Zestawy akumulatorów szeregowych a równoległe: która konfiguracja pasuje do urządzenia OEM?

Sposób podłączenia ogniw litowo-jonowych określa podstawowe zachowanie elektryczne pakietu akumulatorów.

• Połączenia szeregowe zwiększają napięcie.

• Połączenia równoległe zwiększają pojemność i możliwości prądowe.

• Konfiguracje szeregowo-równoległe zwiększają jednocześnie napięcie i pojemność.

W przypadku urządzenia OEM prawidłowa konfiguracja zestawu baterii musi być zgodna z:

• Zakres napięcia urządzenia

• Wymagana pojemność

• Prąd ciągły i szczytowy

• Cel czasu wykonania

• Projekt ładowarki

• Wymagania BMS lub PCM

• Dostępna przestrzeń instalacyjna

• Limity wagowe i termiczne

• Wymagania produkcyjne i testowe

Wybór pomiędzy szeregowym a równoległym to zatem nie tylko obliczenia elektryczne. Jest to decyzja projektowa na poziomie systemu.

Szybka odpowiedź: akumulatory szeregowe a równoległe

Przykładowo przy zastosowaniu ogniw 3,7 V, 2500 mAh:

• 2S1P = 7,4 V, 2500 mAh

• 1S2P = 3,7 V, 5000 mAh

• 2S2P = 7,4 V, 5000 mAh

Właściwa konfiguracja zależy od docelowego napięcia, pojemności, prądu i konstrukcji mechanicznej.

1. Co oznaczają „S” i „P”?

Konfiguracja zestawu akumulatorów jest zwykle zapisywana za pomocą liter S i P.

S oznacza serię

Liczba przed S wskazuje liczbę komórek lub grup komórek połączonych szeregowo.

Przykłady:

• 1S: jedna grupa komórek szeregowo

• 2S: dwie grupy komórek połączone szeregowo

• 3S: trzy grupy komórkowe szeregowo

• 4S: cztery grupy komórkowe połączone szeregowo

Połączenia szeregowe zwiększają napięcie.

P oznacza równoległy

Liczba przed P wskazuje liczbę ogniw połączonych równolegle w każdej grupie szeregowej.

Przykłady:

• 1P: jedna komórka w każdej grupie równoległej

• 2P: dwie komórki równolegle

• 3P: trzy ogniwa równolegle

• 4P: cztery ogniwa równolegle

Połączenia równoległe zwiększają pojemność i możliwości prądowe.

Całkowita liczba komórek

Całkowita liczba komórek wynosi:

Całkowita liczba komórek = S × P

Na przykład:

• 2S1P = 2 komórki

• 1S2P = 2 komórki

• 2S2P = 4 komórki

• 3S2P = 6 komórek

2. Jak działają akumulatory szeregowe

Ogniwa połączone szeregowo są połączone końcami. Zacisk dodatni jednego ogniwa łączy się z zaciskiem ujemnym następnego ogniwa.

W przypadku dopasowanych komórek szeregowo:

Napięcie pakietu = napięcie ogniwa × liczba ogniw połączonych szeregowo

Pojemność amperogodzinna pozostaje w przybliżeniu równa pojemności jednego ogniwa lub jednej grupy równoległej.

Przykład: pakiet 2S1P

Załóżmy, że każda komórka ma:

• Napięcie nominalne: 3,7 V

• Pojemność: 2500 mAh

Pakiet 2S1P zapewnia:

• Napięcie: 3,7 V × 2 = 7,4 V

• Pojemność: 2500 mAh

• Energia: 7,4 V × 2,5 Ah = 18,5 Wh

Rezultatem jest:

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

Przykład: Pakiet 3S1P

Używanie tych samych komórek:

• Napięcie: 3,7 V × 3 = 11,1 V

• Pojemność: 2500 mAh

• Energia: 11,1 V × 2,5 Ah = 27,75 Wh

Rezultatem jest:

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

Konfiguracja szeregowa jest odpowiednia, gdy urządzenie lub system zasilania wymaga wyższego napięcia nominalnego.

3. Jak działają równoległe zestawy akumulatorów

Ogniwa połączone równolegle mają połączone ze sobą bieguny dodatnie i połączone ze sobą bieguny ujemne.

W przypadku dopasowanych komórek równolegle:

Pojemność opakowania = Pojemność ogniwa × Liczba ogniw połączonych równolegle

Napięcie pozostaje w przybliżeniu równe napięciu jednego ogniwa lub jednej grupy szeregowej.

Przykład: Pakiet 1S2P

Załóżmy, że każda komórka ma:

• Napięcie nominalne: 3,7 V

• Pojemność: 2500 mAh

Pakiet 1S2P zapewnia:

• Napięcie: 3,7 V

• Pojemność: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh

• Energia: 3,7 V × 5 Ah = 18,5 Wh

Rezultatem jest:

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

Konfiguracja równoległa jest odpowiednia, gdy urządzenie działa przy tym samym napięciu co jedno ogniwo lub grupa szeregowa, ale wymaga większej pojemności, dłuższego czasu pracy lub wyższej wydajności prądowej.

4. Szeregowe a równoległe: jakie zmiany?

Szczegółowe wzory na pojemność znajdują się w Jak obliczyć pojemność akumulatora litowo-jonowego.

5. Co to jest akumulator szeregowo-równoległy?

Większość niestandardowych akumulatorów OEM wykorzystuje kombinację połączeń szeregowych i równoległych.

Pakiet szeregowo-równoległy wykorzystuje:

• Połączenia szeregowe w celu uzyskania wymaganego napięcia;

• Połączenia równoległe w celu osiągnięcia wymaganej wydajności i wydajności prądowej.

Przykład: Pakiet 2S2P

Przy użyciu czterech ogniw 3,7 V, 2500 mAh:

• Liczba serii: 2

• Liczba równoległa: 2

• Całkowita liczba komórek: 4

• Napięcie nominalne: 7,4 V

• Pojemność: 5000 mAh

• Energia: 37 Wh

Obliczenie:

3,7 V × 2 = 7,4 V

2500 mAh × 2 = 5000 mAh

7,4 V × 5 Ah = 37 Wh

Rezultatem jest:

7,4 V, 5000 mAh, 37 Wh

Konfiguracja 2S2P może być odpowiednia dla urządzenia OEM, które potrzebuje platformy 7,4 V i większej ilości energii, niż może zapewnić pakiet 2S1P.

6. Praktyczne porównanie przy użyciu tych samych dwóch komórek

Wykorzystując dwa identyczne ogniwa 3,7 V, 2500 mAh, ogniwa można łączyć na różne sposoby.

Obie konfiguracje zawierają w przybliżeniu tę samą energię nominalną, ponieważ wykorzystują te same dwa ogniwa. Jednakże nie są one zamienne.

Urządzenie musi być zaprojektowane tak, aby zapewnić prawidłowe:

• Napięcie wejściowe;

• Napięcie ładowania;

• Aktualny;

• BMS;

• Złącze;

• Układ mechaniczny.

Jest to ważny punkt przy projektowaniu OEM: dwa zestawy akumulatorów mogą mieć podobną liczbę watogodzin, ale nadal nie nadawać się do tego samego produktu.

7. Kiedy urządzenie OEM powinno używać konfiguracji szeregowej?

Konfiguracja szeregowa jest ogólnie rozważana, gdy urządzenie wymaga wyższego napięcia, niż może zapewnić jedno ogniwo.

Typowe powody to:

• Silnik lub układ zasilania wymaga wyższego napięcia;

• Wyższe napięcie może zmniejszyć prąd dla danego poziomu mocy;

• Urządzenie wykorzystuje już architekturę elektryczną 2S, 3S lub 4S;

• Dla przetwornicy lub sterownika silnika potrzebne jest wyższe napięcie wejściowe;

• Dostępne elementy systemu są zaprojektowane dla określonej platformy napięciowej.

