Pachete de baterii serie vs. paralele: ce configurație se potrivește unui dispozitiv OEM?

Modul în care sunt conectate celulele litiu-ion determină comportamentul electric de bază al unui pachet de baterii.

• Conexiunile în serie cresc tensiunea.

• Conexiunile paralele cresc capacitatea și capacitatea de curent.

• Configurațiile serie-paralel cresc tensiunea și capacitatea în același timp.

Pentru un dispozitiv OEM, configurația corectă a acumulatorului trebuie să corespundă:

• Gama de tensiune a dispozitivului

• Capacitate necesară

• Curent continuu și de vârf

• țintă de rulare

• Design încărcător

• Cerințe BMS sau PCM

• Spatiu de instalare disponibil

• Greutate și limite termice

• Cerințe de producție și testare

Prin urmare, alegerea între serie și paralelă nu este doar un calcul electric. Este o decizie de proiectare la nivel de sistem.

Răspuns rapid: baterii în serie vs. paralele

De exemplu, folosind celule de 3,7 V, 2500 mAh:

• 2S1P = 7,4 V, 2500 mAh

• 1S2P = 3,7 V, 5000 mAh

• 2S2P = 7,4 V, 5000 mAh

Configurația corectă depinde de tensiunea țintă, capacitatea, curentul și designul mecanic.

1. Ce înseamnă 'S' și 'P'?

Configurația acumulatorului este scrisă de obicei folosind literele S și P.

S înseamnă Seria

Numărul de dinaintea lui S indică numărul de celule sau grupuri de celule conectate în serie.

Exemple:

• 1S: un grup de celule în serie

• 2S: două grupuri de celule în serie

• 3S: trei grupuri de celule în serie

• 4S: patru grupuri de celule în serie

Conexiunile în serie cresc tensiunea.

P înseamnă Paralel

Numărul de dinaintea lui P indică numărul de celule conectate în paralel în cadrul fiecărui grup de serie.

Exemple:

• 1P: o celulă în fiecare grup paralel

• 2P: două celule în paralel

• 3P: trei celule în paralel

• 4P: patru celule în paralel

Conexiunile paralele cresc capacitatea și capacitatea de curent.

Număr total de celule

Numărul total de celule este:

Total celule = S × P

De exemplu:

• 2S1P = 2 celule

• 1S2P = 2 celule

• 2S2P = 4 celule

• 3S2P = 6 celule

2. Cum funcționează acumulatorii de serie

Celulele conectate în serie sunt conectate cap la cap. Borna pozitivă a unei celule se conectează la borna negativă a celulei următoare.

Pentru celulele potrivite din serie:

Tensiune pachet = Tensiunea celulei × Numărul de celule în serie

Capacitatea amperi-oră rămâne aproximativ egală cu capacitatea unei celule sau a unui grup paralel.

Exemplu: pachet 2S1P

Să presupunem că fiecare celulă are:

• Tensiune nominală: 3,7 V

• Capacitate: 2500 mAh

Un pachet 2S1P oferă:

• Tensiune: 3,7 V × 2 = 7,4 V

• Capacitate: 2500 mAh

• