Serie versus parallelle batterijpakketten: welke configuratie past bij een OEM-apparaat?

De manier waarop lithium-ioncellen zijn aangesloten, bepaalt het elektrische basisgedrag van een batterijpakket.

• Serieschakelingen verhogen de spanning.

• Parallelle verbindingen vergroten de capaciteit en het stroomvermogen.

• Serie-parallelle configuraties verhogen tegelijkertijd de spanning en de capaciteit.

Voor een OEM-apparaat moet de juiste accuconfiguratie overeenkomen met:

• Spanningsbereik apparaat

• Benodigde capaciteit

• Continue en piekstroom

• Runtime-doel

• Ontwerp van de oplader

• BMS- of PCM-vereisten

• Beschikbare installatieruimte

• Gewicht en thermische limieten

• Productie- en testvereisten

Kiezen tussen serie en parallel is dus niet alleen een elektrische berekening. Het is een ontwerpbeslissing op systeemniveau.

Snel antwoord: serie- versus parallelle batterijpakketten

Als u bijvoorbeeld 3,7 V, 2500 mAh-cellen gebruikt:

• 2S1P = 7,4 V, 2500 mAh

• 1S2P = 3,7 V, 5000 mAh

• 2S2P = 7,4 V, 5000 mAh

De juiste configuratie is afhankelijk van de doelspanning, capaciteit, stroom en mechanisch ontwerp.

1. Wat betekenen 'S' en 'P'?

De configuratie van het batterijpakket wordt gewoonlijk geschreven met de letters S en P.

S betekent serie

Het getal vóór S geeft het aantal cellen of celgroepen aan die in serie zijn verbonden.

Voorbeelden:

• 1S: één celgroep in serie

• 2S: twee celgroepen in serie

• 3S: drie celgroepen in serie

• 4S: vier celgroepen in serie

Serieschakelingen verhogen de spanning.

P betekent parallel

Het getal vóór P geeft het aantal parallel geschakelde cellen binnen elke seriegroep aan.

Voorbeelden:

• 1P: één cel in elke parallelle groep

• 2P: twee cellen parallel

• 3P: drie cellen parallel

• 4P: vier cellen parallel

Parallelle verbindingen vergroten de capaciteit en het stroomvermogen.

Totaal aantal cellen

Het totale aantal cellen is:

Totaal aantal cellen = S × P

Bijvoorbeeld:

• 2S1P = 2 cellen

• 1S2P = 2 cellen

• 2S2P = 4 cellen

• 3S2P = 6 cellen

2. Hoe seriebatterijpakketten werken

In serie geschakelde cellen zijn van begin tot eind met elkaar verbonden. De positieve pool van de ene cel is verbonden met de negatieve pool van de volgende cel.

Voor overeenkomende cellen in serie:

Pack-spanning = Celspanning × Aantal cellen in serie

De ampère-uurcapaciteit blijft ongeveer gelijk aan de capaciteit van één cel of één parallelle groep.

Voorbeeld: 2S1P-pakket

Stel dat elke cel het volgende heeft:

• Nominale spanning: 3,7 V

• Capaciteit: 2500 mAh

Een 2S1P-pakket biedt:

• Spanning: 3,7 V × 2 = 7,4 V

• Capaciteit: 2500 mAh

• Energie: 7,4 V × 2,5 Ah = 18,5 Wh

Het resultaat is:

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

Voorbeeld: 3S1P-pakket

Met dezelfde cellen:

• Spanning: 3,7 V × 3 = 11,1 V

• Capaciteit: 2500 mAh

• Energie: 11,1 V × 2,5 Ah = 27,75 Wh

Het resultaat is:

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

Een serieconfiguratie is geschikt wanneer het apparaat of het voedingssysteem een ​​hogere nominale spanning vereist.

3. Hoe parallelle batterijpakketten werken

Bij parallel geschakelde cellen zijn de positieve aansluitingen met elkaar verbonden en de negatieve aansluitingen met elkaar verbonden.

Voor parallelle gekoppelde cellen:

Pack-capaciteit = Celcapaciteit × Aantal parallelle cellen

De spanning blijft ongeveer gelijk aan de spanning van één cel of één seriegroep.

