Последовательное подключение аккумуляторов

Литиевые аккумуляторы, характеристики, особенности

Литиевые аккумулятор (Li-Io, Li-Po) являются самыми популярными на данный момент перезаряжаемыми источниками электрической энергии. Литиевый аккумулятор имеет номинальное напряжение 3.7 Вольт, именно оно указывается на корпусе. Однако, заряженный на 100% аккумулятор имеет напряжение 4.2 В, а разряженный “в ноль” – 2.5 В, вообще нет смысла разряжать аккумулятор ниже 3 В, во-первых, он от этого портится, во-вторых, в промежутке от 3 до 2.5 В аккумулятор отдаёт всего пару процентов энергии. Таким образом, рабочий диапазон напряжений принимаем 3 – 4.2 Вольта.

Рекомендации по созданию аккумуляторных батарей

• При последовательном и параллельном соединении все аккумуляторы должны быть одного типа, возраста и иметь одного производителя. Емкость аккумуляторов при последовательном подключении должна быть одинаковой, параллельно можно соединять между собой аккумуляторы разной емкости.
• Если при последовательном подключении, один аккумулятор выходит из строя, в батарее необходимо менять все аккумуляторы. Если один аккумулятор выходит из строя при параллельном подключении, его удаляют, а оставшиеся используют до тех пор, пока они не выработают свой ресурс. После этого аккумуляторы заменяют.

Чтобы избежать преждевременного старения, не допускайте нагрева аккумуляторов. Повышении температуры на каждые 6 ° C свыше 20 С уменьшает срок службы наполовину. Устанавливайте аккумуляторы в хорошо проветриваемых, прохладных местах и оставляете воздушное пространство между ними, чтобы стимулировать тепловыделение.

• Не увеличивайте емкость батареи с помощью аккумуляторов, установленных в другом помещении. Аккумуляторы, расположенные в разных местах, будут работать при различной температуре окружающего воздуха, а их разряд и зарядка будут происходить неравномерно. Это еще больше увеличит разницу температур и приведет к преждевременному старению и выходу батареи из строя. Если аккумуляторы заряжаются или разряжаются высоким током может произойти термический разгон и взрыв.
  Подключение зарядного устройства к батарее параллельно соединенных аккумуляторов.
• Если ток заряда или разряда аккумуляторов в течение продолжительного времени составляет 200 А при напряжении 12 В (100 А при 24 В), выделяется значительное количество тепла. Чтобы его рассеять, используйте принудительную вентиляцию. Для этого во входной воздушный патрубок батарейного отсека установите пожаробезопасный вентилятор. Вентилятор на входе уменьшает риск воспламенения водорода, выделяемого аккумуляторами. (Некоторые стандарты требуют принудительной вентиляции воздуха в любое время, когда аккумуляторы подключены к зарядному устройству с выходной мощностью более 2 кВт, то есть 167 ампер при 12 вольтах или 83 амперах при 24 вольтах).
• Регулятор напряжения любого мощного зарядного устройства должен иметь датчик температуры, который уменьшает напряжение зарядки при нагреве аккумуляторов
• Аккумуляторные батареи большой емкости с высоким током заряда и разряда устанавливают в жилых отсеках только в герметичных емкостях с вентиляцией, выведенной наружу.

Для чего соединяют аккумуляторы

Некоторые устройства с автономным электрическим питанием требуют таких значений тока и напряжения, которые трудно обеспечить имеющимися стандартными гальваническими источниками питания.

Как правило, это потребность в более мощном отдаваемом токе, увеличенном значении напряжения или емкости. Для решения этих задач требуется создавать различные конфигурации соединений источников тока, каждая из которых имеет свои особенности.

Увеличение напряжения

Единичная аккумуляторная банка выдает напряжение, определяемое электрохимическими реакциями, проходящими внутри нее при заряде или разряде. Для наиболее распространенных типов выходной уровень при полной зарядке составляет:

1. Литий-ионный – 3,7 вольт.
2. Никель-кадмиевый – 1,38 вольт.
3. Свинцово-кислотный – 2,1 вольт.
4. Никель-металлогидридный – 1,25 вольт.

