Последовательное и параллельное соединение аккумуляторов

Литиевые аккумуляторы (например популярные 18650) можно соединять друг с другом как последовательно, так и параллельно. В зависимости от целей, каждое из этих решений имеет разные преимущества. Но в любом случае важно подключить элементы правильно.

 

Параллельное соединение АКБ не изменяет напряжение схемы – оно будет как на одиночном элементе. Зато ёмкость общая будет больше, потому что такой блок сможет выдавать постоянный ток в течение более длительного времени, чем одна ячейка.

Максимальный ток разряда будет также увеличиваться, поскольку все элементы отдают ток одновременно. Внутреннее сопротивление полученного таким образом пакета будет меньше, примерно равным результирующему сопротивлению параллельного соединения внутренних сопротивлений отдельных ячеек. Формулы приводить не будем, чтоб упростить материал с сделать его более популярным.

И литий-ионные, и литий-полимерные аккумуляторы могут быть объединены в батареи.

Напомним, что батарея – это сборка из нескольких элементов, потому и радиаторы отопления называют таким словом. А батарейка – это уменьшительное название от батареи. В случае же последовательно соединенных ячеек, для их правильной зарядки необходимо зарядное устройство с балансиром (например такое).

Зарядка параллельно соединенных ячеек теоретически не требует их отключения. Достаточно увеличить ток зарядки (но осторожно) или лучше подождать подольше, заряжаясь током как на одну ячейку в стандартном режиме.

Как подключить Li-Pol и Li-Ion элементы вместе

Подключение литиевых элементов параллельно и разрядный ток.

Литиевые аккумуляторы можно подключать параллельно для увеличения разрядного тока. Если один элемент имеет допустимый ток разряда 1 А, то пакет из двух таких элементов может давать максимум 2 А.

Чтобы получить более высокий ток разряда, например в электронных сигаретах или в квадрокоптерах, лучше подключать литий-полимерные (Li-Pol) элементы, чем литий-ионные (Li-Ion). У них гораздо более высокий допустимый ток разряда, порядка десятка или даже нескольких десятков ампер.

Параллельно соединенные элементы можно заряжать, не отключая их предварительно. Если они имеют одинаковые параметры, зарядное устройство должно само правильно определить окончание процесса зарядки. Просто помните, что всегда время зарядки можно увеличить вдвое, если нельзя увеличить зарядный ток.

Для соединения ячеек чаще всего используют сварку и пластины соответствующего сечения.

Помните, что литиевые элементы имеют высокие токи короткого замыкания, что может привести к возгоранию. Перегруженный элемент или перегретый могут взорваться или загореться.

К счастью многие АКБ имеют встроенную тепловую защиту, а некоторые и электронную защиту от перезарядки и переразряда.

Изменение общей ёмкости батареи

Теперь стоит рассмотреть как изменяется емкость, выраженная в Вт · ч, при параллельном и последовательном подключении.

Предположим у нас есть два литий-ионных АКБ 18650 на 2,2 Ач 3,7 В, выражая емкость элемента в Втч, мы умножаем 2,2 Ач х 3,7 В, значит емкость одного элемента составляет 8,14 Втч.

Как правильно соединять аккумуляторы последовательно и параллельно

Коротко разберём распространённое мнение – «при последовательном соединении двух аккумуляторов (АКБ), их ёмкость не меняется, она остаётся такой же, как у одного аккумулятора, поэтому время автономной работы при таком соединении будет меньше».

Но как же закон сохранения энергии?

Да, при последовательном соединении аккумуляторов, формально ёмкость считается как у одного аккумулятора, а напряжение удваивается (или утраивается, учетверяется и т.д., в зависимости от количества последовательно соединённых АКБ).

При параллельном же соединении АКБ – ёмкость удваивается (утраивается и т.д.), а напряжение остаётся тем же.

