Paket Baterai LiPo Seri vs Paralel: Tegangan, Kapasitas, dan Persyaratan Perlindungan

Koneksi seri dan paralel memungkinkan produsen baterai membuat paket berdasarkan voltase, kapasitas, waktu pengoperasian, dan kebutuhan daya suatu perangkat.

Aturan dasarnya tampak sederhana: sambungan seri meningkatkan tegangan, sedangkan sambungan paralel meningkatkan kapasitas. Namun dalam praktiknya, pemilihan konfigurasi juga mempengaruhi tegangan pengisian, kemampuan arus, keseimbangan sel, pengkabelan, sirkuit proteksi, tata letak fisik, dan perilaku kegagalan.

Paket baterai lipo 2S1P dan paket baterai lipo 1S2P mungkin berisi jumlah sel yang sama dan menyimpan energi total yang kira-kira sama, namun keduanya tidak dapat dipertukarkan. Yang satu menyuplai tegangan yang lebih tinggi, sementara yang lain mempertahankan tegangan sel tunggal dan menyediakan kapasitas ampere-jam yang lebih besar.

Panduan ini menjelaskan cara kerja paket baterai LiPo seri, paralel, dan seri-paralel, cara menghitung spesifikasi kelistrikan utamanya, dan persyaratan perlindungan apa yang harus dipertimbangkan sebelum memilih struktur paket.

Poin Penting

• Sel-sel yang dihubungkan secara seri meningkatkan tegangan paket tetapi tidak menambah kapasitas ampere-jamnya.

• Sel-sel yang terhubung secara paralel meningkatkan kapasitas sambil mempertahankan tegangan satu sel.

• Konfigurasi seri-paralel meningkatkan tegangan dan kapasitas.

• Huruf S menunjukkan jumlah kelompok sel yang terhubung seri.

• Huruf P menunjukkan jumlah sel yang terhubung secara paralel dalam setiap kelompok.

• Paket 2S2P berisi empat sel yang disusun sebagai dua grup seri dengan dua sel di setiap grup paralel.

• Watt-jam memberikan perbandingan energi yang lebih baik daripada mAh ketika paket memiliki voltase berbeda.

• Grup yang terhubung seri memerlukan pemantauan tegangan individual dan mungkin memerlukan penyeimbangan.

• Sel-sel dalam kelompok paralel harus dipasangkan secara erat dan dibawa ke tegangan yang sesuai sebelum sambungan permanen.

• Papan pelindung harus sesuai dengan kimia sel, jumlah seri, tegangan pengisian, arus kontinu, arus puncak, dan fungsi yang diperlukan.

• Menambahkan sel paralel tidak secara otomatis menggandakan arus paket aman dalam setiap kondisi pengoperasian.

• Paket dengan voltase, kapasitas, usia, atau status pengisian daya yang berbeda tidak boleh digabungkan tanpa desain yang dirancang.

• Konfigurasi baterai, pengisi daya, BMS, konektor, kabel, dan sistem daya perangkat harus dievaluasi bersama.

Apa Arti 1S, 2S, 2P, dan 2S2P?

Konfigurasi paket baterai biasanya dijelaskan menggunakan huruf S dan P.

• S berarti seri.

• P artinya paralel.

• Angka sebelum setiap huruf menunjukkan berapa banyak sel atau grup sel yang menggunakan koneksi tersebut.

Contoh umum meliputi:

Jumlah total sel dapat dihitung sebagai:

Total sel = Jumlah seri × Jumlah paralel

Misalnya:

3S2P = 3 × 2 = 6 sel

Pada sebagian besar spesifikasi baterai, konfigurasi yang ditulis hanya sebagai '2S' dipahami sebagai 2S1P kecuali jika hitungan paralel dinyatakan secara terpisah. Namun, untuk proyek OEM, kedua nilai tersebut harus didokumentasikan untuk menghindari ambiguitas.

Sekilas tentang Paket Baterai LiPo Seri vs Paralel

Perbandingan berikut mengasumsikan sel identik dengan kimia, tegangan nominal, kapasitas, dan kemampuan pengosongan yang sama.

Ini adalah prinsip-prinsip konfigurasi dan bukan jaminan peringkat paket jadi. Performa sebenarnya mungkin dibatasi oleh spesifikasi sel, interkoneksi, papan pelindung, konektor, ukuran kabel, suhu, dan desain produk.

Cara Kerja Paket Baterai LiPo Seri

Sel-sel dihubungkan secara seri dengan menghubungkan terminal positif suatu sel ke terminal negatif sel berikutnya. Dua terminal luar yang tersisa membentuk keluaran paket.

Arus yang sama melewati setiap sel atau grup paralel pada jalur seri.

Bagaimana Koneksi Seri Mempengaruhi Tegangan

Tegangan paket nominal adalah jumlah tegangan nominal sel yang terhubung seri:

Tegangan nominal paket = Tegangan nominal sel × Jumlah seri

Untuk sel standar 3,7 V:

Tegangan muatan penuh dihitung sebagai:

Tegangan paket maksimum = Batas pengisian daya sel × Jumlah seri

Nilai 4,2 V berlaku untuk sel polimer litium-ion konvensional yang dirancang untuk batas muatan tersebut. Bahan kimia tegangan tinggi mungkin memerlukan 4,35 V, 4,4 V, atau batas tertentu lainnya per sel.

Sebuah produk yang dirancang Oleh karena itu, baterai LiPo bertegangan tinggi memerlukan pengisi daya dan sistem perlindungan yang kompatibel. Batas muatan per sel yang lebih tinggi tidak boleh diasumsikan hanya dari tegangan nominal saja.

Bagaimana Koneksi Seri Mempengaruhi Kapasitas

Menghubungkan sel 1000 mAh yang identik secara seri tidak menambah peringkat mAhnya.

Misalnya:

• Satu sel 3,7 V 1000 mAh: 3,7 V, 1000 mAh

• Dua sel secara seri: 7,4 V, 1000 mAh

• Tiga sel secara seri: 11,1 V, 1000 mAh

Paket tersebut mengandung lebih banyak energi karena voltasenya meningkat, meskipun nilai Ah tetap tidak berubah.

Bagaimana Sambungan Seri Mempengaruhi Arus

Dalam paket 2S1P, arus yang sama melewati kedua sel. Jika sel diberi peringkat untuk arus kontinu tertentu, menambahkan sel identik lainnya secara seri tidak secara otomatis menggandakan peringkat arus tersebut.

Arus paket yang telah selesai dibatasi oleh nilai terendah yang berlaku di antara:

• Arus pelepasan kontinu sel

• Kemampuan arus puncak sel

• Peringkat PCM atau BMS saat ini

• MOSFET dan desain yang masuk akal saat ini

• Kapasitas strip nikel, tab, busbar, atau PCB

• Ukuran kawat

• Peringkat konektor

• Komponen sekering atau pembatas arus

• Kondisi termal

Tegangan paket yang lebih tinggi memungkinkan perangkat memperoleh daya yang sama pada arus yang lebih rendah, namun hal itu bergantung pada beban dan arsitektur konversi daya.

Mengapa Paket Seri Membutuhkan Pemantauan Kelompok Sel

Sel yang terhubung secara seri tidak akan tetap sama persis sepanjang masa pakainya. Perbedaan kecil dalam kapasitas, resistansi internal, self-discharge, suhu, dan penuaan dapat menyebabkan status muatannya berbeda.

Selama pengisian, satu grup seri mungkin mencapai batas tegangan atas sebelum grup lainnya. Selama pelepasan, kelompok yang paling lemah mungkin mencapai batas bawahnya terlebih dahulu.

Oleh karena itu, sistem proteksi dan pemantauan harus merespons tegangan kelompok seri individual daripada hanya mengandalkan tegangan paket total.

Pembacaan paket total sebesar 8,0 V, misalnya, tidak membuktikan bahwa paket 2S seimbang. Ini bisa terdiri dari:

• 4.0V dan 4.0V

• 4,15V dan 3,85V

• 4,25V dan 3,75V

Contoh terakhir mempunyai tegangan total yang sama tetapi mungkin sudah menempatkan satu grup di luar batas yang diizinkan.

Cara Kerja Paket Baterai LiPo Paralel

Pada sambungan paralel, terminal positif dihubungkan bersama dan terminal negatif dihubungkan bersama.

Oleh karena itu, semua sel dalam grup berbagi tegangan terminal yang sama.

Bagaimana Koneksi Paralel Mempengaruhi Tegangan

Tegangannya tetap sama dengan tegangan satu sel:

Tegangan paket = Tegangan sel

Untuk dua sel standar 3,7 V yang dihubungkan secara paralel:

• Tegangan nominal: 3,7V

• Tegangan pengisian penuh tipikal: 4,2 V

• Konfigurasi: 1S2P

Menambahkan lebih banyak sel paralel tidak menghasilkan 7,4 V atau 11,1 V. Sel tersebut terus membentuk kelompok tegangan tunggal.

Bagaimana Koneksi Paralel Mempengaruhi Kapasitas

Kapasitas sel paralel yang sangat cocok ditambahkan:

Kapasitas paket = Kapasitas sel × Jumlah paralel

Untuk sel 1000 mAh yang identik:

Hal ini membuat konstruksi paralel berguna ketika aplikasi memerlukan waktu pengoperasian yang lebih lama namun harus mempertahankan platform tegangan sel tunggal.

Bagaimana Koneksi Paralel Mempengaruhi Kemampuan Saat Ini

Secara teori, sel-sel identik yang dihubungkan melalui jalur arus seimbang dapat berbagi beban. Oleh karena itu, dua sel yang cocok secara paralel dapat menghasilkan arus lebih dari satu sel.

Namun, arus paket aman tidak boleh dihitung dengan mengalikan rating sel tanpa evaluasi lebih lanjut.

Berbagi saat ini dapat dipengaruhi oleh:

• Resistensi internal sel

• Variasi kapasitas

• Perbedaan suhu

• Resistensi tab dan interkoneksi

• Posisi sel dalam paket

• Simetri perutean kabel

• Perbedaan biaya

• Penuaan

• Resistensi konektor

• Batasan papan perlindungan

Satu sel dapat memikul beban yang lebih besar jika memiliki resistansi yang lebih rendah atau jalur arus yang lebih pendek. Paket tersebut kemudian dapat mengembangkan pemanasan lokal bahkan ketika arus total tampaknya berada dalam batas teoritis sederhana.

Arti laju debit dan hubungannya dengan kapasitas dijelaskan lebih lanjut pada bagian ini apa arti peringkat C pada baterai lithium polimer.

Apakah Sel Paralel Perlu Keseimbangan?

