مجموعات بطاريات LiPo المتوازية والسلسلة: متطلبات الجهد والسعة والحماية

تسمح التوصيلات المتسلسلة والمتوازية لمصنعي البطاريات ببناء حزمة حول الجهد والسعة ووقت التشغيل ومتطلبات الطاقة للجهاز.

تبدو القواعد الأساسية بسيطة: تعمل التوصيلات المتسلسلة على زيادة الجهد، بينما تعمل التوصيلات المتوازية على زيادة السعة. ومع ذلك، من الناحية العملية، يؤثر اختيار التكوين أيضًا على جهد الشحن، والقدرة الحالية، وموازنة الخلايا، والأسلاك، ودوائر الحماية، والتخطيط المادي، وسلوك الفشل.

قد تحتوي حزمة بطارية ليبو 2S1P وحزمة بطارية ليبو 1S2P على نفس العدد من الخلايا وتخزن نفس الطاقة الإجمالية تقريبًا، لكنهما غير قابلتين للتبديل. يوفر أحدهما جهدًا أعلى، بينما يحتفظ الآخر بجهد الخلية الواحدة ويوفر سعة أكبر لساعة أمبير.

يشرح هذا الدليل كيفية عمل حزم بطاريات LiPo المتسلسلة والمتوازية والمتوازية، وكيفية حساب مواصفاتها الكهربائية الرئيسية، وما هي متطلبات الحماية التي يجب مراعاتها قبل اختيار هيكل الحزمة.

الوجبات السريعة الرئيسية

• تعمل الخلايا المتصلة على التوالي على زيادة جهد العبوة ولكنها لا تضيف سعاتها الأمبيرية.

• تعمل الخلايا المتصلة بالتوازي على زيادة السعة مع الاحتفاظ بجهد خلية واحدة.

• يزيد التكوين المتوازي المتسلسل من الجهد والسعة.

• يشير الحرف S إلى عدد مجموعات الخلايا المتصلة بالسلسلة.

• يشير الحرف P إلى عدد الخلايا المتصلة بالتوازي داخل كل مجموعة.

• تحتوي حزمة 2S2P على أربع خلايا مرتبة كمجموعتين متسلسلتين مع خليتين في كل مجموعة متوازية.

• توفر ساعات الوات مقارنة الطاقة بشكل أفضل من mAh عندما تحتوي العبوات على جهد كهربائي مختلف.

• تتطلب المجموعات المتصلة بالسلسلة مراقبة الجهد الفردي وقد تتطلب الموازنة.

• يجب أن تكون الخلايا الموجودة في مجموعة متوازية متطابقة بشكل وثيق وأن يتم توصيلها بجهد مناسب قبل الاتصال الدائم.

• يجب أن تتوافق لوحة الحماية مع كيمياء الخلية وعدد التسلسلات وجهد الشحن والتيار المستمر والتيار الأقصى والوظائف المطلوبة.

• لا تؤدي إضافة الخلايا المتوازية إلى مضاعفة تيار الحزمة الآمنة تلقائيًا في كل ظروف تشغيل.

• لا ينبغي الجمع بين العبوات ذات الفولتية أو السعات أو الأعمار أو حالات الشحن المختلفة دون تصميم هندسي.

• يجب تقييم تكوين البطارية والشاحن ونظام إدارة المباني والموصل والأسلاك ونظام طاقة الجهاز معًا.

ماذا تعني 1S و2S و2P و2S2P؟

عادةً ما يتم وصف تكوينات حزمة البطارية باستخدام الحروف S و P.

• S يعني سلسلة.

• P يعني بالتوازي.

• يشير الرقم الموجود قبل كل حرف إلى عدد الخلايا أو مجموعات الخلايا التي تستخدم هذا الاتصال.

تشمل الأمثلة الشائعة ما يلي:

يمكن حساب العدد الإجمالي للخلايا على النحو التالي:

إجمالي الخلايا = عدد التسلسل × العدد الموازي

على سبيل المثال:

3S2P = 3 × 2 = 6 خلايا

في معظم مواصفات البطارية، يُفهم التكوين المكتوب باسم '2S' فقط على أنه يعني 2S1P ما لم يتم ذكر عدد متوازي بشكل منفصل. ومع ذلك، بالنسبة لمشروع OEM، يجب توثيق كلا القيمتين لتجنب الغموض.

لمحة سريعة عن مجموعات بطاريات LiPo المتوازية والسلسلة

تفترض المقارنة التالية وجود خلايا متطابقة لها نفس الكيمياء والجهد الاسمي والقدرة والقدرة على التفريغ.

هذه هي مبادئ التكوين وليست تقييمات الحزمة النهائية المضمونة. قد يكون الأداء الفعلي محدودًا بمواصفات الخلية والوصلات البينية ولوحة الحماية والموصل وحجم الكابل ودرجة الحرارة وتصميم المنتج.

كيف تعمل حزمة بطارية LiPo المتسلسلة

يتم توصيل الخلايا على التوالي عن طريق ربط الطرف الموجب لخلية واحدة بالطرف السالب للخلية التالية. يشكل المحطتان الخارجيتان المتبقيتان مخرج الحزمة.

يمر نفس التيار عبر كل خلية أو مجموعة متوازية في المسار المتسلسل.

كيف يؤثر اتصال السلسلة على الجهد

جهد الحزمة الاسمي هو مجموع الفولتية الاسمية للخلايا المتصلة بالسلسلة:

الجهد الاسمي للحزمة = الجهد الاسمي للخلية × عدد السلسلة

للخلايا القياسية 3.7 فولت:

يتم حساب جهد الشحن الكامل على النحو التالي:

الحد الأقصى لجهد الحزمة = حد شحن الخلية × عدد السلسلة

تنطبق قيمة 4.2 فولت على خلية بوليمر أيون الليثيوم التقليدية المصممة لحد الشحن هذا. قد تتطلب الكيمياء ذات الجهد العالي 4.35 فولت، 4.4 فولت، أو حدًا محددًا آخر لكل خلية.

