Sarjan vs rinnakkaiset LiPo-akut: jännite, kapasiteetti ja suojausvaatimukset

Sarja- ja rinnakkaisliitäntöjen avulla akkujen valmistajat voivat rakentaa paketin laitteen jännitteen, kapasiteetin, käyttöajan ja tehotarpeen mukaan.

Perussäännöt vaikuttavat yksinkertaisilta: sarjakytkennät lisäävät jännitettä, kun taas rinnakkaisliitännät lisäävät kapasiteettia. Käytännössä konfiguraation valinta vaikuttaa kuitenkin myös latausjännitteeseen, virtakykyyn, kennotasapainotukseen, johdotukseen, suojapiiriin, fyysiseen layoutiin ja vikakäyttäytymiseen.

2S1P lipo-akku ja 1S2P lipo-akku voivat sisältää saman määrän kennoja ja varastoida suunnilleen saman kokonaisenergian, mutta ne eivät ole keskenään vaihdettavissa. Toinen antaa korkeamman jännitteen, kun taas toinen säilyttää yksikennoisen jännitteen ja tarjoaa suuremman ampeerituntikapasiteetin.

Tässä oppaassa kerrotaan, kuinka sarja-, rinnakkais- ja sarjarinnakkaiset LiPo-akut toimivat, kuinka niiden tärkeimmät sähköiset tiedot lasketaan ja mitkä suojausvaatimukset tulee ottaa huomioon ennen pakkausrakenteen valintaa.

Key Takeaways

• Sarjaan kytketyt kennot lisäävät pakettijännitettä, mutta eivät lisää niiden ampeerituntikapasiteettia.

• Rinnakkain kytketyt kennot lisäävät kapasiteettia säilyttäen samalla yhden solun jännitteen.

• Sarja-rinnakkaiskonfiguraatio lisää sekä jännitettä että kapasiteettia.

• Kirjain S osoittaa sarjaan kytkettyjen soluryhmien lukumäärän.

• Kirjain P ilmaisee kunkin ryhmän sisällä rinnakkain kytkettyjen solujen lukumäärän.

• 2S2P-paketti sisältää neljä solua, jotka on järjestetty kahdeksi sarjaryhmäksi, jossa kussakin rinnakkaisryhmässä on kaksi solua.

• Wattitunnit tarjoavat paremman energiavertailun kuin mAh, kun pakkauksissa on eri jännitteet.

• Sarjaan kytketyt ryhmät vaativat yksilöllisen jännitteen valvonnan ja saattavat vaatia tasapainotuksen.

• Rinnakkaisryhmän kennot on sovitettava yhteen ja saatettava sopivaan jännitteeseen ennen pysyvää kytkentää.

• Suojalevyn on vastattava kennokemiaa, sarjalukua, latausjännitettä, jatkuvaa virtaa, huippuvirtaa ja vaadittuja toimintoja.

• Rinnakkaisten kennojen lisääminen ei automaattisesti kaksinkertaista turvapakkauksen virtaa kaikissa käyttöolosuhteissa.

• Paketteja, joissa on eri jännitteet, kapasiteetit, ikäiset tai lataustasot, ei tule yhdistää ilman suunniteltua suunnittelua.

• Akun kokoonpano, laturi, BMS, liitin, johdot ja laitteen virtajärjestelmä on arvioitava yhdessä.

Mitä 1S, 2S, 2P ja 2S2P tarkoittavat?

Akun kokoonpanot kuvataan yleensä kirjaimilla S ja P.

• S tarkoittaa sarjaa.

• P tarkoittaa yhdensuuntaista.

• Jokaisen kirjaimen edessä oleva numero ilmaisee, kuinka monta solua tai soluryhmää käyttää kyseistä yhteyttä.

Yleisiä esimerkkejä ovat:

Solujen kokonaismäärä voidaan laskea seuraavasti:

Solujen kokonaismäärä = Sarjojen määrä × Rinnakkaismäärä

Esimerkiksi:

3S2P = 3 × 2 = 6 solua

Useimmissa akkuspesifikaatioissa vain '2S' kirjoitetun konfiguraation ymmärretään tarkoittavan 2S1P:tä, ellei rinnakkaismäärää ole ilmoitettu erikseen. OEM-projektissa molemmat arvot tulee kuitenkin dokumentoida epäselvyyksien välttämiseksi.

Sarjan vs rinnakkaiset LiPo-akut yhdellä silmäyksellä

Seuraavassa vertailussa oletetaan identtisiä kennoja, joilla on sama kemia, nimellisjännite, kapasiteetti ja purkauskyky.

Nämä ovat kokoonpanoperiaatteita pikemminkin kuin taattuja valmiiden pakkausten luokituksia. Todellista suorituskykyä voivat rajoittaa kennotiedot, liitännät, suojalevy, liitin, kaapelin koko, lämpötila ja tuotesuunnittelu.

Kuinka LiPo-sarjan akkupaketti toimii

Solut kytketään sarjaan yhdistämällä yhden solun positiivinen napa seuraavan negatiiviseen napaan. Kaksi jäljellä olevaa ulompaa liitintä muodostavat paketin lähdön.

Sama virta kulkee sarjan jokaisen solun tai rinnakkaisryhmän läpi.

Kuinka sarjaliitäntä vaikuttaa jännitteeseen

Paketin nimellinen jännite on sarjaan kytkettyjen kennojen nimellisjännitteiden summa:

Pakkauksen nimellisjännite = Kennon nimellisjännite × Sarjamäärä

Normaalit 3,7 V kennot:

Täyslatausjännite lasketaan seuraavasti:

Paketin maksimijännite = Kennon latausraja × Sarjojen määrä

4,2 V:n arvo koskee tavanomaista litiumionipolymeerikennoa, joka on suunniteltu tälle latausrajalle. Suurjännitekemia voi vaatia 4,35 V, 4,4 V tai muun määritellyn rajan per kenno.

