Série vs. paralelní baterie: Která konfigurace se hodí pro zařízení OEM?

Způsob připojení lithium-iontových článků určuje základní elektrické chování baterie.

• Sériová připojení zvyšují napětí.

• Paralelní připojení zvyšují kapacitu a proudovou kapacitu.

• Sériově paralelní konfigurace současně zvyšují napětí a kapacitu.

U zařízení OEM musí správná konfigurace baterie odpovídat:

• Rozsah napětí zařízení

• Požadovaná kapacita

• Trvalý a špičkový proud

• Cíl za běhu

• Design nabíječky

• Požadavky na BMS nebo PCM

• Dostupný instalační prostor

• Hmotnostní a teplotní limity

• Požadavky na výrobu a testování

Volba mezi sériovým a paralelním není tedy pouze elektrickým výpočtem. Je to rozhodnutí o návrhu na úrovni systému.

Rychlá odpověď: Série vs. paralelní baterie

Například při použití 3,7 V, 2500 mAh článků:

• 2S1P = 7,4 V, 2500 mAh

• 1S2P = 3,7 V, 5000 mAh

• 2S2P = 7,4 V, 5000 mAh

Správná konfigurace závisí na cílovém napětí, kapacitě, proudu a mechanickém provedení.

1. Co znamená 'S' a 'P'?

Konfigurace baterie se běžně zapisuje pomocí písmen S a P.

Řada S znamená

Číslo před S označuje počet buněk nebo skupin buněk zapojených do série.

Příklady:

• 1S: jedna buněčná skupina v sérii

• 2S: dvě buněčné skupiny v sérii

• 3S: tři buněčné skupiny v sérii

• 4S: čtyři buněčné skupiny v sérii

Sériová připojení zvyšují napětí.

P znamená paralelní

Číslo před P udává počet článků zapojených paralelně v rámci každé skupiny série.

Příklady:

• 1P: jedna buňka v každé paralelní skupině

• 2P: dvě buňky paralelně

• 3P: tři buňky paralelně

• 4P: čtyři články paralelně

Paralelní připojení zvyšují kapacitu a proudovou kapacitu.

Celkový počet buněk

Celkový počet buněk je:

Celkový počet buněk = S × P

Například:

• 2S1P = 2 buňky

• 1S2P = 2 buňky

• 2S2P = 4 buňky

• 3S2P = 6 buněk

2. Jak řadové baterie fungují

Články zapojené do série jsou spojeny konce k sobě. Kladný pól jednoho článku se připojuje k zápornému pólu dalšího článku.

Pro odpovídající buňky v sérii:

Napětí sady = napětí článku × počet článků v sérii

Ampérhodinová kapacita zůstává přibližně stejná jako kapacita jednoho článku nebo jedné paralelní skupiny.

Příklad: 2S1P Pack

Předpokládejme, že každá buňka má:

• Jmenovité napětí: 3,7V

• Kapacita: 2500 mAh

Balíček 2S1P poskytuje:

• Napětí: 3,7 V × 2 = 7,4 V

• Kapacita: 2500 mAh

• Energie: 7,4 V × 2,5 Ah = 18,5 Wh

Výsledkem je:

7,4 V, 2500 mAh, 18,5 Wh

Příklad: 3S1P Pack

Použití stejných buněk:

• Napětí: 3,7 V × 3 = 11,1 V

• Kapacita: 2500 mAh

• Energie: 11,1 V × 2,5 Ah = 27,75 Wh

Výsledkem je:

11,1 V, 2500 mAh, 27,75 Wh

Sériová konfigurace je vhodná, když zařízení nebo napájecí systém vyžaduje vyšší jmenovité napětí.

3. Jak fungují paralelní baterie

Články zapojené paralelně mají kladné póly spojené dohromady a záporné póly propojené dohromady.

Pro spárované buňky paralelně:

Kapacita balení = Kapacita článku × Počet paralelně připojených článků

Napětí zůstává přibližně stejné jako napětí jednoho článku nebo jedné sériové skupiny.

Příklad: 1S2P Pack

Předpokládejme, že každá buňka má:

• Jmenovité napětí: 3,7V

• Kapacita: 2500 mAh

Balíček 1S2P poskytuje:

• Napětí: 3,7V

• Kapacita: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh

• Energie: 3,7 V × 5 Ah = 18,5 Wh

Výsledkem je:

3,7 V, 5000 mAh, 18,5 Wh

Paralelní konfigurace je vhodná, když zařízení pracuje při stejném napětí jako jeden článek nebo sériová skupina, ale potřebuje větší kapacitu, delší dobu provozu nebo vyšší proudovou kapacitu.

4. Série vs. Paralelní: Jaké změny?

Podrobné vzorce kapacity jsou obsaženy v Jak vypočítat kapacitu lithium-iontové baterie.

5. Co je sériově paralelní baterie?

Většina vlastních baterií OEM používá kombinaci sériového a paralelního připojení.

Sériově paralelní balení používá:

• Sériová připojení pro dosažení požadovaného napětí;

• Paralelní připojení pro dosažení požadované kapacity a proudové kapacity.

Příklad: 2S2P Pack

Použití čtyř článků 3,7 V, 2500 mAh:

• Počet sérií: 2

• Paralelní počet: 2

• Celkový počet buněk: 4

• Jmenovité napětí: 7,4V

• Kapacita: 5000 mAh

• Energie: 37 Wh

Výpočet:

3,7 V × 2 = 7,4 V

2500 mAh × 2 = 5000 mAh

7,4 V × 5 Ah = 37 Wh

Výsledkem je:

7,4 V, 5000 mAh, 37 Wh

Konfigurace 2S2P může být vhodná pro zařízení OEM, které potřebuje platformu 7,4 V a více energie, než může poskytnout sada 2S1P.

6. Praktické srovnání s použitím stejných dvou buněk

Pomocí dvou stejných článků 3,7 V, 2500 mAh lze články propojit různými způsoby.

Obě konfigurace obsahují přibližně stejnou nominální energii, protože používají stejné dva články. Nejsou však zaměnitelné.

Zařízení musí být navrženo pro správné:

• Vstupní napětí;

• Nabíjecí napětí;

• Proud;

• BMS;

• Konektor;

• Mechanické uspořádání.

To je důležitý bod pro OEM design: dvě baterie mohou mít podobné watthodiny, ale stále nejsou vhodné pro stejný produkt.

7. Kdy by mělo OEM zařízení používat sériovou konfiguraci?

Sériová konfigurace je obecně zvažována, když zařízení vyžaduje vyšší napětí, než může poskytnout jeden článek.

Mezi typické důvody patří:

• Motor nebo napájecí systém vyžaduje vyšší napětí;

• Vyšší napětí může snížit proud pro danou úroveň výkonu;

• Zařízení již využívá elektrickou architekturu 2S, 3S nebo 4S;

• Pro měnič nebo regulátor motoru je potřeba vyšší napěťový vstup;

• Dostupné systémové komponenty jsou navrženy pro definovanou napěťovou platformu.

Pro zátěž s konstantním výkonem:

Proud = Výkon ÷ Napětí

Při stejném výkonu může vyšší napětí baterie snížit proud odebíraný z baterie. To může ovlivnit dimenzování vodičů, výběr konektoru a návrh řízení napájení.

Vyšší napětí však automaticky neznamená lepší výkon. Elektronika zařízení, nabíječka, izolace, BMS a ovladač motoru musí podporovat zvolené napětí.

Praktické srovnání úrovně napětí viz Baterie 7,4 V vs. 11,1 V vs. 14,8 V.

8. Kdy by mělo zařízení OEM používat paralelní konfiguraci?

O paralelní konfiguraci se obecně uvažuje, když zařízení potřebuje větší kapacitu nebo vyšší proud při stejném jmenovitém napětí.

Mezi typické důvody patří:

• Delší požadovaná doba běhu;

• Vyšší trvalý proud;

• Krátká poptávka po silnoproudém proudu;

• Více energie v rámci stejné napěťové platformy;

• Použití buňky s omezenou individuální kapacitou;

• Potřeba distribuovat proud mezi více článků.

Paralelní články mohou sdílet proud, ale návrh musí stále počítat s:

• Porovnávání buněk;

• Rozdělení proudu;

• Odpor připojení;

• teplota buňky;

• kvalita svařování;

• BMS nebo návrh ochrany;

• Mechanická podpora.

Paralelní buňky by neměly být považovány za automaticky identické. Rozdíly ve vnitřním odporu nebo stavu nabití mohou ovlivnit sdílení proudu a dlouhodobou konzistenci balení.

9. Požadavky na shodu buněk

Sériové i paralelní baterie vyžadují kompatibilní články.

Buňky použité ve stejném balení by měly odpovídat příslušným charakteristikám, jako jsou:

• Model;

• Nominální kapacita;

• Napětí;

• Vnitřní odpor;

• Výrobní dávka;

• Stav stárnutí;

• Historie teplot.

Proč je shoda důležitá v balíčcích řad

V sériovém balení může nejslabší článek dosáhnout svého horního nebo dolního limitu napětí dříve než ostatní články. To může snížit použitelnou kapacitu balení a způsobit předčasné přerušení ochrany.

Proč je shoda důležitá v paralelních balíčcích

V paralelní skupině nemusí články s různým napětím nebo vnitřním odporem sdílet proud rovnoměrně. Jeden článek může nést větší zátěž nebo přijímat větší nabíjecí proud než jiný.

Další informace o nekonzistenci balení a rozdílech buněk naleznete v části Proč jsou lithium-iontové baterie nekonzistentní a co dělat.

10. Požadavky BMS pro sériové a paralelní balíčky

Systém správy baterie musí odpovídat konfiguraci sady.

Sériové balíčky

Balení s více buňkami v sérii obecně vyžaduje monitorování jednotlivých buněčných skupin.

BMS může potřebovat poskytnout:

• Monitorování napětí článků;

• Vyvažování buněk;

• ochrana proti přebití;

• Ochrana proti nadměrnému vybití;

• Nadproudová ochrana;

• Ochrana proti zkratu;

• Monitorování teploty.

Jak se počet sérií zvyšuje, musí být BMS navržen pro odpovídající počet buněk.

Paralelní balíčky

Paralelní články mohou sdílet stejný bod měření napětí, ale BMS nebo ochranný systém musí stále počítat s:

• Celkový proud;

• Porovnávání buněk;

• Teplota;

• Chování při nabíjení;

• Odpor připojení;

• Poruchové stavy.

Sériově paralelní balíčky

Sériově paralelní sada obvykle vyžaduje, aby BMS monitoroval každou sériovou skupinu při řízení celkového proudu sady.

BMS by měl být vybrán během fáze návrhu baterie, nikoli přidán po dokončení konfigurace článků.

11. Požadavky na nabíjení

Sériové a paralelní konfigurace vyžadují různé úvahy o nabíjení.

Sériové nabíjení

Nabíječka musí podporovat celkové sériové napětí.

Například:

• 1S pack: nabíječka určená pro jeden článek;

• 2S pack: nabíječka určená pro 2S baterii;

• 3S pack: nabíječka určená pro 3S baterii;

• 4S pack: nabíječka určená pro 4S baterii.

Nabíječka určená pro jeden článek by neměla být používána přímo s vícesériovým balením.

Paralelní nabíjení

Paralelní sada stále používá napětí jednoho článku nebo jedné sériové skupiny, ale nabíjecí systém může potřebovat dodávat více proudu nebo akceptovat delší dobu nabíjení.

Sériově paralelní nabíjení

Systém nabíjení musí odpovídat oběma:

• Celkové sériové napětí;

• Požadavky na kapacitu a nabíjecí proud.

Nabíječka, baterie a BMS by měly být testovány jako jeden systém.

12. Přizpůsobte konfiguraci zařízení OEM

Správná konfigurace závisí na skutečných požadavcích zařízení.

Toto je pouze orientační průvodce výběrem. Konečná konfigurace by měla být také zkontrolována s ohledem na aktuální požadavky, rozměry, nabíjení, teplotu a výrobní požadavky.

