Szeregowe a równoległe akumulatory LiPo: wymagania dotyczące napięcia, pojemności i ochrony

Połączenia szeregowe i równoległe umożliwiają producentom akumulatorów zbudowanie pakietu odpowiadającego wymaganiom urządzenia w zakresie napięcia, pojemności, czasu pracy i mocy.

Podstawowe zasady wydają się proste: połączenia szeregowe zwiększają napięcie, a połączenia równoległe zwiększają pojemność. Jednak w praktyce wybór konfiguracji wpływa również na napięcie ładowania, wydajność prądową, zrównoważenie ogniw, okablowanie, obwody zabezpieczające, układ fizyczny i zachowanie w przypadku awarii.

Zestaw baterii lipo 2S1P i pakiet baterii lipo 1S2P mogą zawierać tę samą liczbę ogniw i przechowywać w przybliżeniu tę samą całkowitą energię, ale nie można ich stosować zamiennie. Jeden dostarcza wyższe napięcie, podczas gdy drugi utrzymuje napięcie pojedynczego ogniwa i zapewnia większą pojemność amperogodzinną.

W tym przewodniku wyjaśniono, jak działają szeregowe, równoległe i szeregowo-równoległe pakiety akumulatorów LiPo, jak obliczyć ich główne parametry elektryczne oraz jakie wymagania dotyczące ochrony należy wziąć pod uwagę przed wyborem konstrukcji pakietu.

Kluczowe dania na wynos

• Ogniwa połączone szeregowo zwiększają napięcie pakietu, ale nie dodają swojej pojemności amperogodzinnej.

• Ogniwa połączone równolegle zwiększają pojemność przy jednoczesnym zachowaniu napięcia jednego ogniwa.

• Konfiguracja szeregowo-równoległa zwiększa zarówno napięcie, jak i pojemność.

• Litera S oznacza liczbę połączonych szeregowo grup komórek.

• Litera P wskazuje liczbę ogniw połączonych równolegle w każdej grupie.

• Pakiet 2S2P zawiera cztery komórki ułożone w dwie grupy szeregowe, po dwie komórki w każdej równoległej grupie.

• Watogodziny zapewniają lepsze porównanie energii niż mAh, gdy pakiety mają różne napięcia.

• Grupy połączone szeregowo wymagają indywidualnego monitorowania napięcia i mogą wymagać równoważenia.

• Ogniwa w grupie równoległej muszą być ściśle dopasowane i doprowadzone do odpowiedniego napięcia przed trwałym połączeniem.

• Płyta zabezpieczająca musi odpowiadać składowi chemicznemu ogniwa, liczbie serii, napięciu ładowania, prądowi ciągłemu, prądowi szczytowemu i wymaganym funkcjom.

• Dodanie ogniw równoległych nie podwaja automatycznie bezpiecznego prądu pakietu w każdych warunkach pracy.

• Pakietów o różnych napięciach, pojemnościach, wieku lub stanach naładowania nie należy łączyć bez odpowiedniego projektu technicznego.

• Konfigurację akumulatora, ładowarkę, BMS, złącze, okablowanie i system zasilania urządzenia należy ocenić łącznie.

Co oznaczają 1S, 2S, 2P i 2S2P?

Konfiguracje akumulatorów są zwykle opisywane za pomocą liter S i P.

• S oznacza serię.

• P oznacza równoległy.

• Liczba przed każdą literą wskazuje, ile komórek lub grup komórek korzysta z tego połączenia.

Typowe przykłady obejmują:

Całkowitą liczbę komórek można obliczyć w następujący sposób:

Całkowita liczba komórek = liczba serii × liczba równoległych

Na przykład:

3S2P = 3 × 2 = 6 komórek

W większości specyfikacji akumulatorów konfiguracja zapisana jako „2S” oznacza 2S1P, chyba że osobno podano liczbę równoległych. Jednak w przypadku projektu OEM obie wartości powinny zostać udokumentowane, aby uniknąć dwuznaczności.

Zestawienie akumulatorów LiPo szeregowych i równoległych w skrócie

Poniższe porównanie zakłada identyczne ogniwa o tym samym składzie chemicznym, napięciu nominalnym, pojemności i zdolności rozładowania.

Są to raczej zasady konfiguracji niż gwarantowane parametry gotowego opakowania. Rzeczywista wydajność może być ograniczona specyfikacją ogniwa, połączeniami, płytką zabezpieczającą, złączem, rozmiarem kabla, temperaturą i konstrukcją produktu.

Jak działa szeregowy akumulator LiPo

Ogniwa łączy się szeregowo poprzez połączenie dodatniego bieguna jednego ogniwa z ujemnym biegunem następnego. Dwa pozostałe zaciski zewnętrzne tworzą wyjście pakietu.

Ten sam prąd przepływa przez każdą komórkę lub grupę równoległą w ścieżce szeregowej.

Jak połączenie szeregowe wpływa na napięcie

Nominalne napięcie pakietu jest sumą napięć nominalnych ogniw połączonych szeregowo:

Napięcie znamionowe pakietu = napięcie znamionowe ogniwa × liczba serii

Dla standardowych ogniw 3,7 V:

Napięcie pełnego ładowania oblicza się ze wzoru:

Maksymalne napięcie pakietu = limit naładowania ogniwa × liczba serii

Wartość 4,2 V dotyczy konwencjonalnego ogniwa polimerowego litowo-jonowego zaprojektowanego dla tego limitu naładowania. Chemia wysokiego napięcia może wymagać 4,35 V, 4,4 V lub innego określonego limitu na ogniwo.

