Serie versus parallelle LiPo-batterijpakketten: vereisten voor spanning, capaciteit en bescherming

Door serie- en parallelle verbindingen kunnen batterijfabrikanten een geheel samenstellen rond de spanning, capaciteit, looptijd en stroomvereisten van een apparaat.

De basisregels lijken eenvoudig: serieverbindingen verhogen de spanning, terwijl parallelle verbindingen de capaciteit vergroten. In de praktijk heeft het selecteren van een configuratie echter ook invloed op de laadspanning, de stroomcapaciteit, de celbalancering, de bedrading, de beveiligingscircuits, de fysieke lay-out en het storingsgedrag.

Een 2S1P lipo-batterijpakket en een 1S2P lipo-batterijpakket kunnen hetzelfde aantal cellen bevatten en ongeveer dezelfde totale energie opslaan, maar ze zijn niet uitwisselbaar. De ene levert een hogere spanning, terwijl de andere de eencellige spanning behoudt en een grotere capaciteit per ampère-uur biedt.

In deze handleiding wordt uitgelegd hoe serie-, parallelle en serie-parallelle LiPo-batterijpakketten werken, hoe u hun belangrijkste elektrische specificaties kunt berekenen en met welke beschermingsvereisten rekening moet worden gehouden voordat u een pakketstructuur kiest.

Belangrijkste afhaalrestaurants

• In serie geschakelde cellen verhogen de pack-spanning, maar voegen hun ampère-uurcapaciteiten niet toe.

• Cellen die parallel zijn aangesloten verhogen de capaciteit terwijl de spanning van één cel behouden blijft.

• Een serie-parallelle configuratie verhoogt zowel de spanning als de capaciteit.

• De letter S geeft het aantal in serie geschakelde celgroepen aan.

• De letter P geeft het aantal parallel geschakelde cellen binnen elke groep aan.

• Een 2S2P-pakket bevat vier cellen die zijn gerangschikt als twee seriegroepen met twee cellen in elke parallelle groep.

• Watturen bieden een betere energievergelijking dan mAh wanneer pakketten verschillende spanningen hebben.

• In serie geschakelde groepen vereisen individuele spanningsbewaking en mogelijk balancering.

• Cellen in een parallelle groep moeten goed op elkaar zijn afgestemd en op een geschikte spanning worden gebracht voordat ze definitief worden aangesloten.

• Een beveiligingsbord moet overeenkomen met de celchemie, het aantal series, de laadspanning, de continue stroom, de piekstroom en de vereiste functies.

• Het toevoegen van parallelle cellen verdubbelt niet automatisch de veilige pakketstroom onder elke bedrijfsomstandigheden.

• Pakketten met verschillende spanningen, capaciteiten, leeftijden of laadtoestanden mogen niet worden gecombineerd zonder een technisch ontwerp.

• De batterijconfiguratie, lader, GBS, connector, bedrading en voedingssysteem van het apparaat moeten samen worden geëvalueerd.

Wat betekenen 1S, 2S, 2P en 2S2P?

Configuraties van accu's worden normaal gesproken beschreven met de letters S en P.

• S betekent serie.

• P betekent parallel.

• Het cijfer vóór elke letter geeft aan hoeveel cellen of celgroepen die verbinding gebruiken.

Veel voorkomende voorbeelden zijn:

Het totale celgetal kan als volgt worden berekend:

Totaal aantal cellen = serietelling x parallelle telling

Bijvoorbeeld:

3S2P = 3 × 2 = 6 cellen

In de meeste batterijspecificaties wordt met een configuratie die alleen als '2S' wordt geschreven, 2S1P bedoeld, tenzij een parallelle telling afzonderlijk wordt vermeld. Voor een OEM-project moeten beide waarden echter worden gedocumenteerd om dubbelzinnigheid te voorkomen.

Serie versus parallelle LiPo-batterijpakketten in één oogopslag

De volgende vergelijking gaat uit van identieke cellen met dezelfde chemie, nominale spanning, capaciteit en ontladingscapaciteit.

Dit zijn configuratieprincipes in plaats van gegarandeerde beoordelingen van voltooide pakketten. De werkelijke prestaties kunnen worden beperkt door de celspecificatie, verbindingen, beveiligingsplaat, connector, kabelgrootte, temperatuur en productontwerp.

Hoe een serie LiPo-batterijpakket werkt

Cellen worden in serie verbonden door de positieve pool van de ene cel met de negatieve pool van de volgende te verbinden. De twee overige buitenste terminals vormen de pakketuitvoer.

Dezelfde stroom gaat door elke cel of parallelle groep in het seriepad.

Hoe serieschakeling de spanning beïnvloedt

De nominale pakketspanning is de som van de nominale spanningen van de in serie geschakelde cellen:

Nominale spanning van pakket = Nominale celspanning × Serietelling

Voor standaard 3,7 V-cellen:

De volledige laadspanning wordt berekend als:

Maximale pakketspanning = Cellaadlimiet × Aantal series

De waarde van 4,2 V geldt voor een conventionele lithium-ion-polymeercel die voor die laadlimiet is ontworpen. Een hoogspanningschemie kan 4,35 V, 4,4 V of een andere gespecificeerde limiet per cel vereisen.