Sel paralel yang terhubung langsung berbagi tegangan terminal yang sama, sehingga BMS biasanya memperlakukan grup paralel lengkap sebagai satu simpul tegangan.

Itu tidak berarti pencocokan sel tidak diperlukan. Tegangan terminal yang sama tidak menjamin kapasitas, resistansi, suhu, atau kontribusi arus yang sama.

Sel yang dipilih untuk satu grup paralel biasanya memiliki kompatibilitas:

• Kimia

• Batas tegangan pengisian

• Kapasitas

• Resistensi internal

• Karakteristik debit

• Sejarah produksi

• Kondisi usia dan siklus

• Desain fisik

• Status tanggung jawab pada pertemuan

Sel yang rusak atau terdegradasi secara signifikan dapat memberikan beban tambahan pada sel yang tersisa dan mengurangi keandalan seluruh kelompok.

Mengapa Tegangan Harus Diperiksa Sebelum Penyambungan Paralel

Sel-sel dengan voltase berbeda tidak boleh dihubungkan begitu saja.

Setelah terhubung, sel bertegangan tinggi dapat mengalir dengan cepat ke sel bertegangan rendah. Arus pemerataan yang dihasilkan mungkin dibatasi terutama oleh resistansi sel dan sambungan dan dapat menjadi jauh lebih tinggi daripada arus pengisian normal.

Oleh karena itu, kelompok paralel harus dirakit melalui proses manufaktur yang terkontrol menggunakan sel yang berkualitas dan sangat cocok. Pengguna akhir tidak boleh menambahkan sel baru ke kemasan lama atau menghubungkan dua sel kantong yang longgar secara paralel tanpa desain yang tervalidasi dan peralatan yang sesuai.

Cara Kerja Paket LiPo Seri-Paralel

Paket seri-paralel menggabungkan kedua metode koneksi.

Pertimbangkan desain 2S2P yang terbuat dari empat sel identik 3,7 V, 1000 mAh:

1. Dua sel dihubungkan secara paralel untuk membentuk grup pertama 3,7 V, 2000 mAh.

2. Dua sel lagi membentuk grup kedua 3,7 V, 2000 mAh.

3. Kedua kelompok paralel dihubungkan secara seri.

Spesifikasi teoritis yang dihasilkan adalah:

• Tegangan nominal: 7,4 V

• Kapasitas: 2000mAh

• Energi: 14,8 Jam

• Konfigurasi: 2S2P

• Jumlah sel: 4

Rumusnya adalah:

Tegangan paket = Tegangan nominal sel × S

Kapasitas paket = Kapasitas sel × P

Jumlah sel total = S × P

Energi nominal = Tegangan paket × Kapasitas paket dalam Ah

Dalam desain ini, BMS memonitor dua tegangan kelompok seri. Setiap kelompok yang dipantau berisi dua sel paralel.

Oleh karena itu, paket 2S2P tidak dipantau sebagai paket 4S. Memilih papan pelindung berdasarkan jumlah total sel individual dan bukan berdasarkan jumlah seri akan salah.

Membandingkan Tegangan, Kapasitas, dan Watt-Jam

Perbedaan antara konstruksi seri dan paralel menjadi lebih jelas ketika paket dibandingkan menggunakan sel identik 3,7 V, 1000 mAh.

Contoh 2S1P dan 1S2P berisi dua sel dan menyimpan sekitar 7,4 Wh. Peringkat tegangan dan kapasitasnya berbeda, tetapi energi nominal teoretisnya serupa.

Mereka tetap tidak dapat saling menggantikan karena perangkat melihat tegangan masukan yang berbeda.

Mengapa mAh Sendiri Tidak Dapat Membandingkan Paket Baterai yang Berbeda

Paket 3,7 V 2000 mAh dan paket 7,4 V 1000 mAh keduanya berisi sekitar 7,4 Wh:

3,7V × 2,0Ah = 7,4Wh

7,4V × 1,0Ah = 7,4Wh

Melihat mAh saja akan membuat paket pertama tampak memiliki kapasitas dua kali lipat. Dari segi energi, keduanya serupa.

Oleh karena itu, watt-jam lebih berguna ketika membandingkan paket dengan voltase berbeda.

Namun, Wh yang sama tidak menjamin waktu pengoperasian perangkat yang sama. Waktu pengoperasian sebenarnya juga bergantung pada:

• Efisiensi konversi tegangan

• Arus perangkat pada tegangan input berbeda

• Resistansi internal baterai

• Tegangan potong

• Tingkat debit

• Suhu

• Penuaan sel

• Penurunan tegangan papan proteksi

• Kapasitas yang dapat digunakan di bawah beban sebenarnya

Waktu pengoperasian pada akhirnya harus diverifikasi pada perangkat yang sudah jadi, bukan diprediksi hanya dari mAh saja.

Apakah Jumlah Seri yang Lebih Tinggi Memberikan Lebih Banyak Kekuatan?

Meningkatnya tegangan dapat membuat lebih banyak daya tersedia, namun hanya jika sel, sistem proteksi, perkabelan, dan perangkat dapat menyuplai dan menerima arus yang diperlukan.

Daya listrik dihitung sebagai:

Daya = Tegangan × Arus

Paket 7,4 V yang menyalurkan 2 A menyediakan sekitar 14,8 W. Paket 3,7 V perlu menyalurkan sekitar 4 A untuk menyediakan daya input yang sama, sebelum memperhitungkan kerugian konversi.

