Série vs paralelní LiPo baterie: Požadavky na napětí, kapacitu a ochranu

Sériová a paralelní připojení umožňují výrobcům baterií sestavit sadu podle požadavků na napětí, kapacitu, dobu běhu a napájení zařízení.

Základní pravidla se zdají jednoduchá: sériové připojení zvyšuje napětí, zatímco paralelní připojení zvyšuje kapacitu. V praxi však výběr konfigurace také ovlivňuje nabíjecí napětí, proudovou kapacitu, vyvážení článků, zapojení, ochranné obvody, fyzické uspořádání a poruchové chování.

2S1P lipo baterie a 1S2P lipo baterie mohou obsahovat stejný počet článků a uchovávat přibližně stejnou celkovou energii, ale nejsou vzájemně zaměnitelné. Jeden dodává vyšší napětí, zatímco druhý zachovává jednočlánkové napětí a poskytuje větší kapacitu v ampérhodinách.

Tato příručka vysvětluje, jak sériové, paralelní a sériově paralelní LiPo baterie fungují, jak vypočítat jejich hlavní elektrické specifikace a jaké požadavky na ochranu je třeba zvážit před výběrem struktury baterie.

Klíčové věci

• Články zapojené do série zvyšují napětí baterie, ale nepřidávají své ampérhodinové kapacity.

• Články zapojené paralelně zvyšují kapacitu při zachování napětí jednoho článku.

• Sériově paralelní konfigurace zvyšuje napětí i kapacitu.

• Písmeno S označuje počet sériově zapojených skupin buněk.

• Písmeno P označuje počet paralelně zapojených článků v rámci každé skupiny.

• Balíček 2S2P obsahuje čtyři články uspořádané jako dvě sériové skupiny se dvěma články v každé paralelní skupině.

• Watthodiny poskytují lepší srovnání energie než mAh, když mají baterie různá napětí.

• Sériově zapojené skupiny vyžadují individuální monitorování napětí a mohou vyžadovat vyvážení.

• Články v paralelní skupině musí být před trvalým připojením těsně spárovány a přivedeny na vhodné napětí.

• Ochranná deska musí odpovídat chemii článku, počtu série, nabíjecímu napětí, trvalému proudu, špičkovému proudu a požadovaným funkcím.

• Přidání paralelních článků automaticky nezdvojnásobí bezpečný proud baterie za všech provozních podmínek.

• Sady s různým napětím, kapacitou, stářím nebo stavem nabití by neměly být kombinovány bez technického návrhu.

• Konfigurace baterie, nabíječka, BMS, konektor, kabeláž a napájecí systém zařízení musí být vyhodnoceny společně.

Co znamenají 1S, 2S, 2P a 2S2P?

Konfigurace bateriových sad jsou obvykle popsány pomocí písmen S a P.

• S znamená série.

• P znamená paralelní.

• Číslo před každým písmenem udává, kolik buněk nebo skupin buněk toto spojení používá.

Mezi běžné příklady patří:

Celkový počet buněk lze vypočítat takto:

Celkový počet buněk = počet sérií × paralelní počet

Například:

3S2P = 3 × 2 = 6 buněk

Ve většině specifikací baterií se konfigurací zapsaná pouze jako '2S' rozumí 2S1P, pokud není paralelní počet uveden samostatně. U projektu OEM by však měly být zdokumentovány obě hodnoty, aby se předešlo nejednoznačnosti.

Stručný přehled řady vs paralelní LiPo baterie

Následující srovnání předpokládá identické články se stejným složením, jmenovitým napětím, kapacitou a vybíjecí schopností.

Jedná se spíše o zásady konfigurace než o zaručené hodnocení hotového balení. Skutečný výkon může být omezen specifikací článku, propojením, ochrannou deskou, konektorem, velikostí kabelu, teplotou a designem produktu.

Jak sériová LiPo baterie funguje

Články jsou zapojeny do série spojením kladného pólu jednoho článku se záporným pólem dalšího článku. Dvě zbývající vnější svorky tvoří výstup packu.

Stejný proud prochází každým článkem nebo paralelní skupinou v sériové cestě.

Jak sériové připojení ovlivňuje napětí

Jmenovité napětí sady je součtem jmenovitých napětí sériově zapojených článků:

Jmenovité napětí sady = jmenovité napětí článku × sériový počet

Pro standardní 3,7V články:

Napětí při plném nabití se vypočítá takto:

Maximální napětí sady = limit nabití článků × počet série

Hodnota 4,2 V platí pro konvenční lithium-iontový polymerní článek navržený pro tento limit nabití. Vysokonapěťová chemie může vyžadovat 4,35 V, 4,4 V nebo jiný stanovený limit na článek.

Produkt navržený kolem vysokonapěťové LiPo baterie proto potřebují kompatibilní nabíječku a ochranný systém. Vyšší limit nabití na článek by nikdy neměl být předpokládán pouze z nominálního napětí.