Een product ontworpen rond hoogspannings-LiPo-accu's hebben daarom een ​​compatibele oplader en beveiligingssysteem nodig. Er mag nooit uitgegaan worden van een hogere laadlimiet per cel alleen op basis van de nominale spanning.

Hoe serieschakeling de capaciteit beïnvloedt

Door identieke 1000 mAh-cellen in serie aan te sluiten, wordt hun mAh-waarde niet toegevoegd.

Bijvoorbeeld:

• Eén cel van 3,7 V 1000 mAh: 3,7 V, 1000 mAh

• Twee cellen in serie: 7,4 V, 1000 mAh

• Drie cellen in serie: 11,1 V, 1000 mAh

Het pakket bevat meer energie omdat de spanning is toegenomen, ook al blijft de Ah-waarde onveranderd.

Hoe serieschakeling de stroom beïnvloedt

In een 2S1P-pakket stroomt dezelfde stroom door beide cellen. Als de cel geschikt is voor een bepaalde continue stroom, verdubbelt het toevoegen van nog een identieke cel in serie niet automatisch die stroomsterkte.

De voltooide pakketstroom wordt beperkt door de laagste toepasselijke waarde onder:

• Cel continue ontlaadstroom

• Celpiekstroomcapaciteit

• PCM- of BMS-stroomwaarde

• MOSFET en stroomgevoelig ontwerp

• Nikkelstrip-, tab-, rail- of PCB-capaciteit

• Draad maat

• Connectorwaarde

• Zekering of stroombegrenzende component

• Thermische omstandigheden

Met een hogere pack-spanning kan een apparaat hetzelfde vermogen verkrijgen bij een lagere stroom, maar dat hangt af van de belasting en de architectuur voor stroomconversie.

Waarom seriepakketten monitoring van celgroepen nodig hebben

In serie geschakelde cellen blijven niet gedurende hun hele levensduur perfect identiek. Kleine verschillen in capaciteit, interne weerstand, zelfontlading, temperatuur en veroudering kunnen ervoor zorgen dat de ladingstoestanden uiteenlopen.

Tijdens het opladen kan het zijn dat één seriegroep eerder de bovenste spanningslimiet bereikt dan de andere. Tijdens de ontlading kan het zijn dat de zwakste groep als eerste de ondergrens bereikt.

Het beveiligings- en monitoringsysteem moet daarom reageren op individuele seriegroepspanningen in plaats van alleen te vertrouwen op de totale pakketspanning.

Een totale pakketwaarde van bijvoorbeeld 8,0 V bewijst niet dat een 2S-pakket in balans is. Het zou kunnen bestaan ​​uit:

• 4,0 V en 4,0 V

• 4,15 V en 3,85 V

• 4,25 V en 3,75 V

Het laatste voorbeeld heeft dezelfde totale spanning, maar het kan zijn dat één groep al boven de toegestane limiet komt.

Hoe een parallel LiPo-batterijpakket werkt

Bij een parallelle verbinding zijn de positieve aansluitingen met elkaar verbonden en de negatieve aansluitingen met elkaar verbonden.

Alle cellen in de groep delen daarom dezelfde klemspanning.

Hoe parallelle verbinding de spanning beïnvloedt

De spanning blijft gelijk aan de spanning van één cel:

Pack-spanning = celspanning

Voor twee standaard 3,7 V-cellen die parallel zijn aangesloten:

• Nominale spanning: 3,7 V

• Typische spanning bij volledig opladen: 4,2 V

• Configuratie: 1S2P

Het toevoegen van meer parallelle cellen levert geen 7,4 V of 11,1 V op. Het blijft één spanningsgroep vormen.

Hoe parallelle verbindingen de capaciteit beïnvloeden

De capaciteiten van nauw op elkaar afgestemde parallelle cellen worden toegevoegd:

Pack-capaciteit = celcapaciteit x parallelle telling

Voor identieke 1000 mAh-cellen:

Dit maakt parallelle constructie nuttig wanneer de toepassing een langere bedrijfstijd nodig heeft, maar een eencellig spanningsplatform moet behouden.

Hoe parallelle verbinding de huidige capaciteit beïnvloedt

In theorie kunnen identieke cellen die via gebalanceerde stroompaden zijn verbonden, de belasting delen. Twee geschikte cellen parallel kunnen dus meer stroom leveren dan één cel.

De veilige pakketstroom mag echter niet worden berekend door de celwaardering te vermenigvuldigen zonder verdere evaluatie.

Huidig ​​delen kan worden beïnvloed door:

• Interne weerstand van de cel

• Capaciteitsvariatie

• Temperatuurverschillen

• Tab- en interconnect-weerstand

• Celpositie binnen de roedel

• Symmetrie van kabelgeleiding

• Verschillen in laadstatus

• Veroudering

• Connectorweerstand

• Grenzen van de beschermingsplaat

Eén cel kan een groter deel van de belasting dragen als deze een lagere weerstand of een korter stroompad heeft. Het pakket kan dan plaatselijke verwarming ontwikkelen, zelfs als de totale stroom binnen een eenvoudige theoretische limiet lijkt te liggen.

De betekenis van de ontladingssnelheid en de relatie ervan met de capaciteit wordt verder uitgelegd in wat de C-rating van een lithium-polymeerbatterij betekent.