Inilah salah satu alasan seorang perancang memilih paket tegangan tinggi untuk motor, pemanas, pompa, robotika, atau produk lain yang membutuhkan daya. Arus yang lebih rendah untuk daya yang sama dapat mengurangi kerugian konduktor, namun jumlah seri yang lebih tinggi juga meningkatkan tegangan pengisi daya, kompleksitas BMS, persyaratan tegangan komponen, dan pertimbangan isolasi.

Pemilihan harus dimulai dengan rentang tegangan masukan dan profil beban perangkat, bukan asumsi bahwa lebih banyak sel seri secara otomatis lebih baik.

Persyaratan Perlindungan untuk Paket 1S

Paket seri tunggal hanya memiliki satu grup tegangan, sehingga tidak memerlukan penyeimbangan antar sel seri.

PCM-nya mungkin masih perlu menyediakan:

• Perlindungan harga yang berlebihan

• Perlindungan pelepasan berlebih

• Perlindungan arus berlebih

• Perlindungan sirkuit pendek

• Kontrol pengisian dan pengosongan

• Pemantauan suhu

• keluaran NTC

• Identifikasi baterai

• Pengukuran atau komunikasi bahan bakar

Pengisi daya harus sesuai dengan kimia sel dan volume pengisian maksimumtage. PCM menghentikan kondisi abnormal, namun ini bukan pengganti pengisi daya yang dikontrol dengan benar.

Dalam desain 1S2P atau 1S3P, rangkaian proteksi melihat grup paralel sebagai satu node tegangan berkapasitas lebih besar. Peringkatnya saat ini harus didasarkan pada muatan paket lengkap, bukan kapasitas satu sel.

Persyaratan Perlindungan untuk Paket Multi-Seri

Desain seri 2S, 3S, atau lebih tinggi memerlukan sirkuit perlindungan yang sesuai untuk jumlah seri yang tepat.

BMS atau PCM multi-sel mungkin perlu melakukan:

• Pemantauan tegangan kelompok seri individu

• Kemas pemantauan saat ini

• Mengisi perlindungan arus berlebih

• Debit perlindungan arus berlebih

• Perlindungan sirkuit pendek

• Batasan harga yang berlebihan

• Batasan pelepasan berlebih

• Penyeimbangan kelompok sel

• Pemantauan suhu

• kendali MOSFET

• Estimasi biaya negara

• Rekaman kesalahan

• Komunikasi dengan perangkat host

Peringkat tegangan komponen juga harus mengakomodasi tegangan paket maksimum, termasuk margin desain yang sesuai.

Mengapa Tegangan Paket Total Tidak Cukup

Memantau tegangan total saja tidak dapat secara andal mengidentifikasi kelompok individu yang kelebihan muatan atau kelebihan muatan.

Oleh karena itu, rangkaian proteksi 3S biasanya memerlukan akses ke:

• Kemas negatif

• Sambungan setelah grup seri 1

• Sambungan setelah grup seri 2

• Kemas positif setelah grup seri 3

Oleh karena itu, rangkaian pemantauan konvensional memiliki satu sambungan tegangan lebih banyak daripada jumlah seri:

Koneksi indra tegangan = S + 1

Paket dengan BMS terintegrasi mungkin tidak mengekspos koneksi ini secara eksternal, namun masih diperlukan secara internal untuk pemantauan grup seri individual.

Apa Fungsi Penyeimbangan Sel

Penyeimbangan membantu membatasi perbedaan antara kelompok yang terhubung secara seri.

Sistem penyeimbang pasif biasanya menghilangkan sejumlah kecil energi dari kelompok tegangan tinggi sehingga kelompok tegangan lebih rendah dapat terus mengisi daya. Sistem penyeimbangan aktif yang lebih canggih dapat mendistribusikan kembali energi antar kelompok.

Penyeimbangan tidak dapat sepenuhnya memperbaiki:

• Sel yang rusak

• Kehilangan kapasitas yang parah

• Debit diri yang tinggi

• Sambungan listrik yang buruk

• Perbedaan resistensi internal yang besar

• Sel yang tidak cocok

• Tata letak paket yang tidak sesuai

Paket yang berulang kali mengalami ketidakseimbangan yang besar harus diperiksa daripada mengandalkan sirkuit penyeimbang untuk menyembunyikan masalah mendasar.

Persyaratan Perlindungan untuk Kelompok Paralel

Konstruksi paralel menciptakan serangkaian prioritas desain yang berbeda.

Pencocokan Sel

Sel harus dipilih dari kelompok produksi dan kinerja yang kompatibel. Mencampur sel dengan kapasitas, kimia, batas voltase, usia, atau resistansi internal yang berbeda dapat menyebabkan pembagian arus yang tidak merata.

Efek praktis dari variasi sel dibahas lebih rinci di mengapa paket baterai litium-ion menjadi tidak konsisten.

Desain Jalur Saat Ini

Resistansi interkoneksi harus dijaga tetap rendah dan seimbang. Tata letaknya harus menghindari pemaksaan satu sel atau tab untuk membawa arus yang tidak proporsional.

Faktor desain meliputi:

• geometri tab

• Dimensi strip nikel atau busbar

• Ketebalan tembaga PCB

• Posisi koneksi

• Penempatan timah

• Kualitas las

• Jarak sel

• Pembuangan panas

• Lokasi konektor

Penahanan Kesalahan

Dalam kelompok paralel yang terhubung secara permanen, sel-sel sehat dapat menyuplai arus ke sel yang gagal atau cabang yang gagal.

Tergantung pada ukuran paket dan penilaian risiko, desainnya mungkin memerlukan:

• Interkoneksi yang dapat melebur

• Batasan arus cabang

• Pemisahan termal

• Sensor suhu

• Bahan tahan api

• Hambatan mekanis

• Sekering tingkat paket

• Ruang ventilasi terkendali

• Fungsi deteksi kesalahan tambahan

Pendekatan yang diperlukan bergantung pada energi paket, jenis sel, aplikasi, enclosure, persyaratan kepatuhan, dan kondisi kegagalan yang dapat diperkirakan.

Peringkat Saat Ini Dewan Perlindungan

BMS harus mendukung total arus paket yang diharapkan, termasuk:

• Arus operasi normal

• Arus kontinu maksimum

• Lonjakan startup

• Arus mati motor

• Aliran masuk pemanas

• Puncak pemancar komunikasi

• Pengisian arus

• Ambang batas deteksi kesalahan

Arus yang diiklankan pada papan tidak boleh diperlakukan sebagai arus perangkat yang dapat digunakan tanpa memeriksa kerugian MOSFET, kenaikan suhu, kondisi pendinginan, ukuran konduktor, dan waktu pemutusan.

Persyaratan Pengisi Daya untuk Paket Seri dan Paralel

Pengisi daya harus sesuai dengan bahan kimia paket, jumlah seri, batas tegangan pengisian, dan arus pengisian yang diizinkan.

Untuk sel 4,2 V konvensional:

Paket 2S tidak boleh diisi menggunakan pengisi daya 1S. Demikian pula, pengisi daya yang ditujukan untuk sel standar 4,2 V mungkin tidak cocok untuk bahan kimia bertegangan tinggi dengan batas muatan berbeda.

Kapasitas paralel mempengaruhi perhitungan arus pengisian. Jika dua sel identik ditempatkan secara paralel, paket yang sesuai dapat menerima arus total lebih dari satu sel, namun nilai yang benar bergantung pada:

• Batas tarif pengisian sel

• Kapasitas paket

• Suhu

• Pembagian arus paralel

• Peringkat dewan perlindungan

• Peringkat konektor dan kabel

• Target waktu pengisian daya

• Persyaratan siklus hidup

Pengisi daya dan BMS menjalankan fungsi berbeda. Pengisi daya mengatur profil pengisian daya, sementara sistem perlindungan merespons kondisi abnormal yang ditentukan. Yang satu tidak boleh digunakan sebagai pengganti yang lain.

Persyaratan Pencocokan Sel

Paket multi-sel yang andal dimulai dengan pemilihan sel yang sesuai.

Sel yang digunakan dalam rakitan yang sama mungkin perlu dicocokkan untuk:

• Model sel

• Kimia

• Kapasitas nominalnya

• Kapasitas terukur

• Tegangan rangkaian terbuka

• Resistensi internal

• Ketebalan dan dimensi

• Pelepasan diri

• Kelompok produksi

• Usia

• Sejarah siklus

Pencocokan penting dalam struktur seri dan paralel.

Dalam rangkaian seri, grup dengan kapasitas terendah atau resistansi tertinggi dapat mencapai batas tegangannya terlebih dahulu dan membatasi kapasitas paket yang dapat digunakan.

Dalam kelompok paralel, perbedaan hambatan dan sambungan mempengaruhi bagaimana arus dibagi. Satu sel mungkin bekerja lebih keras dan menua lebih cepat dibandingkan sel lainnya.

Produsen baterai harus menetapkan kriteria penyaringan sel yang sesuai dengan produknya daripada menggabungkan sel hanya karena spesifikasi cetakannya sama.

Bisakah Paket LiPo yang Sudah Jadi Disambungkan Secara Seri?

Dua paket yang sudah jadi tidak boleh dihubungkan secara seri kecuali sistem lengkap telah dirancang dan divalidasi untuk pengaturan tersebut.

Potensi masalah meliputi:

• Status biaya yang berbeda

• Beda kapasitas atau usia

• Sirkuit perlindungan tidak kompatibel

• Landasan yang salah

• Ketidakcocokan pengisi daya

• Kesenjangan dalam pemantauan keseimbangan

• Batas tegangan konektor

• Perilaku penghentian BMS yang tidak terduga

• Satu paket diisi ulang oleh paket lainnya

• Prosedur servis atau penggantian yang tidak aman

Beberapa paket yang dilindungi menggunakan peralihan sisi rendah atau antarmuka komunikasi yang membuat sambungan seri eksternal tidak cocok. Baterai yang aman sebagai produk mandiri belum tentu aman jika digabungkan dengan kemasan lain.

Jika aplikasi memerlukan voltase lebih tinggi, menggunakan rakitan multi-seri yang dirancang khusus biasanya lebih andal dibandingkan menyambungkan baterai yang dilindungi secara independen setelah produksi.

Bisakah Paket LiPo yang Sudah Jadi Dihubungkan Secara Paralel?

Paket yang sudah jadi tidak boleh disambungkan secara paralel hanya karena labelnya menunjukkan tegangan nominal yang sama.

