Vlastnosti sériového a paralelního připojení lithiových baterií

Při sériovém zapojení se sčítá napětí na všech bateriích, když je připojena zátěž, z každé baterie teče proud rovný celkovému proudu v obvodu, odpor zátěže nastavuje vybíjecí proud; Tohle by sis měl pamatovat ze školy. Nyní přichází ta zábavná část, kapacita. Kapacita sestavy s tímto zapojením se poměrně rovná kapacitě baterie s nejmenší kapacitou. Představme si, že všechny baterie jsou nabité na 100 %. Hele, vybíjecí proud je všude stejný a nejdříve se vybije baterie s nejmenší kapacitou, to je alespoň logické. A jakmile se vybije, nebude již možné tuto sestavu načíst. Ano, zbývající baterie jsou stále nabité. Ale pokud budeme pokračovat v odstraňování proudu, naše slabá baterie se začne příliš vybíjet a selže. To znamená, že je správné předpokládat, že kapacita sériově zapojené sestavy se rovná kapacitě nejmenší nebo nejvíce vybité baterie. Odtud docházíme k závěru: k sestavení sériové baterie musíte za prvé použít baterie stejné kapacity a za druhé, před montáží musí být všechny nabity stejně, jinými slovy 100%. Existuje taková věc, která se nazývá BMS (Battery Monitoring System), dokáže sledovat každou baterii v baterii a jakmile se jedna z nich vybije, odpojí celou baterii od zátěže, o tom bude řeč níže. Nyní k nabíjení takové baterie. Musí se nabíjet napětím rovným součtu maximálních napětí na všech bateriích. U lithia je to 4.2 voltu. To znamená, že nabíjíme tříčlennou baterii s napětím 12.6 V. Podívejte se, co se stane, když baterie nejsou stejné. Nejrychleji se nabije baterie s nejmenší kapacitou. Zbytek ale ještě neobvinil. A naše špatná baterie se bude smažit a dobíjet, dokud nebude zbytek nabitý. Připomínám, že lithium také nemá příliš rádo nadměrné vybíjení a kazí se. Abyste tomu zabránili, připomeňte si předchozí závěr.

Přejděme k paralelnímu zapojení. Kapacita takové baterie se rovná součtu kapacit všech baterií v ní obsažených. Vybíjecí proud pro každý článek se rovná celkovému zatěžovacímu proudu dělenému počtem článků. To znamená, že čím více Akum v takové sestavě, tím více proudu může dodat. S napětím se ale stane zajímavá věc. Pokud budeme sbírat baterie, které mají různá napětí, tedy zhruba řečeno nabité na různá procenta, tak si po připojení začnou vyměňovat energii, dokud se napětí na všech článcích nestane stejným. Docházíme k závěru: před montáží je třeba baterie opět rovnoměrně nabít, jinak budou při zapojování protékat velké proudy a vybitá baterie se poškodí a s největší pravděpodobností může dokonce vzplanout. Během procesu vybíjení si baterie také vyměňují energii, to znamená, že pokud má jedna z plechovek nižší kapacitu, ostatní jí nedovolí vybít se rychleji než ony samy, to znamená, že v paralelní montáži můžete použít baterie s různými kapacitami . Jedinou výjimkou je provoz při vysokých proudech. Na různých bateriích pod zatížením napětí klesá jinak a mezi „silnými“ a „slabými“ bateriemi začne protékat proud, a to vůbec nepotřebujeme. A to samé platí pro nabíjení. Naprosto bezpečně můžete nabíjet baterie různých kapacit paralelně, čili není potřeba vyvažování, sestava se vyrovná sama.

V obou uvažovaných případech je třeba dodržet nabíjecí proud a vybíjecí proud. Nabíjecí proud pro Li-Io by neměl překročit polovinu kapacity baterie v ampérech (1000 mAh baterie – nabíjení 0.5 A, baterie 2 Ah, nabíjení 1 A). Maximální vybíjecí proud je obvykle uveden v datovém listu (TTX) baterie. Například: baterie notebooků a smartphonů 18650 nelze zatížit proudem přesahujícím 2 kapacity baterie v ampérech (příklad: baterie 2500 mAh, což znamená, že maximum, které z ní potřebujete, je 2.5 * 2 = 5 ampérů). Existují ale vysokoproudé baterie, kde je vybíjecí proud jasně uveden v charakteristice.