Hebben parallelle cellen balancering nodig?

Direct aangesloten parallelle cellen delen dezelfde klemspanning, dus een BMS behandelt normaal gesproken de volledige parallelle groep als één spanningsknooppunt.

Dat betekent niet dat celmatching niet nodig is. Gelijke klemspanning garandeert geen gelijke capaciteit, weerstand, temperatuur of stroombijdrage.

Cellen die voor één parallelle groep zijn geselecteerd, moeten normaal gesproken compatibel zijn:

• Scheikunde

• Laadspanningslimiet

• Capaciteit

• Interne weerstand

• Ontladingskenmerken

• Productiegeschiedenis

• Leeftijd en cyclusconditie

• Fysiek ontwerp

• Stand van zaken bij montage

Een beschadigde of aanzienlijk verslechterde cel kan de resterende cellen extra belasten en de betrouwbaarheid van de hele groep verminderen.

Waarom de spanning moet worden gecontroleerd vóór parallelle aansluiting

Cellen met verschillende spanningen mogen niet zomaar met elkaar worden verbonden.

Eenmaal aangesloten kan de cel met een hogere spanning zich snel ontladen in de cel met een lagere spanning. De resulterende egalisatiestroom kan voornamelijk worden beperkt door cel- en verbindingsweerstand en kan veel hoger worden dan de normale laadstroom.

Om deze reden moeten parallelle groepen worden samengesteld via een gecontroleerd productieproces met behulp van gekwalificeerde, nauw op elkaar afgestemde cellen. Eindgebruikers mogen geen nieuwe cel aan een verouderde verpakking toevoegen of twee losse zakjes parallel aansluiten zonder een gevalideerd ontwerp en geschikte apparatuur.

Hoe een serie-parallel LiPo-pakket werkt

Een serie-parallelpakket combineert beide aansluitmethoden.

Overweeg een 2S2P-ontwerp gemaakt van vier identieke 3,7 V, 1000 mAh-cellen:

1. Twee cellen zijn parallel verbonden om de eerste groep van 3,7 V, 2000 mAh te vormen.

2. Nog twee cellen vormen een tweede groep van 3,7 V, 2000 mAh.

3. De twee parallelle groepen zijn in serie geschakeld.

De resulterende theoretische specificatie is:

• Nominale spanning: 7,4 V

• Capaciteit: 2000 mAh

• Energie: 14,8 Wh

• Configuratie: 2S2P

• Totaal aantal cellen: 4

De formules zijn:

Pack-spanning = Nominale celspanning × S

Verpakkingscapaciteit = Celcapaciteit × P

Totaal aantal cellen = S × P

Nominale energie = Pack-spanning × Pack-capaciteit in Ah

In dit ontwerp bewaakt het BMS twee seriegroepspanningen. Elke bewaakte groep bevat twee parallelle cellen.

Een 2S2P-pakket wordt dus niet gemonitord als een 4S-pakket. Het selecteren van een beveiligingsbord op basis van het totale aantal individuele cellen in plaats van het aantal series zou onjuist zijn.

Vergelijking van spanning, capaciteit en wattuur

Het verschil tussen serie- en parallelle constructie wordt duidelijker wanneer de pakketten worden vergeleken met identieke 3,7 V, 1000 mAh-cellen.

Zowel de 2S1P- als de 1S2P-voorbeelden bevatten twee cellen en slaan ongeveer 7,4 Wh op. Hun spannings- en capaciteitswaarden verschillen, maar hun theoretische nominale energie is vergelijkbaar.

Ze kunnen nog steeds niet door elkaar worden vervangen, omdat het apparaat een andere ingangsspanning ziet.

Waarom mAh alleen geen verschillende batterijpakketten kan vergelijken

Een 3,7 V 2000 mAh-pakket en een 7,4 V 1000 mAh-pakket bevatten beide ongeveer 7,4 Wh:

3,7 V × 2,0 Ah = 7,4 Wh

7,4 V × 1,0 Ah = 7,4 Wh

Als je alleen naar mAh kijkt, lijkt het erop dat het eerste pakket twee keer zoveel capaciteit heeft. Op energiegebied zijn ze vergelijkbaar.

Watturen zijn daarom nuttiger bij het vergelijken van pakketten met verschillende spanningen.

Gelijke Wh garandeert echter geen identieke apparaatlooptijd. De werkelijke bedrijfstijd is ook afhankelijk van:

• Efficiëntie van spanningsomzetting

• Apparaatstroom bij verschillende ingangsspanningen

• Interne weerstand van de batterij

• Afsnijdspanning

• Ontladingssnelheid

• Temperatuur

• Celveroudering

• Spanningsval op de beveiligingsplaat

• Bruikbare capaciteit onder de werkelijke belasting

De looptijd moet uiteindelijk worden geverifieerd op het voltooide apparaat in plaats van alleen op basis van mAh te worden voorspeld.

Zorgt een hoger aantal series voor meer vermogen?

Door de spanning te verhogen kan er meer stroom beschikbaar komen, maar alleen als de cel, het beveiligingssysteem, de bedrading en het apparaat de vereiste stroom kunnen leveren en accepteren.