Варианты соединения аккумуляторов

Противоречия здесь нет. Когда люди говорят об аккумуляторе (обычно об автомобильном), то сообщают его ёмкость, но не уточняют вольтаж. Просто все привыкли, что аккумуляторы имеют напряжение 12В, и подразумевается, что упоминать об этом глупо.

Но в вообще-то, ёмкость без указания вольтажа не имеет физического смысла. Существуют аккумуляторы самой разной ёмкости и на разное напряжение – на 2В, и на 6В, и на 12В, и, редко, на 24В. Кроме того, любые одинаковые АКБ можно соединять последовательно, параллельно, или последовательно-параллельно одновременно.

Но стоит только указать после величины ёмкости её вольтаж, как всё встаёт на свои места. Ведь энергоёмкость в любом случае, как бы мы не соединяли аккумуляторы, останется прежней.

Итак, если, например, два АКБ по 200Ач 12В (например, Аккумулятор Delta GEL 12-200), соединить последовательно, то получится энергоёмкость 200Ач 24В.

А если эти же два АКБ соединить параллельно, то получится – 400Ач 12В.

200Ач * 24В = 480Ач * В = 400Ач * 12В

Но для расчётов токов (обычно, номинальным током заряда считается ток 0,1С, где С –величина равная ёмкости аккумулятора), С берут именно по цифре слева, т.е. в нашем примере, при последовательном соединении С = 200, а при параллельном С = 400. Легко заметить, что и мощность зарядного устройства в обоих случаях будет одинаковой.

• Для первого случая, зарядный ток будет 0,1*200 = 20А, но при напряжении 24В. Т.е. зарядная мощность, Р = 20А 24В = 480Вт
• Для второго случая, зарядный ток будет 0,1*400 = 40А, но при напряжении 12В. Т.е. зарядная мощность, Р = 40А 12В = 480Вт

Если рассматривать одиночные аккумуляторы, то, например, один аккумулятор 600Ач 2В по своей энергоёмкости соответствует одному аккумулятору 100Ач 12В (например, Аккумулятор DELTA GEL 12-100).

Чтобы получить из этих аккумуляторов (600Ач 2В) большую аккумуляторную батарею, например, на 24В, нужно соединить последовательно 12 шт таких АКБ с помощью перемычек (Перемычка для аккумуляторов 250 мм).

Общая итоговая ёмкость получится 600Ач 24В. Эта энергоёмкость, если сравнивать её с 12-и вольтовыми АКБ по 200Ач (а такие применяются в грузовиках), соответствует 6-и штукам (три соединённых параллельно цепочки аккумуляторов, где каждая цепочка состоит из двух, соединённых последовательно, аккумуляторов):

(600Ач*2В)*12 = 600Ач*24В = (200Ач*24В) + (200Ач 24В) + (200Ач 24В)

Обратите внимание – на всех рисунках специально показано, что если минус инвертора подключён к условно первому АКБ, то плюс – к последнему.

Так его следует подключать, чтобы компенсировать сопротивление даже толстых медных проводов, соединяющих аккумуляторы. Иначе, из-за их сопротивления, при огромных токах, «дальний» от выводов инвертора аккумулятор, окажется и не «дозаряжаем», и не «доразряжаем».

Итак, ёмкостью аккумулятора (объединённой группы аккумуляторов), называется количество электричества (т.е. мощности, равной току умноженного на НАПРЯЖЕНИЕ), которое аккумулятор отдает при разряде до наименьшего допустимого напряжения.

Чтобы аккумулятор служил долго, его нельзя разряжать более чем на 80%. Для 12-и вольтового АКБ, это соответствует напряжению на его клеммах примерно 11,5В. Но тут важно каким током относительно емкости АКБ мы его разряжаем.