منتج مصمم حول ولذلك تحتاج بطاريات LiPo ذات الجهد العالي إلى شاحن متوافق ونظام حماية. لا ينبغي أبدًا افتراض حد شحن أعلى لكل خلية من الجهد الاسمي وحده.

كيف يؤثر اتصال السلسلة على السعة

لا يؤدي توصيل خلايا متطابقة بقدرة 1000 مللي أمبير في السلسلة إلى إضافة تصنيفات مللي أمبير الخاصة بها.

على سبيل المثال:

• خلية واحدة 3.7 فولت 1000 مللي أمبير: 3.7 فولت، 1000 مللي أمبير

• خليتين متتاليتين: 7.4 فولت، 1000 مللي أمبير

• ثلاث خلايا متسلسلة: 11.1 فولت، 1000 مللي أمبير

تحتوي العبوة على طاقة أكبر بسبب زيادة جهدها، على الرغم من بقاء قيمة Ah دون تغيير.

كيف يؤثر اتصال السلسلة على التيار

في حزمة 2S1P، يمر نفس التيار عبر كلتا الخليتين. إذا تم تصنيف الخلية لتيار مستمر معين، فإن إضافة خلية مماثلة أخرى في السلسلة لا يؤدي تلقائيًا إلى مضاعفة هذا التصنيف الحالي.

يقتصر تيار الحزمة النهائية على أقل قيمة قابلة للتطبيق بين:

• تيار التفريغ المستمر للخلية

• القدرة على الذروة الحالية للخلية

• PCM أو BMS التصنيف الحالي

• MOSFET وتصميم الشعور الحالي

• سعة شريط النيكل أو علامة التبويب أو شريط التوصيل أو ثنائي الفينيل متعدد الكلور

• حجم السلك

• تصنيف الموصل

• الصمامات أو مكون الحد الحالي

• الظروف الحرارية

قد يسمح جهد الحزمة الأعلى للجهاز بالحصول على نفس الطاقة عند تيار أقل، ولكن ذلك يعتمد على بنية الحمل وتحويل الطاقة.

لماذا تحتاج حزم السلسلة إلى مراقبة مجموعة الخلايا

لا تظل الخلايا المتصلة بالسلسلة متطابقة تمامًا طوال فترة خدمتها. يمكن أن تؤدي الاختلافات الصغيرة في السعة والمقاومة الداخلية والتفريغ الذاتي ودرجة الحرارة والشيخوخة إلى تباعد حالات الشحن الخاصة بها.

أثناء الشحن، قد تصل إحدى مجموعات السلسلة إلى الحد الأقصى للجهد قبل المجموعات الأخرى. أثناء الخروج، قد تصل المجموعة الأضعف إلى الحد الأدنى أولاً.

ولذلك، يجب أن يستجيب نظام الحماية والمراقبة لجهود مجموعة السلاسل الفردية بدلاً من الاعتماد فقط على جهد الحزمة الإجمالي.

على سبيل المثال، لا تثبت قراءة الحزمة الإجمالية البالغة 8.0 فولت أن الحزمة 2S متوازنة. يمكن أن تتكون من:

• 4.0 فولت و 4.0 فولت

• 4.15 فولت و 3.85 فولت

• 4.25 فولت و 3.75 فولت

المثال الأخير له نفس الجهد الإجمالي ولكنه قد يضع بالفعل مجموعة واحدة خارج الحد المسموح به.

كيف تعمل حزمة بطارية LiPo المتوازية

في التوصيل المتوازي، يتم توصيل الأطراف الموجبة معًا والأطراف السالبة معًا.

وبالتالي فإن جميع الخلايا في المجموعة تشترك في نفس الجهد الطرفي.

كيف يؤثر الاتصال المتوازي على الجهد

يبقى الجهد مساوياً لجهد خلية واحدة:

جهد العبوة = جهد الخلية

لخليتين قياسيتين 3.7 فولت متصلتين بالتوازي:

• الجهد الاسمي: 3.7 فولت

• جهد الشحن الكامل النموذجي: 4.2 فولت

• التكوين: 1S2P

إن إضافة المزيد من الخلايا المتوازية لا ينتج عنه 7.4 فولت أو 11.1 فولت. ويستمر في تشكيل مجموعة جهد واحدة.

كيف يؤثر الاتصال المتوازي على السعة

تتم إضافة قدرات الخلايا المتوازية المتطابقة بشكل وثيق:

سعة العبوة = سعة الخلية × العدد الموازي

للخلايا المتطابقة سعة 1000 مللي أمبير في الساعة:

وهذا يجعل البناء المتوازي مفيدًا عندما يحتاج التطبيق إلى وقت تشغيل أطول ولكن يجب أن يحتفظ بمنصة جهد أحادية الخلية.

كيف يؤثر الاتصال المتوازي على القدرة الحالية

من الناحية النظرية، يمكن للخلايا المتماثلة المتصلة عبر مسارات تيار متوازنة أن تتقاسم الحمل. لذلك يمكن لخليتين مناسبتين متوازيتين توفير تيار أكثر من خلية واحدة.

ومع ذلك، لا ينبغي حساب تيار الحزمة الآمنة بضرب تصنيف الخلية دون مزيد من التقييم.

يمكن أن تتأثر المشاركة الحالية بما يلي:

• المقاومة الداخلية للخلية

• اختلاف القدرات

• اختلافات درجات الحرارة

• علامة التبويب ومقاومة التوصيل البيني

• موضع الخلية داخل العبوة

• تناظر توجيه الكابلات

• اختلافات حالة الشحن

• شيخوخة

• مقاومة الموصل

• حدود لوحة الحماية

قد تحمل خلية واحدة جزءًا أكبر من الحمل إذا كانت لديها مقاومة أقل أو مسار تيار أقصر. يمكن للحزمة بعد ذلك تطوير تسخين موضعي حتى عندما يبدو إجمالي التيار ضمن حد نظري بسيط.

يتم شرح معنى معدل التفريغ وعلاقته بالقدرة بشكل أكبر في ماذا يعني التصنيف C لبطارية الليثيوم بوليمر.

هل تحتاج الخلايا المتوازية إلى التوازن؟

تشترك الخلايا المتوازية المتصلة مباشرة في نفس الجهد الطرفي، لذلك يعامل نظام إدارة المباني (BMS) عادةً المجموعة المتوازية الكاملة كعقدة جهد واحدة.

هذا لا يعني أن مطابقة الخلايا غير ضرورية. لا يضمن الجهد الطرفي المتساوي السعة أو المقاومة أو درجة الحرارة أو المساهمة الحالية.

الخلايا المحددة لمجموعة متوازية واحدة يجب أن تكون متوافقة عادةً:

• كيمياء

• حد شحن الجهد

• سعة

• المقاومة الداخلية

• خصائص التفريغ

• تاريخ الإنتاج

• العمر وحالة الدورة

• التصميم المادي

• حالة الشحن في التجمع

يمكن للخلية التالفة أو المتدهورة بشكل كبير أن تضع حملاً إضافيًا على الخلايا المتبقية وتقلل من موثوقية المجموعة بأكملها.

لماذا يجب فحص الجهد قبل التوصيل المتوازي

لا ينبغي أن تكون الخلايا ذات الفولتية المختلفة متصلة ببعضها البعض.

بمجرد توصيلها، يمكن لخلية الجهد العالي التفريغ بسرعة في خلية الجهد المنخفض. قد يكون تيار التعادل الناتج محدودًا بشكل أساسي بمقاومة الخلية والاتصال ويمكن أن يصبح أعلى بكثير من تيار الشحن العادي.

ولهذا السبب، ينبغي تجميع المجموعات المتوازية من خلال عملية تصنيع خاضعة للرقابة باستخدام خلايا مؤهلة ومتطابقة بشكل وثيق. يجب على المستخدمين النهائيين عدم إضافة خلية جديدة إلى حزمة قديمة أو توصيل خليتين كيسيتين فضفاضتين بالتوازي دون تصميم معتمد ومعدات مناسبة.

كيف تعمل حزمة LiPo المتوازية

تجمع الحزمة المتوازية المتسلسلة بين طريقتي الاتصال.

فكر في تصميم 2S2P مصنوع من أربع خلايا متطابقة بقوة 3.7 فولت و1000 مللي أمبير في الساعة:

1. يتم توصيل خليتين بالتوازي لتشكيل المجموعة الأولى 3.7 فولت، 2000 مللي أمبير.

2. تشكل خليتان أخريان مجموعة ثانية بقوة 3.7 فولت و2000 مللي أمبير في الساعة.

3. المجموعتان المتوازيتان متصلتان في سلسلة.

المواصفات النظرية الناتجة هي:

• الجهد الاسمي: 7.4 فولت

• السعة: 2000 مللي أمبير

• الطاقة: 14.8 واط

• التكوين: 2S2P

• مجموع الخلايا: 4

الصيغ هي:

جهد العبوة = الجهد الاسمي للخلية × S

سعة العبوة = سعة الخلية × P

إجمالي عدد الخلايا = S × P

الطاقة الاسمية = جهد الحزمة × سعة الحزمة بالآه

في هذا التصميم، يراقب نظام إدارة المباني (BMS) جهدين لمجموعة متسلسلة. تحتوي كل مجموعة مراقبة على خليتين متوازيتين.

وبالتالي، لا تتم مراقبة حزمة 2S2P باعتبارها حزمة 4S. سيكون اختيار لوحة الحماية وفقًا للعدد الإجمالي للخلايا الفردية بدلاً من عدد السلاسل أمرًا غير صحيح.

مقارنة الجهد والسعة والواط/ساعة

يصبح الفرق بين البناء المتسلسل والمتوازي أكثر وضوحًا عند مقارنة الحزم باستخدام خلايا متطابقة بقدرة 3.7 فولت و1000 مللي أمبير في الساعة.

يحتوي كلا النموذجين 2S1P و1S2P على خليتين ويخزنان ما يقرب من 7.4 وات ساعة. وتختلف تقييمات الجهد والسعة الخاصة بها، لكن طاقتها الاسمية النظرية متشابهة.

لا يزال من غير الممكن استبدال بعضها البعض لأن الجهاز يرى جهد دخل مختلفًا.

لماذا لا تستطيع mAh وحدها مقارنة حزم البطاريات المختلفة

تحتوي حزمة 3.7 فولت 2000 مللي أمبير في الساعة وحزمة 7.4 فولت 1000 مللي أمبير في الساعة على ما يقرب من 7.4 وات في الساعة:

3.7 فولت × 2.0 أمبير = 7.4 واط ساعة

7.4 فولت × 1.0 أمبير = 7.4 واط ساعة

إن النظر إلى mAh فقط سيجعل الحزمة الأولى تبدو وكأنها ذات سعة مضاعفة. ومن حيث الطاقة، فهي متشابهة.

وبالتالي، تكون ساعات الوات أكثر فائدة عند مقارنة العبوات ذات الفولتية المختلفة.

ومع ذلك، فإن يساوي Wh لا يضمن مطابقة وقت تشغيل الجهاز. يعتمد وقت التشغيل الفعلي أيضًا على:

• كفاءة تحويل الجهد

• تيار الجهاز عند الفولتية المدخلة المختلفة

• المقاومة الداخلية للبطارية

• قطع الجهد

• معدل التفريغ

• درجة حرارة

• شيخوخة الخلايا

• انخفاض جهد لوحة الحماية

• القدرة القابلة للاستخدام تحت الحمل الفعلي

يجب في النهاية التحقق من وقت التشغيل في الجهاز النهائي بدلاً من توقعه من mAh وحده.

هل يوفر عدد السلاسل الأعلى المزيد من القوة؟

زيادة الجهد يمكن أن توفر المزيد من الطاقة، ولكن فقط إذا كانت الخلية ونظام الحماية والأسلاك والجهاز قادرة على توفير وقبول التيار المطلوب.

يتم حساب الطاقة الكهربائية على النحو التالي:

الطاقة = الجهد × التيار

توفر الحزمة 7.4 فولت التي توفر 2 أمبير حوالي 14.8 واط. وتحتاج الحزمة 3.7 فولت إلى توفير 4 أمبير تقريبًا لتوفير نفس طاقة الإدخال، قبل احتساب خسائر التحويل.

وهذا هو أحد الأسباب التي تجعل المصمم يختار حزمة الجهد العالي للمحركات أو السخانات أو المضخات أو الروبوتات أو غيرها من المنتجات التي تتطلب الطاقة. يمكن للتيار المنخفض لنفس الطاقة أن يقلل من خسائر الموصل، ولكن عدد السلسلة الأعلى يزيد أيضًا من جهد الشاحن، وتعقيد BMS، ومتطلبات جهد المكونات، واعتبارات العزل.

يجب أن يبدأ الاختيار بنطاق جهد الإدخال الخاص بالجهاز وملف تعريف التحميل بدلاً من افتراض أن المزيد من الخلايا المتسلسلة تكون أفضل تلقائيًا.

متطلبات الحماية لحزمة 1S

تحتوي الحزمة ذات السلسلة الواحدة على مجموعة جهد واحدة فقط، لذلك لا تتطلب الموازنة بين خلايا السلسلة.

قد لا يزال PCM الخاص به بحاجة إلى توفير:

• حماية فاحش

• حماية من الإفراط في التفريغ

• الإفراط في الحماية الحالية

• حماية ماس كهربائى

• التحكم في الشحن والتفريغ

• مراقبة درجة الحرارة

• إخراج إن تي سي

• تحديد البطارية

• قياس الوقود أو الاتصالات

يجب أن يتطابق الشاحن مع كيمياء الخلية والحد الأقصى لجهد الشحن. يقوم PCM بمقاطعة الظروف غير الطبيعية، ولكنه ليس بديلاً للشاحن الذي يتم التحكم فيه بشكل صحيح.

في تصميم 1S2P أو 1S3P، ترى دائرة الحماية المجموعة المتوازية كعقدة جهد واحدة ذات سعة أكبر. ويجب أن يعتمد تصنيفها الحالي على حمولة الحزمة الكاملة، وليس على سعة خلية واحدة.

متطلبات الحماية لحزمة متعددة السلاسل

يتطلب تصميم سلسلة 2S أو 3S أو أعلى دوائر حماية مناسبة لعدد السلسلة المحدد.

قد يحتاج نظام BMS أو PCM متعدد الخلايا إلى إجراء ما يلي:

• مراقبة الجهد الكهربي للسلسلة الفردية

• حزمة المراقبة الحالية

• تهمة الإفراط في الحماية الحالية

• التفريغ الإفراط في الحماية الحالية

• حماية ماس كهربائى

• قطع الزائد

• قطع الإفراط في التفريغ

• موازنة مجموعة الخلايا

• مراقبة درجة الحرارة

• تحكم موسفيت

• تقدير حالة الشحن

• تسجيل خطأ

• التواصل مع الجهاز المضيف

يجب أيضًا أن يتوافق معدل جهد المكونات مع الحد الأقصى لجهد العبوة، بما في ذلك هامش التصميم المناسب.

لماذا لا يكون الجهد الإجمالي للحزمة كافيًا؟

إن مراقبة الجهد الإجمالي فقط لا يمكن أن تحدد بشكل موثوق مجموعة فردية تم شحنها بشكل زائد أو تفريغها الزائد.

لهذا السبب، تحتاج دائرة الحماية 3S عادةً إلى الوصول إلى:

• حزمة سلبية

• الاتصال بعد سلسلة المجموعة 1

• الاتصال بعد سلسلة المجموعة 2

• حزمة إيجابية بعد سلسلة المجموعة 3

وبالتالي فإن مجموعة أدوات المراقبة التقليدية تحتوي على وصلة جهد إضافية واحدة أكثر من عدد السلسلة:

اتصالات استشعار الجهد = S + 1

قد لا تعرض الحزمة التي تحتوي على نظام BMS متكامل هذه الاتصالات خارجيًا، ولكنها تظل مطلوبة داخليًا لمراقبة مجموعة السلاسل الفردية.

ما يفعله موازنة الخلايا

يساعد التوازن على الحد من الاختلافات بين المجموعات المتصلة بالسلسلة.

يقوم نظام التوازن السلبي عادةً بإزالة كمية صغيرة من الطاقة من مجموعة الجهد العالي حتى تتمكن المجموعات السفلية من مواصلة الشحن. يمكن لأنظمة التوازن النشطة الأكثر تقدمًا إعادة توزيع الطاقة بين المجموعات.

لا يمكن تصحيح الموازنة بشكل كامل:

• خلية تالفة

• فقدان شديد للقدرة

• ارتفاع التفريغ الذاتي

• اتصال كهربائي ضعيف

• الاختلافات الرئيسية في المقاومة الداخلية

• الخلايا المتطابقة بشكل غير صحيح

• تخطيط الحزمة غير مناسب

يجب فحص العبوة التي تتسبب بشكل متكرر في حدوث خلل كبير في التوازن بدلاً من الاعتماد على دائرة التوازن لإخفاء المشكلة الأساسية.

متطلبات الحماية للمجموعات الموازية

يخلق البناء الموازي مجموعة مختلفة من أولويات التصميم.

مطابقة الخلايا

يجب اختيار الخلايا من مجموعات الإنتاج والأداء المتوافقة. يمكن أن يؤدي خلط الخلايا ذات السعات أو الكيمياء أو حدود الجهد أو الأعمار أو المقاومة الداخلية إلى تقاسم تيار غير متساوٍ.

تمت مناقشة التأثيرات العملية لاختلاف الخلايا بمزيد من التفصيل في لماذا تصبح حزم بطاريات الليثيوم أيون غير متناسقة.

تصميم المسار الحالي

يجب أن تظل مقاومة التوصيل البيني منخفضة ومتوازنة بشكل معقول. يجب أن يتجنب التخطيط إجبار خلية واحدة أو علامة تبويب على حمل حصة غير متناسبة من التيار.