Elektrisch vermogen wordt berekend als:

Vermogen = spanning x stroom

Een 7,4 V-pakket dat 2 A levert, levert ongeveer 14,8 W. Een 3,7 V-pakket zou ongeveer 4 A moeten leveren om hetzelfde ingangsvermogen te leveren, voordat rekening wordt gehouden met conversieverliezen.

Dit is een van de redenen waarom een ​​ontwerper een pakket met een hogere spanning kan kiezen voor motoren, verwarmingen, pompen, robotica of andere stroomvragende producten. Een lagere stroom voor hetzelfde vermogen kan geleiderverliezen verminderen, maar een hoger aantal series verhoogt ook de laadspanning, de complexiteit van het GBS, de spanningsvereisten voor componenten en isolatieoverwegingen.

De selectie moet beginnen met het ingangsspanningsbereik en het belastingsprofiel van het apparaat, in plaats van met de veronderstelling dat meer seriecellen automatisch beter zijn.

Beschermingsvereisten voor een 1S-pakket

Een pakket met één serie heeft slechts één spanningsgroep, dus er is geen balancering tussen seriecellen nodig.

Het PCM moet mogelijk nog steeds het volgende bieden:

• Bescherming tegen overbelasting

• Bescherming tegen overontlading

• Overstroombeveiliging

• Kortsluitbeveiliging

• Laad- en ontlaadcontrole

• Temperatuurbewaking

• NTC-uitvoer

• Identificatie van de batterij

• Brandstofmeting of communicatie

De lader moet overeenkomen met de celchemie en de maximale laadspanning. Een PCM onderbreekt abnormale omstandigheden, maar is geen vervanging voor een goed geregelde oplader.

In een 1S2P- of 1S3P-ontwerp beschouwt het beveiligingscircuit de parallelle groep als één spanningsknooppunt met een grotere capaciteit. De huidige beoordeling moet gebaseerd zijn op de volledige pakketbelasting, niet op de capaciteit van één cel.

Beschermingsvereisten voor een Multi-Series Pack

Een 2S-, 3S- of hoger serieontwerp vereist beveiligingscircuits die geschikt zijn voor dat exacte aantal series.

Een meercellig BMS of PCM moet mogelijk het volgende uitvoeren:

• Individuele serie-groep spanningsbewaking

• Pack-stroombewaking

• Laad overstroombeveiliging

• Ontlading overstroombeveiliging

• Kortsluitbeveiliging

• Uitschakeling bij overbelasting

• Uitschakeling bij overmatige ontlading

• Balans tussen celgroepen

• Temperatuurbewaking

• MOSFET-besturing

• Schatting van de laadstatus

• Foutregistratie

• Communicatie met het hostapparaat

De spanningswaarde van de componenten moet ook geschikt zijn voor de maximale pakketspanning, inclusief de juiste ontwerpmarge.

Waarom de totale pakketspanning niet genoeg is

Het monitoren van alleen de totale spanning kan niet op betrouwbare wijze een individuele groep identificeren die overbeladen of overontladen is.

Om deze reden heeft een 3S-beveiligingscircuit normaal gesproken toegang nodig tot:

• Pak negatief

• De aansluiting na seriegroep 1

• De aansluiting na seriegroep 2

• Pack positief na seriegroep 3

Een conventioneel monitoringharnas heeft daarom één spanningsaansluiting meer dan het serieaantal:

Spanningsdetectieverbindingen = S + 1

Een pakket met een geïntegreerd BMS stelt deze verbindingen mogelijk niet extern bloot, maar ze zijn intern nog steeds nodig voor de monitoring van individuele seriegroepen.

Wat celbalancering doet

Balanceren helpt de verschillen tussen in serie verbonden groepen te beperken.

Een passief balanceringssysteem verwijdert doorgaans een kleine hoeveelheid energie uit een groep met een hogere spanning, zodat de lagere groepen kunnen blijven opladen. Meer geavanceerde actieve balanceringssystemen kunnen energie tussen groepen herverdelen.

Balanceren kan niet volledig corrigeren:

• Een beschadigde cel

• Ernstig capaciteitsverlies

• Hoge zelfontlading

• Een slechte elektrische verbinding

• Grote verschillen in interne weerstand

• Verkeerd overeenkomende cellen

• Een ongeschikte verpakkingsindeling

Een pakket dat herhaaldelijk een grote onbalans ontwikkelt, moet worden geïnspecteerd in plaats van te vertrouwen op het balanceringscircuit om het onderliggende probleem te verbergen.

Beveiligingsvereisten voor parallelle groepen

Parallelle constructie creëert een andere reeks ontwerpprioriteiten.

Celmatching

Cellen moeten worden geselecteerd uit compatibele productie- en prestatiegroepen. Het mengen van cellen met verschillende capaciteiten, chemie, spanningslimieten, leeftijden of interne weerstanden kan een ongelijkmatige stroomverdeling veroorzaken.

De praktische effecten van celvariatie worden in meer detail besproken in waarom lithium-ionbatterijpakketten inconsistent worden.

Huidig-padontwerp

De onderlinge weerstand moet laag en redelijk in balans worden gehouden. De lay-out moet voorkomen dat één cel of tabblad een onevenredig groot deel van de stroom moet dragen.