Во многих случаях этого недостаточно для нормальной работы запитываемой сети. Так, для нормальной работы мотоциклов требуется не менее 6 вольт, а для автомобилей – 12 вольт, а бывает 24 вольта. Единичный элемент выдать такое напряжение не может, поэтому для увеличения выходного уровня ячейки соединяют последовательно.

Увеличение емкости

Если не учитывать воздействие внешних факторов (температуру и т.п.), то емкость одной ячейки определяется:

• удельной емкостью (зависит от технологии изготовления);
• размерами АКБ.

Зачастую удобнее необходимую емкость получать не от одной банки больших габаритов, а от нескольких меньших по весу и размерам элементов. Например, целесообразно применять банки стандартных типоразмеров. Для этой цели их надо соединить параллельно. При этом их емкость складывается.

Какие виды соединения существуют

Чаще всего используется последовательное и параллельное соединение аккумуляторов. Есть еще третий вид, комбинированный, или последовательно-параллельный.

Можно ли соединять АКБ разной емкости

Последовательно — нет. Дело в том, что от емкости зависит внутреннее сопротивление. Чем больше емкость, тем ниже сопротивление. В сборке образуется большая разница напряжения, и где-то оно может оказаться сильно выше предела, а где-то — намного ниже. При подключении зарядного устройства аккумулятор с меньшей емкостью зарядится быстрее и на нем будет избыток напряжения, что приведет к порче и потере емкости, в то время как аккумуляторы с большей емкостью так и не зарядятся до конца.

При подключении нагрузки произойдет обратная ситуация: маленький аккумулятор разрядится ниже допустимой границы (так называемый глубокий разряд), в результате потеряв часть своей емкости.

ВАЖНО! Нельзя соединять последовательно аккумуляторы разной емкости, разного типа, разной степени зарядки. Они должны быть максимально похожи, лучше — из одной партии.

На вопрос о том, можно ли параллельно соединять аккумуляторы разной емкости, ответ — да. Но осторожно. Убедитесь, что напряжение на их клеммах равно. Если оно будет сильно отличаться, это может вызвать короткое замыкание либо порчу меньшего аккумулятора. Еще стоит учитывать, что клеммы конкретного аккумулятора могут не выдержать слишком сильный ток в течение длительного времени. Смотрите технические характеристики перед сборкой.

Особенности последовательного соединения АКБ

Последовательное соединение АКБ — задача не такая уж сложная. К плюсу электрической схемы подсоединяем плюс первой батареи, к минусу первой батареи подключаем плюс второй, и так далее. Минус последней подключается к минусу электросхемы. Перед тем как последовательно соединить аккумуляторы, убедитесь в том, что они одинаковы по параметрам.

Формулы (U — напряжение, I — ток, C — емкость, E — электрическая энергия):

Uобщ = U1 + U2 + U3 + Ui

Iобщ = I1 = I2 = I3 = Ii

C = const

Eобщ = ∑ Ei

Схема

Схема последовательного соединения аккумуляторов

Емкость системы

Емкость АКБ при последовательном соединении будет равна емкости одного элемента, а напряжение элементов будет суммироваться. Например, на схеме показано, как подключить аккумуляторы последовательно. В таком случае напряжение батареи вырастет в 4 раза (12*4 = 48 В), а емкость останется равной 200 Ач.

Для чего используется

Разные устройства имеют различные диапазоны напряжений. В то же время, рабочее напряжение электроаккумуляторов варьируется от 0,5 до 48 В. Если нужен автономный источник энергии для приборов, электроприводной техники, стартеров автомобилей, для него создается повышенное рабочее напряжение. Делается это как раз с помощью последовательного соединения аккумуляторных батарей.

Самый простой пример такого соединения — карманный фанарик. Чем ниже напряжение в фонарике, тем более тускло горит лампочка. А наиболее часто такая система используется в автомобильных свинцово-кислотных АКБ. Отдельные элементы в них называются банками и объединены в общем корпусе свинцовыми шинами. В беспроводных инструментах и электровелосипедах используются литий-ионные аккумуляторы.