تشمل عوامل التصميم ما يلي:

• هندسة علامة التبويب

• أبعاد شريط النيكل أو بسبار

• سمك النحاس ثنائي الفينيل متعدد الكلور

• موقف الاتصال

• وضع الرصاص

• جودة اللحام

• تباعد الخلايا

• تبديد الحرارة

• موقع الموصل

احتواء الخطأ

في مجموعة متوازية متصلة بشكل دائم، قد تقوم الخلايا السليمة بتزويد التيار إلى خلية فاشلة أو فرع فاشل.

اعتمادًا على حجم العبوة وتقييم المخاطر، قد يتطلب التصميم ما يلي:

• وصلات منصهرة

• الحد من فرع الحالي

• الفصل الحراري

• أجهزة استشعار درجة الحرارة

• مواد مقاومة للهب

• الحواجز الميكانيكية

• الصهر على مستوى الحزمة

• مساحة تهوية يمكن التحكم فيها

• وظائف إضافية للكشف عن الأخطاء

ويعتمد النهج المطلوب على طاقة العبوة، ونوع الخلية، والتطبيق، والغلاف، ومتطلبات الامتثال، وظروف الفشل المتوقعة.

حماية مجلس التقييم الحالي

يجب أن يدعم نظام إدارة المباني (BMS) إجمالي تيار الحزمة المتوقع، بما في ذلك:

• تيار التشغيل العادي

• الحد الأقصى للتيار المستمر

• طفرة بدء التشغيل

• تيار كشك المحرك

• تدفق سخان

• قمم مرسل الاتصالات

• الشحن الحالي

• عتبات الكشف عن الخطأ

لا ينبغي التعامل مع التيار المُعلن عنه للوحة على أنه تيار الجهاز القابل للاستخدام دون التحقق من خسائر MOSFET وارتفاع درجة الحرارة وظروف التبريد وحجم الموصل وتوقيت القطع.

متطلبات الشاحن للحزم المتسلسلة والمتوازية

يجب أن يتطابق الشاحن مع كيمياء العبوة وعدد السلسلة وحد جهد الشحن وتيار الشحن المسموح به.

للخلايا التقليدية 4.2 فولت:

لا ينبغي شحن حزمة 2S باستخدام شاحن 1S. وبالمثل، قد يكون الشاحن المخصص للخلايا القياسية 4.2 فولت غير مناسب للكيمياء ذات الجهد العالي مع حد شحن مختلف.

تؤثر السعة الموازية على حساب تيار الشحن. إذا تم وضع خليتين متطابقتين على التوازي، فقد تقبل الحزمة المناسبة تيارًا إجماليًا أكبر من خلية واحدة، لكن القيمة الصحيحة تعتمد على:

• حد معدل شحن الخلية

• سعة العبوة

• درجة حرارة

• المشاركة الحالية الموازية

• تصنيف مجلس الحماية

• تصنيف الموصل والأسلاك

• هدف وقت الشحن

• متطلبات دورة الحياة

يؤدي الشاحن وBMS وظائف مختلفة. ينظم الشاحن ملف الشحن، بينما يستجيب نظام الحماية لظروف غير طبيعية محددة. ولا ينبغي استخدام أحدهما كبديل للآخر.

متطلبات مطابقة الخلايا

تبدأ الحزمة المتعددة الخلايا الموثوقة باختيار الخلايا المناسبة.

قد تحتاج الخلايا المستخدمة في نفس التجميع إلى المطابقة من أجل:

• نموذج الخلية

• كيمياء

• القدرة الاسمية

• القدرة المقاسة

• جهد الدائرة المفتوحة

• المقاومة الداخلية

• سمك وأبعاد

• التفريغ الذاتي

• دفعة الإنتاج

• عمر

• تاريخ الدورة

المطابقة مهمة في كل من الهياكل المتسلسلة والمتوازية.

في السلسلة المتسلسلة، قد تصل المجموعة ذات السعة الأقل أو ذات المقاومة الأعلى إلى حد الجهد الخاص بها أولاً وتقيد سعة العبوة القابلة للاستخدام.

في المجموعة الموازية، تؤثر اختلافات المقاومة والاتصال على كيفية تقاسم التيار. قد تعمل إحدى الخلايا بجهد أكبر وتتقدم في العمر بشكل أسرع من الخلايا الأخرى.

يجب على الشركات المصنعة للبطاريات وضع معايير فحص الخلايا المناسبة للمنتج بدلاً من دمج الخلايا لمجرد أنها تحتوي على نفس المواصفات المطبوعة.

هل يمكن توصيل حزم LiPo النهائية على التوالي؟

لا ينبغي توصيل الحزمتين النهائيتين على التوالي ما لم يتم تصميم النظام الكامل والتحقق من صحته لهذا الترتيب.

تشمل المشاكل المحتملة ما يلي:

• حالات شحن مختلفة

• قدرات أو أعمار مختلفة

• دوائر الحماية غير متوافقة

• التأريض غير الصحيح

• عدم توافق الشاحن

• فجوات مراقبة التوازن

• حدود الجهد الموصل

• سلوك قطع BMS غير متوقع

• يتم شحن حزمة واحدة بشكل عكسي من قبل الأخرى

• إجراءات الخدمة أو الاستبدال غير الآمنة

تستخدم بعض الحزم المحمية واجهات تبديل أو اتصالات منخفضة الجانب تجعل الاتصال التسلسلي الخارجي غير مناسب. البطارية الآمنة كمنتج مستقل ليست آمنة تلقائيًا عند دمجها مع حزمة أخرى.

إذا كان التطبيق يتطلب جهدًا أعلى، فإن استخدام مجموعة متعددة السلاسل مصممة خصيصًا لهذا الغرض يكون عادةً أكثر موثوقية من توصيل البطاريات المحمية بشكل مستقل بعد الإنتاج.

هل يمكن توصيل حزم LiPo النهائية بالتوازي؟

لا ينبغي توصيل العبوات الجاهزة على التوازي لمجرد أن ملصقاتها تظهر نفس الجهد الاسمي.

