Pachete de baterii LiPo serie vs paralele: tensiune, capacitate și cerințe de protecție

Conexiunile în serie și paralele permit producătorilor de baterii să construiască un pachet în jurul cerințelor de tensiune, capacitate, durată de funcționare și putere ale unui dispozitiv.

Regulile de bază par simple: conexiunile în serie cresc tensiunea, în timp ce conexiunile paralele cresc capacitatea. În practică, totuși, selectarea unei configurații afectează și tensiunea de încărcare, capacitatea de curent, echilibrarea celulelor, cablarea, circuitele de protecție, aspectul fizic și comportamentul defecțiunii.

Un acumulator lipo 2S1P și un acumulator lipo 1S2P pot conține același număr de celule și stochează aproximativ aceeași energie totală, dar nu sunt interschimbabile. Unul furnizează o tensiune mai mare, în timp ce celălalt păstrează tensiunea cu o singură celulă și oferă o capacitate mai mare în amperi-oră.

Acest ghid explică modul în care funcționează bateriile LiPo în serie, paralele și paralele în serie, cum se calculează specificațiile electrice principale ale acestora și ce cerințe de protecție ar trebui luate în considerare înainte de a alege o structură a pachetului.

Recomandări cheie

• Celulele conectate în serie măresc tensiunea pachetului, dar nu își adaugă capacitățile amperi-oră.

• Celulele conectate în paralel cresc capacitatea, păstrând în același timp tensiunea unei celule.

• O configurație serie-paralelă crește atât tensiunea, cât și capacitatea.

• Litera S indică numărul de grupuri de celule conectate în serie.

• Litera P indică numărul de celule conectate în paralel în cadrul fiecărui grup.

• Un pachet 2S2P conține patru celule aranjate ca două grupuri de serie cu două celule în fiecare grup paralel.

• Wați-oră oferă o comparație mai bună a energiei decât mAh atunci când pachetele au tensiuni diferite.

• Grupurile conectate în serie necesită monitorizare individuală a tensiunii și pot necesita echilibrare.

• Celulele dintr-un grup paralel trebuie să fie strâns potrivite și aduse la o tensiune adecvată înainte de conectarea permanentă.

• O placă de protecție trebuie să se potrivească cu chimia celulei, numărul de serie, tensiunea de încărcare, curentul continuu, curentul de vârf și funcțiile necesare.

• Adăugarea de celule paralele nu dublează automat curentul pachetului de siguranță în fiecare condiție de funcționare.

• Pachetele cu tensiuni, capacități, vârste sau stări de încărcare diferite nu trebuie combinate fără un design proiectat.

• Configurația bateriei, încărcătorul, BMS, conectorul, cablarea și sistemul de alimentare a dispozitivului trebuie evaluate împreună.

Ce înseamnă 1S, 2S, 2P și 2S2P?

Configurațiile pachetului de baterii sunt descrise în mod normal folosind literele S și P.

• S înseamnă serie.

• P înseamnă paralel.

• Numărul dinaintea fiecărei litere indică câte celule sau grupuri de celule utilizează acea conexiune.

Exemplele comune includ:

Numărul total de celule poate fi calculat astfel:

Total celule = Număr de serie × Număr de paralel

De exemplu:

3S2P = 3 × 2 = 6 celule

În majoritatea specificațiilor bateriei, o configurație scrisă doar ca „2S” înseamnă 2S1P, cu excepția cazului în care un număr paralel este menționat separat. Pentru un proiect OEM, totuși, ambele valori ar trebui să fie documentate pentru a evita ambiguitatea.

Pachetele de baterii LiPo serie vs paralele dintr-o privire

Următoarea comparație presupune celule identice cu aceeași chimie, tensiune nominală, capacitate și capacitate de descărcare.

Acestea sunt mai degrabă principii de configurare decât evaluări garantate pentru pachetul finit. Performanța reală poate fi limitată de specificațiile celulei, interconexiuni, placa de protecție, conector, dimensiunea cablului, temperatură și designul produsului.

Cum funcționează un pachet de baterii LiPo de serie

Celulele sunt conectate în serie prin unirea terminalului pozitiv al unei celule cu terminalul negativ al celuilalt. Cele două terminale exterioare rămase formează ieșirea pachetului.

Același curent trece prin fiecare celulă sau grup paralel din calea seriei.

Cum afectează conexiunea în serie tensiunea

Tensiunea nominală a pachetului este suma tensiunilor nominale ale celulelor conectate în serie:

Tensiunea nominală a pachetului = Tensiunea nominală a celulei × Număr de serie

Pentru celule standard de 3,7 V:

Tensiunea de încărcare completă se calculează astfel:

Tensiunea maximă a pachetului = Limită de încărcare a celulei × Număr de serie

Valoarea de 4,2 V se aplică unei celule de polimer litiu-ion convenționale proiectate pentru acea limită de încărcare. O chimie de înaltă tensiune poate necesita 4,35 V, 4,4 V sau o altă limită specificată per celulă.

Un produs conceput în jur bateriile LiPo de înaltă tensiune au nevoie, prin urmare, de un încărcător compatibil și un sistem de protecție. O limită mai mare de încărcare per celulă nu trebuie niciodată presupusă numai din tensiunea nominală.

Cum afectează conexiunea în serie capacitatea

Conectarea celulelor identice de 1000 mAh în serie nu adaugă evaluările lor în mAh.

De exemplu:

• O celulă de 3,7 V 1000 mAh: 3,7 V, 1000 mAh

• Două celule în serie: 7,4 V, 1000 mAh

• Trei celule în serie: 11,1 V, 1000 mAh

Pachetul conține mai multă energie deoarece tensiunea sa a crescut, chiar dacă valoarea Ah rămâne neschimbată.

Cum afectează conexiunea în serie curentul

Într-un pachet 2S1P, același curent trece prin ambele celule. Dacă celula este evaluată pentru un curent continuu dat, adăugarea unei alte celule identice în serie nu dublează automat acel curent nominal.

Curentul pachetului finit este limitat de cea mai mică valoare aplicabilă dintre:

• Curentul de descărcare continuă al celulei

• Capacitate de curent de vârf al celulei

• Evaluare curentă PCM sau BMS

• MOSFET și design cu sens curent

• Capacitate bandă, tablă, bară de nichel sau PCB

• Dimensiunea firului

• Evaluarea conectorului

• Siguranță sau componentă limitatoare de curent

• Conditii termice

O tensiune mai mare a pachetului poate permite unui dispozitiv să obțină aceeași putere la un curent mai mic, dar asta depinde de sarcină și arhitectura de conversie a puterii.

De ce pachetele de serie au nevoie de monitorizare a grupurilor de celule

Celulele conectate în serie nu rămân perfect identice pe toată durata de viață. Micile diferențe de capacitate, rezistență internă, autodescărcare, temperatură și îmbătrânire pot determina divergerea stărilor lor de încărcare.

În timpul încărcării, un grup de serie poate atinge limita superioară de tensiune înaintea celorlalte. În timpul descărcării, cel mai slab grup poate atinge prima limita inferioară.

Prin urmare, sistemul de protecție și monitorizare trebuie să răspundă la tensiunile individuale ale grupului de serie, mai degrabă decât să se bazeze doar pe tensiunea totală a pachetului.

O citire totală a pachetului de 8,0 V, de exemplu, nu dovedește că un pachet 2S este echilibrat. Ar putea consta din:

• 4,0 V și 4,0 V

• 4,15 V și 3,85 V

• 4,25 V și 3,75 V

Ultimul exemplu are aceeași tensiune totală, dar poate plasa deja un grup dincolo de limita permisă.

Cum funcționează un pachet de baterii LiPo paralel

Într-o conexiune paralelă, bornele pozitive sunt conectate împreună, iar bornele negative sunt conectate împreună.

Prin urmare, toate celulele din grup au aceeași tensiune terminală.

Cum afectează conexiunea paralelă tensiunea

Tensiunea rămâne egală cu tensiunea unei celule:

Tensiunea pachetului = Tensiunea celulei

Pentru două celule standard de 3,7 V conectate în paralel:

• Tensiune nominală: 3,7 V

• Tensiune tipică de încărcare completă: 4,2 V

• Configurație: 1S2P

Adăugarea mai multor celule paralele nu produce 7,4 V sau 11,1 V. Continuă să formeze un singur grup de tensiune.

Cum afectează conexiunea paralelă capacitatea

Se adaugă capacitățile celulelor paralele apropiate:

Capacitate pachet = Capacitate celule × Număr paralel

Pentru celule identice de 1000 mAh:

Acest lucru face construcția în paralel utilă atunci când aplicația are nevoie de un timp de funcționare mai lung, dar trebuie să păstreze o platformă de tensiune cu o singură celulă.

Cum afectează conexiunea paralelă capacitatea curentă

În teorie, celulele identice conectate prin căi de curent echilibrate pot împărți sarcina. Prin urmare, două celule adecvate în paralel pot furniza mai mult curent decât o celulă.

Cu toate acestea, curentul pachetului de siguranță nu trebuie calculat prin înmulțirea valorii celulei fără o evaluare suplimentară.

Partajarea curentă poate fi afectată de:

• Rezistența internă a celulei

• Variația capacității

• Diferențele de temperatură

• Tab și rezistență de interconectare

• Poziția celulei în pachet

• Simetria trasării cablurilor

• Diferențele de stare de taxă

• Îmbătrânire

• Rezistența conectorului

• Limitele plăcii de protecție

O celulă poate transporta o parte mai mare a sarcinii dacă are o rezistență mai mică sau o cale de curent mai scurtă. Pachetul poate dezvolta apoi încălzire localizată chiar și atunci când curentul total pare a fi într-o limită teoretică simplă.

Semnificația ratei de descărcare și relația acesteia cu capacitatea este explicată în continuare în ce înseamnă ratingul C al unei baterii cu polimer litiu.

Celulele paralele au nevoie de echilibrare?

Celulele paralele conectate direct împart aceeași tensiune terminală, astfel încât un BMS tratează în mod normal întregul grup paralel ca un singur nod de tensiune.