Tuote, joka on suunniteltu ympärille Korkeajännitteiset LiPo-akut tarvitsevat siksi yhteensopivan laturin ja suojajärjestelmän. Korkeampaa kennokohtaista varausrajaa ei pitäisi koskaan olettaa pelkästään nimellisjännitteestä.

Kuinka sarjayhteys vaikuttaa kapasiteettiin

Identtisten 1000 mAh:n kennojen kytkeminen sarjaan ei lisää niiden mAh-arvoja.

Esimerkiksi:

• Yksi 3,7 V 1000 mAh kenno: 3,7 V, 1000 mAh

• Kaksi kennoa sarjassa: 7,4 V, 1000 mAh

• Kolme kennoa sarjassa: 11,1 V, 1000 mAh

Pakkauksessa on enemmän energiaa, koska sen jännite on kasvanut, vaikka Ah-arvo pysyy ennallaan.

Kuinka sarjayhteys vaikuttaa virtaan

2S1P-paketissa sama virta kulkee molempien solujen läpi. Jos kenno on mitoitettu tietylle jatkuvalle virralle, toisen identtisen kennon lisääminen sarjaan ei automaattisesti kaksinkertaista arvoa.

Valmiin pakkausvirtaa rajoittaa pienin sovellettava arvo seuraavista:

• Kennojen jatkuva purkausvirta

• Solun huippuvirran kyky

• PCM tai BMS nykyinen luokitus

• MOSFET ja virta-aistin suunnittelu

• Nikkelinauhan, kielekkeen, virtakiskon tai piirilevyn kapasiteetti

• Johdon koko

• Liittimen luokitus

• Sulake tai virtaa rajoittava komponentti

• Lämpöolosuhteet

Korkeampi pakettijännite saattaa mahdollistaa laitteen saavan saman tehon pienemmällä virralla, mutta se riippuu kuormasta ja tehonmuunnosarkkitehtuurista.

Miksi sarjapaketit tarvitsevat soluryhmien valvontaa

Sarjakytketyt kennot eivät pysy täysin identtisinä koko käyttöikänsä. Pienet erot kapasiteetissa, sisäisessä resistanssissa, itsepurkautumisessa, lämpötilassa ja ikääntymisessä voivat aiheuttaa niiden varaustilojen poikkeamisen.

Latauksen aikana yksi sarjaryhmä voi saavuttaa yläjänniterajansa ennen muita. Purkauksen aikana heikoin ryhmä voi saavuttaa alarajansa ensin.

Suojaus- ja valvontajärjestelmän on siksi reagoitava yksittäisiin sarjaryhmän jännitteisiin sen sijaan, että se luottaisi vain paketin kokonaisjännitteeseen.

Esimerkiksi 8,0 V:n kokonaispakkauslukema ei todista, että 2S-pakkaus on tasapainotettu. Se voisi koostua seuraavista:

• 4,0 V ja 4,0 V

• 4,15 V ja 3,85 V

• 4,25 V ja 3,75 V

Viimeisessä esimerkissä on sama kokonaisjännite, mutta se voi jo asettaa yhden ryhmän sallitun rajansa yli.

Kuinka rinnakkainen LiPo-akkupaketti toimii

Rinnakkaisliitännässä positiiviset navat on kytketty yhteen ja miinusnavat on kytketty yhteen.

Kaikilla ryhmän kennoilla on siis sama liitinjännite.

Kuinka rinnakkaisliitäntä vaikuttaa jännitteeseen

Jännite pysyy yhtä suurena kuin yhden kennon jännite:

Paketin jännite = kennojännite

Kahdelle rinnakkain kytketylle tavalliselle 3,7 V kennolle:

• Nimellisjännite: 3,7 V

• Tyypillinen täyslatausjännite: 4,2 V

• Kokoonpano: 1S2P

Lisäämällä useampia rinnakkaisia ​​kennoja ei synny 7,4 V tai 11,1 V. Se muodostaa edelleen yhden jänniteryhmän.

Miten rinnakkaisyhteys vaikuttaa kapasiteettiin

Läheisesti yhteensopivien rinnakkaisten solujen kapasiteetit lisätään:

Pakkauksen kapasiteetti = Solun kapasiteetti × Rinnakkaismäärä

Identtiset 1000 mAh kennot:

Tämä tekee rinnakkaisrakenteesta hyödyllisen, kun sovellus tarvitsee pidemmän käyttöajan, mutta sen on säilytettävä yksikennoinen jännitealusta.

Miten rinnakkaisyhteys vaikuttaa nykyiseen kapasiteettiin

Teoriassa identtiset kennot, jotka on kytketty balansoitujen virtateiden kautta, voivat jakaa kuorman. Kaksi sopivaa kennoa rinnakkain voivat siksi tuottaa enemmän virtaa kuin yksi kenno.

Turvallista pakkausvirtaa ei kuitenkaan tule laskea kertomalla kennoluokitus ilman lisäarviointia.

Nykyiseen jakamiseen voivat vaikuttaa:

• Solun sisäinen vastus

• Kapasiteetin vaihtelu

• Lämpötilaerot

• Kieleke- ja liitosvastus

• Solun sijainti pakkauksessa

• Kaapelin reitityssymmetria

• Maksutilan erot

• Ikääntyminen

• Liittimen vastus

• Suojalevyn rajat

Yksi kenno voi kantaa suuremman osan kuormasta, jos sen vastus on pienempi tai virtatie on lyhyempi. Pakkauksessa voi sitten kehittyä paikallista lämmitystä, vaikka kokonaisvirta näyttäisi olevan yksinkertaisen teoreettisen rajan sisällä.