Ontwerpfactoren zijn onder meer:

• Tabgeometrie

• Afmetingen nikkelstrip of rail

• PCB-koperdikte

• Verbindingspositie

• Plaatsing van leads

• Laskwaliteit

• Celafstand

• Warmteafvoer

• Locatie van connector

Foutbeheersing

In een permanent verbonden parallelle groep kunnen de gezonde cellen stroom leveren aan een defecte cel of een defecte tak.

Afhankelijk van de verpakkingsgrootte en de risicobeoordeling kan het ontwerp het volgende vereisen:

• Smeltbare verbindingen

• Takstroombegrenzing

• Thermische scheiding

• Temperatuur sensoren

• Vlambestendige materialen

• Mechanische barrières

• Zekering op pakketniveau

• Gecontroleerde ventilatieruimte

• Extra foutdetectiefuncties

De vereiste aanpak is afhankelijk van de energie van het pakket, het celtype, de toepassing, de behuizing, de nalevingsvereisten en de te verwachten faalomstandigheden.

Huidige beoordeling van de beveiligingskaart

Het BMS moet de totale verwachte pakketstroom ondersteunen, inclusief:

• Normale bedrijfsstroom

• Maximale continue stroom

• Opstartgolf

• Motor blokkeerstroom

• Verwarmingsinschakelstroom

• Communicatie-zenderpieken

• Laadstroom

• Drempels voor foutdetectie

De geadverteerde stroom van het bord mag niet worden behandeld als de bruikbare apparaatstroom zonder MOSFET-verliezen, temperatuurstijging, koelomstandigheden, geleidergrootte en afsnijtijd te controleren.

Ladervereisten voor serie- en parallelle pakketten

De lader moet overeenkomen met de samenstelling van het pakket, het aantal series, de laadspanningslimiet en de toegestane laadstroom.

Voor conventionele 4,2 V-cellen:

Een 2S-pack mag niet worden opgeladen met een 1S-oplader. Op dezelfde manier kan een lader die bedoeld is voor standaard 4,2 V-cellen ongeschikt zijn voor een hoogspanningschemie met een andere laadlimiet.

Parallelle capaciteit heeft invloed op de berekening van de laadstroom. Als twee identieke cellen parallel worden geplaatst, kan een geschikt pakket meer totale stroom accepteren dan één cel, maar de juiste waarde hangt af van:

• Limiet voor mobiel opladen

• Verpakkingscapaciteit

• Temperatuur

• Parallelstroom delen

• Beschermingsklasse

• Connector- en draadwaarde

• Doel oplaadtijd

• Eisen aan de levensduur

Een lader en een GBS vervullen verschillende functies. De lader regelt het laadprofiel, terwijl het beveiligingssysteem reageert op gedefinieerde abnormale omstandigheden. Het ene mag niet worden gebruikt als vervanging voor het andere.

Vereisten voor celmatching

Een betrouwbaar meercellig pakket begint met een geschikte celselectie.

Cellen die in dezelfde assemblage worden gebruikt, moeten mogelijk worden gematcht voor:

• Celmodel

• Scheikunde

• Nominale capaciteit

• Gemeten capaciteit

• Open circuit spanning

• Interne weerstand

• Dikte en afmetingen

• Zelfontlading

• Productie batch

• Leeftijd

• Fiets geschiedenis

Matching is belangrijk in zowel serie- als parallelle structuren.

In een seriereeks kan de groep met de laagste capaciteit of de hoogste weerstand als eerste de spanningslimiet bereiken en de bruikbare pakketcapaciteit beperken.

In een parallelle groep beïnvloeden weerstands- en verbindingsverschillen de manier waarop stroom wordt gedeeld. De ene cel kan harder werken en sneller verouderen dan de andere.

Batterijfabrikanten moeten criteria voor celscreening opstellen die geschikt zijn voor het product, in plaats van cellen te combineren simpelweg omdat ze dezelfde gedrukte specificatie hebben.

Kunnen voltooide LiPo-pakketten in serie worden aangesloten?

Twee voltooide pakketten mogen niet in serie worden aangesloten, tenzij het volledige systeem voor die opstelling is ontworpen en gevalideerd.

Mogelijke problemen zijn onder meer:

• Verschillende laadtoestanden

• Verschillende capaciteiten of leeftijden

• Incompatibele beveiligingscircuits

• Verkeerde aarding

• Incompatibiliteit van de oplader

• Hiaten in het toezicht op het evenwicht

• Connector-spanningslimieten

• Onverwacht BMS-afsluitgedrag

• Het ene pakket wordt door het andere verlegd

• Onveilige service- of vervangingsprocedures

Sommige beschermde pakketten gebruiken low-side schakel- of communicatie-interfaces die een externe serieschakeling ongeschikt maken. Een batterij die veilig is als zelfstandig product, is niet automatisch veilig in combinatie met een ander pakket.

Als de toepassing een hogere spanning vereist, is het gebruik van een speciaal ontworpen multi-serie-assemblage meestal betrouwbaarder dan het aansluiten van onafhankelijk beschermde batterijen na productie.

Kunnen voltooide LiPo-pakketten parallel worden aangesloten?

Kant-en-klare pakketten mogen niet parallel worden aangesloten, alleen maar omdat op de labels dezelfde nominale spanning staat.