Чем больше сила разрядного тока, тем ниже напряжение, до которого может разряжаться аккумулятор. Это потому что при быстром разряде большими токами относительно маленькой ёмкости аккумулятора электролит не успевает перемешиваться, и разряженный слой скапливается вокруг пластин. Напряжение АКБ падает и нагрузку снимают. Однако, спустя несколько десятков минут, электролит перемешивается и ёмкость (и, соответственно, напряжение аккумулятора) повышается.

Если же разряжать малым током относительно ёмкости, то можно вычерпать всю энергию, что плохо для долговечности АКБ. Всегда надо оставлять не менее 20% ёмкости. Подробнее об этом далее.

Отметим, что во время заряда, зарядное устройство постепенно повышает напряжение на АКБ, а затем, после снятия заряда, напряжение уменьшается, возвращаясь к спокойному состоянию (так, на 12-и вольтовом аккумуляторе, в зависимости от типа АКБ, оно обычно растёт до 14,1 – 14,5 В, а после снятия заряда, даже без нагрузки, в течении получаса возвращается к 12,5 – 12,8 В).

Одна батарейка или аккумулятор часто не могут удовлетворить потребности устройства в энергии, как с точки зрения напряжения, так и тока. Чтобы решить эту проблему, несколько ячеек (банок) подключаются параллельно или последовательно. Но такая конструкция требует специальных мер для защиты схемы от повреждений и для поддержания рабочих параметров.

Последовательное подключение позволяет увеличить напряжение источника питания – его величина складывается из напряжений отдельных ячеек. Параллельное соединение позволяет достичь большей емкости (то есть тока), которая складывается из мощностей отдельных элементов сборки.

Также возможно комбинировать последовательные и параллельные соединения в одном пакете – такие решения используются например в аккумуляторах ноутбука. Обычно они имеют четыре литий-ионных элемента, соединенных последовательно для достижения номинального напряжения питания 14,4 В (учетверенное 3,6 В, то есть напряжение одного элемента), и каждый из них состоит из двух элементов, соединенных параллельно, что увеличивает емкость аккумулятора от 2400 мАч (номинал одной ячейки) до 4800 мАч.

Эту конфигурацию часто называют 4s2p, что означает 4 ячейки, соединенные последовательно и 2 соединенные параллельно. Значит всего такой пакет состоит из 8 ячеек (банок).

Большинство типов батарей допускают как последовательное, так и параллельное соединение. Важно только соединять батареи одного типа и с одинаковыми рабочими параметрами. Большое несоответствие параметров отдельных ячеек может привести к разбалансировке, а значит к значительному ухудшению рабочих параметров сборки. Это особенно важно в случае последовательного соединения, когда отказ одного элемента препятствует дальнейшей работе всего пакета.

Также негативно сказывается на работе работающий элемент с худшими параметрами. Скорее всего он разряжается намного быстрее чем остальные, а также будет более подвержен старению. В процессе зарядки он будет заряжаться быстрее чем другие элементы, поэтому он будет дольше оставаться заряженным.

При подключении большего количества ячеек рекомендуется использовать схемы балансировки, позволяющие снизить негативные последствия несовпадения подключенных аккумуляторов.

Последовательное соединение

Устройства с более высокими напряжениями питания требуют использования последовательного соединения двух или более ячеек. На рисунке показан пример последовательного соединения четырех литий-ионных батарей 3,6 В, в результате чего получается источник питания на общее напряжение 14,4 В.

Если необходимо подать в схему напряжение с необычным значением, например 9,5 В, можно использовать сборку с одним из стандартных уровней напряжения при условии, что оно выше требуемого значения напряжения питания. Примерное устройство, для которого требуется напряжение 9,5 В, можно легко запитать от набора из трех последовательно соединенных литий-ионных батарей с номинальным напряжением 10,8 В.

Большинство электрических устройств могут легко работать с немного более высоким напряжением, но допустимое максимальное значение конечно не должно быть превышено, обычно оно указывается в спецификации.