Особенности и схемы последовательного и параллельного соединения

Каждая из схем имеет свои особенности, которые нужно учитывать, чтобы АКБ не вышли из строя.

Параллельное соединение — для увеличения ёмкости

При параллельном подключении аккумуляторов ёмкость складывается. Например, если подключить 5 накопителей на 1200 мАч, то получим 5 х 1200 = 6000 мАч. При параллельном соединении напряжение, выдаваемое этой конструкцией, будет таким же, как и у одного элемента конструкции.В параллельную сборку можно объединять аккумуляторы только с одинаковым напряжением. Если этот показатель будет отличаться, то один из АКБ будет отдавать больший ток, и возникнет перегрузка. При условии равенства потенциалов можно объединять параллельно накопители разной ёмкости. Но если это равенство будет нарушено, пострадает накопитель меньшей емкости. Если напряжение на нем будет больше, чем на остальных, то через него будет протекать большой ток. Если меньше, то он будет заряжаться в режиме перегрузки.

Способ 1

Оборудование подключено к положительному и отрицательному полюсам крайнего аккумулятора.

Обычно аккумуляторы соединяют между собой медным кабелем сечением 35 мм2 с удельным сопротивлением около 0,0006 Ом на метр. Таким образом сопротивление кабеля длиной 20 см между аккумуляторами будет 0,00012 Ом. Это очень мало, но если добавить 0,0002 Ом для каждого соединения (клемма на кабеле, клемма на аккумуляторе и т.д), то сопротивление возрастет до 0.0015 Ом.

Если нагрузка распределена между аккумуляторами равномерно, то при потребляемом токе 100 ампер, каждый из четырех аккумуляторов отдает по 25 ампер. Однако в рассматриваемой схеме самый большой ток отдает нижний аккумулятор, а ток каждого следующего постепенно уменьшается.

Это происходит потому, что ток идущий от нижнего аккумулятора не встречает на своем пути никакого сопротивления кроме сопротивления кабеля к нагрузке. Ток от второго снизу аккумулятора дополнительно проходит через два соединительных провода, от второго снизу через четыре и от самого верхнего через шесть. Таким образом, вклад верхнего аккумулятора в общий ток гораздо меньше, чем нижнего.

Два способа подключения нагрузки к батарее параллельно соединенных аккумуляторов. Слева — неправильный. Справа правильный

Во время зарядки происходит тоже самое — нижний аккумулятор заряжается большим током чем верхний. Условия его работы тяжелее, и он выйдет из строя раньше.

Вычисления показывают, что при внутреннем сопротивлении аккумулятора 0,02 Ом, сопротивлении клемм 0,0015 Ом и нагрузке 100 ампер, возникает следующее распределение тока между аккумуляторами:

Нижний аккумулятор — 35,9 ампер.

Второй снизу — 26,2 ампер.

Третий снизу —  20,4 ампер.

Верхний аккумулятор —  17,8 ампер.

Таким образом, нижний аккумулятор обеспечивает вдвое больший ток чем верхний. Однако в два раза большая нагрузка нижнего аккумулятора не означает, что его срок службы вдвое меньше. По мере разряда нижнего аккумулятора, нагрузка перераспределяется между остальными тремя аккумуляторными батареями. Недостаток такого подключения в том, что батарея в целом эксплуатируется с огромным дисбалансом и стареет гораздо быстрее, чем при правильной балансировке.

Способ 2

При втором способе соединение аккумуляторов между собой остается прежним, но нагрузка подключается к разным аккумуляторам. Распределение тока в модифицированной батареи при нагрузке 100 А следующее:

Нижний аккумулятор –26,7 ампер.

Второй снизу —  23,2 А.

Третий снизу —  23,2 А.

Верхний аккумулятор — 26,7 ампер.

Улучшение по сравнению с первым методом существенное и аккумуляторы гораздо ближе к правильной балансировке.