Vóór parallelle werking moet het ontwerp het volgende aanpakken:

• Pack-spanningsverschil

• Verschil in laadstatus

• Capaciteit en leeftijd

• Interne weerstand

• GBS-interactie

• Tegenstroom

• Laadstroomverdeling

• Connectorvolgorde

• Verwijderen van pakking onder spanning

• Takbescherming

• Foutisolatie

Als één pakket een hogere spanning heeft, kan er een grote egalisatiestroom vloeien zodra de connectoren contact maken.

Parallelle batterijmodules kunnen veilig worden ontworpen, maar ze hebben een gedefinieerde verbindingsmethode, een compatibele beveiligingsarchitectuur, gecontroleerde voorlading waar nodig en gevalideerd foutgedrag nodig.

Hoe configuratie de grootte en lay-out van de batterij beïnvloedt

Het toevoegen van cellen verhoogt de energie, maar verandert ook het mechanische ontwerp.

Serie- en parallelle assemblages kunnen van invloed zijn op:

• Totale dikte

• Breedte en lengte

• Gewicht

• Zwaartepunt

• Ruimte voor kabelgeleiding

• Buigradius

• Warmteafvoer

• Toegestane celuitbreiding

• Bescherming tegen vallen

• Trillingsbestendigheid

• Toegang tot diensten

• Behuizing montage

Twee naast elkaar geplaatste buidelcellen kunnen een breed, dun pakket vormen. Door ze te stapelen, ontstaat er mogelijk een kleinere voetafdruk met een grotere dikte.

Een serie-parallelle structuur kan ook het volgende vereisen:

• Extra isolatie

• Meer laspunten

• Een groter GBS

• Spanningsgevoelige bedrading

• Temperatuur sensoren

• Een sterker steunframe

• Complexere verpakkingsverpakking

• Grotere afstand rond lipjes en beschermingscomponenten

De elektrische configuratie moet daarom samen met het beschikbare batterijcompartiment worden gekozen en niet nadat de behuizing is voltooid.

Serie versus parallel: welke configuratie moet u kiezen?

Kies de serietelling op basis van de door het apparaat vereiste spanning.

Kies de paralleltelling op basis van de vereiste energie, looptijd, stroomcapaciteit, ruimte en gewicht.

Een seriegericht ontwerp kan geschikt zijn wanneer:

• Het apparaat heeft een hogere ingangsspanning nodig

• Een motor of verwarming werkt efficiënter bij een hogere spanning

• Het systeem maakt gebruik van een spanningsrail boven het bereik van een 1S-pakket

• Bij een bepaald vermogensniveau heeft een lagere stroom de voorkeur

• Het apparaat bevat al een compatibele meercellige oplader

• Het product is geschikt voor een GBS met meerdere series

Een parallel gericht ontwerp kan geschikt zijn wanneer:

• Het product moet een nominaal platform van 3,7 V hebben

• Er is een langere looptijd vereist

• Een enkele cel kan niet voldoende capaciteit bieden

• Er is meer uitgangsstroom nodig binnen de gevalideerde bedrijfsomstandigheden van de cel

• De behuizing biedt plaats aan meerdere cellen

• De lader en het beveiligingssysteem ondersteunen de resulterende capaciteit en stroom

Een serie-parallel ontwerp kan geschikt zijn wanneer:

• Het apparaat heeft zowel een hogere spanning als een langere looptijd nodig

• Een enkele seriestring kan niet de vereiste stroom leveren

• De energiebehoefte overschrijdt de capaciteit van een praktische enkele string

• De ruimte moet over verschillende celposities worden verdeeld

• De toepassing rechtvaardigt de extra complexiteit van het BMS en de assemblage

ZERNE's op maat gemaakte Li-polymeer batterijoplossingen ondersteunen structuren met één cel, meerdere series, parallelle en serie-parallelle structuren op basis van apparaatspanning, capaciteit, grootte, stroom, connector en beveiligingsvereisten.

Een praktisch selectieproces voor batterijconfiguratie

1. Bevestig het apparaatspanningsbereik

Identificeren:

• Minimale bedrijfsspanning

• Normale bedrijfsspanning

• Maximale veilige ingangsspanning

• Vereiste opstartspanning

• Uitschakelspanning

• Ingangsbereik spanningsregelaar

• Motor-, verwarmings- of actuatorspanning

• Ingangs- en uitgangsspanning van de lader

De maximale volledig opgeladen pack-spanning moet binnen het veilige bereik van elk aangesloten onderdeel blijven.

2. Definieer het belastingsprofiel

Dossier:

• Stand-by stroom

• Typische bedrijfsstroom

• Maximale continue stroom

• Piekstroom

• Piekduur

• Opstart- of blokkeerstroom

• Dagelijkse bedrijfstijd

• Vereiste looptijd per oplaadbeurt

De gemiddelde stroom alleen geeft mogelijk niet aan of de cellen, het GBS en de connector korte gebeurtenissen met hoge stroomsterkte kunnen ondersteunen.