قبل التشغيل المتوازي، يجب أن يتناول التصميم ما يلي:

• فرق الجهد الحزمة

• اختلاف حالة الشحن

• القدرة والعمر

• المقاومة الداخلية

• تفاعل BMS

• عكس التيار

• توزيع الشحن الحالي

• تسلسل الموصل

• إزالة العبوة أثناء تنشيطها

• حماية الفروع

• العزل الخطأ

إذا كانت إحدى العبوات تحتوي على جهد أعلى، فيمكن أن يتدفق تيار معادلة كبير بمجرد اتصال الموصلات.

يمكن تصميم وحدات البطارية المتوازية بأمان، ولكنها تحتاج إلى طريقة اتصال محددة، وبنية حماية متوافقة، وشحن مسبق يتم التحكم فيه عند الحاجة، وسلوك خطأ تم التحقق منه.

كيف يؤثر التكوين على حجم البطارية وتخطيطها

تؤدي إضافة الخلايا إلى زيادة الطاقة ولكنها تؤدي أيضًا إلى تغيير التصميم الميكانيكي.

قد تؤثر التجميعات المتسلسلة والمتوازية على:

• سمك إجمالي

• العرض والطول

• وزن

• مركز الثقل

• مساحة توجيه الكابلات

• نصف قطر الانحناء

• تبديد الحرارة

• بدل توسيع الخلية

• حماية من السقوط

• مقاومة الاهتزاز

• الوصول إلى الخدمة

• تجميع الضميمة

قد تؤدي وضع خليتين كيسيتين جنبًا إلى جنب إلى إنشاء حزمة رفيعة وواسعة. قد يؤدي تكديسها إلى إنشاء بصمة أصغر بسمك أكبر.

قد يتطلب الهيكل المتوازي المتسلسل أيضًا ما يلي:

• عزل إضافي

• المزيد من نقاط اللحام

• نظام إدارة المباني أكبر

• الأسلاك الاستشعار عن الجهد

• أجهزة استشعار درجة الحرارة

• إطار دعم أقوى

• تغليف حزمة أكثر تعقيدًا

• زيادة التباعد حول علامات التبويب ومكونات الحماية

ولذلك ينبغي اختيار التكوين الكهربائي مع حجرة البطارية المتاحة وليس بعد الانتهاء من العلبة.

السلسلة أم التوازي: ما هو التكوين الذي يجب عليك اختياره؟

اختر عدد السلسلة وفقًا للجهد الذي يحتاجه الجهاز.

اختر العد المتوازي وفقًا للطاقة المطلوبة ووقت التشغيل والقدرة الحالية والمساحة والوزن.

قد يكون التصميم الذي يركز على السلسلة مناسبًا عندما:

• يتطلب الجهاز جهد دخل أعلى

• يعمل المحرك أو السخان بكفاءة أكبر عند الجهد العالي

• يستخدم النظام سكة جهد أعلى من نطاق حزمة 1S

• يفضل التيار المنخفض لمستوى طاقة معين

• يشتمل الجهاز بالفعل على شاحن متوافق متعدد الخلايا

• يمكن للمنتج أن يستوعب نظام BMS متعدد السلاسل

قد يكون التصميم المتوازي التركيز مناسبًا عندما:

• يجب أن يحتفظ المنتج بمنصة اسمية 3.7 فولت

• مطلوب وقت تشغيل أطول

• ولا يمكن لخلية واحدة أن توفر سعة كافية

• هناك حاجة إلى مزيد من تيار الإخراج ضمن ظروف التشغيل المعتمدة للخلية

• يمكن أن يستوعب العلبة خلايا متعددة

• يدعم الشاحن ونظام الحماية القدرة الناتجة والتيار

قد يكون التصميم المتوازي المتسلسل مناسبًا عندما:

• يحتاج الجهاز إلى جهد أعلى ووقت تشغيل أطول

• لا يمكن لسلسلة سلسلة واحدة توفير التيار المطلوب

• تتجاوز متطلبات الطاقة قدرة سلسلة واحدة عملية

• يجب توزيع المساحة عبر عدة مواقع للخلايا

• يبرر التطبيق BMS الإضافي وتعقيد التجميع

زيرن تدعم حلول بطاريات الليثيوم بوليمر المخصصة الهياكل أحادية الخلية، ومتعددة السلاسل، والمتوازية، والمتوازية على أساس جهد الجهاز، وقدرته، وحجمه، والتيار، والموصل، ومتطلبات الحماية.

عملية اختيار تكوين البطارية العملية

1. قم بتأكيد نطاق جهد الجهاز

تعريف:

• الحد الأدنى من جهد التشغيل

• جهد التشغيل العادي

• الحد الأقصى لجهد الإدخال الآمن

• متطلبات بدء التشغيل الجهد

• اغلاق الجهد

• نطاق إدخال منظم الجهد

• المحرك أو السخان أو جهد المحرك

• شاحن المدخلات والمخرجات الجهد

يجب أن يظل الحد الأقصى لجهد الحزمة المشحونة بالكامل ضمن النطاق الآمن لكل مكون متصل.

2. حدد ملف تعريف التحميل

سِجِلّ:

• الاستعداد الحالي

• تيار التشغيل النموذجي

• الحد الأقصى للتيار المستمر

• الذروة الحالية

• مدة الذروة

• بدء التشغيل أو المماطلة الحالية

• وقت التشغيل اليومي

• وقت التشغيل المطلوب لكل تهمة

قد لا يكشف متوسط ​​التيار وحده ما إذا كانت الخلايا وBMS والموصل يمكنها دعم الأحداث القصيرة ذات التيار العالي.

3. احسب الطاقة المطلوبة

يمكن حساب التقدير الأول باستخدام:

الطاقة المطلوبة بـ Wh = متوسط ​​الطاقة بـ W × وقت التشغيل بالساعات

يجب أن يأخذ التصميم العملي أيضًا في الاعتبار:

• خسائر تحويل الجهد

• شيخوخة البطارية

• فقدان القدرة على درجات الحرارة المنخفضة

• ارتفاع الجهد تبلد الجهد

• القدرة الاحتياطية

• استهلاك BMS

• استهلاك وضع الاستعداد للجهاز

• عمق التفريغ المسموح به

4. حدد عدد السلاسل

اختر عدد مجموعات السلسلة المطلوبة لتلبية جهد الجهاز.