Asta nu înseamnă că potrivirea celulelor este inutilă. Tensiunea la borne egală nu garantează o capacitate, rezistență, temperatură sau contribuție egală la curent.

Celulele selectate pentru un grup paralel ar trebui să aibă în mod normal compatibile:

• Chimie

• Limită de încărcare-tensiune

• Capacitate

• Rezistenta interioara

• Caracteristici de descărcare

• Istoricul producției

• Vârsta și starea ciclului

• Design fizic

• Starea de sarcină la asamblare

O celulă deteriorată sau degradată semnificativ poate pune o sarcină suplimentară asupra celulelor rămase și poate reduce fiabilitatea întregului grup.

De ce trebuie verificată tensiunea înainte de conectarea în paralel

Celulele la tensiuni diferite nu ar trebui să fie pur și simplu conectate împreună.

Odată conectată, celula de tensiune mai mare se poate descărca rapid în celula de tensiune mai mică. Curentul de egalizare rezultat poate fi limitat în principal de rezistența celulei și a conexiunii și poate deveni mult mai mare decât curentul normal de încărcare.

Din acest motiv, grupurile paralele ar trebui asamblate printr-un proces de fabricație controlat folosind celule calificate, strâns potrivite. Utilizatorii finali nu ar trebui să adauge o nouă celulă la un pachet vechi sau să conecteze două celule de pungă libere în paralel fără un design validat și un echipament adecvat.

Cum funcționează un pachet LiPo în serie-paralel

Un pachet serie-paralel combină ambele metode de conectare.

Luați în considerare un design 2S2P realizat din patru celule identice de 3,7 V, 1000 mAh:

1. Două celule sunt conectate în paralel pentru a forma primul grup de 3,7 V, 2000 mAh.

2. Încă două celule formează un al doilea grup de 3,7 V, 2000 mAh.

3. Cele două grupuri paralele sunt conectate în serie.

Specificația teoretică rezultată este:

• Tensiune nominală: 7,4 V

• Capacitate: 2000 mAh

• Energie: 14,8 Wh

• Configurație: 2S2P

• Total celule: 4

Formulele sunt:

Tensiunea pachetului = Tensiunea nominală a celulei × S

Capacitatea pachetului = Capacitatea celulei × P

Numărul total de celule = S × P

Energia nominală = Tensiunea pachetului × Capacitatea pachetului în Ah

În acest design, BMS monitorizează două tensiuni de grup în serie. Fiecare grup monitorizat conține două celule paralele.

Prin urmare, un pachet 2S2P nu este monitorizat ca un pachet 4S. Selectarea unei plăci de protecție în funcție de numărul total de celule individuale în loc de numărul de serie ar fi incorectă.

Compararea tensiunii, capacității și wați-oră

Diferența dintre construcția în serie și paralelă devine mai clară atunci când pachetele sunt comparate folosind celule identice de 3,7 V, 1000 mAh.

Ambele exemple 2S1P și 1S2P conțin două celule și stochează aproximativ 7,4 Wh. Tensiunea și capacitatea lor nominale diferă, dar energia lor nominală teoretică este similară.

Încă nu pot fi înlocuite unul cu altul, deoarece dispozitivul vede o tensiune de intrare diferită.

De ce mAh singur nu poate compara diferite pachete de baterii

Un pachet de 3,7 V 2000 mAh și un pachet de 7,4 V 1000 mAh conțin ambele aproximativ 7,4 Wh:

3,7 V × 2,0 Ah = 7,4 Wh

7,4 V × 1,0 Ah = 7,4 Wh

Privind doar la mAh, primul pachet pare să aibă o capacitate de două ori mai mare. Din punct de vedere energetic, ele sunt similare.

Prin urmare, wați-oră sunt mai utile atunci când se compară pachete cu tensiuni diferite.

Cu toate acestea, Wh egal nu garantează un timp de rulare identic al dispozitivului. Timpul real de funcționare depinde și de:

• Eficiența de conversie a tensiunii

• Curentul dispozitivului la diferite tensiuni de intrare

• Rezistența internă a bateriei

• Tensiunea de întrerupere

• Rata de descărcare

• Temperatură

• Îmbătrânirea celulară

• Căderea de tensiune a plăcii de protecție

• Capacitate utilă sub sarcina reală

Timpul de rulare ar trebui să fie verificat în cele din urmă în dispozitivul terminat, mai degrabă decât prezis doar din mAh.

O serie mai mare oferă mai multă putere?

Creșterea tensiunii poate face disponibilă mai multă putere, dar numai dacă celula, sistemul de protecție, cablajul și dispozitivul pot furniza și accepta curentul necesar.

Puterea electrică se calculează astfel:

Putere = Tensiune × Curent

Un pachet de 7,4 V care furnizează 2 A furnizează aproximativ 14,8 W. Un pachet de 3,7 V ar trebui să furnizeze aproximativ 4 A pentru a furniza aceeași putere de intrare, înainte de a contabiliza pierderile de conversie.

Acesta este unul dintre motivele pentru care un designer poate alege un pachet de tensiune mai mare pentru motoare, încălzitoare, pompe, robotică sau alte produse care necesită putere. Curentul mai mic pentru aceeași putere poate reduce pierderile de conductor, dar un număr mai mare de serie crește, de asemenea, tensiunea încărcătorului, complexitatea BMS, cerințele de tensiune ale componentelor și considerentele de izolație.

Selecția ar trebui să înceapă cu intervalul de tensiune de intrare și profilul de sarcină al dispozitivului, mai degrabă decât cu presupunerea că mai multe celule în serie sunt automat mai bune.

Cerințe de protecție pentru un pachet 1S

Un pachet cu o singură serie are un singur grup de tensiune, deci nu necesită echilibrare între celulele din serie.

Poate că PCM-ul său trebuie să ofere în continuare:

• Protecție la supraîncărcare

• Protecție la supradescărcare

• Protecție la supracurent

• Protecție la scurtcircuit

• Control de încărcare și descărcare

• Monitorizarea temperaturii

• Ieșire NTC

• Identificarea bateriei

• Măsurarea combustibilului sau comunicare

Încărcătorul trebuie să se potrivească cu chimia celulei și cu tensiunea maximă de încărcare. Un PCM întrerupe condițiile anormale, dar nu este un înlocuitor pentru un încărcător controlat corespunzător.

Într-un design 1S2P sau 1S3P, circuitul de protecție vede grupul paralel ca un nod de tensiune de capacitate mai mare. Valoarea sa actuală trebuie să se bazeze pe sarcina completă a pachetului, nu pe capacitatea unei celule.

Cerințe de protecție pentru un pachet cu mai multe serii

Un design de serie 2S, 3S sau mai mare necesită circuite de protecție adecvate pentru numărul exact de serie.

Un BMS sau PCM cu mai multe celule poate avea nevoie să efectueze:

• Monitorizare individuală a tensiunii în serie-grup

• Monitorizarea curentului pachetului

• Protecție la supracurent de încărcare

• Protecție la supracurent la descărcare

• Protecție la scurtcircuit

• Întreruperea supraîncărcării

• Întreruperea supradescărcării

• Echilibrare celule-grup

• Monitorizarea temperaturii

• Control MOSFET

• Estimarea stării de încărcare

• Înregistrare defecțiuni

• Comunicarea cu dispozitivul gazdă

Tensiunea nominală a componentelor trebuie să se adapteze și la tensiunea maximă a pachetului, inclusiv marja de proiectare corespunzătoare.

De ce tensiunea totală a pachetului nu este suficientă

Monitorizarea numai a tensiunii totale nu poate identifica în mod fiabil un grup individual care este supraîncărcat sau supradescărcat.

Din acest motiv, un circuit de protecție 3S are nevoie în mod normal de acces la:

• Pachet negativ

• Conexiunea după grupul de serie 1

• Conexiunea după grupul de serie 2

• Pachet pozitiv după seria grupa 3

Prin urmare, un cablaj de monitorizare convențional are o conexiune de tensiune mai mare decât numărul de serie:

Conexiuni tensiune-sens = S + 1

Este posibil ca un pachet cu un BMS integrat să nu expună aceste conexiuni în exterior, dar ele sunt încă necesare intern pentru monitorizarea individuală a grupului de serie.

Ce face echilibrarea celulară

Echilibrarea ajută la limitarea diferențelor dintre grupurile conectate în serie.

Un sistem pasiv de echilibrare elimină de obicei o cantitate mică de energie dintr-un grup de tensiune mai mare, astfel încât grupurile inferioare să poată continua încărcarea. Sistemele de echilibrare activă mai avansate pot redistribui energia între grupuri.

Echilibrarea nu poate corecta complet:

• O celulă deteriorată

• Pierdere severă de capacitate

• Autodescărcare ridicată

• O conexiune electrică slabă

• Diferențe majore de rezistență internă

• Celulele potrivite incorect

• Un pachet nepotrivit

Un pachet care dezvoltă în mod repetat un dezechilibru mare ar trebui să fie inspectat în loc să se bazeze pe circuitul de echilibrare pentru a ascunde problema de bază.

Cerințe de protecție pentru grupurile paralele

Construcția paralelă creează un set diferit de priorități de proiectare.

Potrivirea celulelor

Celulele trebuie selectate din grupuri de producție și performanță compatibile. Amestecarea celulelor de diferite capacități, chimie, limite de tensiune, vârste sau rezistențe interne poate provoca o partajare neuniformă a curentului.

Efectele practice ale variației celulare sunt discutate mai detaliat în de ce acumulatorii litiu-ion devin inconsecvenți.

Proiectarea căii curente

Rezistența de interconectare trebuie menținută scăzută și echilibrată în mod rezonabil. Aspectul ar trebui să evite forțarea unei celule sau a unei file să transporte o parte disproporționată a curentului.

Factorii de proiectare includ:

• Geometrie file

• Dimensiuni benzi de nichel sau bare colectoare

• Grosimea cuprului PCB

• Poziția conexiunii

• Plasarea lead-ului

• Calitatea sudurii

• Spațierea celulelor

• Disiparea căldurii

• Locația conectorului

Limitarea defectelor

Într-un grup paralel conectat permanent, celulele sănătoase pot furniza curent într-o celulă defectă sau o ramură defectă.