3. Bereken de benodigde energie

Een eerste schatting kan worden berekend met behulp van:

Benodigde energie in Wh = Gemiddeld vermogen in W × Bedrijfstijd in uren

Een praktisch ontwerp moet ook rekening houden met:

• Spanningsconversieverliezen

• Veroudering van de batterij

• Capaciteitsverlies bij lage temperaturen

• Spanningsdaling bij hoge belasting

• Reservecapaciteit

• GBS-verbruik

• Stand-byverbruik van apparaat

• Toegestane afvoerdiepte

4. Selecteer het aantal series

Kies het aantal seriegroepen dat nodig is om aan de apparaatspanning te voldoen.

Gebruik niet alleen de nominale spanning. Rekening:

• Maximale laadspanning

• Typisch werkingsbereik

• BMS-afschakelspanning

• Onderspanningsdrempel van apparaat

• Lader spanning

• Spanningswaarden van componenten

5. Selecteer de Paralleltelling

Bepaal hoeveel capaciteit en stroom één seriestring kan leveren. Voeg alleen parallelle cellen toe als dit nodig is voor energie, looptijd, stroom of verpakking.

Meer parallelle cellen voegen ook gewicht, volume, kosten, laspunten en foutenergie toe.

6. Ontwerp het beveiligingssysteem

Definiëren:

• Scheikunde

• Aantal series

• Verpakkingscapaciteit

• Laadstroomlimiet

• Continue ontlaadstroom

• Piekstroom en duur

• Drempel voor overbelasting

• Drempel voor overontlading

• Overstroomdrempel

• Reactie op kortsluiting

• Temperatuurlimieten

• Balancerende strategie

• Communicatievereisten

7. Bevestig de oplader en connector

De lader moet passen bij het complete pakket, terwijl de hoofdconnector en draden de werkelijke stroom moeten ondersteunen.

Connectorseries, polariteit, pinout, draaddikte, kabellengte en balansaansluiting moeten worden gedocumenteerd voordat er monsters worden geproduceerd.

8. Bouw en test monsters

Validatie moet worden voltooid in het daadwerkelijke apparaat.

Relevante tests kunnen zijn:

• Compatibiliteit met opladen

• Volledige laadspanning

• Individuele seriegroepspanning

• Celbalancering

• Looptijd

• Spanningsval bij maximale belasting

• Piekstroomrespons

• Temperatuurstijging

• BMS-afsluitgedrag

• Kortsluitbeveiliging

• Verwarming van connectoren

• Kabelgeleiding

• Behuizing past

• Val- en trillingsprestaties

• Herhaald fietsen

• Opslag en zelfontlading

De Het kwaliteitscontrolesysteem voor li-polymeerbatterijen biedt aanvullende informatie over celtesten, montage-inspectie, elektrische verificatie en controle van het voltooide pakket.

Uitgewerkte configuratievoorbeelden

Voorbeeld 1: Compact volgapparaat

Stel dat een tracker werkt op een eencellig spanningsplatform en meer looptijd nodig heeft dan één cel van 1000 mAh kan bieden.

Een mogelijke configuratie is:

• Cel: 3,7 V, 1000 mAh

• Structuur: 1S2P

• Pakketspanning: 3,7 V nominaal

• Verpakkingscapaciteit: 2000 mAh

• Nominale energie: 7,4 Wh

Het ontwerp behoudt de laadspanning van een enkele cel, maar vereist een beveiligingscircuit en connector die geschikt zijn voor de gecombineerde stroom en capaciteit.

Voorbeeld 2: Draagbaar apparaat waarvoor 7,4 V nodig is

Stel dat een draagbaar product ongeveer 7,4 V en 2000 mAh nodig heeft.

Bij gebruik van 3,7 V, 2000 mAh-cellen:

• Structuur: 2S1P

• Pakketspanning: 7,4 V nominaal

• Verpakkingscapaciteit: 2000 mAh

• Nominale energie: 14,8 Wh

• Typische spanning bij volledig opladen: 8,4 V

Het pakket vereist een 2S-beveiligingssysteem en een 8,4 V lithium-ion-laadprofiel.

Voorbeeld 3: Robot vereist een hogere spanning en capaciteit

Stel dat een robot 11,1 V nominaal en 4000 mAh nodig heeft. Bij gebruik van 2000 mAh-cellen:

• Structuur: 3S2P

• Totaal aantal cellen: 6

• Pakketspanning: 11,1 V nominaal

• Verpakkingscapaciteit: 4000 mAh

• Nominale energie: 44,4 Wh

• Typische spanning bij volledig opladen: 12,6 V

Het BMS moet drie seriegroepen bewaken en tegelijkertijd de normale stroom van de robot, de opstartpiek en de mogelijke motorblokkeerstroom ondersteunen.

Veelvoorkomende fouten bij het ontwerpen van serie- en parallelle batterijen

Informatie die u moet verstrekken voor een aangepast batterijpakket

Een fabrikant kan de serie- en parallelle configuratie nauwkeuriger beoordelen als de volgende informatie beschikbaar is.