Voorbeeld: 1S2P-pakket

Stel dat elke cel het volgende heeft:

• Nominale spanning: 3,7 V

• Capaciteit: 2500 mAh

Een 1S2P-pakket biedt:

• Spanning: 3,7 V

• Capaciteit: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh

• Energie: 3,7 V × 5 Ah = 18,5 Wh

Het resultaat is:

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

Een parallelle configuratie is geschikt wanneer het apparaat op dezelfde spanning werkt als één cel- of seriegroep, maar meer capaciteit, een langere looptijd of een hoger stroomvermogen nodig heeft.

4. Serie versus parallel: wat verandert er?

De gedetailleerde capaciteitsformules vindt u in Hoe u de capaciteit van een lithium-ionbatterijpakket kunt berekenen.

5. Wat is een serie-parallel batterijpakket?

De meeste op maat gemaakte OEM-batterijpakketten gebruiken een combinatie van serie- en parallelle verbindingen.

Een serie-parallel pakket maakt gebruik van:

• Serieschakelingen om de vereiste spanning te bereiken;

• Parallelle verbindingen om de vereiste capaciteit en stroomcapaciteit te bereiken.

Voorbeeld: 2S2P-pakket

Met vier 3,7 V, 2500 mAh-cellen:

• Aantal series: 2

• Paralleltelling: 2

• Totaal aantal cellen: 4

• Nominale spanning: 7,4 V

• Capaciteit: 5000 mAh

• Energie: 37 Wh

Berekening:

3,7 V × 2 = 7,4 V

2500 mAh × 2 = 5000 mAh

7,4 V × 5 Ah = 37 Wh

Het resultaat is:

7,4 V, 5000 mAh, 37 Wh

Een 2S2P-configuratie kan geschikt zijn voor een OEM-apparaat dat een 7,4 V-platform en meer energie nodig heeft dan een 2S1P-pakket kan leveren.

6. Praktische vergelijking met dezelfde twee cellen

Met behulp van twee identieke 3,7 V, 2500 mAh cellen kunnen de cellen op verschillende manieren met elkaar worden verbonden.

Beide configuraties bevatten ongeveer dezelfde nominale energie omdat ze dezelfde twee cellen gebruiken. Ze zijn echter niet uitwisselbaar.

Het apparaat moet zijn ontworpen voor de juiste:

• Ingangsspanning;

• Laadspanning;

• Huidig;

• GBS;

• Connector;

• Mechanische indeling.

Dit is een belangrijk punt voor OEM-ontwerp: twee batterijpakketten kunnen vergelijkbare wattuur hebben, maar toch ongeschikt zijn voor hetzelfde product.

7. Wanneer moet een OEM-apparaat een serieconfiguratie gebruiken?

Een serieconfiguratie wordt over het algemeen overwogen als het apparaat een hogere spanning vereist dan één cel kan leveren.

Typische redenen zijn onder meer:

• Het motor- of voedingssysteem vereist een hogere spanning;

• Een hogere spanning kan de stroom voor een bepaald vermogensniveau verminderen;

• Het apparaat maakt al gebruik van een 2S-, 3S- of 4S-elektrische architectuur;

• Voor een omvormer of motorcontroller is een hogere spanningsingang nodig;

• De beschikbare systeemcomponenten zijn ontworpen voor een gedefinieerd spanningsplatform.

Voor een belasting met constant vermogen:

Stroom = Vermogen ÷ Spanning

Bij hetzelfde vermogen kan een hogere accuspanning de stroom die uit het pakket wordt getrokken, verminderen. Dit kan van invloed zijn op de afmetingen van de geleiders, de keuze van de connectoren en het ontwerp van het energiebeheer.

Een hogere spanning betekent echter niet automatisch betere prestaties. De elektronica van het apparaat, de lader, de isolatie, het GBS en de motorcontroller moeten allemaal de geselecteerde spanning ondersteunen.

Voor praktische vergelijkingen van spanningsniveaus, zie Batterijpakketten van 7,4 V versus 11,1 V versus 14,8 V.

8. Wanneer moet een OEM-apparaat een parallelle configuratie gebruiken?

Een parallelle configuratie wordt over het algemeen overwogen wanneer het apparaat meer capaciteit of een hogere stroom nodig heeft bij dezelfde nominale spanning.

Typische redenen zijn onder meer:

• Langere vereiste looptijd;

• Hogere continue stroom;

• Korte vraag met hoge stroomsterkte;

• Meer energie binnen hetzelfde spanningsplatform;

• Gebruik van een cel met beperkte individuele capaciteit;

• Moet de stroom over meerdere cellen verdelen.