Jak sériové připojení ovlivňuje kapacitu

Zapojení identických 1000 mAh článků do série nepřičte jejich hodnocení v mAh.

Například:

• Jeden článek 3,7 V 1000 mAh: 3,7 V, 1000 mAh

• Dva články v sérii: 7,4 V, 1000 mAh

• Tři články v sérii: 11,1 V, 1000 mAh

Balení obsahuje více energie, protože se zvýšilo jeho napětí, i když hodnota Ah zůstává nezměněna.

Jak sériové připojení ovlivňuje proud

V balení 2S1P prochází oběma články stejný proud. Pokud je článek dimenzován na daný trvalý proud, přidání dalšího identického článku v sérii automaticky nezdvojnásobí jmenovitý proud.

Proud hotové sady je omezen nejnižší použitelnou hodnotou mezi:

• Průběžný vybíjecí proud článku

• Možnost špičkového proudu článku

• Jmenovitý proud PCM nebo BMS

• MOSFET a design se snímáním proudu

• Kapacita niklového pásku, jazýčku, přípojnice nebo desky plošných spojů

• Velikost drátu

• Hodnocení konektoru

• Pojistka nebo součástka omezující proud

• Tepelné podmínky

Vyšší napětí baterie může zařízení umožnit získat stejný výkon při nižším proudu, ale to závisí na zátěži a architektuře přeměny výkonu.

Proč sady Series Pack potřebují monitorování skupiny buněk

Sériově zapojené články nezůstávají po celou dobu životnosti dokonale identické. Malé rozdíly v kapacitě, vnitřním odporu, samovybíjení, teplotě a stárnutí mohou způsobit, že se jejich stavy nabití budou lišit.

Během nabíjení může jedna sériová skupina dosáhnout svého horního limitu napětí dříve než ostatní. Během vybíjení může nejslabší skupina nejprve dosáhnout spodní hranice.

Ochranný a monitorovací systém proto musí reagovat na napětí jednotlivých sériových skupin spíše než se spoléhat pouze na celkové napětí sady.

Například celková hodnota 8,0 V baterie nedokazuje, že 2S baterie je vyvážená. Mohlo by se skládat z:

• 4,0 V a 4,0 V

• 4,15 V a 3,85 V

• 4,25 V a 3,75 V

Poslední příklad má stejné celkové napětí, ale může již jednu skupinu překročit její povolený limit.

Jak funguje paralelní LiPo baterie

V paralelním zapojení jsou kladné svorky spojeny dohromady a záporné svorky jsou spojeny dohromady.

Všechny články ve skupině tedy sdílejí stejné svorkové napětí.

Jak paralelní připojení ovlivňuje napětí

Napětí zůstává stejné jako napětí jednoho článku:

Napětí baterie = napětí článku

Pro dva standardní 3,7V články zapojené paralelně:

• Jmenovité napětí: 3,7V

• Typické napětí při plném nabití: 4,2 V

• Konfigurace: 1S2P

Přidáním dalších paralelních článků nevznikne 7,4 V nebo 11,1 V. Nadále tvoří jednu napěťovou skupinu.

Jak paralelní připojení ovlivňuje kapacitu

Přidávají se kapacity těsně přizpůsobených paralelních článků:

Kapacita balení = kapacita článku × paralelní počet

Pro identické články 1000 mAh:

Díky tomu je paralelní konstrukce užitečná, když aplikace potřebuje delší provozní dobu, ale musí zachovat jednočlánkovou napěťovou platformu.

Jak paralelní připojení ovlivňuje aktuální kapacitu

Teoreticky mohou identické články připojené prostřednictvím vyvážených proudových cest sdílet zátěž. Dva vhodné články paralelně proto mohou poskytovat více proudu než jeden článek.

Bezpečný proud baterie by však neměl být vypočítáván násobením hodnocení článku bez dalšího hodnocení.

Aktuální sdílení může být ovlivněno:

• Vnitřní odpor buňky

• Variace kapacity

• Teplotní rozdíly

• Jazýček a propojovací odpor

• Umístění buňky v balení

• Symetrie vedení kabelů

• Rozdíly ve stavu nabití

• Stárnutí

• Odpor konektoru

• Limity ochranné desky

Jeden článek může nést větší část zátěže, pokud má nižší odpor nebo kratší proudovou cestu. Balení pak může vyvinout lokální ohřev, i když se celkový proud zdá být v jednoduchém teoretickém limitu.

Význam vybíjecí rychlosti a její vztah ke kapacitě je vysvětlen dále v co znamená hodnocení C lithiové polymerové baterie.

Potřebují paralelní buňky vyvažování?

Přímo připojené paralelní články sdílejí stejné svorkové napětí, takže BMS normálně považuje celou paralelní skupinu za jeden napěťový uzel.