Purkausnopeuden merkitys ja sen suhde kapasiteettiin selitetään myöhemmin mitä litiumpolymeeriakun C-luokitus tarkoittaa.

Tarvitsevatko rinnakkaiset solut tasapainotusta?

Suoraan kytketyt rinnakkaissolut jakavat saman päätejännitteen, joten BMS käsittelee normaalisti koko rinnakkaisryhmää yhtenä jännitesolmuna.

Tämä ei tarkoita, että solujen yhteensovittaminen olisi tarpeetonta. Sama terminaalijännite ei takaa samaa kapasiteettia, vastusta, lämpötilaa tai virtaa.

Yhdelle rinnakkaisryhmälle valittujen solujen tulee yleensä olla yhteensopivia:

• Kemia

• Latausjännitteen raja

• Kapasiteetti

• Sisäinen vastus

• Purkausominaisuudet

• Tuotantohistoria

• Ikä ja syklin kunto

• Fyysinen suunnittelu

• Lataustila kokoonpanossa

Vaurioitunut tai merkittävästi huonontunut kenno voi kuormittaa jäljellä olevia kennoja ja heikentää koko ryhmän luotettavuutta.

Miksi jännite on tarkistettava ennen rinnakkaisliitäntää

Eri jännitteillä olevia kennoja ei pidä yksinkertaisesti yhdistää toisiinsa.

Kun korkeajännitekenno on liitetty, se voi purkaa nopeasti pienemmän jännitteen kennoon. Tuloksena olevaa tasausvirtaa voi rajoittaa pääasiassa kennojen ja liitäntäresistanssi, ja se voi olla paljon suurempi kuin normaali latausvirta.

Tästä syystä rinnakkaiset ryhmät tulisi koota valvotulla valmistusprosessilla käyttämällä päteviä, tiiviisti yhteensopivia kennoja. Loppukäyttäjien ei tule lisätä uutta kennoa vanhentuneeseen pakkaukseen tai liittää kahta irtonaista pussikennoa rinnakkain ilman validoitua suunnittelua ja sopivaa laitteistoa.

Kuinka sarja-rinnakkais LiPo Pack toimii

Sarja-rinnakkaispaketti yhdistää molemmat liitäntätavat.

Ajatellaanpa 2S2P-mallia, joka on valmistettu neljästä identtisestä 3,7 V:n 1000 mAh:n kennosta:

1. Kaksi kennoa on kytketty rinnan muodostamaan ensimmäinen 3,7 V, 2000 mAh ryhmä.

2. Kaksi muuta kennoa muodostaa toisen 3,7 V, 2000 mAh ryhmän.

3. Kaksi rinnakkaista ryhmää on kytketty sarjaan.

Tuloksena oleva teoreettinen spesifikaatio on:

• Nimellisjännite: 7,4 V

• Kapasiteetti: 2000 mAh

• Energia: 14,8 Wh

• Kokoonpano: 2S2P

• Soluja yhteensä: 4

Kaavat ovat:

Paketin jännite = kennon nimellisjännite × S

Pakkauksen kapasiteetti = kennokapasiteetti × P

Solujen kokonaismäärä = S × P

Nimellisenergia = Pakkauksen jännite × Pakkauksen kapasiteetti Ah

Tässä mallissa BMS valvoo kahta sarjaryhmäjännitettä. Jokainen valvottu ryhmä sisältää kaksi rinnakkaista solua.

2S2P-pakettia ei siksi valvota 4S-pakettina. Suojauskortin valitseminen yksittäisten solujen kokonaismäärän mukaan sarjalaskennan sijaan olisi väärin.

Jännitteen, kapasiteetin ja wattituntien vertailu

Sarja- ja rinnakkaisrakenteen ero tulee selvemmäksi, kun paketteja verrataan käyttämällä identtisiä 3,7 V, 1000 mAh kennoja.

Sekä 2S1P- että 1S2P-esimerkit sisältävät kaksi kennoa ja varastoivat noin 7,4 Wh. Niiden jännite- ja kapasiteettiarvot vaihtelevat, mutta teoreettinen nimellisenergia on sama.

Niitä ei silti voida korvata toisillaan, koska laite näkee erilaisen tulojännitteen.

Miksi mAh yksinään ei voi verrata eri akkupaketteja?

3,7 V 2000 mAh pakkaus ja 7,4 V 1000 mAh pakkaus sisältävät molemmat noin 7,4 Wh:

3,7 V × 2,0 Ah = 7,4 Wh

7,4 V × 1,0 Ah = 7,4 Wh

Pelkästään mAh:n katsominen saisi ensimmäisen pakkauksen näyttämään kaksinkertaiselta kapasiteetilta. Energian kannalta ne ovat samanlaisia.

Wattitunnit ovat siksi hyödyllisempiä, kun verrataan eri jännitteisiä akkuja.

Sama Wh ei kuitenkaan takaa identtistä laitteen käyttöaikaa. Todellinen käyttöaika riippuu myös:

• Jännitteen muunnostehokkuus

• Laitteen virta eri tulojännitteillä

• Akun sisäinen vastus

• Katkaisujännite

• Purkausnopeus

• Lämpötila

• Solujen ikääntyminen

• Suojalevyn jännitehäviö

• Käyttökapasiteetti todellisella kuormituksella

Käyttöaika tulee viime kädessä varmistaa valmiissa laitteessa sen sijaan, että se ennustettaisiin pelkästään mAh:n perusteella.

Antaako suurempi sarjamäärä enemmän tehoa?

Kasvava jännite voi tuoda lisää tehoa saataville, mutta vain jos kenno, suojajärjestelmä, johdotukset ja laite voivat syöttää ja vastaanottaa vaaditun virran.