Sebelum operasi paralel, desain harus memperhatikan:

• Perbedaan tegangan paket

• Perbedaan biaya negara

• Kapasitas dan usia

• Resistensi internal

• interaksi BMS

• Membalikkan arus

• Distribusi arus pengisian

• Urutan konektor

• Penghapusan paket saat diberi energi

• Perlindungan cabang

• Isolasi kesalahan

Jika satu paket mempunyai tegangan yang lebih tinggi, arus pemerataan yang besar dapat mengalir segera setelah konektor melakukan kontak.

Modul baterai paralel dapat direkayasa dengan aman, namun memerlukan metode koneksi yang ditentukan, arsitektur perlindungan yang kompatibel, pengisian daya awal yang terkontrol jika diperlukan, dan perilaku kesalahan yang divalidasi.

Bagaimana Konfigurasi Mempengaruhi Ukuran dan Tata Letak Baterai

Menambahkan sel meningkatkan energi tetapi juga mengubah desain mekanis.

Rakitan seri dan paralel dapat mempengaruhi:

• Ketebalan keseluruhan

• Lebar dan panjang

• Berat

• Titik berat

• Ruang perutean kabel

• Jari-jari tikungan

• Pembuangan panas

• Tunjangan ekspansi sel

• Perlindungan jatuh

• Ketahanan terhadap getaran

• Akses layanan

• Perakitan kandang

Dua sel kantong yang ditempatkan berdampingan dapat menghasilkan bungkusan yang lebar dan tipis. Menumpuknya dapat menghasilkan tapak yang lebih kecil dengan ketebalan yang lebih besar.

Struktur seri-paralel mungkin juga memerlukan:

• Isolasi tambahan

• Lebih banyak titik las

• BMS yang lebih besar

• Kabel penginderaan tegangan

• Sensor suhu

• Kerangka dukungan yang lebih kuat

• Pembungkus paket yang lebih rumit

• Peningkatan jarak di sekitar tab dan komponen perlindungan

Oleh karena itu, konfigurasi kelistrikan harus dipilih bersamaan dengan kompartemen baterai yang tersedia, bukan setelah penutupnya diselesaikan.

Seri vs Paralel: Konfigurasi Mana yang Harus Anda Pilih?

Pilih jumlah seri sesuai dengan voltase yang dibutuhkan perangkat.

Pilih hitungan paralel sesuai dengan energi yang dibutuhkan, waktu pengoperasian, kemampuan saat ini, ruang, dan berat.

Desain Berfokus Seri Mungkin Cocok Jika:

• Perangkat memerlukan tegangan masukan yang lebih tinggi

• Motor atau pemanas beroperasi lebih efisien pada tegangan lebih tinggi

• Sistem ini menggunakan rel tegangan di atas kisaran paket 1S

• Arus yang lebih rendah lebih disukai untuk tingkat daya tertentu

• Perangkat sudah dilengkapi pengisi daya multi-sel yang kompatibel

• Produk ini dapat menampung BMS multi-seri

Desain Berfokus Paralel Mungkin Cocok Ketika:

• Produk harus mempertahankan platform nominal 3,7 V

• Diperlukan waktu proses yang lebih lama

• Sebuah sel tunggal tidak dapat menyediakan kapasitas yang cukup

• Diperlukan lebih banyak arus keluaran dalam kondisi pengoperasian sel yang divalidasi

• Enklosur dapat menampung banyak sel

• Pengisi daya dan sistem proteksi mendukung kapasitas dan arus yang dihasilkan

Desain Seri-Paralel Mungkin Cocok Jika:

• Perangkat memerlukan voltase lebih tinggi dan waktu pengoperasian lebih lama

• String seri tunggal tidak dapat menyediakan arus yang dibutuhkan

• Kebutuhan energi melebihi kapasitas senar tunggal yang praktis

• Ruang harus didistribusikan ke beberapa posisi sel

• Aplikasi ini membenarkan BMS tambahan dan kompleksitas perakitan

ZERNE solusi baterai Li-polimer khusus mendukung struktur sel tunggal, multi-seri, paralel, dan seri-paralel berdasarkan voltase perangkat, kapasitas, ukuran, arus, konektor, dan persyaratan perlindungan.

Proses Pemilihan Konfigurasi Baterai yang Praktis

1. Konfirmasikan Tegangan Perangkat Rentang

Mengenali:

• Tegangan operasi minimum

• Tegangan operasi normal

• Tegangan masukan aman maksimum

• Persyaratan tegangan startup

• Tegangan mati

• Rentang masukan pengatur tegangan

• Tegangan motor, pemanas, atau aktuator

• Tegangan masukan dan keluaran pengisi daya

Tegangan paket maksimum yang terisi penuh harus tetap berada dalam kisaran aman setiap komponen yang terhubung.

2. Tentukan Profil Beban

Catatan:

• Arus siaga

• Arus operasi yang khas

• Arus kontinu maksimum

• Arus puncak

• Durasi puncak

• Memulai atau menghentikan arus

• Waktu pengoperasian harian

• Waktu proses yang diperlukan per pengisian daya

Arus rata-rata saja mungkin tidak mengungkapkan apakah sel, BMS, dan konektor dapat mendukung kejadian arus pendek dan tinggi.