Mezilehlou možností je přepnutí baterií ze sériového připojení na paralelní (pro nabíjení), což je podrobně popsáno ve videu níže a všechna schémata a odkazy na přepínače najdete zde https://alexgyver.ru /18650/

Sériové spojení prvků.

Při zapojování výkonových prvků do série se rozlišují dvě schémata: sériově komplementární a sériově interferující.
V sériově komplementárním obvodu je kladný pól první baterie připojen k zápornému pólu druhé baterie; kladný pól druhé baterie je spojen se záporným pólem třetí baterie atd. (Obrázek 3.11.)

Obrázek 3.11. Sériové zapojení výkonových prvků.

S tímto připojením zdrojů energie bude všemi prvky protékat stejný proud:

Indexy v aktuálním označení udávají počty jednotlivých zdrojů energie (prvků nebo baterií)
A celkové napětí v sériovém zapojení se rovná součtu napětí (EMF) jednotlivých prvků:

Celkem = E1 + E2 + E3.

Pokud jsou napájecí zdroje zapojeny sériově rušivým způsobem, jsou vzájemně propojeny pomocí stejnojmenných svorek. Ale v praxi se takové schéma nepoužívá, nebo se používá, ale velmi zřídka.

Provozní napětí baterie se může lišit. Parametr se pohybuje od 0.5-48 V. Je-li pro nastartování spalovacího motoru automobilu potřeba jiný dojezd, autonomní napájení elektrických zařízení nebo elektricky poháněné speciální zařízení, použijte sériové zapojení baterií do jednoho okruhu. Počet chemických zdrojů proudu se vypočítá na základě napěťových charakteristik.

Princip: protipólové vývody galvanických článků jsou kombinovány. „+“ kolík předchozího zdroje je připojen ke kolíku „-“ dalšího zdroje. To znamená, že výstup „+“ prvního prvku a výstup „-“ posledního prvku jsou na výstupu. Budou anodou a katodou baterie.

Předpokládejme, že obvod bude zahrnovat čtyři 12voltové zdroje chemického proudu s kapacitou 200 A a výkonem 800 A*h. Při sériovém zapojení bude celkové napětí baterie 48 V, kapacita baterie zůstane nezměněna.

Obdobným způsobem se chemické zdroje proudu spojují do baterií pro automobily, autobusy a další zařízení. Prvky jsou zabaleny v jednom pouzdře a připojeny pomocí olověných přípojnic. Elektrody prvků jsou vyrobeny ze stejného materiálu. Olověné části mohou být vzájemně spojeny nikoli na mechanické, ale na molekulární úrovni, což zabraňuje rozvoji korozivních elektrochemických reakcí. Zvýšená výdrž baterie.

Vlastnosti sériového připojení

• Můžete připojit libovolný počet galvanických prvků současně, ale všechny v obvodu musí být shodné a stejného typu. Například lithium-iont je kombinován s lithium-iont, ale ne kadmium-nikl.
• Kapacity všech chemických zdrojů proudu musí být stejné (hodnoty velmi blízké).
• U tohoto typu sestavy je vyžadováno vyrovnávání náboje. Zajistí dlouhou životnost baterie bez dodatečného dobíjení a bezpečný provoz. Můžete použít aktivní a pasivní metody vyvažování.
• Pokud jedna baterie v okruhu selže, bude nutné vyměnit všechny prvky.
• Pokud je použito sériové zapojení baterií, pak je třeba věnovat zvláštní pozornost výběru nabíječky. Je lepší používat zařízení s regulátorem nabíjení.
• Vodiče musí odolat zatížení 3násobku jmenovitého zatížení.

Paralelní spojení prvků.

Při paralelním zapojení výkonových prvků se jejich stejnojmenné vývody spojí dohromady, tedy plus na plus, mínus na mínus (obr. 3.12).

Obrázek 3.11 Paralelní zapojení silových prvků.