Sähköteho lasketaan seuraavasti:

Teho = jännite × virta

2 A:n 7,4 V:n akku tuottaa noin 14,8 W. 3,7 V:n akku tarvitsee noin 4 A tuottaakseen saman syöttötehon ennen muunnoshäviöiden huomioon ottamista.

Tämä on yksi syy, miksi suunnittelija voi valita suuremman jännitteen paketin moottoreihin, lämmittimiin, pumppuihin, robotiikkaan tai muihin tehoa vaativiin tuotteisiin. Pienempi virta samalla teholla voi vähentää johdinhäviöitä, mutta suurempi sarjamäärä lisää myös laturin jännitettä, BMS:n monimutkaisuutta, komponenttien jännitevaatimuksia ja eristysnäkökohtia.

Valinta tulee aloittaa laitteen syöttöjännitealueesta ja kuormitusprofiilista sen sijaan, että oletetaan, että useampi sarjakennoja on automaattisesti parempi.

1S-paketin suojausvaatimukset

Yksisarjapakkauksessa on vain yksi jänniteryhmä, joten se ei vaadi tasapainottamista sarjakennojen välillä.

Sen PCM:n on ehkä vielä toimitettava:

• Ylilataussuoja

• Ylipurkaussuoja

• Ylivirtasuojaus

• Oikosulkusuojaus

• Lataus- ja purkuohjaus

• Lämpötilan seuranta

• NTC-lähtö

• Akun tunnistus

• Polttoainemittari tai viestintä

Laturin on vastattava kennokemiaa ja enimmäislatausjännitettä. PCM katkaisee epänormaalit olosuhteet, mutta se ei korvaa kunnolla ohjattua laturia.

1S2P- tai 1S3P-mallissa suojapiiri näkee rinnakkaisryhmän yhtenä suuremman kapasiteetin jännitesolmuna. Sen nykyisen luokituksen on perustuttava koko pakkauskuormaan, ei yhden kennon kapasiteettiin.

Multi-Series Packin suojausvaatimukset

2S-, 3S- tai uudemman sarjan malli vaatii suojapiirin, joka sopii tälle tarkalle sarjamäärälle.

Monisoluisen BMS:n tai PCM:n on ehkä suoritettava:

• Yksittäinen sarja-ryhmän jännitteenvalvonta

• Pakkausvirran valvonta

• Latausylivirtasuoja

• Purkauksen ylivirtasuoja

• Oikosulkusuojaus

• Ylilatauksen katkaisu

• Ylipurkauksen katkaisu

• Soluryhmien tasapainotus

• Lämpötilan seuranta

• MOSFET-ohjaus

• Latauksen arvio

• Vian tallennus

• Yhteys isäntälaitteen kanssa

Komponenttien nimellisjännitteen tulee myös ottaa huomioon suurin pakkausjännite, mukaan lukien asianmukainen suunnittelumarginaali.

Miksi paketin kokonaisjännite ei ole tarpeeksi

Pelkän kokonaisjännitteen tarkkailu ei pysty luotettavasti tunnistamaan yksittäistä ryhmää, joka on yli- tai ylipurkautunut.

Tästä syystä 3S-suojauspiiri tarvitsee yleensä pääsyn:

• Negatiivipakkaus

• Kytkentä sarjaryhmän 1 jälkeen

• Kytkentä sarjaryhmän 2 jälkeen

• Pakkaus positiivinen sarjan ryhmän 3 jälkeen

Perinteisessä valvontajohtosarjassa on siis yksi jänniteliitäntä enemmän kuin sarjamäärä:

Jännitetunnistinkytkennät = S + 1

Integroidulla BMS:llä varustettu pakkaus ei välttämättä paljasta näitä liitäntöjä ulkoisesti, mutta niitä tarvitaan silti sisäisesti yksittäisten sarjaryhmien valvontaan.

Mitä solujen tasapainottaminen tekee

Tasapainotus auttaa rajoittamaan eroja sarjaan kytkettyjen ryhmien välillä.

Passiivinen tasapainotusjärjestelmä poistaa tyypillisesti pienen määrän energiaa korkeamman jännitteen ryhmästä, jotta alemmat ryhmät voivat jatkaa latausta. Edistyneemmät aktiiviset tasapainotusjärjestelmät voivat jakaa energiaa uudelleen ryhmien välillä.

Tasapainotusta ei voi korjata täysin:

• Vaurioitunut solu

• Vakava kapasiteetin menetys

• Korkea itsepurkaus

• Huono sähköliitäntä

• Suuria sisäisen vastuksen eroja

• Väärin kohdistetut solut

• Sopimaton pakkausasetelma

Pakkaus, jossa toistuvasti kehittyy suuri epätasapaino, tulee tarkastaa sen sijaan, että luottaisi tasapainotuspiiriin taustalla olevan ongelman piilottamiseksi.

Rinnakkaisryhmien suojausvaatimukset

Rinnakkainen rakentaminen luo erilaiset suunnitteluprioriteetit.

Solujen sovitus

Solut tulee valita yhteensopivista tuotanto- ja suorituskykyryhmistä. Eri kapasiteetin, kemian, jänniterajojen, iän tai sisäisten vastusten kennojen sekoittaminen voi aiheuttaa epätasaista virranjakoa.

Soluvariaation käytännön vaikutuksia käsitellään tarkemmin artikkelissa miksi litiumioniakut muuttuvat epäjohdonmukaisiksi.

Nykyisen polun suunnittelu

Kytkentäresistanssi tulee pitää alhaisena ja kohtuullisen tasapainossa. Asettelussa ei tulisi pakottaa yhtä solua tai välilehteä kuljettamaan suhteettoman suuri osuus virrasta.

Suunnittelutekijöitä ovat mm.