Способ 3

Чем дороже тяговые аккумуляторы и чем ниже их внутреннее сопротивление, тем важнее точная балансировка. Для лучшего баланса необходимо, чтобы количество связей между каждым аккумулятором и нагрузкой было примерно одинаковым.

Еще один вариант параллельного соединения аккумуляторов.

В первом способе подключения ток от нижнего аккумулятора поступал в нагрузку без дополнительных соединений. Верхний аккумулятор имел 6 соединений. Во втором способе количество соединительных звеньев для верхнего и нижнего аккумуляторов уменьшилось до 3.

При третьем способе положительные клеммы каждого аккумулятора подключаются к общей шине. То же самое выполняют и для отрицательных полюсов. Длина проводников от аккумуляторных клемм до шины должна быть примерно одинаковой, в противном случае теряется одно из основных преимуществ такого способа подключения — равное сопротивление между каждым аккумулятором и нагрузкой.

Разница в результатах между третьим и вторым способом соединения намного меньше различий между 1-м и 2-м, но для 4-8 дорогостоящих аккумуляторов дополнительная работа может быть оправдана.

Последовательное соединение — для увеличения напряжения

При последовательном соединении ёмкость сборки такая же, как и у одного аккумулятора, входящего в цепочку, а напряжение равно суммарной разности потенциалов всех элементов конструкции.

Объединять между собой можно только накопители одинаковой ёмкости. Давайте разберемся, почему.

При последовательном соединении сила тока на всех элементах цепи одинаковая, а разность потенциалов может различаться. Внутреннее сопротивление накопителя зависит от его ёмкости. При увеличении электрической вместительности сопротивление уменьшается. Поэтому при использовании АКБ разной емкости во время зарядки напряжение на одном накопителе будет выше допустимого, а при разрядке – ниже.

Давайте рассмотрим такой случай: есть конструкция из 10 элементов разной емкости, 5 из которых рассчитаны на 20 Ач, а один – на 10 Ач. Заряжать их будем током 2 А. Отрегулируем зарядное устройство так, чтобы оно отключалось при разности потенциалов 138 В (по 13,8 В на одну батарею).

При зарядке АКБ небольшой вместительности будет заряжаться быстрее. И когда она будет заряжена, остальные АКБ еще будут пополняться энергией. Произойдет перезаряд и электролит может закипеть, что может привести к возгоранию или взрыву. К тому же это отрицательно скажется на времени жизни аккумулятора.

Заряжать последовательно подключенные батареи можно только в том случае, если они изготовлены по одной технологии, одинаковы по емкости и разряжены до одного уровня.

При разряде такой сборки АКБ малой ёмкости разрядится раньше, когда остальные еще будут отдавать энергию. Произойдет глубокий разряд накопителя, это приведет к сульфатация пластин, что станет причиной быстрого износа батареи.

Смешанная схема

В комбинированной схеме подключения соединение аккумуляторов происходит последовательно и параллельно. Она нужна для того, чтобы одновременно увеличить и емкость, и разность потенциалов.

Подключение накопителей может происходить по такому сценарию:

• сначала подключаем последовательно столько аккумуляторов, сколько необходимо, чтобы обеспечить требуемую разность потенциалов;
• потом параллельно подключаем нужное количество сборок для обеспечения требуемой вместимости.

Приведем пример. Имеется 4 АКБ, рассчитанные на напряжение 12 В, вместительностью 200 Ач. Сделаем 2 сборки по 2 батареи, подключенные последовательно. После этого объединим эти сборки, включив их параллельно. Таким образом, мы получим конструкцию емкостью 2 * 200 = 400 Ач, напряжением 2 * 12 = 24 В.

Можно ли и как правильно соединять обычные батарейки

Обычные батарейки можно подключать последовательно. Именно такое подключение используется во многих бытовых электрических приборах, например, в пульте дистанционного управления, детских игрушках, радиоприемниках.

Параллельное соединение батареек использовать не рекомендуется, потому что подобрать две батарейки с одинаковым напряжением невозможно. Между выводами возникнут разность потенциалов и паразитный ток, который будет разряжать одну из батареек. При последовательном соединении аккумуляторов одна из батарей будет просто заряжать другую, но батарейки не могут заряжаться.