Parallelle cellen kunnen stroom delen, maar het ontwerp moet nog steeds rekening houden met:

• Celmatching;

• Huidige distributie;

• Verbindingsweerstand;

• Celtemperatuur;

• Laskwaliteit;

• BMS of beschermingsontwerp;

• Mechanische ondersteuning.

Parallelle cellen mogen niet als automatisch identiek worden behandeld. Verschillen in interne weerstand of laadtoestand kunnen van invloed zijn op het delen van de stroom en de consistentie van het pakket op de lange termijn.

9. Vereisten voor celmatching

Voor serie- en parallelle batterijpakketten zijn compatibele cellen vereist.

Cellen die in dezelfde verpakking worden gebruikt, moeten overeenkomen met relevante kenmerken, zoals:

• Model;

• Nominale capaciteit;

• Spanning;

• Interne weerstand;

• Productiebatch;

• Verouderingstoestand;

• Temperatuur geschiedenis.

Waarom matchen belangrijk is in seriepakketten

In een seriepakket kan de zwakste cel eerder zijn bovenste of onderste spanningslimiet bereiken dan de andere cellen. Dit kan de bruikbare verpakkingscapaciteit verminderen en een voortijdige onderbreking van de bescherming veroorzaken.

Waarom matchen belangrijk is in parallelle pakketten

In een parallelle groep verdelen cellen met een verschillende spanning of interne weerstand mogelijk de stroom niet gelijkmatig. De ene cel kan meer belasting dragen of meer laadstroom ontvangen dan de andere.

Voor meer informatie over pakketinconsistentie en celverschillen, zie Waarom lithium-ionbatterijpakketten inconsistent worden en wat u moet doen.

10. BMS-vereisten voor serie- en parallelle pakketten

Het batterijbeheersysteem moet overeenkomen met de pakketconfiguratie.

Seriepakketten

Een pakket met meerdere cellen in serie vereist doorgaans monitoring van individuele celgroepen.

Het BMS moet mogelijk het volgende verstrekken:

• Bewaking van de celspanning;

• Celbalancering;

• Bescherming tegen overbelasting;

• Bescherming tegen overontlading;

• Overstroombeveiliging;

• Kortsluitbeveiliging;

• Temperatuurbewaking.

Naarmate het aantal series toeneemt, moet het GBS worden ontworpen voor het overeenkomstige aantal cellen.

Parallelle pakketten

Parallelle cellen kunnen hetzelfde spanningsmeetpunt delen, maar het GBS of beveiligingssysteem moet nog steeds rekening houden met:

• Totale stroom;

• Celmatching;

• Temperatuur;

• Laadgedrag;

• Verbindingsweerstand;

• Storingsomstandigheden.

Serie-parallelle pakketten

Een serie-parallel pakket vereist doorgaans dat het BMS elke seriegroep bewaakt en tegelijkertijd de totale pakketstroom beheert.

Het BMS moet worden geselecteerd tijdens de ontwerpfase van de batterij, en niet worden toegevoegd nadat de celconfiguratie is voltooid.

11. Oplaadvereisten

Serie- en parallelle configuraties vereisen verschillende oplaadoverwegingen.

Serie opladen

De lader moet de totale seriespanning ondersteunen.

Bijvoorbeeld:

• 1S-pakket: oplader ontworpen voor één cel;

• 2S-pakket: oplader ontworpen voor een 2S-batterij;

• 3S-pakket: oplader ontworpen voor een 3S-batterij;

• 4S-pakket: oplader ontworpen voor een 4S-batterij.

Een oplader die is ontworpen voor een enkele cel mag niet rechtstreeks worden gebruikt met een pakket met meerdere series.

Parallel opladen

Een parallel pakket gebruikt nog steeds de spanning van één cel of één seriegroep, maar het laadsysteem moet mogelijk meer stroom leveren of een langere oplaadtijd accepteren.

Serie-parallel opladen

Het laadsysteem moet overeenkomen met beide:

• Totale seriespanning;

• Vereisten voor verpakkingscapaciteit en laadstroom.

De lader, accu en GBS moeten als één systeem worden getest.

12. Zorg ervoor dat de configuratie overeenkomt met het OEM-apparaat

De juiste configuratie hangt af van de daadwerkelijke vereisten van het apparaat.

Dit is slechts een voorlopige selectiegids. De uiteindelijke configuratie moet ook worden getoetst aan de huidige vraag, afmetingen, laad-, temperatuur- en productie-eisen.