• Välilehden geometria

• Nikkelinauhan tai kiskon mitat

• PCB kuparin paksuus

• Liitäntäasento

• Johdon sijoitus

• Hitsauksen laatu

• Soluvälit

• Lämmön hajoaminen

• Liittimen sijainti

Vian suojaus

Pysyvästi kytketyssä rinnakkaisryhmässä terveet solut voivat syöttää virtaa vialliseen soluun tai vialliseen haaraan.

Pakkauksen koosta ja riskiarvioinnista riippuen suunnittelu voi vaatia:

• Sulakkeet yhteenliittimet

• Haaravirran rajoitus

• Terminen erotus

• Lämpötila-anturit

• Palonkestävät materiaalit

• Mekaaniset esteet

• Pakkaustason kiinnitys

• Hallittu tuuletustila

• Muita viantunnistustoimintoja

Vaadittu lähestymistapa riippuu pakkauksen energiasta, kennotyypistä, sovelluksesta, kotelosta, vaatimustenmukaisuusvaatimuksista ja ennakoitavista vikaolosuhteista.

Suojauslevyn nykyinen luokitus

BMS:n on tuettava odotettua kokonaispakkausvirtaa, mukaan lukien:

• Normaali käyttövirta

• Suurin jatkuva virta

• Käynnistyshuippu

• Moottorin jumivirta

• Lämmittimen syöttö

• Viestintä-lähettimen huiput

• Latausvirta

• Vian havaitsemisen kynnysarvot

Kortin mainostettua virtaa ei tule käsitellä käyttökelpoisena laitteen virtana tarkistamatta MOSFET-häviöitä, lämpötilan nousua, jäähdytysolosuhteita, johtimen kokoa ja katkaisuajoitusta.

Laturivaatimukset sarja- ja rinnakkaispakkauksille

Laturin on vastattava pakkauskemiaa, sarjamäärää, latausjänniterajaa ja sallittua latausvirtaa.

Perinteisille 4,2 V -kennoille:

2S-pakettia ei tule ladata 1S-laturilla. Vastaavasti tavallisiin 4,2 V kennoihin tarkoitettu laturi ei välttämättä sovellu suurjännitekemiaan, jossa on eri latausraja.

Rinnakkaiskapasiteetti vaikuttaa latausvirran laskentaan. Jos kaksi identtistä kennoa asetetaan rinnakkain, sopiva paketti voi hyväksyä enemmän kokonaisvirtaa kuin yksi kenno, mutta oikea arvo riippuu seuraavista:

• Solun latausnopeuden raja

• Pakkauksen kapasiteetti

• Lämpötila

• Rinnakkaisvirran jakaminen

• Suojauslevyn luokitus

• Liittimen ja johdon luokitus

• Latausaikatavoite

• Elinikävaatimukset

Laturi ja BMS suorittavat erilaisia ​​toimintoja. Laturi säätelee latausprofiilia, kun taas suojajärjestelmä reagoi määriteltyihin epänormaaleihin olosuhteisiin. Toista ei pidä käyttää toisen korvikkeena.

Solujen yhteensopivuusvaatimukset

Luotettava monisolupaketti alkaa sopivasta solujen valinnasta.

Samassa kokoonpanossa käytetyt solut on ehkä sovitettava:

• Solun malli

• Kemia

• Nimelliskapasiteetti

• Mitattu kapasiteetti

• Avoimen piirin jännite

• Sisäinen vastus

• Paksuus ja mitat

• Itsepurkaus

• Tuotantoerä

• Ikä

• Pyörän historia

Sovitus on tärkeää sekä sarja- että rinnakkaisissa rakenteissa.

Sarjajonossa pienimmän kapasiteetin tai suurimman resistanssin ryhmä voi saavuttaa jänniterajan ensin ja rajoittaa käytettävää pakkauskapasiteettia.

Rinnakkaisryhmässä vastus- ja kytkentäerot vaikuttavat virran jakamiseen. Yksi solu voi työskennellä kovemmin ja ikääntyä nopeammin kuin muut.

Akkujen valmistajien tulisi määrittää tuotteelle sopivat kennojen seulontakriteerit sen sijaan, että he yhdistäisivät kennoja vain siksi, että niillä on samat painetut tekniset tiedot.

Voidaanko valmiita LiPo-paketteja yhdistää sarjassa?

Kahta valmista pakettia ei saa kytkeä sarjaan, ellei koko järjestelmää ole suunniteltu ja validoitu tätä järjestelyä varten.

Mahdollisia ongelmia ovat mm.

• Erilaiset lataustilat

• Eri ikäisiä tai kapasiteettia

• Yhteensopimattomat suojapiirit

• Väärä maadoitus

• Laturin yhteensopimattomuus

• Tasapainon seurannan aukot

• Liitin-jännite rajat

• Odottamaton BMS-katkaisukäyttäytyminen

• Toinen pakkaus käänteislataa toisen

• Epäturvalliset huolto- tai vaihtotoimenpiteet

Jotkut suojatut paketit käyttävät alemman puolen kytkentä- tai tietoliikenneliittymiä, jotka tekevät ulkoisesta sarjaliitännästä sopimattomaksi. Akku, joka on turvallinen erillisenä tuotteena, ei ole automaattisesti turvallinen yhdistettynä toiseen pakkaukseen.

Jos sovellus vaatii suurempaa jännitettä, tarkoitukseen suunnitellun monisarjakokoonpanon käyttö on yleensä luotettavampaa kuin itsenäisesti suojattujen akkujen kytkeminen tuotannon jälkeen.

Voidaanko valmiita LiPo-paketteja yhdistää rinnakkain?

Valmiita pakkauksia ei saa kytkeä rinnan vain siksi, että niiden etiketeissä on sama nimellisjännite.