To neznamená, že párování buněk je zbytečné. Stejné svorkové napětí nezaručuje stejnou kapacitu, odpor, teplotu nebo proudový příspěvek.

Buňky vybrané pro jednu paralelní skupinu by normálně měly mít kompatibilní:

• Chemie

• Limit nabíjecího napětí

• Kapacita

• Vnitřní odpor

• Charakteristiky výboje

• Historie výroby

• Věk a stav cyklu

• Fyzický design

• Stav nabití při montáži

Poškozený nebo výrazně degradovaný článek může dodatečně zatížit zbývající články a snížit spolehlivost celé skupiny.

Proč je nutné před paralelním připojením zkontrolovat napětí

Články s různým napětím by neměly být jednoduše spojeny dohromady.

Po připojení se může vysokonapěťový článek rychle vybít do nízkonapěťového článku. Výsledný vyrovnávací proud může být omezen hlavně odporem článku a připojení a může být mnohem vyšší než normální nabíjecí proud.

Z tohoto důvodu by paralelní skupiny měly být sestavovány prostřednictvím řízeného výrobního procesu s použitím kvalifikovaných, úzce sladěných článků. Koncoví uživatelé by neměli přidávat nový článek do starého balení nebo spojovat dva volné sáčkové články paralelně bez ověřeného návrhu a vhodného vybavení.

Jak funguje sériově paralelní LiPo Pack

Sériově paralelní sada kombinuje oba způsoby připojení.

Zvažte design 2S2P vyrobený ze čtyř identických 3,7 V, 1000 mAh článků:

1. Dva články jsou zapojeny paralelně a tvoří první skupinu 3,7 V, 2000 mAh.

2. Další dva články tvoří druhou skupinu 3,7 V, 2000 mAh.

3. Dvě paralelní skupiny jsou zapojeny do série.

Výsledná teoretická specifikace je:

• Jmenovité napětí: 7,4V

• Kapacita: 2000 mAh

• Energie: 14,8 Wh

• Konfigurace: 2S2P

• Celkový počet buněk: 4

Vzorce jsou:

Napětí sady = jmenovité napětí článku × S

Kapacita balení = kapacita článku × P

Celkový počet buněk = S × P

Nominální energie = napětí baterie × kapacita baterie v Ah

V tomto provedení BMS monitoruje dvě sériová skupinová napětí. Každá sledovaná skupina obsahuje dvě paralelní buňky.

Sada 2S2P proto není monitorována jako sada 4S. Výběr ochranné desky podle celkového počtu jednotlivých článků namísto počtu sérií by byl nesprávný.

Porovnání napětí, kapacity a watthodin

Rozdíl mezi sériovou a paralelní konstrukcí je jasnější, když jsou sady porovnány s použitím identických článků 3,7 V, 1000 mAh.

Oba příklady 2S1P a 1S2P obsahují dva články a uchovávají přibližně 7,4 Wh. Jejich jmenovité napětí a kapacita se liší, ale jejich teoretická jmenovitá energie je podobná.

Stále je nelze vzájemně nahradit, protože zařízení vidí jiné vstupní napětí.

Proč samotná mAh nemůže porovnávat různé baterie

Sada 3,7 V 2000 mAh a sada 7,4 V 1000 mAh obsahují přibližně 7,4 Wh:

3,7 V × 2,0 Ah = 7,4 Wh

7,4 V × 1,0 Ah = 7,4 Wh

Při pohledu pouze na mAh by první balení vypadalo, že má dvojnásobnou kapacitu. Z energetického hlediska jsou na tom podobně.

Watthodiny jsou proto užitečnější při porovnávání baterií s různým napětím.

Stejné Wh však nezaručuje stejnou dobu běhu zařízení. Skutečná doba provozu také závisí na:

• Účinnost přeměny napětí

• Proud zařízení při různých vstupních napětích

• Vnitřní odpor baterie

• Vypínací napětí

• Rychlost vybíjení

• Teplota

• Stárnutí buněk

• Pokles napětí ochranné desky

• Užitná kapacita při skutečném zatížení

Doba běhu by měla být v konečném důsledku ověřena v hotovém zařízení, nikoli předpovídána pouze z mAh.

Poskytuje vyšší počet sérií větší výkon?

Zvýšení napětí může zpřístupnit více energie, ale pouze v případě, že článek, ochranný systém, kabeláž a zařízení mohou dodávat a přijímat požadovaný proud.

Elektrický výkon se vypočítá takto:

Výkon = napětí × proud

7,4 V akumulátor dodávající 2 A poskytuje přibližně 14,8 W. 3,7 V akumulátor by musel dodávat přibližně 4 A, aby poskytoval stejný vstupní výkon, před započítáním ztrát při přeměně.

