементов Samsung 25R и 5 аккумов Samsung 30Q. Номинальный вольтаж каждого элемента – 3,6 В, всей батареи – 36 В. Рабочий диапазон каждой ячейки – от 3 до 4,2 В, всей сборки – от 30 до 42 В.
При зарядке током 2,5 А элементы меньшей емкости примут то же количество энергии, что и более емкие ячейки, но прирост напряжения на них произойдет быстрее. Когда менее емкие ячейки будут полностью заряженными, более емкие не успеют зарядиться. Если прекратить зарядку на этом этапе, более емкие элементы окажутся недозаряженными. Если же продолжить зарядку, ячейки с меньшей емкостью будут подвержены перезаряду.
При подключении к нагрузке различия в характеристиках ячеек также приведут к негативным последствиям. БМС плата постарается не допустить глубокого разряда и отключит батарею от нагрузки, когда ее напряжение достигнет 30 В. Предполагается, что вольтаж каждой из ячеек при этом составляет 3 В. Но из-за разного запаса емкости одни элементы разрядятся быстрее других и окажутся глубоко разряженными. В результате возрастает риск перегрузки аккумуляторов и снижается надежность АКБ. Поэтому так важно соединять последовательно элементы одинаковой емкости, с идентичным типом химии и одинаковым состоянием разряда.
Важные особенности
Для безопасного использования и долгой жизни АКБ необходимо соблюдать правила соединения элементов:
- Для сборки в батарею необходимо отобрать элементы, изготовленные по одной технологии и имеющие идентичные характеристики. Они должны быть одного типоразмера, одного бренда, с одинаковым внутренним сопротивлением и равными значениями емкости, в идеале – из одной партии. Если в сборке окажется элемент с меньшей емкостью и более высоким внутренним сопротивлением, он будет быстрее разряжаться при работе АКБ. В результате батарея будет обеспечивать меньшее время автономной работы оборудования и быстрее выйдет из строя из-за ускоренного износа «слабого звена». При зарядке такой элемент будет перегреваться из-за лишнего заряда или препятствовать полному заряду остальных ячеек.
- Частично решить проблему дисбаланса ячеек при последовательной сборке помогают балансиры. Они выравнивают напряжение на элементах и минимизируют разницу в уровне заряда. Благодаря этому батарея работает эффективнее и дольше. Для балансировки ячеек небольшой емкости используют BMS платы, имеющие такую функцию. Но в емких батареях для выравнивания разных напряжений применяют отдельные мощные балансиры.
Суммируется ли емкость аккумуляторов при последовательном соединении?
Емкость и допустимые значения токов разряда и заряда при последовательном соединении элементов остаются неизменными. Для батареи они равны соответствующим значениям каждого входящего в ее состав аккумулятора. Для увеличения емкости и допустимых величин силы тока элементы соединяют параллельно.
Если нужно увеличить и напряжение, и емкость, используют комбинированное или смешанное соединение – последовательно-параллельное. В таком случае ячейки вначале соединяют параллельно в серии для получения заданной емкости, а затем эти серии коммутируют последовательно для набора нужного вольтажа.
Ранее в блоге сайта VirtusTec вышла статья о лучших АКБ для электротранспорта.