Ennen rinnakkaista käyttöä suunnittelussa on käsiteltävä:

• Pakkausjännite-ero

• Maksutilan ero

• Kapasiteetti ja ikä

• Sisäinen vastus

• BMS-vuorovaikutus

• Käänteinen virta

• Latausvirran jakelu

• Liittimen järjestys

• Pakkauksen poisto jännitteen ollessa päällä

• Haarojen suojaus

• Virheen rajaaminen

Jos yhdessä paketissa on korkeampi jännite, suuri tasausvirta voi virrata heti, kun liittimet koskettavat.

Rinnakkaisakkumoduulit voidaan suunnitella turvallisesti, mutta ne tarvitsevat määritellyn liitäntätavan, yhteensopivan suojausarkkitehtuurin, ohjatun esilatauksen tarvittaessa ja validoidun vikakäyttäytymisen.

Kuinka kokoonpano vaikuttaa akun kokoon ja asetteluun

Solujen lisääminen lisää energiaa, mutta muuttaa myös mekaanista rakennetta.

Sarja- ja rinnakkaiskokoonpanot voivat vaikuttaa:

• Kokonaispaksuus

• Leveys ja pituus

• Paino

• Painopiste

• Kaapelin reititystila

• Taivutussäde

• Lämmön hajoaminen

• Solun laajennuskorvaus

• Pudotussuoja

• Tärinänkestävyys

• Palvelun pääsy

• Kotelon kokoonpano

Kaksi vierekkäin asetettua pussisolua voivat muodostaa leveän, ohuen pakkauksen. Niiden pinoaminen voi luoda pienemmän jalanjäljen ja suuremman paksuuden.

Sarja-rinnakkaisrakenne voi myös vaatia:

• Lisäeristys

• Lisää hitsauspisteitä

• Isompi BMS

• Jännitetunnistin johdotus

• Lämpötila-anturit

• Vahvempi tukikehys

• Monimutkaisempi pakkauskääre

• Lisääntynyt väli kielekkeiden ja suojakomponenttien ympärillä

Siksi sähkökokoonpano tulee valita yhdessä käytettävissä olevan akkutilan kanssa eikä sen jälkeen, kun kotelo on viimeistelty.

Sarja vs rinnakkais: mikä kokoonpano sinun pitäisi valita?

Valitse sarjaluku laitteen tarvitseman jännitteen mukaan.

Valitse rinnakkaisluku vaaditun energian, käyttöajan, virransyötön, tilan ja painon mukaan.

Sarjakeskeinen suunnittelu voi olla sopiva, kun:

• Laite vaatii korkeamman tulojännitteen

• Moottori tai lämmitin toimii tehokkaammin korkeammalla jännitteellä

• Järjestelmä käyttää 1S-paketin alueen yläpuolella olevaa jännitekiskoa

• Pienempi virta on suositeltava tietyllä tehotasolla

• Laitteessa on valmiiksi yhteensopiva monikennoinen laturi

• Tuotteeseen mahtuu monisarjainen BMS

Rinnakkaissuuntautunut suunnittelu voi olla sopiva, kun:

• Tuotteessa on oltava 3,7 V:n nimellisjännite

• Pidempi käyttöaika vaaditaan

• Yksi kenno ei voi tarjota riittävästi kapasiteettia

• Lisää lähtövirtaa tarvitaan kennon validoiduissa käyttöolosuhteissa

• Koteloon mahtuu useita soluja

• Laturi ja suojajärjestelmä tukevat tuloksena olevaa kapasiteettia ja virtaa

Sarjan rinnakkaismuotoilu voi olla sopiva, kun:

• Laite tarvitsee sekä korkeamman jännitteen että pidemmän käyttöajan

• Yksittäinen sarjamerkkijono ei voi tuottaa vaadittua virtaa

• Energiantarve ylittää yhden käytännöllisen kielen kapasiteetin

• Tila on jaettava useille solupaikoille

• Sovellus oikeuttaa ylimääräisen BMS:n ja kokoonpanon monimutkaisuuden

ZERNE:n mukautetut Li-polymeeriakkuratkaisut tukevat yksikennoisia, monisarjaisia, rinnakkaisia ​​ja sarja-rinnakkaisrakenteita laitteen jännitteen, kapasiteetin, koon, virran, liittimen ja suojausvaatimusten perusteella.

Käytännön akun kokoonpanon valintaprosessi

1. Vahvista laitteen jännitealue

Tunnistaa:

• Minimi käyttöjännite

• Normaali käyttöjännite

• Suurin turvallinen tulojännite

• Käynnistysjännitteen vaatimus

• Sammutusjännite

• Jännitesäätimen tuloalue

• Moottorin, lämmittimen tai toimilaitteen jännite

• Laturin tulo- ja lähtöjännite

Täyteen ladatun paketin enimmäisjännitteen on pysyttävä jokaisen kytketyn komponentin turvallisella alueella.

2. Määritä latausprofiili

Tallentaa:

• Valmiustilavirta

• Tyypillinen käyttövirta

• Suurin jatkuva virta

• Huippuvirta

• Huipun kesto

• Käynnistys- tai jumivirta

• Päivittäinen käyttöaika

• Vaadittu käyttöaika latausta kohti

Pelkästään keskivirta ei välttämättä paljasta, voivatko solut, BMS ja liitin tukea lyhyitä suurvirtatapahtumia.

3. Laske tarvittava energia

Ensimmäinen arvio voidaan laskea käyttämällä:

Tarvittava energia Wh = Keskimääräinen teho W × Käyttöaika tunteina

Käytännön suunnittelussa tulee ottaa huomioon myös:

• Jännitteenmuuntohäviöt

• Akun ikääntyminen

• Matalan lämpötilan kapasiteetin menetys

• Korkean kuorman jännitteen lasku

• Varauskapasiteetti

• BMS:n kulutus

• Laitteen valmiustilan kulutus

• Sallittu purkaussyvyys

4. Valitse Sarjamäärä

Valitse sarjaryhmien määrä, joka tarvitaan laitteen jännitteen täyttämiseen.