To je jeden z důvodů, proč si konstruktér může vybrat sadu s vyšším napětím pro motory, ohřívače, čerpadla, robotiku nebo jiné energeticky náročné produkty. Nižší proud při stejném výkonu může snížit ztráty vodičů, ale vyšší počet sérií také zvyšuje napětí nabíječky, složitost BMS, požadavky na napětí součástí a úvahy o izolaci.

Výběr by měl začít rozsahem vstupního napětí a profilem zatížení zařízení spíše než předpokladem, že více sériových článků je automaticky lepších.

Požadavky na ochranu pro balení 1S

Jednosériová sada má pouze jednu napěťovou skupinu, takže nevyžaduje vyvažování mezi sériovými články.

Jeho PCM může stále potřebovat poskytovat:

• Ochrana proti přebití

• Ochrana proti nadměrnému vybití

• Nadproudová ochrana

• Ochrana proti zkratu

• Ovládání nabíjení a vybíjení

• Monitorování teploty

• NTC výstup

• Identifikace baterie

• Měření paliva nebo komunikace

Nabíječka musí odpovídat složení článku a maximálnímu nabíjecímu napětí. PCM přerušuje abnormální podmínky, ale není náhradou za řádně řízenou nabíječku.

V provedení 1S2P nebo 1S3P vidí ochranný obvod paralelní skupinu jako jeden napěťový uzel s větší kapacitou. Jeho proudové hodnocení musí být založeno na celkovém zatížení sady, nikoli na kapacitě jednoho článku.

Požadavky na ochranu pro sadu Multi-Series Pack

Konstrukce 2S, 3S nebo vyšší série vyžaduje ochranné obvody vhodné pro tento přesný počet sérií.

Vícebuněčný BMS nebo PCM může potřebovat provést:

• Individuální sériově-skupinové monitorování napětí

• Monitorování proudu balení

• Nadproudová ochrana nabíjení

• Vybíjecí nadproudová ochrana

• Ochrana proti zkratu

• Odpojení přetížení

• Přerušení nadměrného vybíjení

• Vyvažování buněčné skupiny

• Monitorování teploty

• ovládání MOSFET

• Odhad stavu nabití

• Záznam poruch

• Komunikace s hostitelským zařízením

Jmenovité napětí komponent musí také odpovídat maximálnímu napětí sady, včetně příslušné konstrukční rezervy.

Proč celkové napětí baterie nestačí

Sledováním pouze celkového napětí nelze spolehlivě identifikovat jednotlivou skupinu, která je přebitá nebo přebitá.

Z tohoto důvodu ochranný obvod 3S normálně potřebuje přístup k:

• Balíček negativní

• Připojení po sérii skupiny 1

• Připojení po sérii skupiny 2

• Pozitivní balení po sérii skupiny 3

Konvenční monitorovací kabelový svazek má tedy o jedno napěťové připojení více, než je počet v sérii:

Napětí-snímací spojení = S + 1

Sada s integrovaným BMS nemusí tyto spoje odhalit externě, ale jsou stále vyžadována interně pro monitorování jednotlivých sériových skupin.

Co dělá vyrovnávání buněk

Vyvážení pomáhá omezit rozdíly mezi sériově zapojenými skupinami.

Pasivní vyvažovací systém typicky odebírá malé množství energie ze skupiny s vyšším napětím, takže nižší skupiny mohou pokračovat v nabíjení. Pokročilejší aktivní vyrovnávací systémy mohou přerozdělovat energii mezi skupiny.

Vyvážení nelze zcela opravit:

• Poškozená buňka

• Vážná ztráta kapacity

• Vysoké samovybíjení

• Špatné elektrické připojení

• Hlavní rozdíly vnitřního odporu

• Nesprávně spárované buňky

• Nevhodné rozložení balení

Smečku, která opakovaně vytváří velkou nerovnováhu, by měla být zkontrolována, spíše než spoléhat na vyvažovací obvod, aby skryl základní problém.

Požadavky na ochranu pro paralelní skupiny

Paralelní konstrukce vytváří jinou sadu priorit návrhu.

Přiřazování buněk

Buňky by měly být vybrány z kompatibilních výrobních a výkonnostních skupin. Míchání článků různé kapacity, chemie, limitů napětí, stáří nebo vnitřního odporu může způsobit nerovnoměrné sdílení proudu.

Praktické účinky buněčných variací jsou podrobněji diskutovány v proč se lithium-iontové baterie stávají nekonzistentní.

Návrh cesty proudu

Propojovací odpor by měl být udržován nízký a přiměřeně vyvážený. Rozvržení by nemělo nutit jednu buňku nebo kartu nést nepřiměřený podíl proudu.

Mezi konstrukční faktory patří:

• Geometrie tabulátoru

• Rozměry niklového pásku nebo přípojnice

• Tloušťka PCB mědi

• Poloha připojení

• Umístění olova

• Kvalita svaru

• Rozteč buněk

• Odvod tepla

• Umístění konektoru

Zadržování poruch

V trvale připojené paralelní skupině mohou zdravé buňky dodávat proud do poškozené buňky nebo poškozené větve.