Аккумуляторы с высоким напряжением требуют тщательной балансировки отдельных ячеек, особенно если они предназначены для работы с высокими нагрузками или при низких температурах. В наборах состоящих из многих ячеек, вероятность повредить одну из них очень высока. Чтобы защитить систему от повреждения, обычно используются полупроводниковые переключатели для отключения поврежденного элемента от цепи.

Замена поврежденного элемента также является сложной задачей – новый элемент обычно будет иметь гораздо лучшие рабочие параметры, чем другие, уже в некоторой степени деградировавшие в результате процессов старения. По этой причине комплекты ячеек часто представляют собой один общий модуль, который можно заменить только целиком.

В дорогих и сложных системах, таких как

• электромобили
• электромотоциклы

Основная батарея часто делится на более мелкие модули, состоящие из нескольких ячеек и полностью заменяемые. Также увеличивается дисбаланс, но чаще всего эта проблема нейтрализуется соответствующими схемами балансировки.

Параллельное соединение батарей

Если необходимо получить бОльшую емкость (ток), чем обеспечивает одна ячейка, можно подключить несколько ячеек параллельно.

Большинство АКБ хорошо переносят это, проявляя незначительные побочные эффекты или не проявляя их вообще.

На рисунке показан пример четырех соединенных таким образом элементов. Номинальное напряжение остается таким же, как напряжение отдельной ячейки (3,6 В), но общая емкость увеличивается в 4 раза.

При таком решении наиболее опасная ситуация – короткое замыкание одной из ячеек.

Это создает очень высокий ток разряда и быстро вытягивает заряд со всех других, что несет в себе высокий риск возгорания.

 

Часто используемой защитой от подобных ситуаций является то, что в конструкцию корпуса встроен набор предохранителей, изолирующих поврежденный элемент.

В отличие от последовательного подключения, при параллельном выход из строя одной из ячеек при ее фактическом замыкании не приводит к полному повреждению сборки, а только снижает ее емкость.

На рисунке показана ситуация частичного повреждения одной из ячеек, что приводит к соответствующему уменьшению емкости всего пакета.

Последовательно-параллельное соединение

Во многих случаях чтобы получить требуемые параметры источника питания, необходимо выполнить последовательно-параллельное соединение, которое позволяет достичь как более высокого напряжения, так и большей емкости, чем у отдельной ячейки. Пример такого решения показан на рисунке.

Литий-ионные элементы хорошо подходят для последовательного и параллельного подключения, но требуют тщательного контроля рабочих параметров аккумулятора и использования соответствующих схем защиты.

На рынке можно найти готовые модули для управления работой до десятка взаимосвязанных ячеек. В случае сборки большего размера необходимо разработать собственную схему, так как во многих современных устройствах, таких как электромобили, источник питания может состоять даже из 1000 взаимосвязанных ячеек.

Источники бесперебойного питания (ИБП) ELTENA с индексом LT предназначены для обеспечения длительного времени автономной работы критичного оборудования. Для этого к ним подключаются комплекты внешних батарей.

Напряжение цепи постоянного тока (а значит, и количество последовательно соединенных подключаемых батарей) определяется характеристиками ИБП и указывается в спецификации. Мощные ИБП (UPS) обычно имеют более высокое напряжение цепи постоянного тока в целях повышения КПД бесперебойника, и для снижения потерь, возникающих там, где протекают высокие токи.

Для обеспечения требуемого напряжения, как правило, используются стандартные необслуживаемые аккумуляторные батареи (АКБ) напряжением 12 Вольт. Чтобы получить более высокое напряжение или увеличить ёмкость, необходимо соединить батареи в цепь.

При подключении аккумуляторных батарей к источникам бесперебойного питания, особенно при использовании ИБП с внешними АКБ, возникают вопросы и проблемы их объединения в линейки, последовательного/параллельного соединения аккумуляторов, определения емкости и общего напряжения получившегося соединения.