V tomto případě bude celkový proud roven součtu proudů každého prvku:

Celkové napětí při paralelním zapojení napájecích zdrojů se bude rovnat napětí každého jednotlivého zdroje.

Etotal = E1 = E2 = E3.

Existuje několik způsobů, jak připojit baterie paralelně

metoda 1

Zařízení je připojeno ke kladnému a zápornému pólu vnější baterie.

Typicky jsou baterie vzájemně propojeny měděným kabelem o průřezu 35 mm2 s měrným odporem asi 0,0006 Ohm na metr. Odpor 20 cm dlouhého kabelu mezi bateriemi tedy bude 0,00012 Ohm. To je velmi malé, ale pokud přidáte 0,0002 ohmů pro každé připojení (svorka na kabelu, svorka na baterii atd.), odpor se zvýší na 0.0015 ohmů.

Pokud je zátěž rozložena rovnoměrně mezi baterie, pak při odběru proudu 100 ampér dodává každá ze čtyř baterií 25 ampér. V uvažovaném obvodu však nejvyšší proud dodává spodní baterie a proud každé další postupně klesá.

To se děje proto, že proud přicházející ze spodní baterie nenarazí na své cestě na jiný odpor než na odpor kabelu vůči zátěži. Proud z druhé baterie zdola navíc prochází dvěma propojovacími vodiči, z druhé zdola čtyřmi a horními šesti. Příspěvek horní baterie k celkovému proudu je tedy mnohem menší než příspěvek spodní baterie.

Dva způsoby připojení zátěže k baterii paralelně připojených baterií. Vlevo je nesprávné. Ten pravý je správný

Během nabíjení se děje to samé – spodní baterie se nabíjí vyšším proudem než horní. Jeho pracovní podmínky jsou obtížnější a dříve selže.

Výpočty ukazují, že s vnitřním odporem baterie 0,02 Ohm, koncovým odporem 0,0015 Ohm a zátěží 100 ampérů dochází k následujícímu rozložení proudu mezi bateriemi:

Spodní baterie má 35,9 A.

Druhý odspodu – 26,2 ampér.

Třetí odspodu – 20,4 ampér.

Horní baterie má 17,8 A.

Spodní baterie tedy poskytuje dvakrát větší proud než horní. Dvojnásobné zatížení spodní baterie však neznamená, že její životnost je poloviční. Když se spodní baterie vybije, zátěž se přerozdělí mezi další tři baterie. Nevýhodou tohoto zapojení je, že baterie jako celek je provozována s obrovskou nevyvážeností a stárne mnohem rychleji než při správném vyvážení.

metoda 2

U druhého způsobu zůstává spojení mezi bateriemi stejné, ale zátěž je připojena k různým bateriím. Rozložení proudu v upravené baterii při zatížení 100 A je následující:

Spodní baterie má kapacitu 26,7 A.

Druhý odspodu – 23,2 A.

Třetí odspodu – 23,2 A.

Horní baterie má 26,7 A.

Zlepšení oproti první metodě je značné a baterie jsou mnohem blíže správnému vyvážení.

metoda 3

Čím dražší jsou trakční baterie a čím nižší je jejich vnitřní odpor, tím důležitější je přesné vyvážení. Pro lepší vyvážení je nutné, aby počet spojení mezi každou baterií a zátěží byl přibližně stejný.

Další možnost paralelního připojení baterií.

V prvním způsobu připojení byl proud ze spodní baterie přiváděn do zátěže bez dalších připojení. Horní baterie měla 6 připojení. U druhého způsobu byl počet spojovacích článků pro horní a spodní baterie snížen na 3.

Ve třetím způsobu jsou kladné póly každé baterie připojeny ke společné sběrnici. Totéž se provádí pro záporné póly. Délka vodičů od svorek baterie ke sběrnici musí být přibližně stejná, jinak se ztrácí jedna z hlavních výhod tohoto způsobu připojení – stejný odpor mezi každou baterií a zátěží.

Rozdíl ve výsledcích mezi třetím a druhým způsobem připojení je mnohem menší než rozdíly mezi 1. a 2., ale pro 4-8 drahých baterií se další práce může vyplatit.