V závislosti na velikosti balení a posouzení rizik může návrh vyžadovat:

• Tavná propojení

• Omezení větveného proudu

• Tepelné oddělení

• Teplotní senzory

• Materiály odolné proti ohni

• Mechanické zábrany

• Fixace na úrovni balení

• Řízený větrací prostor

• Další funkce detekce závad

Požadovaný přístup závisí na energii bloku, typu článku, aplikaci, krytu, požadavcích na shodu a předvídatelných poruchových podmínkách.

Jmenovitý proud ochranné desky

BMS musí podporovat celkový očekávaný proud balení, včetně:

• Normální provozní proud

• Maximální trvalý proud

• Startovací nápor

• Proud zastavení motoru

• Náběh ohřívače

• Špičky komunikace-vysílač

• Nabíjecí proud

• Prahové hodnoty detekce poruch

Inzerovaný proud desky by neměl být považován za použitelný proud zařízení bez kontroly ztrát MOSFET, nárůstu teploty, podmínek chlazení, velikosti vodiče a časování přerušení.

Požadavky na nabíječku pro sériové a paralelní sady

Nabíječka musí odpovídat složení balení, počtu sérií, limitu nabíjecího napětí a povolenému nabíjecímu proudu.

Pro běžné 4,2V články:

Balíček 2S by se neměl nabíjet pomocí nabíječky 1S. Stejně tak nabíječka určená pro standardní články 4,2 V může být nevhodná pro vysokonapěťovou chemii s jiným limitem nabití.

Paralelní kapacita ovlivňuje výpočet nabíjecího proudu. Pokud jsou dva identické články umístěny paralelně, vhodná sada může přijmout více celkového proudu než jeden článek, ale správná hodnota závisí na:

• Limit rychlosti nabíjení buněk

• Kapacita balení

• Teplota

• Paralelní sdílení proudu

• Hodnocení ochranné desky

• Typ konektoru a vodiče

• Cílová doba nabíjení

• Požadavky na životnost cyklu

Nabíječka a BMS plní různé funkce. Nabíječka reguluje nabíjecí profil, zatímco ochranný systém reaguje na definované abnormální podmínky. Jeden by neměl být používán jako náhrada za druhý.

Požadavky na shodu buněk

Spolehlivé vícečlánkové balení začíná vhodným výběrem buněk.

Buňky použité ve stejné sestavě mohou vyžadovat spárování pro:

• Buněčný model

• Chemie

• Nominální kapacita

• Naměřená kapacita

• Napětí naprázdno

• Vnitřní odpor

• Tloušťka a rozměry

• Samovybíjení

• Výrobní dávka

• Stáří

• Historie cyklu

Párování je důležité v sériových i paralelních strukturách.

V sériovém řetězci může skupina s nejnižší kapacitou nebo nejvyšším odporem nejprve dosáhnout svého napěťového limitu a omezit použitelnou kapacitu sady.

V paralelní skupině ovlivňují rozdíly v odporu a připojení způsob sdílení proudu. Jedna buňka může pracovat tvrději a stárnout rychleji než ostatní.

Výrobci baterií by měli stanovit kritéria pro screening článků vhodná pro daný produkt, spíše než články kombinovat jednoduše proto, že mají stejnou tištěnou specifikaci.

Lze hotové LiPo sady zapojit do série?

Dvě hotové sady by neměly být zapojeny do série, pokud celý systém nebyl navržen a ověřen pro toto uspořádání.

Mezi potenciální problémy patří:

• Různé stavy nabití

• Různé kapacity nebo věk

• Nekompatibilní ochranné obvody

• Nesprávné uzemnění

• Nekompatibilita nabíječky

• Mezery pro sledování rovnováhy

• Meze napětí konektoru

• Neočekávané chování při přerušení BMS

• Jeden balíček je přeúčtován druhým

• Nebezpečný servis nebo postupy výměny

Některé chráněné sady používají přepínání na spodní straně nebo komunikační rozhraní, která činí externí sériové připojení nevhodným. Baterie, která je bezpečná jako samostatný produkt, není automaticky bezpečná v kombinaci s jinou sadou.

Pokud aplikace vyžaduje vyšší napětí, je použití účelově navržené vícesériové sestavy obvykle spolehlivější než připojování nezávisle chráněných baterií po výrobě.

Mohou být hotové LiPo sady připojeny paralelně?

Hotové sady by neměly být zapojeny paralelně jen proto, že jejich štítky ukazují stejné jmenovité napětí.

Před paralelním provozem musí návrh řešit:

• Rozdíl napětí baterie

• Rozdíl stavu nabití

• Kapacita a věk

• Vnitřní odpor

• Interakce BMS

• Zpětný proud

• Rozvod nabíjecího proudu

• Sekvence konektorů

• Vyjmutí obalu pod napětím

• Ochrana větve

• Izolace poruch

Pokud má jedna sada vyšší napětí, může protékat velký vyrovnávací proud, jakmile se konektory dotknou.