13. Příklad OEM: Výběr konfigurace pro 7,4 V zařízení

Předpokládejme, že produkt OEM vyžaduje:

• Jmenovité napětí: přibližně 7,4 V;

• Cílová kapacita: 5000 mAh;

• Trvalý proud: střední;

• Kompaktní obdélníková přihrádka na baterie;

• Dobíjecí provoz;

• Monitorování na buněčné úrovni.

Předběžná konfigurace může být:

2S2P pomocí článků 3,7 V, 2500 mAh

Výpočet:

• Napětí: 3,7 V × 2 = 7,4 V;

• Kapacita: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Celkový počet buněk: 2 × 2 = 4 buňky;

• Nominální energie: 7,4 V × 5 Ah = 37 Wh.

Návrhářský tým pak musí potvrdit:

• zda je rozsah napětí 2S kompatibilní se zařízením;

• Zda je vyžadován 2S BMS s vyvážením;

• Zda buňky mohou podporovat proud;

• Zda je nabíječka určena pro 2S;

• zda balení pasuje do krytu;

• Zda konektor podporuje požadovaný proud;

• Zda baterie projde plánovaným testováním.

ZERNE's Stránka 7,4V lithiové baterie může být použita jako reference na úrovni produktu pro konfigurace 2S bateriových sad, zatímco vlastní návrhy by měly být posuzovány podle skutečného zařízení OEM.

14. Příklad konfigurace pro zařízení s vyšším napětím

Předpokládejme, že jiný produkt OEM vyžaduje:

• Jmenovité napětí: přibližně 11,1 V;

• Kapacita: 5000 mAh;

• Stabilní výkon při nepřetržitém provozu.

Předběžná konfigurace může být:

3S2P pomocí článků 3,7 V, 2500 mAh

Výpočet:

• Napětí: 3,7 V × 3 = 11,1 V;

• Kapacita: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Celkový počet buněk: 3 × 2 = 6 buněk;

• Nominální energie: 11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh.

Sada 11,1 V vyžaduje nabíječku a BMS navrženou pro konfiguraci 3S.

Odkaz na existující produkt naleznete v ZERNE's Stránka 11,1V lithiové baterie.

15. Mechanické konstrukční úvahy

Sériová a paralelní připojení také ovlivňují fyzické uspořádání balení.

Návrhář by měl zvážit:

• orientace buňky;

• Rozteč buněk;

• Svařovací body;

• Přípojnice nebo vodiče;

• Izolace;

• umístění BMS;

• Vedení kabelů;

• Pozice konektoru;

• Rozměry pouzdra;

• Odvod tepla;

• Montážní body;

• Vibrace a náraz.

Konfigurace, která je elektricky správná, může být stále nevhodná, pokud se nevejde do dostupného krytu.

U válcových článků může uspořádání článků ovlivnit šířku, délku a výšku bloku. U obalů s buňkou mohou mít sériové a paralelní umístění výstupků vliv na vnitřní uspořádání a výstup kabelu.

Podrobné vůle prostoru pro baterii, kompresní a bobtnání přídavky by měly být řešeny samostatně Design přihrádky na baterie LiPo: Vůle a bobtnání.

16. Společné sériové a paralelní konstrukční chyby

Chyba 1: Předpokládám, že série zvyšuje mAh

Sériová připojení zvyšují napětí, nikoli normálně ampérhodinovou kapacitu.

Chyba 2: Předpokládám, že paralelní zvyšuje napětí

Paralelní články si udrží přibližně stejné napětí jako jeden článek nebo jedna sériová skupina.

Chyba 3: Použití nabíječky pro nesprávný počet sérií

Nabíječka pro balení 1S není vhodná pro balení 2S, 3S nebo 4S.

Chyba 4: Spojování Unmatched Cells

Rozdílná kapacita, odolnost nebo podmínky stárnutí mohou snížit konzistenci balení a použitelný výkon.

Chyba 5: Výběr BMS po rozložení balíčku

Před výběrem BMS by měl být znám počet sérií, aktuální poptávka a požadavky na komunikaci.

Chyba 6: Porovnáváme pouze mAh

Sada 3,7 V, 5000 mAh a sada 7,4 V, 5000 mAh neobsahují stejné množství energie.