Produkt zaprojektowany wokół dlatego wysokonapięciowe akumulatory LiPo wymagają kompatybilnej ładowarki i systemu ochrony. Nigdy nie należy zakładać wyższego limitu ładunku na ogniwo na podstawie samego napięcia nominalnego.

Jak połączenie szeregowe wpływa na pojemność

Łączenie szeregowe identycznych ogniw 1000 mAh nie dodaje ich wartości znamionowych mAh.

Na przykład:

• Jedno ogniwo 3,7 V 1000 mAh: 3,7 V, 1000 mAh

• Dwa ogniwa połączone szeregowo: 7,4 V, 1000 mAh

• Trzy ogniwa szeregowo: 11,1 V, 1000 mAh

Pakiet zawiera więcej energii, ponieważ jego napięcie wzrosło, mimo że wartość Ah pozostaje niezmieniona.

Jak połączenie szeregowe wpływa na prąd

W pakiecie 2S1P przez oba ogniwa przepływa ten sam prąd. Jeśli ogniwo jest przystosowane do danego prądu ciągłego, dodanie kolejnego identycznego ogniwa szeregowo nie powoduje automatycznego podwojenia prądu znamionowego.

Gotowy prąd pakietu jest ograniczony przez najniższą obowiązującą wartość spośród:

• Ciągły prąd rozładowania ogniwa

• Możliwość osiągnięcia prądu szczytowego ogniwa

• Aktualna ocena PCM lub BMS

• MOSFET i konstrukcja uwzględniająca prąd

• Taśma niklowa, zakładka, szyna zbiorcza lub pojemność PCB

• Rozmiar drutu

• Ocena złącza

• Bezpiecznik lub element ograniczający prąd

• Warunki termiczne

Wyższe napięcie pakietu może pozwolić urządzeniu uzyskać tę samą moc przy niższym prądzie, ale zależy to od obciążenia i architektury konwersji mocy.

Dlaczego pakiety seryjne wymagają monitorowania grup komórkowych

Ogniwa połączone szeregowo nie pozostają idealnie identyczne przez cały okres użytkowania. Niewielkie różnice w pojemności, rezystancji wewnętrznej, samorozładowaniu, temperaturze i starzeniu mogą powodować różnice w stanach naładowania.

Podczas ładowania jedna grupa szeregowa może osiągnąć górną granicę napięcia przed innymi. Podczas rozładowania najsłabsza grupa może jako pierwsza osiągnąć dolną granicę.

Dlatego system zabezpieczeń i monitorowania musi reagować na poszczególne napięcia w grupie szeregowej, a nie polegać wyłącznie na całkowitym napięciu pakietu.

Na przykład całkowity odczyt pakietu wynoszący 8,0 V nie dowodzi, że pakiet 2S jest zrównoważony. Może składać się z:

• 4,0 V i 4,0 V

• 4,15 V i 3,85 V

• 4,25 V i 3,75 V

Ostatni przykład ma takie samo całkowite napięcie, ale może już spowodować przekroczenie dozwolonego limitu przez jedną grupę.

Jak działa równoległy zestaw akumulatorów LiPo

W połączeniu równoległym zaciski dodatnie są ze sobą połączone, a zaciski ujemne są ze sobą połączone.

Dlatego wszystkie ogniwa w grupie mają to samo napięcie końcowe.

Jak połączenie równoległe wpływa na napięcie

Napięcie pozostaje równe napięciu jednego ogniwa:

Napięcie pakietu = napięcie ogniwa

Dla dwóch standardowych ogniw 3,7 V połączonych równolegle:

• Napięcie nominalne: 3,7 V

• Typowe napięcie pełnego ładowania: 4,2 V

• Konfiguracja: 1S2P

Dodanie większej liczby równoległych ogniw nie daje 7,4 V ani 11,1 V. Nadal tworzy jedną grupę napięciową.

Jak połączenie równoległe wpływa na pojemność

Dodaje się pojemności ściśle dopasowanych ogniw równoległych:

Pojemność opakowania = Pojemność ogniwa × Liczba równoległych

Dla identycznych ogniw 1000 mAh:

Dzięki temu konstrukcja równoległa jest przydatna, gdy aplikacja wymaga dłuższego czasu działania, ale musi zachować jednoogniwową platformę napięciową.

Jak połączenie równoległe wpływa na bieżące możliwości

Teoretycznie identyczne ogniwa połączone zrównoważonymi ścieżkami prądowymi mogą dzielić obciążenie. Dwa odpowiednie ogniwa połączone równolegle mogą zatem dostarczać więcej prądu niż jedno ogniwo.

Jednakże bezpiecznego prądu pakietu nie należy obliczać poprzez pomnożenie wartości znamionowej ogniwa bez dalszej oceny.

Na bieżące udostępnianie mogą mieć wpływ:

• Wewnętrzny opór ogniwa

• Różnice w pojemności

• Różnice temperatur

• Rezystancja zaczepu i połączenia międzysieciowego

• Pozycja komórki w paczce

• Symetria prowadzenia kabli

• Różnice stanu naładowania

• Starzenie się

• Rezystancja złącza

• Ograniczenia płyt ochronnych

Jedno ogniwo może przenosić większą część obciążenia, jeśli ma mniejszą rezystancję lub krótszą ścieżkę prądu. Pakiet może następnie wywołać miejscowe ogrzewanie, nawet jeśli całkowity prąd wydaje się mieścić w prostym teoretycznym limicie.

Znaczenie szybkości rozładowania i jego związek z pojemnością wyjaśniono w dalszej części co oznacza ocena C baterii litowo-polimerowej.

Czy ogniwa równoległe wymagają równoważenia?

Bezpośrednio połączone ogniwa równoległe mają to samo napięcie końcowe, więc BMS zwykle traktuje całą grupę równoległą jako jeden węzeł napięciowy.

Nie oznacza to, że dopasowywanie komórek jest niepotrzebne. Równe napięcie na zaciskach nie gwarantuje jednakowej pojemności, rezystancji, temperatury ani wkładu prądu.

Komórki wybrane do jednej grupy równoległej powinny zwykle mieć kompatybilne:

• Chemia

• Limit napięcia ładowania

• Pojemność

• Opór wewnętrzny

• Charakterystyka rozładowania

• Historia produkcji

• Wiek i stan cyklu

• Projekt fizyczny

• Stan naładowania przy montażu

Uszkodzone lub znacznie zdegradowane ogniwo może dodatkowo obciążyć pozostałe ogniwa i zmniejszyć niezawodność całej grupy.

Dlaczego należy sprawdzić napięcie przed połączeniem równoległym

Ogniwa o różnych napięciach nie powinny być po prostu łączone ze sobą.

Po podłączeniu ogniwo o wyższym napięciu może szybko rozładować się do ogniwa o niższym napięciu. Powstały prąd wyrównawczy może być ograniczony głównie przez rezystancję ogniwa i połączenia i może być znacznie wyższy niż normalny prąd ładowania.

Z tego powodu równoległe grupy powinny być montowane w kontrolowanym procesie produkcyjnym przy użyciu kwalifikowanych, ściśle dopasowanych ogniw. Użytkownicy końcowi nie powinni dodawać nowego ogniwa do zużytego opakowania ani łączyć równolegle dwóch luźnych ogniw bez zatwierdzonego projektu i odpowiedniego wyposażenia.

Jak działa szeregowo-równoległy pakiet LiPo

Pakiet szeregowo-równoległy łączy w sobie obie metody połączenia.

Rozważmy projekt 2S2P wykonany z czterech identycznych ogniw 3,7 V, 1000 mAh:

1. Dwa ogniwa są połączone równolegle, tworząc pierwszą grupę 3,7 V, 2000 mAh.

2. Dwa kolejne ogniwa tworzą drugą grupę 3,7 V, 2000 mAh.

3. Dwie równoległe grupy są połączone szeregowo.

Wynikowa specyfikacja teoretyczna to:

• Napięcie nominalne: 7,4 V

• Pojemność: 2000 mAh

• Energia: 14,8 Wh

• Konfiguracja: 2S2P

• Całkowita liczba komórek: 4

Formuły są następujące:

Napięcie pakietu = napięcie znamionowe ogniwa × S

Pojemność opakowania = Pojemność ogniwa × P

Całkowita liczba komórek = S × P

Energia nominalna = napięcie pakietu × pojemność pakietu w Ah

W tej konstrukcji BMS monitoruje dwa napięcia szeregowo-grupowe. Każda monitorowana grupa zawiera dwie równoległe komórki.

Dlatego pakiet 2S2P nie jest monitorowany jako pakiet 4S. Wybór płytki zabezpieczającej na podstawie całkowitej liczby pojedynczych ogniw, a nie liczby serii, byłby nieprawidłowy.

Porównanie napięcia, pojemności i watogodzin

Różnica między konstrukcją szeregową a równoległą stanie się wyraźniejsza, gdy porównamy pakiety z identycznymi ogniwami 3,7 V i 1000 mAh.

Zarówno modele 2S1P, jak i 1S2P zawierają dwa ogniwa i przechowują około 7,4 Wh. Ich napięcie i pojemność są różne, ale teoretyczna energia nominalna jest podobna.

Nadal nie da się ich zastąpić, bo urządzenie widzi inne napięcie wejściowe.

Dlaczego sam mAh nie może porównać różnych akumulatorów

Pakiet 3,7 V 2000 mAh i pakiet 7,4 V 1000 mAh zawierają około 7,4 Wh:

3,7 V × 2,0 Ah = 7,4 Wh

7,4 V × 1,0 Ah = 7,4 Wh

Patrząc tylko na mAh, pierwsze opakowanie wydaje się mieć dwukrotnie większą pojemność. Pod względem energetycznym są podobne.

Dlatego też watogodziny są bardziej przydatne przy porównywaniu pakietów o różnych napięciach.

Jednak równy Wh nie gwarantuje identycznego czasu pracy urządzenia. Rzeczywisty czas pracy zależy również od:

• Efektywność konwersji napięcia

• Prąd urządzenia przy różnych napięciach wejściowych

• Rezystancja wewnętrzna akumulatora

• Napięcie odcięcia

• Szybkość rozładowania

• Temperatura

• Starzenie się komórek

• Spadek napięcia na płycie zabezpieczającej

• Pojemność użytkowa przy rzeczywistym obciążeniu

Czas działania powinien ostatecznie zostać zweryfikowany w gotowym urządzeniu, a nie przewidywany na podstawie samego mAh.

Czy wyższa liczba serii zapewnia większą moc?

Zwiększanie napięcia może udostępnić więcej mocy, ale tylko wtedy, gdy ogniwo, system zabezpieczający, okablowanie i urządzenie są w stanie dostarczyć i przyjąć wymagany prąd.

Moc elektryczną oblicza się jako:

Moc = napięcie × prąd

Pakiet 7,4 V dostarczający 2 A zapewnia około 14,8 W. Pakiet 3,7 V musiałby dostarczać około 4 A, aby zapewnić tę samą moc wejściową, zanim uwzględni się straty spowodowane konwersją.