Bezpečnostní opatření pro připojení

• dodržujte bezpečnostní pravidla při práci s elektrickým proudem, noste gumové rukavice;
• zabránit vytvoření okruhu elektrického proudu procházejícího lidským tělem;
• vyhnout se zkratům;
• nezanedbávejte polaritu;
• nedotýkejte se svorek baterie holýma rukama;
• nesbírejte baterie připojené k zátěži (před připojením k okruhu zkontrolujte každou zvlášť);
• nabíječka musí být před připojením baterie odpojena;
• používejte nástroje s izolovanými rukojeťmi;
• před použitím jednotky nezanedbávejte proud baterie a parametry zátěže;
• spojovací kontakty musí být spolehlivé a izolované;
• chraňte sestavu izolačním pláštěm před vlhkostí;
• používat identické baterie z hlediska parametrů a míry opotřebení;
• Před použitím sestavy otestujte její nesprávné připojení svorek.

Při opravě chyb se nejprve odpojí zátěž (nabíječka), poté se pouze předělá jednotka.

Chyby spínání a jejich důsledky

Nejdůležitější je zabránit úrazu elektrickým proudem
. Nesprávná kombinace chemických zdrojů proudu bude mít za následek:

• Vznik zkratového obvodu. V galvanických článcích začne chemická reakce, která povede k úniku elektrolytu, deformaci pouzdra, výbuchu, požáru (typické pro paralelní zapojení).
• Otevření okruhu. Při připojení zátěže bude generován zpětný proud přes nesprávně připojený zdroj. To povede k rychlému selhání jednotky (typické pro sériové připojení).
• Dlouhodobý zkrat. Výsledkem je roztavení drátu, požár, deformace pouzdra, chemická reakce uvnitř zdrojů, vznícení, únik elektrolytu a výbuch.
• Zkrat. Výsledkem je snížení kapacity a poškození elektrod.
• Přehřívání a tavení vodičů. Výsledkem je zkrat (pokud je špatně zvolen průřez vodiče).

Jak změřit kapacitu baterie?

Už jsme si zvykli na názor, že pro měření potřebujete Imax b6, ale ten stojí peníze a pro většinu radioamatérů je nadbytečný. Existuje ale způsob, jak změřit kapacitu 1-2-3 plechovkové baterie s dostatečnou přesností a levně – jednoduchý USB tester

Měl jsem dva testery – modrý a bílý s drátem. Bílá nadhodnotila proud o 15 % (spolu s tím i kapacitu) a modrá mírně podcenila. Možná záleží na instanci, ale i tak doporučuji modrou, už jen proto, že má časovač nabíjení/vybíjení. A bílá má jen zbytečné paměťové buňky, které nejsou potřeba.

Tester začne pracovat od cca 2,8V až do 10-15V bez problémů, to znamená, že může být napájen přímo z lithiové baterie a bude měřit protékající proud a kapacitu. Nezbývá než si pořídit pár USB konektorů s výstupem na holé dráty nebo krokodýly, připojit baterii ke vstupu (nutně přes ochranu!) a zatížit výstup. Například výkonný 8-15 ohmový odpor (pro jeden článek a mnohonásobně více pro sériové sestavy) nebo kus nichromu. Doporučený vybíjecí proud 300-500ma. Takový tester poskytne výsledek kapacity s chybou ne větší než 5%. Pro spolehlivost můžete k vybíjecímu obvodu připojit multimetr v režimu ampérmetru a porovnat skutečný proud s údaji testeru, takže v budoucnu budete vědět, zda má odchylku a jak velkou. S takovou korekcí v hlavě bude přesnost stejná jako u Imaxu. Když je baterie vybitá až na hranici meze a ochrana ji vypne, tester si výsledek zapamatuje. Jediné, co musíte udělat, je zapnout jej s jakýmkoli jiným zdrojem napájení, abyste viděli.