لا تستخدم الجهد الاسمي وحده. يفحص:

• الحد الأقصى لجهد الشحن

• نطاق التشغيل النموذجي

• BMS قطع الجهد

• عتبة الجهد المنخفض للجهاز

• جهد الشاحن

• تصنيفات الجهد المكون

5. حدد العدد الموازي

حدد مقدار السعة والسلسلة الحالية التي يمكن أن توفرها سلسلة واحدة. أضف الخلايا المتوازية فقط عند الحاجة إلى الطاقة أو وقت التشغيل أو التيار أو التعبئة.

تضيف المزيد من الخلايا المتوازية أيضًا الوزن والحجم والتكلفة ونقاط اللحام وطاقة الأعطال.

6. تصميم نظام الحماية

يُعرِّف:

• كيمياء

• عدد المسلسلات

• سعة العبوة

• الحد الحالي للشحن

• تيار التفريغ المستمر

• الذروة الحالية والمدة

• عتبة الشحن الزائد

• عتبة الإفراط في التفريغ

• الإفراط في عتبة الحالية

• استجابة ماس كهربائى

• حدود درجة الحرارة

• استراتيجية التوازن

• متطلبات الاتصالات

7. تأكد من الشاحن والموصل

يجب أن يتطابق الشاحن مع العبوة الكاملة، بينما يجب أن يدعم الموصل الرئيسي والأسلاك التيار الفعلي.

يجب توثيق سلسلة الموصلات، والقطبية، والدبابيس، ومقياس السلك، وطول الكابل، واتصال التوازن قبل إنتاج العينات.

8. بناء واختبار العينات

يجب إكمال التحقق من الصحة داخل الجهاز الفعلي.

قد تشمل الاختبارات ذات الصلة ما يلي:

• توافق الشحن

• جهد الشحن الكامل

• الجهد الفردي لسلسلة المجموعة

• موازنة الخلايا

• وقت التشغيل

• الحد الأقصى لانخفاض الجهد الحمل

• استجابة الذروة الحالية

• ارتفاع درجة الحرارة

• سلوك قطع BMS

• حماية ماس كهربائى

• تسخين الموصل

• توجيه الكابل

• تناسب الضميمة

• أداء السقوط والاهتزاز

• ركوب الدراجات المتكررة

• التخزين والتفريغ الذاتي

ال يوفر نظام مراقبة جودة بطارية ليثيوم بوليمر معلومات إضافية حول اختبار الخلايا، وفحص التجميع، والتحقق الكهربائي، والتحكم في العبوة النهائية.

أمثلة التكوين العملي

المثال 1: جهاز التتبع المدمج

لنفترض أن جهاز التتبع يعمل من منصة جهد خلية واحدة ويتطلب وقت تشغيل أطول مما يمكن أن توفره خلية واحدة بسعة 1000 مللي أمبير في الساعة.

التكوين المحتمل هو:

• الخلية: 3.7 فولت، 1000 مللي أمبير

• الهيكل: 1S2P

• جهد العبوة: 3.7 فولت اسمي

• سعة العبوة: 2000 مللي أمبير

• الطاقة الاسمية: 7.4 واط ساعة

يحتفظ التصميم بجهد شحن أحادي الخلية ولكنه يتطلب دائرة حماية وموصل مناسب للتيار والسعة المشتركين.

مثال 2: جهاز محمول يتطلب 7.4 فولت

لنفترض أن منتجًا محمولًا يحتاج إلى ما يقرب من 7.4 فولت و2000 مللي أمبير في الساعة.

باستخدام خلايا 3.7 فولت، 2000 مللي أمبير:

• الهيكل: 2S1P

• جهد العبوة: 7.4 فولت اسمي

• سعة العبوة: 2000 مللي أمبير

• الطاقة الاسمية: 14.8 واط ساعة

• جهد الشحن الكامل النموذجي: 8.4 فولت

تتطلب الحزمة نظام حماية 2S وملف شحن ليثيوم أيون بقوة 8.4 فولت.

المثال 3: الروبوت الذي يتطلب جهدًا وقدرة أعلى

لنفترض أن الروبوت يحتاج إلى 11.1 فولت اسميًا و4000 مللي أمبير. باستخدام خلايا 2000 مللي أمبير:

• الهيكل: 3S2P

• مجموع الخلايا: 6

• جهد العبوة: 11.1 فولت اسمي

• سعة العبوة: 4000 مللي أمبير

• الطاقة الاسمية: 44.4 واط ساعة

• جهد الشحن الكامل النموذجي: 12.6 فولت

يجب أن يقوم نظام إدارة المباني (BMS) بمراقبة ثلاث مجموعات متسلسلة مع دعم التيار الطبيعي للروبوت، وتدفق بدء التشغيل، والتيار المحتمل لتوقف المحرك.

الأخطاء الشائعة في تصميم البطاريات المتوازية والسلسلة

المعلومات التي يجب توفيرها لحزمة البطارية المخصصة

يمكن للشركة المصنعة تقييم السلسلة والتكوين المتوازي بشكل أكثر دقة عند توفر المعلومات التالية.