În funcție de dimensiunea pachetului și de evaluarea riscului, proiectarea poate necesita:

• Interconexiuni fuzibile

• Limitare de ramură-curent

• Separarea termică

• Senzori de temperatura

• Materiale rezistente la flacără

• Bariere mecanice

• Fuziune la nivel de pachet

• Spațiu de aerisire controlat

• Funcții suplimentare de detectare a defecțiunilor

Abordarea necesară depinde de energia pachetului, tipul celulei, aplicația, carcasă, cerințele de conformitate și condițiile de defecțiune previzibile.

Curent nominal al plăcii de protecție

BMS-ul trebuie să suporte curentul total așteptat al pachetului, inclusiv:

• Curent normal de funcționare

• Curent continuu maxim

• Valoare la pornire

• Curent de blocare a motorului

• Pornirea încălzitorului

• Vârfuri de comunicare-emițător

• Curent de încărcare

• Praguri de detectare a erorilor

Curentul anunțat al plăcii nu trebuie tratat ca curent utilizabil al dispozitivului fără a verifica pierderile MOSFET, creșterea temperaturii, condițiile de răcire, dimensiunea conductorului și timpul de întrerupere.

Cerințe pentru încărcător pentru pachetele serie și paralele

Încărcătorul trebuie să se potrivească cu chimia pachetului, numărul de serie, limita de tensiune de încărcare și curentul de încărcare permis.

Pentru celulele convenționale de 4,2 V:

Un pachet 2S nu trebuie încărcat folosind un încărcător 1S. De asemenea, un încărcător destinat celulelor standard de 4,2 V poate fi nepotrivit pentru o substanță chimică de înaltă tensiune cu o limită de încărcare diferită.

Capacitatea paralelă afectează calculul curentului de încărcare. Dacă două celule identice sunt plasate în paralel, un pachet adecvat poate accepta mai mult curent total decât o celulă, dar valoarea corectă depinde de:

• Limita ratei de încărcare a celulei

• Capacitate pachet

• Temperatură

• Partajarea curentului în paralel

• Evaluarea plăcii de protecție

• Conector și fire nominale

• Timpul de încărcare țintă

• Cerințe de ciclu de viață

Un încărcător și un BMS îndeplinesc diferite funcții. Încărcătorul reglează profilul de încărcare, în timp ce sistemul de protecție răspunde la condiții anormale definite. Unul nu trebuie folosit ca înlocuitor al celuilalt.

Cerințe de potrivire a celulelor

Un pachet de mai multe celule de încredere începe cu o selecție adecvată de celule.

Este posibil ca celulele utilizate în același ansamblu să fie potrivite pentru:

• Modelul celular

• Chimie

• Capacitate nominală

• Capacitatea măsurată

• Tensiune în circuit deschis

• Rezistenta interioara

• Grosimea si dimensiunile

• Autodescărcare

• Lotul de producție

• Vârstă

• Istoricul ciclului

Potrivirea este importantă atât în ​​structurile în serie, cât și în cele paralele.

Într-un șir de serie, grupul cu cea mai mică capacitate sau cu cea mai mare rezistență poate atinge mai întâi limita de tensiune și poate limita capacitatea utilizabilă a pachetului.

Într-un grup paralel, rezistența și diferențele de conexiune influențează modul în care este împărțit curentul. O celulă poate lucra mai mult și poate îmbătrâni mai repede decât celelalte.

Producătorii de baterii ar trebui să stabilească criterii de screening adecvate pentru produs, mai degrabă decât să combine celule pur și simplu pentru că au aceeași specificație tipărită.

Pachetele LiPo finite pot fi conectate în serie?

Două pachete finite nu ar trebui conectate în serie decât dacă întregul sistem a fost proiectat și validat pentru acel aranjament.

Problemele potențiale includ:

• Diferite stări de încărcare

• Capacități sau vârste diferite

• Circuite de protecție incompatibile

• Împământare incorectă

• Incompatibilitate încărcător

• Lacunele de monitorizare a echilibrului

• Limite conector-tensiune

• Comportament neașteptat de întrerupere a BMS

• Un pachet este încărcat invers de celălalt

• Proceduri de service sau înlocuire nesigure

Unele pachete protejate folosesc interfețe de comutare sau de comunicație la nivel scăzut, care fac nepotrivită conexiunea externă în serie. O baterie care este sigură ca produs independent nu este sigură automat atunci când este combinată cu un alt pachet.

Dacă aplicația necesită o tensiune mai mare, utilizarea unui ansamblu multi-seria proiectat special este de obicei mai fiabilă decât conectarea bateriilor protejate independent după producție.

Pachetele LiPo finite pot fi conectate în paralel?

Pachetele gata făcute nu trebuie conectate în paralel doar pentru că etichetele lor arată aceeași tensiune nominală.

Înainte de operarea în paralel, proiectul trebuie să abordeze:

• Diferența pachet-tensiune

• Diferența de stare de încărcare

• Capacitate și vârstă

• Rezistenta interioara

• Interacțiunea BMS

• Curent invers

• Distribuția curentului de încărcare

• Secvența conectorului

• Îndepărtarea pachetului în timp ce este energizat

• Protecția ramurilor

• Izolare greșită

Dacă un pachet are o tensiune mai mare, un curent de egalizare mare poate circula imediat ce conectorii intră în contact.

Modulele de baterie paralele pot fi proiectate în siguranță, dar au nevoie de o metodă de conectare definită, arhitectură de protecție compatibilă, preîncărcare controlată acolo unde este necesar și comportament validat de defecțiune.

Cum afectează configurația dimensiunea și aspectul bateriei

Adăugarea de celule crește energia, dar modifică și designul mecanic.

Ansamblurile în serie și paralele pot afecta:

• Grosimea totală

• Latime si lungime

• Greutate

• Centrul de greutate

• Spațiu pentru rutarea cablurilor

• Raza de curbare

• Disiparea căldurii

• Alocația de expansiune celulară

• Protecție împotriva căderii

• Rezistenta la vibratii

• Acces la serviciu

• Ansamblu carcasă

Două celule de pungă plasate una lângă alta pot crea un pachet larg și subțire. Stivuirea lor poate crea o amprentă mai mică cu o grosime mai mare.

O structură serie-paralelă poate necesita, de asemenea:

• Izolație suplimentară

• Mai multe puncte de sudura

• Un BMS mai mare

• Cablajul de detectare a tensiunii

• Senzori de temperatura

• Un cadru de sprijin mai puternic

• Ambalare mai complexă a pachetului

• Distanță crescută în jurul urechilor și componentelor de protecție

Prin urmare, configurația electrică ar trebui selectată împreună cu compartimentul bateriei disponibil, mai degrabă decât după finalizarea carcasei.

Serie vs Paralel: ce configurație ar trebui să alegeți?

Alegeți numărul de serie în funcție de tensiunea cerută de dispozitiv.

Alegeți numărul paralel în funcție de energia necesară, timpul de funcționare, capacitatea de curent, spațiul și greutatea.

Un design axat pe serie poate fi potrivit atunci când:

• Dispozitivul necesită o tensiune de intrare mai mare

• Un motor sau un încălzitor funcționează mai eficient la o tensiune mai mare

• Sistemul folosește o șină de tensiune peste intervalul unui pachet 1S

• Este de preferat un curent mai mic pentru un anumit nivel de putere

• Dispozitivul include deja un încărcător compatibil cu mai multe celule

• Produsul poate găzdui un BMS cu mai multe serii

Un design focalizat pe paralel poate fi potrivit atunci când:

• Produsul trebuie să păstreze o platformă nominală de 3,7 V

• Este necesar un timp de rulare mai lung

• O singură celulă nu poate oferi o capacitate suficientă

• Este necesar mai mult curent de ieșire în condițiile de funcționare validate ale celulei

• Carcasa poate găzdui mai multe celule

• Încărcătorul și sistemul de protecție susțin capacitatea și curentul rezultat

Un design în serie-paralel poate fi potrivit atunci când:

• Dispozitivul necesită atât o tensiune mai mare, cât și o durată de funcționare mai lungă

• Un singur șir de serie nu poate furniza curentul necesar

• Necesarul de energie depășește capacitatea unui singur șir practic

• Spațiul trebuie distribuit în mai multe poziții de celule

• Aplicația justifică BMS suplimentară și complexitatea asamblarii

ale lui ZENE Soluțiile personalizate de baterii Li-polimer acceptă structuri cu o singură celulă, mai multe serii, paralele și serie-paralele bazate pe tensiunea dispozitivului, capacitatea, dimensiunea, curentul, conectorul și cerințele de protecție.

Un proces practic de selecție a configurației bateriei

1. Confirmați intervalul de tensiune al dispozitivului

Identifica:

• Tensiune minima de functionare

• Tensiune normală de funcționare

• Tensiune de intrare maximă sigură

• Cerința de pornire a tensiunii

• Tensiune de oprire

• Gama de intrare a regulatorului de tensiune

• Tensiune motor, încălzitor sau actuator

• Tensiunea de intrare și de ieșire a încărcătorului

Tensiunea maximă a pachetului complet încărcat trebuie să rămână în intervalul de siguranță al fiecărei componente conectate.

2. Definiți profilul de încărcare

Înregistra:

• Curent de așteptare

• Curent de funcționare tipic

• Curent continuu maxim

• Curent de vârf

• Durata maximă

• Curent de pornire sau blocare

• Timp de funcționare zilnic

• Durată de funcționare necesară per încărcare

Curentul mediu singur poate să nu arate dacă celulele, BMS și conectorul pot suporta evenimente scurte de curent ridicat.

3. Calculați energia necesară

O primă estimare poate fi calculată folosind:

Energia necesară în Wh = Puterea medie în W × Timp de funcționare în ore

Un design practic ar trebui să țină cont și de:

• Pierderi de conversie de tensiune

• Îmbătrânirea bateriei

• Pierderea capacității la temperatură scăzută

• Scurgere de tensiune la sarcină mare

• Capacitate de rezervă

• Consumul BMS

• Consumul dispozitivului în standby

• Adâncimea de descărcare admisă

4. Selectați Numărul de serie

Alegeți numărul de grupuri de serie necesare pentru a îndeplini tensiunea dispozitivului.