Dla obciążenia o stałej mocy:

Prąd = Moc ÷ Napięcie

Przy tej samej mocy wyższe napięcie akumulatora może zmniejszyć prąd pobierany z pakietu. Może to mieć wpływ na rozmiar przewodu, wybór złącza i projekt zarządzania mocą.

Wyższe napięcie nie oznacza jednak automatycznie lepszej wydajności. Elektronika urządzenia, ładowarka, izolacja, BMS i sterownik silnika muszą obsługiwać wybrane napięcie.

Aby zapoznać się z praktycznymi porównaniami poziomu napięcia, zobacz Akumulatory 7,4 V vs. 11,1 V i 14,8 V.

8. Kiedy urządzenie OEM powinno używać konfiguracji równoległej?

Konfiguracja równoległa jest ogólnie rozważana, gdy urządzenie potrzebuje większej mocy lub wyższego prądu przy tym samym napięciu nominalnym.

Typowe powody to:

• Dłuższy wymagany czas działania;

• Wyższy prąd ciągły;

• Krótkie zapotrzebowanie wysokoprądowe;

• Więcej energii w ramach tej samej platformy napięciowej;

• Korzystanie z celi o ograniczonej indywidualnej pojemności;

• Trzeba rozprowadzić prąd na wiele ogniw.

Ogniwa równoległe mogą dzielić prąd, ale projekt musi nadal uwzględniać:

• Dopasowanie komórek;

• Obecna dystrybucja;

• Rezystancja połączenia;

• Temperatura ogniwa;

• Jakość spawania;

• BMS lub projekt zabezpieczeń;

• Wsparcie mechaniczne.

Komórki równoległe nie powinny być traktowane jako automatycznie identyczne. Różnice w rezystancji wewnętrznej lub stanie naładowania mogą mieć wpływ na podział prądu i długoterminową spójność pakietu.

9. Wymagania dotyczące dopasowania komórek

Zarówno akumulatory szeregowe, jak i równoległe wymagają kompatybilnych ogniw.

Ogniwa użyte w tym samym opakowaniu powinny mieć odpowiednie cechy, takie jak:

• Model;

• Pojemność nominalna;

• Woltaż;

• Opór wewnętrzny;

• Partia produkcyjna;

• Stan starzenia;

• Historia temperatur.

Dlaczego dopasowanie jest ważne w pakietach seryjnych

W zestawie szeregowym najsłabsze ogniwo może osiągnąć górną lub dolną granicę napięcia przed innymi ogniwami. Może to zmniejszyć użyteczną pojemność pakietu i spowodować przedwczesne wyłączenie ochrony.

Dlaczego dopasowywanie jest ważne w paczkach równoległych

W grupie równoległej ogniwa o różnym napięciu lub rezystancji wewnętrznej mogą nie dzielić prądu równomiernie. Jedno ogniwo może przenosić większe obciążenie lub otrzymywać większy prąd ładowania niż drugie.

Aby uzyskać więcej informacji na temat niespójności pakietów i różnic w komórkach, zobacz Dlaczego akumulatory litowo-jonowe stają się niespójne i co robić.

10. Wymagania BMS dla pakietów szeregowych i równoległych

System zarządzania baterią musi być zgodny z konfiguracją pakietu.

Pakiety serii

Pakiet składający się z wielu ogniw połączonych szeregowo zazwyczaj wymaga monitorowania poszczególnych grup komórek.

BMS może wymagać zapewnienia:

• Monitorowanie napięcia ogniwa;

• Równoważenie komórek;

• Ochrona przed przeładowaniem;

• Ochrona przed nadmiernym rozładowaniem;

• Zabezpieczenie nadprądowe;

• Zabezpieczenie przed zwarciem;

• Monitorowanie temperatury.

W miarę wzrostu liczby serii BMS musi być zaprojektowany dla odpowiedniej liczby ogniw.

Pakiety równoległe

Ogniwa równoległe mogą mieć ten sam punkt pomiaru napięcia, ale BMS lub system zabezpieczający nadal musi uwzględniać:

• Całkowity prąd;

• Dopasowanie komórek;

• Temperatura;

• Zachowanie podczas ładowania;

• Rezystancja połączenia;

• Warunki usterek.

Pakiety szeregowo-równoległe

Pakiet szeregowo-równoległy zazwyczaj wymaga, aby BMS monitorował każdą grupę szeregową przy jednoczesnym zarządzaniu całkowitym prądem pakietu.

BMS należy wybrać na etapie projektowania akumulatora, a nie dodawać go po zakończeniu konfiguracji ogniw.

11. Wymagania dotyczące ładowania

Konfiguracje szeregowe i równoległe wymagają różnych kwestii związanych z ładowaniem.

Ładowanie seryjne

Ładowarka musi obsługiwać całkowite napięcie szeregowe.

Na przykład:

• Pakiet 1S: ładowarka przeznaczona na jedno ogniwo;

• Pakiet 2S: ładowarka przeznaczona do akumulatora 2S;

• Pakiet 3S: ładowarka przeznaczona do akumulatora 3S;

• Pakiet 4S: ładowarka przeznaczona do akumulatora 4S.

Ładowarki przeznaczonej na jedno ogniwo nie należy stosować bezpośrednio z pakietem wieloseryjnym.

Ładowanie równoległe

Pakiet równoległy nadal wykorzystuje napięcie jednego ogniwa lub jednej grupy szeregowej, ale system ładowania może wymagać dostarczenia większego prądu lub zaakceptowania dłuższego czasu ładowania.

Ładowanie szeregowo-równoległe

System ładowania musi pasować do obu:

• Całkowite napięcie szeregowe;

• Wymagania dotyczące pojemności opakowania i prądu ładowania.

Ładowarkę, akumulator i BMS należy testować jako jeden system.

12. Dopasuj konfigurację do urządzenia OEM

Prawidłowa konfiguracja zależy od rzeczywistych wymagań urządzenia.

To jest jedynie wstępny przewodnik po wyborze. Ostateczną konfigurację należy również sprawdzić pod kątem aktualnego zapotrzebowania, wymiarów, ładowania, temperatury i wymagań produkcyjnych.

13. Przykład OEM: wybór konfiguracji urządzenia 7,4 V

Załóżmy, że produkt OEM wymaga:

• Napięcie nominalne: około 7,4 V;

• Pojemność docelowa: 5000 mAh;

• Prąd ciągły: umiarkowany;

• Kompaktowa prostokątna komora baterii;

• Możliwość ładowania;

• Monitorowanie na poziomie komórkowym.

Wstępna konfiguracja może wyglądać następująco:

2S2P z wykorzystaniem ogniw 3,7 V, 2500 mAh

Obliczenie:

• Napięcie: 3,7 V × 2 = 7,4 V;

• Pojemność: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Całkowita liczba komórek: 2 × 2 = 4 komórki;

• Energia nominalna: 7,4 V × 5 Ah = 37 Wh.

Zespół projektowy musi następnie potwierdzić:

• Czy zakres napięcia 2S jest kompatybilny z urządzeniem;

• Czy wymagany jest BMS 2S z równoważeniem;

• Czy ogniwa mogą wytrzymać prąd;

• Czy ładowarka jest przeznaczona dla 2S;

• Czy opakowanie pasuje do obudowy;

• Czy złącze obsługuje wymagany prąd;

• Czy akumulator przejdzie zaplanowane testy.

ZERNE’a Stronę dotyczącą akumulatorów litowych 7,4 V można wykorzystać jako odniesienie na poziomie produktu w przypadku konfiguracji akumulatorów 2S, natomiast projekty niestandardowe należy oceniać w porównaniu z rzeczywistym urządzeniem OEM.

14. Przykład konfiguracji urządzenia wyższego napięcia

Załóżmy, że inny produkt OEM wymaga:

• Napięcie nominalne: około 11,1 V;

• Pojemność: 5000 mAh;

• Stabilna moc wyjściowa podczas pracy ciągłej.

Wstępna konfiguracja może wyglądać następująco:

3S2P z wykorzystaniem ogniw 3,7 V, 2500 mAh

Obliczenie:

• Napięcie: 3,7 V × 3 = 11,1 V;

• Pojemność: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Całkowita liczba komórek: 3 × 2 = 6 komórek;

• Energia nominalna: 11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh.

Pakiet 11,1 V wymaga ładowarki i BMS zaprojektowanego dla konfiguracji 3S.

Aby zapoznać się z istniejącymi referencjami produktów, zobacz ZERNE Strona zestawu akumulatorów litowych 11,1 V.

15. Rozważania dotyczące projektu mechanicznego

Połączenia szeregowe i równoległe wpływają również na układ pakietu fizycznego.

Projektant powinien rozważyć:

• Orientacja komórek;

• Odstępy między komórkami;

• Punkty spawania;

• Szyny zbiorcze lub przewody;

• Izolacja;

• lokalizacja BMS-a;

• Prowadzenie kabli;

• Pozycja złącza;

• Wymiary obudowy;

• Rozpraszanie ciepła;

• Punkty mocowania;

• Wibracje i uderzenia.

Konfiguracja, która jest elektrycznie poprawna, może nadal być nieodpowiednia, jeśli nie pasuje do dostępnej obudowy.

W przypadku opakowań z komorami cylindrycznymi układ komórek może wpływać na szerokość, długość i wysokość opakowania. W przypadku opakowań z ogniwami kieszeniowymi szeregowe i równoległe rozmieszczenie zakładek może mieć wpływ na układ wewnętrzny i wyjście kabla.

Szczegółowe informacje na temat prześwitów w komorze akumulatora, naddatków na ściskanie i pęcznienie należy omówić osobno Konstrukcja komory baterii LiPo: prześwit i obrzęk.

16. Typowe błędy w projektowaniu szeregowym i równoległym

Błąd 1: Zakładając, że seria zwiększa mAh

Połączenia szeregowe zwiększają napięcie, a nie zwykle pojemność amperogodzinną.

Błąd 2: Zakładając, że połączenie równoległe zwiększa napięcie

Ogniwa równoległe zachowują w przybliżeniu takie samo napięcie jak jedno ogniwo lub jedna grupa szeregowa.

Błąd 3: Używanie ładowarki do nieprawidłowego zliczania serii

Ładowarka do pakietu 1S nie nadaje się do pakietu 2S, 3S lub 4S.

Błąd 4: Łączenie niedopasowanych komórek

Różna pojemność, odporność lub warunki starzenia mogą zmniejszyć spójność opakowania i wydajność użytkową.

Błąd 5: Wybór BMS po układzie paczki

Przed wyborem BMS należy poznać liczbę serii, aktualne zapotrzebowanie i wymagania komunikacyjne.

Błąd 6: Porównywanie tylko mAh

Pakiet 3,7 V, 5000 mAh i pakiet 7,4 V, 5000 mAh nie zawierają tej samej ilości energii.

Błąd 7: Ignorowanie prądu szczytowego

Konfiguracja musi obsługiwać szczytowe zapotrzebowanie urządzenia, a nie tylko jego średni prąd.

17. Lista kontrolna zestawu akumulatorów szeregowych i równoległych

Przed zatwierdzeniem konfiguracji akumulatora należy potwierdzić:

• Napięcie znamionowe urządzenia;

• Minimalne i maksymalne napięcie urządzenia;

• Docelowa pojemność;

• Prąd ciągły;

• Prąd szczytowy;

• Wymagana liczba serii;

• Wymagana liczba równoległa;

• Model ogniwa i pojemność;

• Całkowita liczba komórek;

• Wymagania dotyczące dopasowania komórek;

• Struktura BMS lub PCM;

• Kompatybilność z ładowarką;

• Parametry złącza i kabla;

• Pasowanie mechaniczne;

• Warunki temperaturowe;

• Docelowy czas wykonania;

• Wymagania testowe;

• Oczekiwana wielkość produkcji.