Moje kopie testeru mi poskytla výsledky kapacity až 10-20 mAh, což se zcela shodovalo s výzkumem seriózního chlapa, který používal zařízení v hodnotě desítek tisíc rublů pro stejnou značku baterie. A fotografie tohoto procesu stačily jako důkaz pro vrácení nákladů na 2s baterii s neférovou kapacitou =)

• https://BatteryZone.ru/accumulator/posledovatelnoe-i-parallelnoe-soedinenie-akkumuljatorov
• https://alexgyver.ru/lithium_charging/
• http://www.sxemotehnika.ru/soedinenie-elementov-pitaniya-i-batarey.html
• https://3batareiki.ru/akkumulyatory/soedinenie-akkumulyatorov-posledovatelno-i-parallelno
• https://advanced-power.ru/knowledge/soedinenie-akkumulyatorov/

Pro získání baterie s danými hodnotami kapacity a napětí jsou baterie zapojeny podle určitého schématu – sériově, paralelně nebo sériově paralelně. Pro zvýšení napětí sestavy jsou výkonové prvky zapojeny do série a pro získání požadované kapacity a sečtení proudové síly článků – paralelně.

Počet sériových spojení v sestavě je označen číslem u písmene S (z anglického slova series), počet paralelních spojení pak číslem u písmene P (od slova paralelní). Pokud je například baterie sestavena podle obvodu 12S14P, pak se skládá z 12 sériových a 14 paralelních připojení.

Vlastnosti sériového připojení lithiových baterií

Pro sekvenční montáž musíte vzít prvky stejného typu a stejných velikostí, s identickými hodnotami kapacity a napětí, nejlépe se stejnými daty vydání a čísly modelu. Pokud je v sestavě „slabý článek“, povede to k nerovnováze v baterii. Problémová baterie se ale nemusí projevit hned.

Proto je nutné jednou za šest měsíců změřit napětí na každém prvku systému a v případě zjištění nerovnováhy provést vyvážení:

1. pokud rozptyl napětí nepřesahuje 0,1 V, je to výborné, ale pro preventivní účely se doporučuje jednou za šest měsíců provést vyrovnávací nabíjení;
2. pokud rozptyl přesáhne 0,1 V, doporučuje se provést vyvážení;
3. pokud rozptyl překročí 0,2 V, je nutné vyvážení.

Balancování baterie

Tento postup zabraňuje přebíjení některých článků a podbíjení jiných. Taková nevyváženost vede k předčasnému opotřebení baterií a vyvážení tomu brání. K automatickému vyrovnání náboje na článcích se používají speciální zařízení – balancery.

Nejjednodušší metodou vyvažování je provádění vyrovnávacího nabíjecího cyklu při zvýšeném nabíjecím napětí po celý den. Vyrovnávací nabíjecí napětí je asi 2,4 V na článek s napětím 2 V, 14,4 V pro 12 V baterii, 28,8 V pro 24 V baterii atd. Přesné vyrovnávací nabíjecí napětí pro konkrétní baterii je třeba ověřit u výrobce.

Alternativní možností vyvážení (pokud metoda 1 nepomůže) je vyrovnání nabíjení baterie samostatně pomocí nabíječky a sítě 220 V. Pokud je poté nesymetrie větší než 0,1 V, je nutné baterii dobít nižším napětím .

Vlastnosti paralelního připojení Li-Ion baterií

Pro paralelní připojení je vhodné vzít baterie stejné kapacity a stejného modelu. A ačkoli jsou požadavky v tomto případě méně přísné, rozdíly ve vlastnostech baterie způsobují nerovnoměrné rozložení nabíjecích proudů a snížení životnosti baterie.

Při paralelním zapojení Li-Ion baterií nebo baterií je nutné správně připojit zátěž „diagonálně“ a použít stejně dlouhé propojky. To je nezbytné pro vyvážení nabíjecích a vybíjecích proudů každého prvku a zvýšení životnosti baterie.

Kombinované připojení

Při sériově-paralelním spojování prvků se berou v úvahu doporučení pro oba způsoby připojení. Lithium-iontové baterie jsou skvělé pro vytváření baterií s libovolnými vlastnostmi, ale musíte přísně kontrolovat napětí a proud každého článku. K tomuto účelu slouží speciální desky ochrany a sledování prvků – BMS.

• Článek aktualizován: 24. března 2021

• 24 2021 března
• Zobrazení 5235
• 0 komentáře