Nu utilizați numai tensiunea nominală. Verifica:

• Tensiune maximă de încărcare

• Interval de operare tipic

• Tensiune de întrerupere BMS

• Pragul de subtensiune al dispozitivului

• Tensiunea încărcătorului

• Tensiuni nominale ale componentelor

5. Selectați Numărarea paralelă

Determinați cât de multă capacitate și curent poate oferi un șir de serie. Adăugați celule paralele numai atunci când este necesar pentru energie, timp de funcționare, curent sau ambalare.

Mai multe celule paralele adaugă, de asemenea, greutate, volum, cost, puncte de sudură și energie de defecțiune.

6. Proiectați sistemul de protecție

Defini:

• Chimie

• Număr de serii

• Capacitate pachet

• Limită curent de încărcare

• Curent de descărcare continuă

• Curent de vârf și durată

• Pragul de supraîncărcare

• Pragul de supradescărcare

• Prag de supracurent

• Răspuns la scurtcircuit

• Limite de temperatură

• Strategia de echilibrare

• Cerințe de comunicare

7. Confirmați încărcătorul și conectorul

Încărcătorul trebuie să se potrivească cu pachetul complet, în timp ce conectorul principal și firele trebuie să suporte curentul real.

Seria de conectori, polaritatea, pinout, calibrul firului, lungimea cablului și conexiunea echilibrului trebuie documentate înainte de producerea probelor.

8. Construiți și testați mostre

Validarea ar trebui să fie finalizată în interiorul dispozitivului propriu-zis.

Testele relevante pot include:

• Compatibilitate de încărcare

• Tensiune de încărcare completă

• Tensiune individuală serie-grup

• Echilibrarea celulelor

• Timp de rulare

• Căderea de tensiune la sarcină maximă

• Răspuns la curent de vârf

• Creșterea temperaturii

• Comportamentul opririi BMS

• Protecție la scurtcircuit

• Incalzire conector

• Dirijarea cablurilor

• Potrivire incintă

• Performanță la cădere și vibrații

• Ciclism repetat

• Depozitare și autodescărcare

The Sistemul de control al calității bateriilor Li-polimer oferă informații suplimentare despre testarea celulelor, inspecția ansamblului, verificarea electrică și controlul pachetului finit.

Exemple de configurare lucrate

Exemplul 1: Dispozitiv de urmărire compact

Să presupunem că un tracker funcționează de pe o platformă de tensiune cu o singură celulă și necesită mai mult timp de funcționare decât poate oferi o celulă de 1000 mAh.

O posibilă configurație este:

• Celulă: 3,7 V, 1000 mAh

• Structura: 1S2P

• Tensiune pachet: 3,7 V nominal

• Capacitate pachet: 2000 mAh

• Energie nominala: 7,4 Wh

Designul păstrează o tensiune de încărcare cu o singură celulă, dar necesită un circuit de protecție și un conector adecvat pentru curentul și capacitatea combinate.

Exemplul 2: Dispozitiv portabil care necesită 7,4 V

Să presupunem că un produs portabil are nevoie de aproximativ 7,4 V și 2000 mAh.

Folosind celule de 3,7 V, 2000 mAh:

• Structura: 2S1P

• Tensiune pachet: 7,4 V nominal

• Capacitate pachet: 2000 mAh

• Energie nominala: 14,8 Wh

• Tensiune tipică de încărcare completă: 8,4 V

Pachetul necesită un sistem de protecție 2S și un profil de încărcare litiu-ion de 8,4 V.

Exemplul 3: Robot care necesită tensiune și capacitate mai mare

Să presupunem că un robot are nevoie de 11,1 V nominal și 4000 mAh. Folosind celule de 2000 mAh:

• Structura: 3S2P

• Total celule: 6

• Tensiune pachet: 11,1 V nominal

• Capacitate pachet: 4000 mAh

• Energie nominala: 44,4 Wh

• Tensiune tipică de încărcare completă: 12,6 V

BMS trebuie să monitorizeze trei grupuri de serie în timp ce suportă curentul normal al robotului, supratensiunea de pornire și posibilul curent de blocare a motorului.

Greșeli comune de proiectare a bateriilor în serie și paralele

Informații de furnizat pentru un pachet de baterii personalizat

Un producător poate evalua configurația în serie și paralelă mai precis atunci când sunt disponibile următoarele informații.