متطلبات الجهاز

• نوع المنتج

• نطاق جهد الإدخال المطلوب

• الحد الأقصى لجهد الإدخال الآمن

• تيار التشغيل النموذجي

• الحد الأقصى للتيار المستمر

• الذروة الحالية والمدة

• وقت التشغيل المطلوب

• طريقة الشحن

• درجة حرارة التشغيل

• مساحة البطارية المتوفرة

• وزن العبوة المستهدفة

متطلبات البطارية

• الكيمياء المفضلة

• الجهد الاسمي للحزمة

• القدرة المطلوبة

• متطلبات الطاقة

• السلسلة المتوقعة والتكوين الموازي

• هدف دورة الحياة

• وقت الشحن

• معدل التفريغ المطلوب

• متطلبات درجات الحرارة المنخفضة أو العالية

• متطلبات الخلايا ذات الجهد العالي

متطلبات الحماية

• PCM أو BMS

• حماية من الشحن الزائد والتفريغ الزائد

• حماية من التيار الزائد وقصر الدائرة

• عدد وموقع أجهزة استشعار درجة الحرارة

• موازنة الخلايا

• مقياس الوقود

• عرض حالة الشحن

• SMBus أو CAN أو بروتوكول اتصال آخر

• المصادقة أو تحديد البطارية

• متطلبات حماية الصمامات أو الفروع

المتطلبات الميكانيكية ومتطلبات الاتصال

• الحد الأقصى للسمك والعرض والطول

• ترتيب الخلايا

• الضميمة أو التغليف

• الشركة المصنعة للموصل ورقم الجزء

• قطبية و pinout

• مقياس الأسلاك

• طول الكابل

• الرصاص التوازن

• NTC أو أسلاك الاتصالات

• تصاعد وتخفيف التوتر

• متطلبات الاهتزاز والإسقاط

ال يجب تحديد حزمة بطارية الليثيوم كنظام كامل بدلاً من قيم الجهد الكهربي والساعة وحدها.

خاتمة

تخدم التوصيلات المتسلسلة والمتوازية أغراضًا مختلفة في حزمة بطارية LiPo.

يؤدي التوصيل المتسلسل إلى رفع جهد الحزمة مع الاحتفاظ بقدرة Ah لمسار سلسلة واحد. يحتفظ الاتصال المتوازي بجهد خلية واحدة مع إضافة سعة وربما زيادة القدرة الحالية. يجمع الهيكل المتوازي المتسلسل بين كلا التأثيرين.

هذه القواعد الكهربائية ليست سوى نقطة البداية. يجب أن تراعي الحزمة النهائية أيضًا الحد الأقصى لجهد الشحن، وساعات الواط، وحمل الجهاز، ومطابقة الخلايا، والمشاركة الحالية، والموازنة، وتيار BMS، ودرجة الحرارة، والأسلاك، والموصلات، وتوافق الشاحن، والحماية الميكانيكية.

بالنسبة للحزم متعددة السلاسل، يجب أن يراقب نظام الحماية الفولتية الفردية لمجموعة السلاسل ويطابق عدد السلاسل الدقيق. بالنسبة للتصميمات المتوازية، تعد الخلايا المتطابقة بشكل وثيق والمسارات الحالية التي يتم التحكم فيها ضرورية. وفي كلتا الحالتين، يجب تأكيد القيم النظرية من خلال اختبار مستوى العبوة ومستوى الجهاز قبل الإنتاج.

الأسئلة المتداولة

هل يؤدي توصيل بطاريات LiPo على التوالي إلى زيادة السعة؟

إنه يزيد من إجمالي الطاقة المخزنة وجهد الحزمة، لكن تصنيف Ah أو mAh يظل مساوياً لسعة مسار سلسلة واحدة. اثنين من الخلايا 3.7 فولت، 1000 مللي أمبير في السلسلة تشكل حزمة 7.4 فولت، 1000 مللي أمبير.

هل توصيل بطاريات LiPo على التوازي يزيد من الجهد؟

لا، الخلايا المتوازية تحتفظ بجهد خلية واحدة بينما تضاف سعاتها. خليتين 3.7 فولت، 1000 مللي أمبير في الساعة متوازيتين تشكلان حزمة 3.7 فولت، 2000 مللي أمبير في الساعة.

ما الفرق بين 2S2P و4S1P؟

تحتوي حزمة 2S2P على مجموعتين متسلسلتين مع خليتين متوازيتين في كل مجموعة. تحتوي حزمة 4S1P على أربع خلايا متسلسلة، لذا فهي توفر ضعف الجهد الاسمي ولكن نصف سعة Ah عند استخدام خلايا متطابقة.

هل تحتاج حزمة 2S2P إلى 2S أو 4S BMS؟

يتطلب عادةً نظام إدارة المباني 2S لأن نظام الحماية يراقب مجموعتين من الجهد المتسلسل. يجب أن يدعم نظام إدارة المباني أيضًا السعة الإجمالية وتيار الشحن وتيار التفريغ ومتطلبات التوازن للمجموعتين المتوازيتين.

هل يمكن توصيل خلايا LiPo ذات السعة المختلفة بالتوازي؟

لا ينبغي عادةً دمجها في حزمة OEM إلا إذا تم تقييم التصميم الكامل بشكل خاص. يمكن أن تؤدي الاختلافات في القدرة أو المقاومة أو العمر أو الحالة إلى تقاسم تيار غير متساوٍ وتدهور متسارع.

هل يمكن توصيل حزمتين من بطاريات LiPo المحمية بالتوازي؟

فقط إذا تم تصميم نظام البطارية لتشغيل الوحدة المتوازية. يجب معالجة اختلافات جهد الحزمة، والتيار العكسي، وتفاعل BMS، وتسلسل الاتصال، وحماية الفرع.

هل إضافة الخلايا المتوازية يضاعف تيار التفريغ؟

قد يزيد التيار المتوفر عند استخدام خلايا متماثلة ومسارات تيار متوازنة، لكن تيار الحزمة النهائية الآمنة لا يزال محدودًا بواسطة نظام إدارة المباني (BMS) وعلامات التبويب والوصلات البينية والأسلاك والموصل ودرجة الحرارة وسلوك مشاركة التيار.

ما هو التكوين الذي يوفر وقت تشغيل أطول: متسلسل أم متوازي؟

لا يمكن تحديد وقت التشغيل من خلال عدد S أو P وحده. قارن إجمالي واط ساعة واختبر الجهاز بالكامل لأن جهد الإدخال وكفاءة التحويل وسلوك الحمل وجهد القطع ودرجة الحرارة ومعدل التفريغ يؤثر أيضًا على وقت التشغيل القابل للاستخدام.