Используются 3 способа соединения аккумуляторов:

• последовательное, при котором суммируется напряжение;
• параллельное, суммируется емкость;
• комбинированное, при котором параллельно соединяются линейки последовательно соединенных аккумуляторных батарей.

Таким образом, появляется возможность строить батарейные комплекты, напряжение и электрическая емкость которых ограничиваются только занимаемым ими рабочим пространством и количеством параллельно соединяемых линеек (не рекомендуется соединять в параллель более 4-5 линеек).

Также стоит отметить, что для более компактного размещения аккумуляторов ELTENA предлагает батарейные шкафы различного размера и вместительности.

Способы подключения аккумуляторных батарей к ИБП (UPS)

Последовательное соединение аккумуляторных батарей

При последовательном подключении аккумуляторов суммируется напряжение (U), при подключении нагрузки с каждой АКБ идет ток, равный общему току в цепи. Емкость (E) системы остается такая же, как у одной из батарей этой цепи.

Например: Вы подключили в цепь последовательно 3 аккумуляторные батареи 12 В и 100 Ач. В итоге на клеммах источника бесперебойного питания Вы получите U=3*12=36 В, E=100 Ач.

При последовательном соединении не допустимо использование АКБ различной ёмкости, разных типов, с разным напряжением зарядки.

Мы рекомендуем Вам подключать по данной схеме только батареи одного производителя, с одинаковыми характеристиками и желательно из одной партии. Также, длина и сопротивление соединительных проводов, должны быть одинаковыми.

Если не соблюдать это условие, на клеммах аккумуляторов может возникнуть различное напряжение. АКБ с меньшим уровнем заряда будут чрезмерно разряжаться, а аккумуляторы с самым высоким уровнем заряда рискуют получить перезаряд при работе в сетевом режиме (напряжение заряда будет завышено, что приведет к повышенному износу аккумуляторов, или выходу их из строя).

Параллельное соединение аккумуляторных батарей

Параллельное соединение АКБ позволит Вам увеличить ёмкость аккумуляторных батарей (а следовательно и время автономной работы вашего оборудования), не изменяя напряжение цепи постоянного тока.

Это будет полезно, если вы хотите подключить несколько аккумуляторов к источнику бесперебойного питания, который работает от 12 В.

Например, у Вас есть источник бесперебойного питания с цепью 12 В, и у вас есть 3 аккумулятора, каждый по 100 Ач. При параллельном подключении на клеммах ИБП получим U=12 В, E=3*100=300 Ач.

Комбинированное соединение на примере ИБП ELTENA Monolith E1000LT

Время автономной работы источника бесперебойного питания (время работы от аккумуляторов) с конкретной нагрузкой зависит только от емкости подключенных к ИБП аккумуляторных батарей.

Увеличение времени автономной работы, при неизменной нагрузке, возможно только путем увеличения емкости АКБ, т.е. параллельным подключением к уже существующему комплекту дополнительных линеек (сборок) у которых U=24 В (две последовательно соединенные АКБ) и при этом, очень важно, чтобы общая емкость получившегося комплекта не должна превысить максимальную, рекомендованную для этого ИБП.

Необходимо помнить:

• при последовательном соединении сумма напряжений всех АКБ равна общему (в данном случае, две АКБ, соответственно, 24 В), а общая емкость линейки из двух последовательно соединенных АКБ равна емкости одной, каждой, АКБ (в данном случае — 45 Ач).
• при параллельном соединении линеек (сборок) напряжение одной линейки и общее равны (в рассматриваемом примере — 24 В), а сумма емкостей всех линеек равна общей (в рассматриваемом случае — E=45*3=135 Ач).

Для ИБП Monolith E1000LT рекомендованная емкость комплекта аккумуляторных батарей — до 150 Ач. Соответственно, для увеличения времени автономии можно к уже работающим аккумуляторам 45 Ач дополнительно присоединить параллельно две линейки по две последовательно соединенные АКБ 45 Ач. Получим батарейный комплект U=24 В, E=135 Ач.