13. OEM-voorbeeld: een configuratie kiezen voor een 7,4 V-apparaat

Stel dat een OEM-product het volgende vereist:

• Nominale spanning: ongeveer 7,4 V;

• Doelcapaciteit: 5000 mAh;

• Continue stroom: matig;

• Compact rechthoekig batterijcompartiment;

• Oplaadbare werking;

• Bewaking op celniveau.

Een voorlopige configuratie zou kunnen zijn:

2S2P met 3,7 V, 2500 mAh-cellen

Berekening:

• Spanning: 3,7 V × 2 = 7,4 V;

• Capaciteit: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Totaal aantal cellen: 2 × 2 = 4 cellen;

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

Het ontwerpteam moet vervolgens het volgende bevestigen:

• Of het 2S-spanningsbereik compatibel is met het apparaat;

• Of een 2S GBS met balancering nodig is;

• Of de cellen de stroom kunnen ondersteunen;

• Of de oplader is ontworpen voor 2S;

• Of het pakket in de behuizing past;

• Of de connector de benodigde stroom ondersteunt;

• Of de batterij de geplande tests doorstaat.

ZERNE's De pagina met lithiumbatterijen van 7,4 V kan worden gebruikt als referentie op productniveau voor configuraties van 2S-batterijpakketten, terwijl aangepaste ontwerpen moeten worden beoordeeld aan de hand van het daadwerkelijke OEM-apparaat.

14. Configuratievoorbeeld voor een hogerspanningsapparaat

Stel dat een ander OEM-product het volgende vereist:

• Nominale spanning: ongeveer 11,1 V;

• Capaciteit: 5000 mAh;

• Stabiele output tijdens continu gebruik.

Een voorlopige configuratie zou kunnen zijn:

3S2P met 3,7 V, 2500 mAh-cellen

Berekening:

• Spanning: 3,7 V × 3 = 11,1 V;

• Capaciteit: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Totaal aantal cellen: 3 × 2 = 6 cellen;

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

Voor een 11,1 V-pakket zijn een oplader en een GBS nodig die zijn ontworpen voor een 3S-configuratie.

Voor een bestaande productreferentie, zie ZERNE's 11,1 V lithiumbatterijpagina.

15. Overwegingen bij mechanisch ontwerp

Serie- en parallelle verbindingen hebben ook invloed op de fysieke pakketindeling.

De ontwerper moet rekening houden met:

• Celoriëntatie;

• Celafstand;

• Laspunten;

• Busbars of geleiders;

• Isolatie;

• GBS-locatie;

• Kabelgeleiding;

• Connectorpositie;

• Afmetingen behuizing;

• Warmteafvoer;

• Bevestigingspunten;

• Trillingen en impact.

Een configuratie die elektrisch correct is, kan nog steeds ongeschikt zijn als deze niet in de beschikbare behuizing past.

Bij cilindrische celpakketten kan de celopstelling de breedte, lengte en hoogte van het pakket beïnvloeden. Voor zakjes-celverpakkingen kunnen serie- en parallelle tablocaties de interne lay-out en kabeluitgang beïnvloeden.

Gedetailleerde afstanden in het batterijcompartiment, compressie- en zwellingstoeslagen moeten afzonderlijk worden behandeld Ontwerp van het LiPo-batterijcompartiment: speling en zwelling.

16. Veel voorkomende serie- en parallelle ontwerpfouten

Fout 1: Ervan uitgaande dat serie de mAh verhoogt

Serieaansluitingen verhogen de spanning, normaal gesproken niet de capaciteit in ampère-uren.

Fout 2: Ervan uitgaande dat parallel de spanning toeneemt

Parallelle cellen behouden ongeveer dezelfde spanning als één cel of één seriegroep.

Fout 3: Een oplader gebruiken voor de verkeerde serietelling

Een oplader voor een 1S-pakket is niet geschikt voor een 2S-, 3S- of 4S-pakket.

Fout 4: Ongeëvenaarde cellen verbinden

Verschillende capaciteit, weerstand of verouderingsomstandigheden kunnen de consistentie van de verpakking en de bruikbare prestaties verminderen.

Fout 5: Het BMS selecteren na de packlay-out

Het aantal series, de huidige vraag en de communicatievereisten moeten bekend zijn voordat het BMS wordt geselecteerd.

Fout 6: Alleen mAh vergelijken

Een 3,7 V, 5000 mAh-pakket en een 7,4 V, 5000 mAh-pakket bevatten niet dezelfde hoeveelheid energie.