3. Hitung Energi yang Dibutuhkan

Perkiraan pertama dapat dihitung menggunakan:

Energi yang dibutuhkan dalam Wh = Daya rata-rata dalam W × Waktu pengoperasian dalam jam

Desain praktis juga harus mempertimbangkan:

• Kerugian konversi tegangan

• Penuaan baterai

• Kehilangan kapasitas suhu rendah

• Penurunan tegangan beban tinggi

• Kapasitas cadangan

• konsumsi ASI

• Konsumsi perangkat siaga

• Kedalaman pelepasan yang diizinkan

4. Pilih Jumlah Seri

Pilih jumlah grup seri yang diperlukan untuk memenuhi voltase perangkat.

Jangan gunakan tegangan nominal saja. Memeriksa:

• Tegangan pengisian maksimum

• Rentang operasi yang khas

• Tegangan pemutusan BMS

• Ambang batas tegangan rendah perangkat

• Tegangan pengisi daya

• Peringkat tegangan komponen

5. Pilih Hitungan Paralel

Tentukan berapa banyak kapasitas dan arus yang dapat disediakan oleh satu string seri. Tambahkan sel paralel hanya bila diperlukan untuk energi, waktu proses, arus, atau pengemasan.

Lebih banyak sel paralel juga menambah berat, volume, biaya, titik las, dan energi kesalahan.

6. Rancang Sistem Proteksi

Mendefinisikan:

• Kimia

• Jumlah seri

• Kapasitas paket

• Batas pengisian daya saat ini

• Arus pelepasan terus menerus

• Arus dan durasi puncak

• Ambang batas harga yang berlebihan

• Ambang batas pelepasan berlebih

• Ambang batas arus berlebih

• Respons hubung singkat

• Batas suhu

• Menyeimbangkan strategi

• Persyaratan komunikasi

7. Konfirmasikan Pengisi Daya dan Konektor

Pengisi daya harus sesuai dengan paket lengkap, sedangkan konektor dan kabel utama harus mendukung arus sebenarnya.

Seri konektor, polaritas, pinout, pengukur kawat, panjang kabel, dan sambungan keseimbangan harus didokumentasikan sebelum sampel diproduksi.

8. Buat dan Uji Sampel

Validasi harus diselesaikan di dalam perangkat sebenarnya.

Tes yang relevan mungkin termasuk:

• Kompatibilitas pengisian daya

• Tegangan muatan penuh

• Tegangan kelompok seri individu

• Penyeimbangan sel

• Waktu proses

• Penurunan tegangan beban maksimum

• Respon arus puncak

• Kenaikan suhu

• Perilaku cutoff BMS

• Perlindungan sirkuit pendek

• Pemanasan konektor

• Perutean kabel

• Penutup pas

• Kinerja jatuh dan getaran

• Bersepeda berulang kali

• Penyimpanan dan self-discharge

Itu Sistem kendali mutu baterai li-polimer memberikan informasi tambahan tentang pengujian sel, inspeksi perakitan, verifikasi kelistrikan, dan kendali kemasan jadi.

Contoh Konfigurasi yang Berhasil

Contoh 1: Perangkat Pelacakan Ringkas

Misalkan pelacak beroperasi dari platform tegangan sel tunggal dan memerlukan waktu proses lebih lama daripada yang dapat disediakan oleh satu sel 1000 mAh.

Konfigurasi yang mungkin adalah:

• Sel: 3,7V, 1000mAh

• Struktur: 1S2P

• Tegangan paket: nominal 3,7 V

• Kapasitas paket: 2000 mAh

• Energi nominal: 7,4 Wh

Desainnya mempertahankan tegangan pengisian sel tunggal tetapi memerlukan sirkuit perlindungan dan konektor yang sesuai untuk gabungan arus dan kapasitas.

Contoh 2: Perangkat Portabel yang Membutuhkan 7,4 V

Misalkan produk genggam membutuhkan sekitar 7,4 V dan 2000 mAh.

Menggunakan sel 3,7 V, 2000 mAh:

• Struktur: 2S1P

• Tegangan paket: nominal 7,4 V

• Kapasitas paket: 2000 mAh

• Energi nominal: 14,8 Wh

• Tegangan pengisian penuh tipikal: 8,4 V

Paket ini memerlukan sistem perlindungan 2S dan profil pengisian daya lithium-ion 8,4 V.

Contoh 3: Robot Membutuhkan Tegangan dan Kapasitas Lebih Tinggi

Misalkan robot membutuhkan nominal 11,1 V dan 4000 mAh. Menggunakan sel 2000 mAh:

• Struktur: 3S2P

• Jumlah sel: 6

• Tegangan paket: nominal 11,1 V

• Kapasitas paket: 4000 mAh

• Energi nominal: 44,4 Wh

• Tegangan pengisian penuh tipikal: 12,6 V

BMS harus memantau tiga kelompok seri sambil mendukung arus normal robot, lonjakan startup, dan kemungkinan arus motor terhenti.

Kesalahan Umum Desain Baterai Seri dan Paralel

Informasi yang Harus Disediakan untuk Paket Baterai Khusus

Pabrikan dapat mengevaluasi konfigurasi seri dan paralel dengan lebih akurat bila informasi berikut tersedia.