Видео о подключении батареек:

Балансировка заряда аккумуляторных батарей

Для того, чтобы избежать выход из строя при комплектовании системы батарей с применением элементов различных параметров необходимо проводить постоянный контроль. В настоящее время находят распространение различные устройства позволяющие обеспечить данный контроль при заряде и разряде. К таким приборам относят BMS- система мониторинга и управления.

BMS позволяет правильно зарядить и разрядить источник питания, при этом устройство в течение всего срока службы проводит контроль за состоянием устройства и обеспечивает безопасность предотвращая преждевременный выход из строя аккумулятора. Устройство изготавливается в виде электронной платы, которая входит в общую конструкцию источника питания.

Благодаря BMS стало возможно:

• обеспечить защиту как отдельных элементов, так и всей системы устройств в целом;
• увеличить срок эксплуатации источников питания;
• контролировать и поддерживать изделия разных видов в работоспособном состоянии при различных условиях использования.

Основные функции устройства BMS:

1. Контроль за напряжением, температурой, показаний зарядных параметров, а также исправным состоянием.
2. Интеллектуально-вычислительные функции, благодаря которым возможно следить за основными параметрами заряда-разряда.
3. Функции связи, проводным и беспроводным способом.
4. Защита изделия от скачков напряжения и тока, а также от перепада температур.
5. При балансировке происходит равномерное распределение заряда между всеми элементами системы.

Интересно знать! В некоторых комплексных системах аккумуляторных батарей применяются несколько балансировочных плат, которые управляют своей отдельной ячейкой.

Правильное соединение аккумуляторов позволяет добиться определенных значений необходимых параметров. При соблюдении правил эксплуатации возможно добиться значительного увеличения срока службы источников питания.

Проверка работоспособности

При соединении аккумуляторов убедитесь, что они целые, без внешних повреждений, следов ржавчины и окисления. Клеммы и провода должны быть надежно закреплены. Если внешне батареи выглядят целыми, проверьте напряжение и силу тока. Сделать это можно одним из следующих способов:

• Подключите к системе нагрузку определенной мощности и замерьте падение напряжения с помощью вольт- или мультиметра. Готовые данные сравните с характеристиками используемых аккумуляторов, учтя величину нагрузки.
• Замерить напряжение можно и без нагрузки. Разные типы батарей имеют свои значения при разомкнутой цепи. Например, свинцово-кислотные АКБ работают с мощностью 12,6 В.
• Для измерения напряжения можно использовать нагрузочную вилку. Если в течение 10-15 секунд значение вырастет незначительно или вовсе не изменится, значит, система исправна.
• Проверьте стабильность аккумулятора при помощи специальных анализаторов и тестеров. Например, используя устройства Кулон, PITE, Fluke, Vencon.
• Самый простой и достоверный метод проверки исправности АКБ – это его полная разрядка и зарядка. Сначала выполняется глубокая разрядка, а затем – восполнение емкости. Однако этот способ занимает много времени – от 14 до 24 часов и более.

Техника безопасности

Вне зависимости от выбранного способа соединения аккумуляторов важно соблюдать меры безопасности:

Нельзя объединять в единую цепь АКБ с разной емкостью и параметрами.

• перед работой надевайте диэлектрические перчатки;
• не трогайте соединения батареи и последовательно снимающиеся клеммы голыми руками;
• отключайте аккумуляторы от сети и прочих нагрузок;
• используете инструменты с изолированными рукоятками;
• перед подключением элементов проверяйте контакты;
• не включайте в единую цепь АКБ с разной емкостью и параметрами;
• соблюдайте полярность;
• изолируйте готовую сборку от влаги.

Последовательное и параллельное подключение батарей с соблюдением техники безопасности позволит снизить потери мощности и увеличить коэффициент полезного действия. Также АКБ соединяют и для объединения емкостей, когда одного аккумулятора недостаточно. Создав единую цепь, нужно проверить ее, как при помощи специальных устройств, так и путем подключения нагрузки.