Paralelní bateriové moduly lze zkonstruovat bezpečně, ale potřebují definovanou metodu připojení, kompatibilní architekturu ochrany, řízené předběžné nabíjení v případě potřeby a ověřené chybové chování.

Jak konfigurace ovlivňuje velikost a rozložení baterie

Přidání článků zvyšuje energii, ale také mění mechanickou konstrukci.

Sériové a paralelní sestavy mohou ovlivnit:

• Celková tloušťka

• Šířka a délka

• Hmotnost

• Těžiště

• Prostor pro vedení kabelů

• Poloměr ohybu

• Odvod tepla

• Příspěvek na expanzi buněk

• Ochrana proti pádu

• Odolnost proti vibracím

• Servisní přístup

• Montáž krytu

Dvě vakové buňky umístěné vedle sebe mohou vytvořit široký, tenký balíček. Jejich stohování může vytvořit menší půdorys s větší tloušťkou.

Sériově paralelní struktura může také vyžadovat:

• Dodatečná izolace

• Více svarových bodů

• Větší BMS

• Elektroinstalace pro snímání napětí

• Teplotní senzory

• Pevnější nosný rám

• Složitější balení balení

• Zvětšený prostor kolem jazýčků a ochranných součástí

Elektrická konfigurace by proto měla být vybrána společně s dostupným bateriovým prostorem spíše než po dokončení krytu.

Série vs paralelní: Jakou konfiguraci byste si měli vybrat?

Zvolte počet sérií podle napětí požadovaného zařízením.

Zvolte paralelní počet podle požadované energie, doby chodu, aktuální kapacity, prostoru a hmotnosti.

Design zaměřený na sérii může být vhodný, když:

• Zařízení vyžaduje vyšší vstupní napětí

• Motor nebo ohřívač pracuje efektivněji při vyšším napětí

• Systém používá napěťovou lištu nad rozsahem 1S balení

• Pro danou úroveň výkonu je preferován nižší proud

• Zařízení již obsahuje kompatibilní nabíječku pro více článků

• Produkt může pojmout víceřadý BMS

Paralelně zaměřený design může být vhodný, když:

• Výrobek si musí zachovat jmenovitou platformu 3,7 V

• Je vyžadována delší doba běhu

• Jedna buňka nemůže poskytnout dostatečnou kapacitu

• V rámci ověřených provozních podmínek článku je potřeba větší výstupní proud

• Skříň pojme více buněk

• Nabíječka a ochranný systém podporují výslednou kapacitu a proud

Sériově paralelní design může být vhodný, když:

• Zařízení potřebuje vyšší napětí a delší dobu chodu

• Jeden sériový řetězec nemůže poskytnout požadovaný proud

• Potřeba energie převyšuje kapacitu praktické jediné struny

• Prostor musí být rozdělen mezi několik pozic buněk

• Aplikace ospravedlňuje další BMS a složitost montáže

ZERNE's zakázková řešení Li-polymerových baterií podporují jednočlánkové, vícesériové, paralelní a sériově paralelní struktury založené na napětí, kapacitě, velikosti, proudu, konektoru a požadavcích na ochranu zařízení.

Praktický proces výběru konfigurace baterie

1. Potvrďte rozsah napětí zařízení

Identifikovat:

• Minimální provozní napětí

• Normální provozní napětí

• Maximální bezpečné vstupní napětí

• Požadavek na spouštěcí napětí

• Vypínací napětí

• Vstupní rozsah regulátoru napětí

• Napětí motoru, topení nebo pohonu

• Vstupní a výstupní napětí nabíječky

Maximální plně nabité napětí baterie musí zůstat v bezpečném rozsahu každého připojeného komponentu.

2. Definujte profil zatížení

Záznam:

• Pohotovostní proud

• Typický provozní proud

• Maximální trvalý proud

• Špičkový proud

• Trvání špičky

• Spouštěcí nebo blokovací proud

• Denní provozní doba

• Požadovaná doba běhu na jedno nabití

Samotný průměrný proud nemusí odhalit, zda články, BMS a konektor mohou podporovat krátké vysokoproudé události.

3. Vypočítejte požadovanou energii

První odhad lze vypočítat pomocí:

Potřebná energie ve Wh = Průměrný výkon ve W × Provozní doba v hodinách

Praktický design by měl také zohledňovat:

• Ztráty při přeměně napětí

• Stárnutí baterie

• Nízkoteplotní ztráta kapacity

• Pokles napětí při vysokém zatížení

• Rezervní kapacita

• Spotřeba BMS

• Spotřeba zařízení v pohotovostním režimu

• Povolená hloubka výtlaku

4. Vyberte Počet sérií

Vyberte počet sériových skupin požadovaných pro splnění napětí zařízení.