Apparaatvereisten

• Producttype

• Vereist ingangsspanningsbereik

• Maximale veilige ingangsspanning

• Typische bedrijfsstroom

• Maximale continue stroom

• Piekstroom en duur

• Vereiste looptijd

• Oplaadmethode

• Bedrijfstemperatuur

• Beschikbare batterijruimte

• Doelpakketgewicht

Batterijvereisten

• Voorkeur chemie

• Nominale pakketspanning

• Benodigde capaciteit

• Energiebehoefte

• Verwachte serie- en parallelle configuratie

• Levenscyclusdoel

• Oplaadtijd

• Vereiste afvoersnelheid

• Vereisten voor lage of hoge temperaturen

• Vereist voor hoogspanningscellen

Beschermingsvereisten

• PCM of GBS

• Bescherming tegen overbelasting en overontlading

• Beveiliging tegen overstroom en kortsluiting

• Aantal en locatie van temperatuursensoren

• Celbalancering

• Brandstofmeter

• Weergave van de laadstatus

• SMBus, CAN of een ander communicatieprotocol

• Authenticatie of batterij-identificatie

• Vereiste voor zekering of takbescherming

Mechanische en verbindingsvereisten

• Maximale dikte, breedte en lengte

• Celopstelling

• Behuizing of verpakking

• Fabrikant en onderdeelnummer van de connector

• Polariteit en pin-out

• Draaddikte

• Kabel lengte

• Balans lood

• NTC- of communicatiedraden

• Montage en trekontlasting

• Vereisten voor trillingen en vallen

De Het lithiumbatterijpakket moet worden gespecificeerd als een compleet systeem en niet alleen als spannings- en mAh-waarden.

Conclusie

Serie- en parallelle verbindingen dienen verschillende doeleinden in een LiPo-accupakket.

Een serieschakeling verhoogt de pakketspanning terwijl de Ah-capaciteit van één seriepad behouden blijft. Een parallelle verbinding behoudt de spanning van één cel, terwijl er capaciteit wordt toegevoegd en mogelijk de stroomcapaciteit wordt vergroot. Een serie-parallelle structuur combineert beide effecten.

Deze elektrische regels zijn slechts het startpunt. Het voltooide pakket moet ook rekening houden met de maximale laadspanning, wattuur, apparaatbelasting, celmatching, stroomdeling, balancering, BMS-stroom, temperatuur, bedrading, connectoren, compatibiliteit van de lader en mechanische bescherming.

Voor pakketten met meerdere series moet het beveiligingssysteem de individuele seriegroepspanningen bewaken en het exacte aantal series matchen. Voor parallelle ontwerpen zijn nauw op elkaar afgestemde cellen en gecontroleerde stroompaden essentieel. In beide gevallen moeten de theoretische waarden vóór productie worden bevestigd door middel van tests op verpakkings- en apparaatniveau.

Veelgestelde vragen

Verhoogt het in serie schakelen van LiPo-batterijen de capaciteit?

Het verhoogt de totale opgeslagen energie en de pakketspanning, maar de Ah- of mAh-waarde blijft gelijk aan de capaciteit van één seriepad. Twee 3,7 V, 1000 mAh-cellen in serie vormen een 7,4 V, 1000 mAh-pakket.

Verhoogt het parallel aansluiten van LiPo-batterijen de spanning?

Nee. Parallelle cellen behouden de spanning van één cel terwijl hun capaciteiten worden toegevoegd. Twee parallelle cellen van 3,7 V, 1000 mAh vormen een pakket van 3,7 V, 2000 mAh.

Wat is het verschil tussen 2S2P en 4S1P?

Een 2S2P-pakket heeft twee seriegroepen met in elke groep twee parallelle cellen. Een 4S1P-pack heeft vier cellen in serie en levert dus tweemaal de nominale spanning, maar de helft van de Ah-capaciteit wanneer identieke cellen worden gebruikt.

Heeft een 2S2P-pakket een 2S- of 4S-GBS nodig?

Normaal gesproken is hiervoor een 2S GBS nodig, omdat het beveiligingssysteem twee seriespanningsgroepen bewaakt. Het GBS moet ook de totale capaciteit, laadstroom, ontlaadstroom en balanceringsvereisten van de twee parallelle groepen ondersteunen.

Kunnen LiPo-cellen met verschillende capaciteit parallel worden aangesloten?

Ze mogen normaal gesproken niet worden gecombineerd in een OEM-pakket, tenzij het volledige ontwerp specifiek is geëvalueerd. Verschillen in capaciteit, weerstand, leeftijd of conditie kunnen een ongelijkmatige stroomverdeling en versnelde degradatie veroorzaken.

Kunnen twee beveiligde LiPo-accupacks parallel worden aangesloten?

Alleen als het batterijsysteem is ontworpen voor parallelle modulewerking. Verschillen in pakketspanning, tegenstroom, GBS-interactie, aansluitvolgorde en aftakkingsbescherming moeten allemaal worden aangepakt.

Verdubbelt het toevoegen van parallelle cellen de ontlaadstroom?

Het kan de beschikbare stroom vergroten als identieke cellen en gebalanceerde stroompaden worden gebruikt, maar de veilige stroom van het voltooide pakket wordt nog steeds beperkt door het GBS, de aansluitingen, de verbindingen, de bedrading, de connector, de temperatuur en het stroomdelingsgedrag.

Welke configuratie biedt een langere looptijd: serieel of parallel?

De looptijd kan niet alleen worden bepaald op basis van de S- of P-telling. Vergelijk het totale aantal watturen en test het volledige apparaat, omdat ingangsspanning, conversie-efficiëntie, belastingsgedrag, uitschakelspanning, temperatuur en ontladingssnelheid ook van invloed zijn op de bruikbare looptijd.