Aby zapoznać się z szerszymi kryteriami projektowania akumulatorów, zobacz Konstrukcja akumulatora litowo-jonowego: napięcie, pojemność, BMS i czas pracy.

Często zadawane pytania

Jaka jest różnica między akumulatorem szeregowym a równoległym?

Szeregowy zestaw akumulatorów zwiększa napięcie, podczas gdy równoległy zestaw akumulatorów zwiększa pojemność i wydajność prądową. Pakiet szeregowo-równoległy łączy oba efekty.

Czy połączenie akumulatorów szeregowo zwiększa pojemność?

Zwykle nie. Łączenie szeregowe ogniw o tej samej pojemności zwiększa napięcie, podczas gdy pojemność amperogodzinna pozostaje w przybliżeniu taka sama.

Czy podłączenie akumulatorów równolegle zwiększa napięcie?

Zwykle nie. Łączenie ogniw o tym samym napięciu równolegle zwiększa pojemność przy zachowaniu w przybliżeniu tego samego napięcia.

Co oznacza 2S2P?

2S2P oznacza dwie grupy ogniw połączone szeregowo, z dwoma ogniwami połączonymi równolegle w każdej grupie. Zawiera w sumie cztery komórki.

Jaka jest pojemność pakietu 2S2P przy użyciu ogniw 2500 mAh?

Pojemność pakietu wynosi około 5000 mAh. Jeśli ogniwa mają napięcie nominalne 3,7 V, napięcie pakietu wynosi około 7,4 V.

Czy akumulatory szeregowe wymagają BMS?

Wieloseryjne zestawy akumulatorów litowych zazwyczaj wymagają odpowiedniej ochrony i równoważenia. Dokładna struktura BMS zależy od składu chemicznego ogniwa, liczby serii, prądu, ładowarki i zastosowania.

Czy zestawy akumulatorów połączone szeregowo-równolegle są lepsze niż akumulatory połączone szeregowo lub tylko równolegle?

Nie automatycznie. Konfiguracja szeregowo-równoległa jest przydatna, gdy urządzenie wymaga zarówno wyższego napięcia, jak i większej pojemności, ale ostateczny wybór zależy od zastosowania i ograniczeń fizycznych.

Czy można łączyć równolegle różne ogniwa akumulatora?

Ogniw nie należy łączyć ze sobą przypadkowo, jeśli różnią się modelem, pojemnością, napięciem, rezystancją wewnętrzną lub stanem. Kwalifikowany projekt baterii powinien wykorzystywać kompatybilne i odpowiednio dopasowane ogniwa.

Wniosek

Podstawowa zasada konfiguracji zestawu akumulatorów to:

Seria zwiększa napięcie.

Równoległe zwiększa pojemność i wydajność prądową.

Połączenie szeregowo-równoległe zwiększa zarówno napięcie, jak i pojemność.

W przypadku urządzenia OEM poprawna konfiguracja musi również odpowiadać:

• Zakres napięcia;

• Pojemność i energia;

• Aktualne zapotrzebowanie;

• Rumak;

• BMS;

• Dopasowanie komórek;

• Przestrzeń mechaniczna;

• Złącze;

• Temperatura;

• Wymagania testowe.

Na przykład:

• 2S1P zapewnia wyższe napięcie;

• 1S2P zapewnia większą pojemność przy tym samym napięciu ogniwa;

• 2S2P zapewnia zarówno wyższe napięcie, jak i większą pojemność.

Jeśli opracowujesz niestandardowy zestaw akumulatorów, podaj napięcie urządzenia, docelową pojemność, zapotrzebowanie na prąd, wymiary, metodę ładowania i oczekiwaną ilość zespołowi technicznemu ZERNE. ZERNE zapewnia niestandardowe rozwiązania akumulatorów litowych dla projektów OEM i ODM i może pomóc w ocenie odpowiedniej konfiguracji szeregowej, równoległej lub szeregowo-równoległej.