Fout 7: Piekstroom negeren

De configuratie moet de piekvraag van het apparaat ondersteunen, en niet alleen de gemiddelde stroomsterkte.

17. Controlelijst serie- en parallelle accu's

Voordat u de batterijconfiguratie goedkeurt, bevestigt u:

• Nominale spanning apparaat;

• Minimale en maximale spanning van apparaat;

• Doelcapaciteit;

• Continue stroom;

• Piekstroom;

• Vereist serieaantal;

• Vereiste parallelle telling;

• Celmodel en capaciteit;

• Totaal aantal cellen;

• Vereisten voor celmatching;

• BMS- of PCM-structuur;

• Compatibiliteit van opladers;

• Connector- en kabelclassificatie;

• Mechanische pasvorm;

• Temperatuuromstandigheden;

• Runtimedoel;

• Testvereisten;

• Verwacht productievolume.

Voor bredere batterijontwerpcriteria, zie Ontwerp van lithium-ionbatterijpak: spanning, capaciteit, BMS en looptijd.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen een serieel en parallel accupakket?

Een seriebatterijpakket verhoogt de spanning, terwijl een parallel batterijpakket de capaciteit en stroomcapaciteit vergroot. Een serie-parallelpakket combineert beide effecten.

Verhoogt het in serie schakelen van batterijen de capaciteit?

Normaal gesproken niet. Door cellen met gelijke capaciteit in serie aan te sluiten, wordt de spanning verhoogd, terwijl de capaciteit per ampère-uur ongeveer hetzelfde blijft.

Verhoogt het parallel aansluiten van batterijen de spanning?

Normaal gesproken niet. Door cellen met gelijke spanning parallel aan te sluiten, wordt de capaciteit vergroot, terwijl ongeveer dezelfde spanning behouden blijft.

Wat betekent 2S2P?

2S2P betekent twee celgroepen die in serie zijn verbonden, waarbij in elke groep twee cellen parallel zijn geschakeld. Het bevat in totaal vier cellen.

Wat is de capaciteit van een 2S2P-pakket met 2500 mAh-cellen?

De capaciteit van het pakket bedraagt ​​ongeveer 5000 mAh. Als de cellen een nominale spanning van 3,7 V hebben, bedraagt ​​de packspanning ongeveer 7,4 V.

Hebben seriebatterijpakketten een GBS nodig?

Lithiumbatterijpakketten uit meerdere series vereisen doorgaans een passende bescherming en balancering. De exacte BMS-structuur is afhankelijk van de celchemie, serietelling, stroom, oplader en toepassing.

Zijn serie-parallelle batterijpakketten beter dan alleen serie- of parallel-batterijen?

Niet automatisch. Een serie-parallelle configuratie is handig wanneer het apparaat zowel een hogere spanning als een hogere capaciteit vereist, maar de uiteindelijke keuze hangt af van de toepassing en fysieke beperkingen.

Kunnen verschillende accucellen parallel worden aangesloten?

Cellen mogen niet terloops met elkaar worden verbonden als ze verschillen in model, capaciteit, spanning, interne weerstand of toestand. Een gekwalificeerd batterijontwerp moet compatibele en goed op elkaar afgestemde cellen gebruiken.

Conclusie

De basisregel voor de configuratie van het batterijpakket is:

Serie verhoogt de spanning.

Parallel verhoogt de capaciteit en het huidige vermogen.

Serie-parallel verhoogt zowel de spanning als de capaciteit.

Voor een OEM-apparaat moet de juiste configuratie ook overeenkomen:

• Spanningsbereik;

• Capaciteit en energie;

• Huidige vraag;

• Oplader;

• GBS;

• Celmatching;

• Mechanische ruimte;

• Connector;

• Temperatuur;

• Testvereisten.

Bijvoorbeeld:

• 2S1P biedt een hogere spanning;

• 1S2P biedt een hogere capaciteit bij dezelfde celspanning;

• 2S2P biedt zowel een hogere spanning als een hogere capaciteit.

Als u een op maat gemaakt batterijpakket ontwikkelt, deel dan de apparaatspanning, de beoogde capaciteit, de huidige vraag, de afmetingen, de oplaadmethode en de verwachte hoeveelheid met het technische team van ZERNE. ZERNE biedt op maat gemaakte lithiumbatterijoplossingen voor OEM- en ODM-projecten en kan helpen bij het evalueren van de juiste serie-, parallelle of serie-parallelle configuratie.