Jest to jeden z powodów, dla których projektant może wybrać pakiet wyższego napięcia do silników, grzejników, pomp, robotyki lub innych produktów wymagających dużej mocy. Niższy prąd przy tej samej mocy może zmniejszyć straty w przewodzie, ale wyższa liczba szeregów zwiększa również napięcie ładowarki, złożoność BMS, wymagania dotyczące napięcia komponentów i kwestie izolacji.

Wyboru należy rozpocząć od zakresu napięcia wejściowego urządzenia i profilu obciążenia, a nie od założenia, że ​​więcej ogniw szeregowych jest automatycznie lepszych.

Wymagania ochronne dla pakietu 1S

Pakiet jednoszeregowy posiada tylko jedną grupę napięciową, dzięki czemu nie wymaga równoważenia pomiędzy ogniwami szeregowymi.

Jego PCM może nadal wymagać zapewnienia:

• Ochrona przed przeładowaniem

• Zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem

• Zabezpieczenie nadprądowe

• Zabezpieczenie przed zwarciem

• Kontrola ładowania i rozładowania

• Monitorowanie temperatury

• Wyjście NTC

• Identyfikacja baterii

• Pomiar paliwa lub komunikacja

Ładowarka musi odpowiadać składowi chemicznemu ogniwa i maksymalnemu napięciu ładowania. PCM przerywa nieprawidłowe warunki, ale nie zastępuje odpowiednio kontrolowanej ładowarki.

W konstrukcji 1S2P lub 1S3P obwód zabezpieczający postrzega grupę równoległą jako jeden węzeł napięciowy o większej pojemności. Jego aktualna ocena musi opierać się na całkowitym obciążeniu pakietu, a nie pojemności jednego ogniwa.

Wymagania ochronne dla opakowania wieloserialnego

Projekty serii 2S, 3S lub wyższej wymagają obwodów zabezpieczających odpowiednich dla tej dokładnej liczby serii.

Wielokomórkowy system BMS lub PCM może wymagać wykonania:

• Indywidualne monitorowanie napięcia szeregowo-grupowego

• Monitorowanie prądu opakowania

• Zabezpieczenie nadprądowe ładowania

• Zabezpieczenie nadprądowe rozładowania

• Zabezpieczenie przed zwarciem

• Odcięcie przeładowania

• Odcięcie przy nadmiernym rozładowaniu

• Równoważenie grup komórkowych

• Monitorowanie temperatury

• Sterowanie MOSFET-em

• Oszacowanie stanu naładowania

• Rejestracja usterek

• Komunikacja z urządzeniem głównym

Napięcie znamionowe komponentów musi również uwzględniać maksymalne napięcie pakietu, uwzględniając odpowiedni margines projektowy.

Dlaczego całkowite napięcie pakietu nie wystarczy

Monitorowanie jedynie całkowitego napięcia nie pozwala na wiarygodną identyfikację pojedynczej grupy, która jest przeładowana lub nadmiernie rozładowana.

Z tego powodu obwód zabezpieczający 3S zwykle wymaga dostępu do:

• Opakowanie negatywne

• Połączenie po szeregowej grupie 1

• Połączenie po szeregowej grupie 2

• Opakowanie pozytywne po serii grupa 3

Konwencjonalna wiązka monitorująca ma zatem o jedno złącze napięciowe więcej niż liczba szeregowa:

Połączenia wykrywające napięcie = S + 1

Pakiet ze zintegrowanym systemem BMS może nie udostępniać tych połączeń na zewnątrz, ale nadal są one wymagane wewnętrznie do monitorowania poszczególnych serii-grup.

Co robi równoważenie komórek

Równoważenie pomaga ograniczyć różnice pomiędzy grupami połączonymi szeregowo.

Pasywny system równoważenia zazwyczaj usuwa niewielką ilość energii z grupy o wyższym napięciu, aby niższe grupy mogły kontynuować ładowanie. Bardziej zaawansowane systemy aktywnego równoważenia mogą redystrybuować energię pomiędzy grupami.

Wyważanie nie może w pełni skorygować:

• Uszkodzona komórka

• Poważna utrata pojemności

• Wysokie samorozładowanie

• Słabe połączenie elektryczne

• Główne różnice w rezystancji wewnętrznej

• Nieprawidłowo dopasowane komórki

• Nieodpowiedni układ opakowania

Należy raczej sprawdzić pakiet, w którym stale występuje duże niezrównoważenie, niż polegać na obwodzie równoważącym w celu ukrycia podstawowego problemu.

Wymagania ochronne dla grup równoległych

Konstrukcja równoległa stwarza inny zestaw priorytetów projektowych.

Dopasowanie komórek

Komórki należy wybierać z kompatybilnych grup produkcyjnych i wydajnościowych. Mieszanie ogniw o różnych pojemnościach, składzie chemicznym, ograniczeniach napięcia, wieku lub oporach wewnętrznych może powodować nierówny podział prądu.

Praktyczne skutki zmienności komórek omówiono bardziej szczegółowo w dlaczego akumulatory litowo-jonowe stają się niespójne.

Projekt ścieżki prądu

Rezystancja połączenia powinna być niska i odpowiednio zrównoważona. Układ powinien unikać zmuszania jednej komórki lub karty do przenoszenia nieproporcjonalnej części prądu.

Czynniki konstrukcyjne obejmują:

• Geometria zakładek

• Wymiary taśmy niklowej lub szyny zbiorczej

• Grubość miedzi PCB

• Pozycja połączenia

• Rozmieszczenie leadów

• Jakość spoiny

• Odstępy między komórkami

• Rozpraszanie ciepła

• Lokalizacja złącza

Ograniczanie usterek

W trwale połączonej grupie równoległej zdrowe ogniwa mogą dostarczać prąd do uszkodzonego ogniwa lub uszkodzonej gałęzi.

W zależności od wielkości opakowania i oceny ryzyka projekt może wymagać:

• Interkonekty topliwe

• Ograniczenie prądu gałęzi

• Separacja termiczna

• Czujniki temperatury

• Materiały trudnopalne

• Bariery mechaniczne

• Utrwalanie na poziomie pakietu

• Kontrolowana przestrzeń wentylacyjna

• Dodatkowe funkcje wykrywania usterek

Wymagane podejście zależy od energii pakietu, typu ogniwa, zastosowania, obudowy, wymagań zgodności i przewidywalnych warunków awarii.

Aktualna wartość znamionowa płyty zabezpieczającej

BMS musi obsługiwać całkowity oczekiwany prąd pakietu, w tym:

• Normalny prąd roboczy

• Maksymalny prąd ciągły

• Fala startupów

• Prąd utyku silnika

• Uruchamianie nagrzewnicy

• Szczyty komunikacji-nadajnika

• Prąd ładowania

• Progi wykrywania usterek

Reklamowany prąd płytki nie powinien być traktowany jako użyteczny prąd urządzenia bez sprawdzenia strat MOSFET, wzrostu temperatury, warunków chłodzenia, rozmiaru przewodnika i czasu odcięcia.

Wymagania dotyczące ładowarek dla pakietów szeregowych i równoległych

Ładowarka musi odpowiadać składowi chemicznemu pakietu, liczbie serii, limitowi napięcia ładowania i dozwolonemu prądowi ładowania.

Dla konwencjonalnych ogniw 4,2 V:

Pakietu 2S nie należy ładować za pomocą ładowarki 1S. Podobnie ładowarka przeznaczona do standardowych ogniw 4,2 V może nie nadawać się do chemii wysokiego napięcia z innym limitem ładowania.

Pojemność równoległa wpływa na obliczenie prądu ładowania. Jeśli dwa identyczne ogniwa zostaną umieszczone równolegle, odpowiedni pakiet może przyjąć większy prąd całkowity niż jedno ogniwo, ale prawidłowa wartość zależy od:

• Limit szybkości ładowania ogniwa

• Pojemność opakowania

• Temperatura

• Równoległe udostępnianie prądu

• Ocena płyty zabezpieczającej

• Parametry złącza i przewodu

• Docelowy czas ładowania

• Wymagania dotyczące cyklu życia

Ładowarka i BMS pełnią różne funkcje. Ładowarka reguluje profil ładowania, a system zabezpieczający reaguje na określone nietypowe warunki. Nie należy stosować jednego z nich jako substytutu drugiego.

Wymagania dotyczące dopasowania komórek

Niezawodny pakiet wielokomórkowy rozpoczyna się od odpowiedniego doboru komórek.

Komórki użyte w tym samym zespole mogą wymagać dopasowania pod kątem:

• Model komórki

• Chemia

• Pojemność nominalna

• Zmierzona pojemność

• Napięcie obwodu otwartego

• Opór wewnętrzny

• Grubość i wymiary

• Samorozładowanie

• Partia produkcyjna

• Wiek

• Historia cyklu

Dopasowanie jest ważne zarówno w strukturach szeregowych, jak i równoległych.

W szeregu szeregowym grupa o najniższej pojemności lub najwyższej rezystancji może jako pierwsza osiągnąć swój limit napięcia i ograniczyć użyteczną pojemność pakietu.

W grupie równoległej różnice w rezystancji i połączeniach wpływają na podział prądu. Jedna komórka może pracować ciężej i starzeć się szybciej niż inne.

Producenci akumulatorów powinni ustalić kryteria kontroli ogniw odpowiednie dla produktu, zamiast łączyć ogniwa tylko dlatego, że mają tę samą wydrukowaną specyfikację.

Czy gotowe pakiety LiPo można łączyć szeregowo?

Nie należy łączyć dwóch gotowych pakietów szeregowo, chyba że cały system został zaprojektowany i zatwierdzony do takiego układu.

Potencjalne problemy obejmują:

• Różne stany naładowania

• Różne pojemności i wieki

• Niekompatybilne obwody zabezpieczające

• Nieprawidłowe uziemienie

• Niekompatybilność ładowarki

• Luki w monitorowaniu salda

• Limity napięcia złącza

• Nieoczekiwane zachowanie odcięcia BMS

• Jeden pakiet jest ładowany odwrotnie przez drugi

• Niebezpieczne procedury serwisowe lub wymiany

Niektóre chronione pakiety wykorzystują interfejsy przełączające lub komunikacyjne typu low-side, które sprawiają, że zewnętrzne połączenie szeregowe jest nieodpowiednie. Bateria, która jest bezpieczna jako samodzielny produkt, nie jest automatycznie bezpieczna w połączeniu z innym pakietem.

Jeśli aplikacja wymaga wyższego napięcia, zastosowanie specjalnie zaprojektowanego zestawu wieloseryjnego jest zwykle bardziej niezawodne niż podłączanie niezależnie chronionych akumulatorów po produkcji.

Czy gotowe pakiety LiPo można łączyć równolegle?

Gotowych pakietów nie należy łączyć równolegle tylko dlatego, że na etykietach widnieje to samo napięcie nominalne.

Przed pracą równoległą projekt musi uwzględniać:

• Różnica napięcia pakietu

• Różnica stanu naładowania

• Pojemność i wiek

• Opór wewnętrzny

• Interakcja z BMS-em

• Prąd wsteczny

• Dystrybucja prądu ładowania

• Sekwencja złączy

• Usuwanie pakietu pod napięciem

• Ochrona oddziałów

• Izolowanie błędów

Jeśli jeden pakiet ma wyższe napięcie, po zetknięciu złączy może płynąć duży prąd wyrównawczy.

Równoległe moduły akumulatorów można zaprojektować bezpiecznie, ale wymagają one określonej metody połączenia, kompatybilnej architektury zabezpieczeń, kontrolowanego ładowania wstępnego, jeśli jest to wymagane, oraz potwierdzonego zachowania w przypadku awarii.

Jak konfiguracja wpływa na rozmiar i układ baterii

Dodanie ogniw zwiększa energię, ale także zmienia konstrukcję mechaniczną.

Złożenia szeregowe i równoległe mogą mieć wpływ na:

• Całkowita grubość

• Szerokość i długość

• Waga

• Środek ciężkości

• Przestrzeń do prowadzenia kabli

• Promień zgięcia

• Rozpraszanie ciepła

• Dodatek na rozbudowę komórek

• Ochrona przed upadkiem

• Odporność na wibracje

• Dostęp serwisowy

• Montaż obudowy

Dwie komory woreczka umieszczone obok siebie mogą stworzyć szerokie i cienkie opakowanie. Układanie ich w stosy może spowodować zmniejszenie powierzchni przy większej grubości.

Struktura szeregowo-równoległa może również wymagać:

• Dodatkowa izolacja

• Więcej punktów spawania

• Większy BMS

• Okablowanie wykrywające napięcie

• Czujniki temperatury

• Mocniejsza rama nośna

• Bardziej złożone pakowanie paczek

• Zwiększone odstępy wokół zakładek i elementów zabezpieczających

Konfigurację elektryczną należy zatem wybierać łącznie z dostępną komorą baterii, a nie po sfinalizowaniu obudowy.

Szeregowe czy równoległe: którą konfigurację wybrać?

Wybierz liczbę serii zgodnie z napięciem wymaganym przez urządzenie.

Wybierz liczbę równoległą zgodnie z wymaganą energią, czasem pracy, wydajnością prądową, przestrzenią i wagą.

Projekt skoncentrowany na serii może być odpowiedni, gdy:

• Urządzenie wymaga wyższego napięcia wejściowego

• Silnik lub grzejnik działa wydajniej przy wyższym napięciu

• System wykorzystuje szynę napięciową powyżej zakresu pakietu 1S

• Dla danego poziomu mocy preferowany jest niższy prąd

• Urządzenie zawiera już kompatybilną ładowarkę wieloogniwową

• Produkt może pomieścić wieloseryjny BMS

Projekt równoległy może być odpowiedni, gdy:

• Produkt musi posiadać platformę o nominalnym napięciu 3,7 V

• Wymagany jest dłuższy czas działania

• Pojedyncze ogniwo nie jest w stanie zapewnić wystarczającej pojemności

• W zatwierdzonych warunkach pracy ogniwa potrzebny jest większy prąd wyjściowy

• W obudowie można umieścić wiele ogniw

• Ładowarka i system zabezpieczający wspierają uzyskaną pojemność i prąd

Układ szeregowo-równoległy może być odpowiedni, gdy:

• Urządzenie wymaga zarówno wyższego napięcia, jak i dłuższego czasu pracy

• Pojedynczy ciąg szeregowy nie jest w stanie zapewnić wymaganego prądu

• Zapotrzebowanie na energię przekracza pojemność praktycznego pojedynczego ciągu

• Przestrzeń musi być rozłożona na kilka pozycji komórek

• Aplikacja uzasadnia dodatkową złożoność BMS i montażu

ZERNE’a niestandardowe rozwiązania w zakresie akumulatorów litowo-polimerowych obsługują struktury jednoogniwowe, wieloseryjne, równoległe i szeregowo-równoległe w oparciu o napięcie urządzenia, pojemność, rozmiar, prąd, złącze i wymagania dotyczące ochrony.

Praktyczny proces wyboru konfiguracji baterii

1. Potwierdź zakres napięcia urządzenia

Zidentyfikować:

• Minimalne napięcie robocze

• Normalne napięcie robocze

• Maksymalne bezpieczne napięcie wejściowe

• Wymagane napięcie rozruchowe

• Napięcie wyłączenia

• Zakres wejściowy regulatora napięcia

• Napięcie silnika, grzejnika lub siłownika

• Napięcie wejściowe i wyjściowe ładowarki

Maksymalne napięcie w pełni naładowanego pakietu musi mieścić się w bezpiecznym zakresie każdego podłączonego komponentu.

2. Zdefiniuj profil obciążenia

Nagrywać:

• Prąd czuwania

• Typowy prąd roboczy

• Maksymalny prąd ciągły

• Prąd szczytowy

• Szczytowy czas trwania

• Prąd rozruchowy lub przeciągnięcia

• Dzienny czas pracy

• Wymagany czas pracy na jedno ładowanie

Sam średni prąd może nie ujawnić, czy ogniwa, BMS i złącze są w stanie obsłużyć krótkie zdarzenia wysokoprądowe.

3. Oblicz wymaganą energię

Pierwsze oszacowanie można obliczyć za pomocą:

Wymagana energia w Wh = średnia moc w W × czas pracy w godzinach

Praktyczny projekt powinien uwzględniać także:

• Straty na skutek konwersji napięcia

• Starzenie się baterii

• Utrata wydajności w niskiej temperaturze

• Spadek napięcia przy dużym obciążeniu

• Pojemność rezerwowa

• Zużycie BMS

• Zużycie w trybie gotowości urządzenia

• Dopuszczalna głębokość zrzutu

4. Wybierz liczbę serii

Wybierz liczbę grup szeregowych wymaganą do spełnienia napięcia urządzenia.

Nie używaj samego napięcia nominalnego. Sprawdzać:

• Maksymalne napięcie ładowania

• Typowy zakres działania

• Napięcie odcięcia BMS

• Próg zbyt niskiego napięcia urządzenia

• Napięcie ładowarki

• Wartości napięcia komponentów

5. Wybierz Licznik równoległy

Określ, jaką pojemność i prąd może zapewnić jeden ciąg szeregowy. Dodawaj ogniwa równoległe tylko wtedy, gdy jest to wymagane ze względu na energię, czas pracy, prąd lub opakowanie.

Więcej ogniw równoległych zwiększa również wagę, objętość, koszt, punkty spawania i energię uszkodzenia.

6. Zaprojektuj system ochrony

Określić:

• Chemia

• Liczba serii

• Pojemność opakowania

• Limit prądu ładowania

• Ciągły prąd rozładowania

• Prąd szczytowy i czas trwania

• Próg przeładowania

• Próg nadmiernego rozładowania

• Próg przetężenia

• Reakcja na zwarcie

• Limity temperatur

• Strategia równoważenia

• Wymagania komunikacyjne

7. Sprawdź ładowarkę i złącze

Ładowarka musi pasować do całego pakietu, a główne złącze i przewody muszą wytrzymać rzeczywisty prąd.

Przed wyprodukowaniem próbek należy udokumentować serię złączy, polaryzację, rozmieszczenie pinów, przekrój przewodu, długość kabla i połączenie wagi.

8. Buduj i testuj próbki

Walidację należy przeprowadzić wewnątrz rzeczywistego urządzenia.

Odpowiednie testy mogą obejmować:

• Kompatybilność ładowania

• Napięcie pełnego ładowania

• Indywidualne napięcie szeregowo-grupowe

• Równoważenie komórek

• Czas wykonania

• Maksymalny spadek napięcia obciążenia

• Odpowiedź na prąd szczytowy

• Wzrost temperatury

• Zachowanie odcięcia BMS

• Zabezpieczenie przed zwarciem

• Ogrzewanie złącza

• Prowadzenie kabli

• Obudowa pasuje

• Odporność na upadki i wibracje

• Powtarzająca się jazda na rowerze

• Przechowywanie i samorozładowanie

The System kontroli jakości akumulatorów litowo-polimerowych dostarcza dodatkowych informacji na temat testowania ogniw, kontroli montażu, weryfikacji elektrycznej i kontroli gotowego opakowania.

Sprawdzone przykłady konfiguracji

Przykład 1: Kompaktowe urządzenie śledzące

Załóżmy, że tracker działa na platformie jednoogniwowej i wymaga dłuższego czasu działania, niż może zapewnić jedno ogniwo 1000 mAh.

Możliwa konfiguracja to:

• Ogniwo: 3,7 V, 1000 mAh

• Struktura: 1S2P

• Napięcie pakietu: nominalne 3,7 V

• Pojemność opakowania: 2000 mAh

• Energia nominalna: 7,4 Wh

Konstrukcja utrzymuje napięcie ładowania pojedynczego ogniwa, ale wymaga obwodu zabezpieczającego i złącza odpowiedniego dla łącznego prądu i pojemności.

Przykład 2: Urządzenie przenośne wymagające napięcia 7,4 V

Załóżmy, że produkt przenośny potrzebuje około 7,4 V i 2000 mAh.

Korzystanie z ogniw 3,7 V, 2000 mAh:

• Struktura: 2S1P

• Napięcie pakietu: nominalne 7,4 V

• Pojemność opakowania: 2000 mAh

• Energia nominalna: 14,8 Wh

• Typowe napięcie pełnego ładowania: 8,4 V

Pakiet wymaga systemu ochrony 2S i profilu ładowania litowo-jonowego 8,4 V.

Przykład 3: Robot wymagający wyższego napięcia i wydajności

Załóżmy, że robot potrzebuje nominalnego napięcia 11,1 V i 4000 mAh. Korzystanie z ogniw 2000 mAh:

• Struktura: 3S2P

• Całkowita liczba komórek: 6

• Napięcie pakietu: nominalne 11,1 V

• Pojemność opakowania: 4000 mAh

• Energia nominalna: 44,4 Wh

• Typowe napięcie pełnego ładowania: 12,6 V

BMS musi monitorować trzy grupy szeregowe, obsługując normalny prąd robota, udar rozruchowy i możliwy prąd utyku silnika.

Typowe błędy w projektowaniu akumulatorów szeregowych i równoległych

Informacje dotyczące niestandardowego zestawu baterii

Producent może dokładniej ocenić konfigurację szeregową i równoległą, gdy dostępne są następujące informacje.