Chyba 7: Ignorování špičkového proudu

Konfigurace musí podporovat špičkový odběr zařízení, nejen jeho průměrný proud.

17. Kontrolní seznam sériových a paralelních baterií

Před schválením konfigurace baterie potvrďte:

• Jmenovité napětí zařízení;

• Minimální a maximální napětí zařízení;

• Cílová kapacita;

• Trvalý proud;

• Špičkový proud;

• Požadovaný počet sérií;

• Požadovaný paralelní počet;

• Model a kapacita buňky;

• Celkový počet buněk;

• Požadavky na shodu buněk;

• struktura BMS nebo PCM;

• Kompatibilita nabíječky;

• Typ konektoru a kabelu;

• Mechanické přizpůsobení;

• Teplotní podmínky;

• Běhový cíl;

• Požadavky na testování;

• Očekávaný objem výroby.

Širší kritéria konstrukce baterie viz Konstrukce lithium-iontové baterie: napětí, kapacita, BMS a doba provozu.

FAQ

Jaký je rozdíl mezi sériovou a paralelní baterií?

Sériová baterie zvyšuje napětí, zatímco paralelní baterie zvyšuje kapacitu a proudovou kapacitu. Sériově paralelní balení kombinuje oba efekty.

Zvyšuje zapojení baterií do série kapacitu?

Normálně ne. Zapojením článků o stejné kapacitě do série se zvýší napětí, zatímco ampérhodinová kapacita zůstane přibližně stejná.

Zvyšuje paralelní připojení baterií napětí?

Normálně ne. Paralelním zapojením rovnonapěťových článků se zvyšuje kapacita při zachování přibližně stejného napětí.

Co znamená 2S2P?

2S2P znamená dvě skupiny buněk zapojené do série, se dvěma buňkami zapojenými paralelně v každé skupině. Obsahuje celkem čtyři buňky.

Jaká je kapacita 2S2P packu s 2500 mAh články?

Kapacita baterie je přibližně 5000 mAh. Pokud mají články jmenovité napětí 3,7 V, je napětí baterie přibližně 7,4 V.

Potřebují sériové baterie BMS?

Vícesériové lithiové baterie obecně vyžadují vhodnou ochranu a vyvážení. Přesná struktura BMS závisí na chemii článku, počtu sérií, proudu, nabíječce a aplikaci.

Jsou sériově paralelní baterie lepší než pouze sériové nebo paralelní baterie?

Ne automaticky. Sériově paralelní konfigurace je užitečná, když zařízení vyžaduje vyšší napětí a vyšší kapacitu, ale konečný výběr závisí na aplikaci a fyzických omezeních.

Lze paralelně zapojit různé články baterie?

Články by se neměly spojovat náhodně, pokud se liší modelem, kapacitou, napětím, vnitřním odporem nebo stavem. Kvalifikovaná konstrukce baterie by měla používat kompatibilní a správně přizpůsobené články.

Závěr

Základní pravidlo pro konfiguraci sady baterií je:

Série zvyšuje napětí.

Paralelní zvyšuje kapacitu a proudovou kapacitu.

Sériově paralelní zvyšuje napětí i kapacitu.

U zařízení OEM musí správná konfigurace také odpovídat:

• Rozsah napětí;

• Kapacita a energie;

• Aktuální poptávka;

• Nabíječka;

• BMS;

• Porovnávání buněk;

• Mechanický prostor;

• Konektor;

• Teplota;

• Požadavky na testování.

Například:

• 2S1P poskytuje vyšší napětí;

• 1S2P poskytuje vyšší kapacitu při stejném napětí článku;

• 2S2P poskytuje vyšší napětí a vyšší kapacitu.

Pokud vyvíjíte vlastní baterii, sdělte technickému týmu ZERNE napětí zařízení, cílovou kapacitu, aktuální poptávku, rozměry, způsob nabíjení a očekávané množství. ZERNE poskytuje vlastní řešení lithiových baterií pro projekty OEM a ODM a může pomoci vyhodnotit vhodnou sériovou, paralelní nebo sériově paralelní konfiguraci.