Cerințe pentru dispozitiv

• Tip de produs

• Intervalul de tensiune de intrare necesar

• Tensiune de intrare maximă sigură

• Curent de funcționare tipic

• Curent continuu maxim

• Curent de vârf și durată

• Timp de rulare necesar

• Metoda de încărcare

• Temperatura de functionare

• Spațiu disponibil pentru baterie

• Greutatea țintă a pachetului

Cerințe pentru baterie

• Chimie preferată

• Tensiunea nominală a pachetului

• Capacitate necesară

• Necesarul energetic

• Configurație în serie și paralelă așteptată

• Țintă de ciclu de viață

• Timp de încărcare

• Rata de descărcare necesară

• Cerințe de temperatură scăzută sau ridicată

• Cerință pentru celule de înaltă tensiune

Cerințe de protecție

• PCM sau BMS

• Protecție la supraîncărcare și supradescărcare

• Protecție la supracurent și la scurtcircuit

• Numărul și locația senzorilor de temperatură

• Echilibrarea celulelor

• Indicator de combustibil

• Afișarea stării de încărcare

• SMBus, CAN sau alt protocol de comunicare

• Autentificare sau identificare a bateriei

• Cerință pentru siguranță sau ramificație

Cerințe mecanice și de conectare

• Grosimea, lățimea și lungimea maximă

• Aranjamentul celular

• Incinte sau ambalare

• Producătorul conectorului și numărul piesei

• Polaritate și pinout

• Ecartamentul firului

• Lungimea cablului

• Echilibru plumb

• NTC sau fire de comunicație

• Montare și detensionare

• Cerințe de vibrație și cădere

The acumulatorul cu litiu ar trebui specificat ca un sistem complet, mai degrabă decât ca valori ale tensiunii și mAh numai.

Concluzie

Conexiunile în serie și paralele servesc diferite scopuri într-un pachet de baterii LiPo.

O conexiune în serie crește tensiunea pachetului, păstrând în același timp capacitatea Ah a unei căi de serie. O conexiune paralelă reține tensiunea unei celule în timp ce adaugă capacitate și crește potențial capacitatea de curent. O structură serie-paralelă combină ambele efecte.

Aceste reguli electrice sunt doar punctul de plecare. Pachetul finit trebuie să țină cont și de tensiunea maximă de încărcare, wați-oră, încărcarea dispozitivului, potrivirea celulelor, partajarea curentului, echilibrarea, curentul BMS, temperatură, cablare, conectori, compatibilitatea încărcătorului și protecție mecanică.

Pentru pachetele cu mai multe serii, sistemul de protecție trebuie să monitorizeze tensiunile individuale ale grupului de serie și să se potrivească cu numărul exact de serie. Pentru modelele paralele, celulele strâns potrivite și căile de curent controlate sunt esențiale. În ambele cazuri, valorile teoretice ar trebui confirmate prin teste la nivel de pachet și la nivel de dispozitiv înainte de producție.

Întrebări frecvente

Conectarea bateriilor LiPo în serie crește capacitatea?

Mărește energia totală stocată și tensiunea pachetului, dar ratingul Ah sau mAh rămâne egal cu capacitatea unei căi de serie. Două celule de 3,7 V, 1000 mAh în serie formează un pachet de 7,4 V, 1000 mAh.

Conectarea bateriilor LiPo în paralel crește tensiunea?

Nu. Celulele paralele rețin tensiunea unei celule în timp ce capacitățile lor sunt adăugate. Două celule de 3,7 V, 1000 mAh în paralel formează un pachet de 3,7 V, 2000 mAh.

Care este diferența dintre 2S2P și 4S1P?

Un pachet 2S2P are două grupuri de serie cu două celule paralele în fiecare grup. Un pachet 4S1P are patru celule în serie, deci furnizează de două ori tensiunea nominală, dar jumătate din capacitatea Ah atunci când sunt utilizate celule identice.

Un pachet 2S2P are nevoie de un BMS 2S sau 4S?

În mod normal, necesită un BMS 2S, deoarece sistemul de protecție monitorizează două grupuri de tensiune în serie. BMS trebuie să suporte, de asemenea, capacitatea totală, curentul de încărcare, curentul de descărcare și cerințele de echilibrare ale celor două grupuri paralele.

Pot fi conectate celule LiPo de capacitate diferită în paralel?

În mod normal, acestea nu ar trebui să fie combinate într-un pachet OEM decât dacă proiectul complet a fost evaluat în mod specific. Diferențele de capacitate, rezistență, vârstă sau stare pot produce partajarea neuniformă a curentului și degradarea accelerată.

Pot fi conectate două baterii LiPo protejate în paralel?

Doar dacă sistemul de baterii a fost proiectat pentru funcționarea modulului în paralel. Diferențele de tensiune ale pachetului, curentul invers, interacțiunea BMS, secvența conexiunii și protecția ramurilor trebuie să fie toate abordate.

Adăugarea de celule paralele dublează curentul de descărcare?

Poate crește curentul disponibil atunci când sunt utilizate celule identice și căi de curent echilibrate, dar curentul sigur al pachetului finit este încă limitat de BMS, file, interconexiuni, cablare, conector, temperatură și comportamentul de partajare a curentului.

Ce configurație oferă o durată de rulare mai lungă: în serie sau în paralel?

Timpul de rulare nu poate fi determinat numai din numărul S sau P. Comparați wați-oră totale și testați întregul dispozitiv, deoarece tensiunea de intrare, eficiența conversiei, comportamentul la sarcină, tensiunea de întrerupere, temperatura și rata de descărcare afectează, de asemenea, durata de funcționare utilizabilă.