Nepoužívejte pouze jmenovité napětí. Kontrola:

• Maximální nabíjecí napětí

• Typický provozní rozsah

• Vypínací napětí BMS

• Prahová hodnota podpětí zařízení

• Napětí nabíječky

• Jmenovité napětí součástí

5. Vyberte Parallel Count

Určete, jakou kapacitu a proud může poskytnout jeden sériový řetězec. Paralelní články přidávejte pouze v případě potřeby energie, doby provozu, proudu nebo balení.

Více paralelních článků také zvyšuje hmotnost, objem, náklady, svarové body a energii poruchy.

6. Navrhněte systém ochrany

Definovat:

• Chemie

• Počet sérií

• Kapacita balení

• Limit nabíjecího proudu

• Trvalý vybíjecí proud

• Špičkový proud a trvání

• Práh přetížení

• Práh nadměrného vybití

• Nadproudový práh

• Odezva na zkrat

• Teplotní limity

• Strategie vyvažování

• Požadavky na komunikaci

7. Potvrďte nabíječku a konektor

Nabíječka musí odpovídat kompletnímu balení, zatímco hlavní konektor a vodiče musí podporovat skutečný proud.

Před výrobou vzorků by měly být zdokumentovány série konektorů, polarita, pinout, průřez vodiče, délka kabelu a připojení vyvážení.

8. Sestavte a otestujte vzorky

Ověření by mělo být dokončeno uvnitř skutečného zařízení.

Příslušné testy mohou zahrnovat:

• Kompatibilita nabíjení

• Napětí při plném nabití

• Jednotlivé série-skupinové napětí

• Vyvažování buněk

• Doba běhu

• Maximální pokles napětí při zatížení

• Odezva na špičkový proud

• Nárůst teploty

• BMS cut-off chování

• Ochrana proti zkratu

• Vyhřívání konektoru

• Vedení kabelů

• Přizpůsobení krytu

• Výkon při pádech a vibracích

• Opakovaná jízda na kole

• Skladování a samovybíjení

The Systém kontroly kvality Li-polymerových baterií poskytuje další informace o testování článků, kontrole montáže, elektrickém ověření a kontrole hotového balení.

Příklady funkční konfigurace

Příklad 1: Kompaktní sledovací zařízení

Předpokládejme, že sledovač pracuje z jednočlánkové napěťové platformy a vyžaduje delší dobu běhu, než může poskytnout jeden článek s kapacitou 1 000 mAh.

Možná konfigurace je:

• Článek: 3,7 V, 1000 mAh

• Struktura: 1S2P

• Napětí balení: 3,7 V jmenovité

• Kapacita balení: 2000 mAh

• Nominální energie: 7,4 Wh

Konstrukce zachovává jednočlánkové nabíjecí napětí, ale vyžaduje ochranný obvod a konektor vhodný pro kombinovaný proud a kapacitu.

Příklad 2: Přenosné zařízení vyžadující 7,4 V

Předpokládejme, že kapesní produkt potřebuje přibližně 7,4 V a 2000 mAh.

Použití 3,7 V, 2000 mAh článků:

• Struktura: 2S1P

• Napětí balení: 7,4 V jmenovité

• Kapacita balení: 2000 mAh

• Nominální energie: 14,8 Wh

• Typické napětí při plném nabití: 8,4 V

Sada vyžaduje ochranný systém 2S a 8,4 V lithium-iontový nabíjecí profil.

Příklad 3: Robot vyžadující vyšší napětí a kapacitu

Předpokládejme, že robot potřebuje jmenovité napětí 11,1 V a 4000 mAh. Použití 2000 mAh článků:

• Struktura: 3S2P

• Celkový počet buněk: 6

• Napětí balení: 11,1 V jmenovité

• Kapacita balení: 4000 mAh

• Nominální energie: 44,4 Wh

• Typické napětí při plném nabití: 12,6 V

BMS musí monitorovat tři sériové skupiny a zároveň podporovat normální proud robota, spouštěcí rázy a možný proud při zastavení motoru.

Společné chyby v designu sériových a paralelních baterií

Informace, které je třeba poskytnout pro vlastní baterii

Výrobce může sériovou a paralelní konfiguraci vyhodnotit přesněji, když jsou k dispozici následující informace.