Älä käytä pelkästään nimellisjännitettä. Tarkista:

• Suurin latausjännite

• Tyypillinen toiminta-alue

• BMS-katkaisujännite

• Laitteen alijännitteen kynnys

• Laturin jännite

• Komponenttien jännitearvot

5. Valitse Parallel Count

Määritä, kuinka paljon kapasiteettia ja virtaa yksi sarjamerkkijono voi tarjota. Lisää rinnakkaiskennoja vain, kun sitä tarvitaan energian, käyntiajan, virran tai pakkaamisen kannalta.

Rinnakkaisemmat kennot lisäävät myös painoa, tilavuutta, kustannuksia, hitsauskohtia ja vikaenergiaa.

6. Suunnittele suojausjärjestelmä

Määritellä:

• Kemia

• Sarjojen määrä

• Pakkauksen kapasiteetti

• Latausvirran raja

• Jatkuva purkausvirta

• Huippuvirta ja kesto

• Ylihintakynnys

• Ylipurkauksen kynnys

• Ylivirtakynnys

• Oikosulkureaktio

• Lämpötilarajat

• Tasapainotusstrategia

• Viestintävaatimukset

7. Vahvista laturi ja liitin

Laturin on vastattava koko pakettia, kun taas pääliittimen ja johtojen on tuettava todellista virtaa.

Liitinsarja, napaisuus, liitin, johdinmitta, kaapelin pituus ja tasapainoliitäntä tulee dokumentoida ennen näytteiden tuottamista.

8. Rakenna ja testaa näytteitä

Validointi tulee suorittaa varsinaisen laitteen sisällä.

Asiaankuuluvat testit voivat sisältää:

• Latauksen yhteensopivuus

• Täysi latausjännite

• Yksittäinen sarja-ryhmäjännite

• Solujen tasapainotus

• Suoritusaika

• Maksimikuormituksen jännitehäviö

• Huippuvirran vaste

• Lämpötilan nousu

• BMS-katkaisukäyttäytyminen

• Oikosulkusuojaus

• Liitinlämmitys

• Kaapelin reititys

• Kotelon istuvuus

• Pudotus- ja tärinäteho

• Toistuva pyöräily

• Varastointi ja itsepurkaus

The Li-polymeeriakun laadunvalvontajärjestelmä tarjoaa lisätietoja kennojen testauksesta, kokoonpanon tarkastuksesta, sähkötarkastuksesta ja valmiin pakkauksen valvonnasta.

Toimivia kokoonpanoesimerkkejä

Esimerkki 1: Kompakti seurantalaite

Oletetaan, että seurantalaite toimii yksikennoiselta jännitealustalta ja vaatii enemmän käyttöaikaa kuin yksi 1000 mAh:n kenno pystyy tarjoamaan.

Mahdollinen kokoonpano on:

• Kenno: 3,7 V, 1000 mAh

• Rakenne: 1S2P

• Pakkausjännite: 3,7 V nimellisjännite

• Pakkauksen kapasiteetti: 2000 mAh

• Nimellisenergia: 7,4 Wh

Rakenne säilyttää yksikennoisen latausjännitteen, mutta vaatii suojapiirin ja liittimen, jotka sopivat yhdistetylle virralle ja kapasiteetille.

Esimerkki 2: Kannettava laite, joka vaatii 7,4 V

Oletetaan, että kädessä pidettävä tuote tarvitsee noin 7,4 V ja 2000 mAh.

Käytettäessä 3,7 V, 2000 mAh kennoja:

• Rakenne: 2S1P

• Pakkausjännite: 7,4 V nimellisjännite

• Pakkauksen kapasiteetti: 2000 mAh

• Nimellisenergia: 14,8 Wh

• Tyypillinen täyslatausjännite: 8,4 V

Paketti vaatii 2S-suojajärjestelmän ja 8,4 V:n litiumionilatausprofiilin.

Esimerkki 3: Robotti, joka vaatii suurempaa jännitettä ja kapasiteettia

Oletetaan, että robotti tarvitsee 11,1 V nimellisvirran ja 4000 mAh. 2000 mAh solujen käyttö:

• Rakenne: 3S2P

• Soluja yhteensä: 6

• Pakkausjännite: 11,1 V nimellisjännite

• Pakkauksen kapasiteetti: 4000 mAh

• Nimellisenergia: 44,4 Wh

• Tyypillinen täyslatausjännite: 12,6 V

BMS:n on valvottava kolmea sarjaryhmää samalla kun se tukee robotin normaalia virtaa, käynnistyspiikkiä ja mahdollista moottorin pysähdysvirtaa.

Yleiset sarja- ja rinnakkaisakun suunnitteluvirheet

Mukautetun akkupaketin tiedot

Valmistaja voi arvioida sarja- ja rinnakkaiskokoonpanon tarkemmin, kun seuraavat tiedot ovat saatavilla.