Wymagania dotyczące urządzenia

• Typ produktu

• Wymagany zakres napięcia wejściowego

• Maksymalne bezpieczne napięcie wejściowe

• Typowy prąd roboczy

• Maksymalny prąd ciągły

• Prąd szczytowy i czas trwania

• Wymagany czas działania

• Metoda ładowania

• Temperatura robocza

• Dostępne miejsce na akumulator

• Docelowa waga opakowania

Wymagania dotyczące baterii

• Preferowana chemia

• Nominalne napięcie pakietu

• Wymagana pojemność

• Zapotrzebowanie na energię

• Oczekiwana konfiguracja szeregowa i równoległa

• Cel dotyczący cyklu życia

• Czas ładowania

• Wymagana szybkość rozładowania

• Wymagania dotyczące niskiej lub wysokiej temperatury

• Wymagania dotyczące ogniw wysokiego napięcia

Wymagania dotyczące ochrony

• PCM lub BMS

• Ochrona przed przeładowaniem i nadmiernym rozładowaniem

• Zabezpieczenie nadprądowe i zwarciowe

• Liczba i lokalizacja czujników temperatury

• Równoważenie komórek

• Wskaźnik paliwa

• Wyświetlanie stanu naładowania

• SMBus, CAN lub inny protokół komunikacyjny

• Uwierzytelnianie lub identyfikacja baterii

• Wymaganie dotyczące bezpiecznika lub zabezpieczenia odgałęzienia

Wymagania mechaniczne i przyłączeniowe

• Maksymalna grubość, szerokość i długość

• Układ komórek

• Obudowa lub opakowanie

• Producent złącza i numer części

• Polaryzacja i układ pinów

• Wskaźnik drutu

• Długość kabla

• Przewód balansowy

• NTC lub przewody komunikacyjne

• Montaż i odciążenie

• Wymagania dotyczące wibracji i upadków

The akumulator litowy należy określić jako kompletny system, a nie wyłącznie jako napięcie i wartości w mAh.

Wniosek

Połączenia szeregowe i równoległe służą różnym celom w zestawie akumulatorów LiPo.

Połączenie szeregowe podnosi napięcie pakietu, zachowując jednocześnie pojemność Ah jednej ścieżki szeregowej. Połączenie równoległe utrzymuje napięcie jednego ogniwa, jednocześnie zwiększając pojemność i potencjalnie zwiększając wydajność prądową. Struktura szeregowo-równoległa łączy oba efekty.

Te zasady elektryczne są jedynie punktem wyjścia. Gotowy pakiet musi również uwzględniać maksymalne napięcie ładowania, watogodziny, obciążenie urządzenia, dopasowanie ogniw, podział prądu, równoważenie, prąd BMS, temperaturę, okablowanie, złącza, kompatybilność ładowarek i ochronę mechaniczną.

W przypadku pakietów składających się z wielu serii system zabezpieczający musi monitorować napięcia poszczególnych grup szeregowych i dopasowywać dokładną liczbę serii. W przypadku projektów równoległych niezbędne są ściśle dopasowane ogniwa i kontrolowane ścieżki prądowe. W obu przypadkach wartości teoretyczne należy potwierdzić w drodze testów na poziomie opakowania i urządzenia przed produkcją.

Często zadawane pytania

Czy połączenie akumulatorów LiPo szeregowo zwiększa pojemność?

Zwiększa całkowitą zmagazynowaną energię i napięcie pakietu, ale wartość Ah lub mAh pozostaje równa pojemności jednej ścieżki szeregowej. Dwa ogniwa 3,7 V, 1000 mAh połączone szeregowo tworzą pakiet 7,4 V, 1000 mAh.

Czy podłączenie akumulatorów LiPo równolegle zwiększa napięcie?

Nie. Ogniwa równoległe zachowują napięcie jednego ogniwa podczas dodawania ich pojemności. Dwa ogniwa 3,7 V, 1000 mAh połączone równolegle tworzą pakiet 3,7 V, 2000 mAh.

Jaka jest różnica między 2S2P a 4S1P?

Pakiet 2S2P składa się z dwóch grup szeregowych z dwoma równoległymi komórkami w każdej grupie. Pakiet 4S1P składa się z czterech ogniw połączonych szeregowo, dzięki czemu zapewnia dwukrotnie większe napięcie nominalne, ale o połowę mniejszą pojemność w Ah, gdy używane są identyczne ogniwa.

Czy pakiet 2S2P potrzebuje BMS 2S czy 4S?

Zwykle wymaga 2S BMS, ponieważ system zabezpieczający monitoruje dwie grupy napięć szeregowych. BMS musi także obsługiwać całkowitą pojemność, prąd ładowania, prąd rozładowania i wymagania dotyczące równoważenia dwóch równoległych grup.

Czy ogniwa LiPo o różnej pojemności można łączyć równolegle?

Zwykle nie należy ich łączyć w opakowaniu OEM, chyba że cały projekt został specjalnie oceniony. Różnice w pojemności, rezystancji, wieku lub stanie mogą powodować nierówny podział prądu i przyspieszoną degradację.

Czy dwa zabezpieczone pakiety akumulatorów LiPo można połączyć równolegle?

Tylko jeśli system akumulatorów został zaprojektowany do pracy modułowej równoległej. Należy uwzględnić różnice w napięciu pakietu, prąd wsteczny, interakcję BMS, kolejność połączeń i zabezpieczenie odgałęzień.

Czy dodanie ogniw równoległych podwaja prąd rozładowania?

Może zwiększyć dostępny prąd, jeśli używane są identyczne ogniwa i zbalansowane ścieżki prądowe, ale bezpieczny prąd gotowego pakietu jest nadal ograniczony przez BMS, wypustki, połączenia wzajemne, okablowanie, złącze, temperaturę i zachowanie w zakresie podziału prądu.

Która konfiguracja zapewnia dłuższy czas działania: szeregowa czy równoległa?

Czasu działania nie można określić na podstawie samej liczby S lub P. Porównaj łączną liczbę watogodzin i przetestuj całe urządzenie, ponieważ napięcie wejściowe, wydajność konwersji, zachowanie przy obciążeniu, napięcie odcięcia, temperatura i szybkość rozładowania również wpływają na użyteczny czas pracy.