Persyaratan Perangkat

• Jenis produk

• Kisaran tegangan masukan yang diperlukan

• Tegangan masukan aman maksimum

• Arus operasi yang khas

• Arus kontinu maksimum

• Arus dan durasi puncak

• Waktu proses yang diperlukan

• Metode pengisian daya

• Suhu pengoperasian

• Ruang baterai yang tersedia

• Berat paket target

Persyaratan Baterai

• Kimia pilihan

• Tegangan paket nominal

• Kapasitas yang dibutuhkan

• Kebutuhan energi

• Konfigurasi seri dan paralel yang diharapkan

• Target siklus hidup

• Waktu pengisian daya

• Tingkat debit yang diperlukan

• Persyaratan suhu rendah atau tinggi

• Persyaratan sel tegangan tinggi

Persyaratan Perlindungan

• PCM atau BMS

• Perlindungan pengisian berlebih dan pelepasan berlebih

• Perlindungan kelebihan arus dan arus pendek

• Jumlah dan lokasi sensor suhu

• Penyeimbangan sel

• Pengukur bahan bakar

• Tampilan penuh biaya

• SMBus, CAN, atau protokol komunikasi lainnya

• Otentikasi atau identifikasi baterai

• Persyaratan perlindungan sekering atau cabang

Persyaratan Mekanik dan Sambungan

• Ketebalan, lebar, dan panjang maksimum

• Pengaturan sel

• Penutup atau pembungkus

• Produsen konektor dan nomor komponen

• Polaritas dan pinout

• Pengukur kawat

• Panjang kabel

• Keseimbangan memimpin

• NTC atau kabel komunikasi

• Pemasangan dan ketegangan lega

• Persyaratan getaran dan jatuh

Itu paket baterai litium harus ditentukan sebagai sistem yang lengkap, bukan sebagai nilai voltase dan mAh saja.

Kesimpulan

Koneksi seri dan paralel memiliki tujuan berbeda dalam paket baterai LiPo.

Sambungan seri menaikkan tegangan paket sambil mempertahankan kapasitas Ah dari satu jalur seri. Sambungan paralel mempertahankan tegangan satu sel sekaligus menambah kapasitas dan berpotensi meningkatkan kemampuan arus. Struktur seri-paralel menggabungkan kedua efek tersebut.

Aturan kelistrikan ini hanyalah titik awal. Paket yang sudah jadi juga harus memperhitungkan voltase pengisian daya maksimum, Watt-jam, beban perangkat, pencocokan sel, pembagian arus, penyeimbangan, arus BMS, suhu, pengkabelan, konektor, kompatibilitas pengisi daya, dan perlindungan mekanis.

Untuk paket multi-seri, sistem proteksi harus memantau tegangan kelompok seri individual dan mencocokkan jumlah seri yang tepat. Untuk desain paralel, sel yang sangat cocok dan jalur arus yang terkontrol sangat penting. Dalam kedua kasus tersebut, nilai teoritis harus dikonfirmasi melalui pengujian tingkat paket dan tingkat perangkat sebelum produksi.

Pertanyaan yang Sering Diajukan

Apakah menghubungkan baterai LiPo secara seri meningkatkan kapasitas?

Ini meningkatkan total energi yang tersimpan dan tegangan paket, namun peringkat Ah atau mAh tetap sama dengan kapasitas satu jalur seri. Dua sel 3,7 V, 1000 mAh secara seri membentuk paket 7,4 V, 1000 mAh.

Apakah menghubungkan baterai LiPo secara paralel meningkatkan voltase?

Tidak. Sel paralel mempertahankan tegangan satu sel sementara kapasitasnya ditambahkan. Dua sel 3,7 V, 1000 mAh secara paralel membentuk paket 3,7 V, 2000 mAh.

Apa perbedaan antara 2S2P dan 4S1P?

Paket 2S2P memiliki dua grup seri dengan dua sel paralel di setiap grup. Paket 4S1P memiliki empat sel secara seri, sehingga memberikan tegangan nominal dua kali lipat tetapi setengah kapasitas Ah ketika sel yang sama digunakan.

Apakah paket 2S2P memerlukan BMS 2S atau 4S?

Biasanya memerlukan BMS 2S karena sistem proteksi memonitor dua kelompok tegangan seri. BMS juga harus mendukung kapasitas total, arus pengisian, arus pelepasan, dan persyaratan keseimbangan dari dua kelompok paralel.

Bisakah sel LiPo dengan kapasitas berbeda dihubungkan secara paralel?

Mereka biasanya tidak digabungkan dalam paket OEM kecuali desain lengkap telah dievaluasi secara khusus. Perbedaan kapasitas, ketahanan, usia, atau kondisi dapat mengakibatkan pembagian arus yang tidak merata dan percepatan degradasi.

Bisakah dua paket baterai LiPo yang dilindungi dihubungkan secara paralel?

Hanya jika sistem baterai telah direkayasa untuk pengoperasian modul paralel. Perbedaan tegangan paket, arus balik, interaksi BMS, urutan koneksi, dan perlindungan cabang semuanya harus diatasi.

Apakah menambahkan sel paralel menggandakan arus pelepasan?

Hal ini dapat meningkatkan arus yang tersedia ketika sel yang identik dan jalur arus seimbang digunakan, namun arus paket akhir yang aman masih dibatasi oleh BMS, tab, interkoneksi, pengkabelan, konektor, suhu, dan perilaku pembagian arus.

Konfigurasi mana yang memberikan waktu proses lebih lama: seri atau paralel?

Runtime tidak dapat ditentukan hanya dari hitungan S atau P saja. Bandingkan total Watt-jam dan uji seluruh perangkat karena tegangan masukan, efisiensi konversi, perilaku beban, tegangan pemutusan, suhu, dan laju pelepasan juga memengaruhi waktu kerja yang dapat digunakan.