Laitevaatimukset

• Tuotetyyppi

• Vaadittu tulojännitealue

• Suurin turvallinen tulojännite

• Tyypillinen käyttövirta

• Suurin jatkuva virta

• Huippuvirta ja kesto

• Vaadittu suoritusaika

• Latausmenetelmä

• Käyttölämpötila

• Käytettävissä oleva akkutila

• Pakkauksen tavoitepaino

Akkuvaatimukset

• Suositeltava kemia

• Paketin nimellinen jännite

• Vaadittu kapasiteetti

• Energian tarve

• Odotettu sarja- ja rinnakkaiskokoonpano

• Elinikätavoite

• Latausaika

• Vaadittu tyhjennysnopeus

• Matala tai korkea lämpötila

• Korkeajännitekennovaatimus

Suojausvaatimukset

• PCM tai BMS

• Ylilataus- ja ylipurkaussuoja

• Ylivirta- ja oikosulkusuojaus

• Lämpötila-anturien lukumäärä ja sijainti

• Solujen tasapainotus

• Polttoainemittari

• Latauksen tilan näyttö

• SMBus, CAN tai muu tietoliikenneprotokolla

• Todennus tai akun tunnistus

• Sulake- tai haarasuojausvaatimus

Mekaaniset ja liitäntävaatimukset

• Suurin paksuus, leveys ja pituus

• Solujen järjestely

• Kotelo tai kääre

• Liittimen valmistaja ja osanumero

• Napaisuus ja pinout

• Johdon mittari

• Kaapelin pituus

• Tasapainojohto

• NTC tai tietoliikennejohdot

• Asennus ja vedonpoisto

• Tärinä- ja pudotusvaatimukset

The Litium-akkupaketti tulisi määrittää täydelliseksi järjestelmäksi eikä pelkästään jännitteen ja mAh-arvojen mukaan.

Johtopäätös

Sarja- ja rinnakkaisliitännät palvelevat eri tarkoituksia LiPo-akuissa.

Sarjakytkentä nostaa paketin jännitettä säilyttäen samalla yhden sarjapolun Ah-kapasiteetin. Rinnakkaisliitäntä säilyttää yhden kennon jännitteen samalla kun se lisää kapasiteettia ja mahdollisesti lisää virtakapasiteettia. Sarja-rinnakkaisrakenne yhdistää molemmat tehosteet.

Nämä sähkösäännöt ovat vain lähtökohta. Valmiin pakkauksen on otettava huomioon myös enimmäislatausjännite, wattitunnit, laitteen kuormitus, kennojen sovitus, virran jakaminen, tasapainotus, BMS-virta, lämpötila, johdot, liittimet, laturin yhteensopivuus ja mekaaninen suojaus.

Monisarjapakkauksissa suojajärjestelmän on valvottava yksittäisiä sarjaryhmien jännitteitä ja vastattava tarkkaa sarjamäärää. Rinnakkaismalleissa tiiviisti sovitetut kennot ja ohjatut virtareitit ovat välttämättömiä. Kummassakin tapauksessa teoreettiset arvot tulee vahvistaa pakkaustason ja laitetason testeillä ennen tuotantoa.

Usein kysytyt kysymykset

Lisääkö LiPo-akkujen kytkeminen sarjaan kapasiteettia?

Se lisää varastoitua kokonaisenergiaa ja akkujännitettä, mutta Ah- tai mAh-arvo pysyy yhtä suurena kuin yhden sarjapolun kapasiteetti. Kaksi sarjassa olevaa 3,7 V, 1000 mAh:n kennoa muodostavat 7,4 V:n 1000 mAh:n pakkauksen.

Lisääkö LiPo-akkujen kytkeminen rinnan jännitettä?

Ei. Rinnakkaiset kennot säilyttävät yhden kennon jännitteen, kun niiden kapasiteettia lisätään. Kaksi 3,7 V, 1000 mAh:n kennoa rinnakkain muodostavat 3,7 V:n 2000 mAh:n pakkauksen.

Mitä eroa on 2S2P:n ja 4S1P:n välillä?

2S2P-paketissa on kaksi sarjaryhmää, joissa kummassakin ryhmässä on kaksi rinnakkaista solua. 4S1P-pakkauksessa on neljä kennoa sarjassa, joten se tuottaa kaksinkertaisen nimellisjännitteen mutta puolet Ah-kapasiteetista, kun käytetään identtisiä kennoja.

Tarvitseeko 2S2P-paketti 2S tai 4S BMS:n?

Se vaatii normaalisti 2S BMS:n, koska suojajärjestelmä valvoo kahta sarjajänniteryhmää. BMS:n on myös tuettava kahden rinnakkaisen ryhmän kokonaiskapasiteettia, latausvirtaa, purkausvirtaa ja tasapainotusvaatimuksia.

Voidaanko erikapasiteettisia LiPo-kennoja kytkeä rinnakkain?

Niitä ei yleensä pitäisi yhdistää OEM-pakkaukseen, ellei koko suunnittelua ole erityisesti arvioitu. Erot kapasiteetissa, vastuksessa, iässä tai kunnossa voivat aiheuttaa epätasaista virranjakoa ja nopeutettua huononemista.

Voidaanko kaksi suojattua LiPo-akkua kytkeä rinnakkain?

Vain jos akkujärjestelmä on suunniteltu rinnakkaiskäyttöön. Pakettijännite-erot, käänteisvirta, BMS-vuorovaikutus, kytkentäjärjestys ja haarasuojaus on otettava huomioon.

Kaksinkertaistaako rinnakkaisten solujen lisääminen purkausvirran?

Se voi lisätä käytettävissä olevaa virtaa, kun käytetään identtisiä kennoja ja balansoituja virtateitä, mutta turvallista valmiin paketin virtaa rajoittavat silti BMS, kielekkeet, liitännät, johdotukset, liitin, lämpötila ja virranjako.

Mikä kokoonpano tarjoaa pidemmän käyttöajan: sarja vai rinnakkainen?

Ajonaikaa ei voida määrittää pelkästään S- tai P-lukujen perusteella. Vertaa kokonaiswattitunteja ja testaa koko laitetta, koska syöttöjännite, muunnostehokkuus, kuormituskäyttäytyminen, katkaisujännite, lämpötila ja purkausnopeus vaikuttavat myös käyttöaikaan.