Požadavky na zařízení

• Typ produktu

• Požadovaný rozsah vstupního napětí

• Maximální bezpečné vstupní napětí

• Typický provozní proud

• Maximální trvalý proud

• Špičkový proud a trvání

• Požadovaná doba běhu

• Způsob nabíjení

• Provozní teplota

• Dostupné místo na baterii

• Cílová hmotnost balení

Požadavky na baterii

• Preferovaná chemie

• Jmenovité napětí sady

• Požadovaná kapacita

• Potřeba energie

• Očekávaná sériová a paralelní konfigurace

• Cíl cyklu životnosti

• Doba nabíjení

• Požadovaná rychlost vybíjení

• Požadavky na nízké nebo vysoké teploty

• Požadavek na vysokonapěťový článek

Požadavky na ochranu

• PCM nebo BMS

• Ochrana proti přebití a nadměrnému vybití

• Ochrana proti nadproudu a zkratu

• Počet a umístění teplotních čidel

• Vyvažování buněk

• Palivoměr

• Zobrazení stavu nabití

• SMBus, CAN nebo jiný komunikační protokol

• Autentizace nebo identifikace baterie

• Požadavek na pojistku nebo ochranu větve

Mechanické a spojovací požadavky

• Maximální tloušťka, šířka a délka

• Uspořádání buněk

• Obal nebo obal

• Výrobce konektoru a číslo dílu

• Polarita a pinout

• Měřidlo drátu

• Délka kabelu

• Vyvážení vedení

• NTC nebo komunikační dráty

• Montáž a odlehčení tahu

• Požadavky na vibrace a pád

The lithiová baterie by měla být specifikována jako kompletní systém spíše než jako samotné hodnoty napětí a mAh.

Závěr

Sériové a paralelní připojení slouží u LiPo akumulátoru k různým účelům.

Sériové zapojení zvyšuje napětí baterie při zachování kapacity Ah jedné sériové cesty. Paralelní připojení zachovává napětí jednoho článku a zároveň zvyšuje kapacitu a potenciálně zvyšuje proudovou kapacitu. Sériově paralelní struktura kombinuje oba efekty.

Tato elektrická pravidla jsou pouze výchozím bodem. Hotové balení musí také zohledňovat maximální nabíjecí napětí, watthodiny, zatížení zařízení, přizpůsobení článků, sdílení proudu, vyvážení, proud BMS, teplotu, kabeláž, konektory, kompatibilitu nabíječky a mechanickou ochranu.

U vícesériových sad musí ochranný systém monitorovat napětí jednotlivých sériových skupin a přesně odpovídat počtu sérií. Pro paralelní konstrukce jsou nezbytné těsně přizpůsobené články a řízené proudové cesty. V obou případech by měly být teoretické hodnoty potvrzeny testováním na úrovni balení a na úrovni zařízení před výrobou.

Často kladené otázky

Zvyšuje zapojení LiPo baterií do série kapacitu?

Zvyšuje celkovou uloženou energii a napětí baterie, ale jmenovité hodnoty Ah nebo mAh zůstávají stejné jako kapacita jedné sériové cesty. Dva články 3,7 V, 1000 mAh v sérii tvoří sadu 7,4 V, 1000 mAh.

Zvyšuje paralelní připojení LiPo baterií napětí?

Ne. Paralelní články si udrží napětí jednoho článku, zatímco se jejich kapacity sčítají. Dva články 3,7 V, 1000 mAh paralelně tvoří sadu 3,7 V, 2000 mAh.

Jaký je rozdíl mezi 2S2P a 4S1P?

Sada 2S2P má dvě sériové skupiny se dvěma paralelními články v každé skupině. Sada 4S1P má čtyři články v sérii, takže při použití stejných článků poskytuje dvojnásobné jmenovité napětí, ale poloviční kapacitu Ah.

Potřebuje balíček 2S2P BMS 2S nebo 4S?

Normálně vyžaduje 2S BMS, protože ochranný systém monitoruje dvě skupiny sériového napětí. BMS musí také podporovat požadavky na celkovou kapacitu, nabíjecí proud, vybíjecí proud a vyvážení dvou paralelních skupin.

Mohou být LiPo články s různou kapacitou zapojeny paralelně?

Za normálních okolností by neměly být kombinovány v OEM balení, pokud nebyl speciálně vyhodnocen kompletní návrh. Rozdíly v kapacitě, odporu, stáří nebo stavu mohou způsobit nerovnoměrné sdílení proudu a zrychlenou degradaci.

Mohou být dvě chráněné LiPo baterie zapojeny paralelně?

Pouze pokud byl bateriový systém navržen pro paralelní provoz modulu. Musí být vyřešeny rozdíly v napětí sady, zpětný proud, interakce BMS, sekvence připojení a ochrana větví.

Zdvojnásobí přidání paralelních článků vybíjecí proud?

Může zvýšit dostupný proud, když se použijí identické články a symetrické proudové cesty, ale bezpečný proud v hotovém balení je stále omezen BMS, ploškami, propojeními, kabeláží, konektorem, teplotou a chováním při sdílení proudu.

Která konfigurace poskytuje delší dobu běhu: sériová nebo paralelní?

Doba běhu nemůže být určena pouze z počtu S nebo P. Porovnejte celkové watthodiny a otestujte celé zařízení, protože vstupní napětí, účinnost konverze, chování zátěže, vypínací napětí, teplota a rychlost vybíjení také ovlivňují použitelnou dobu provozu.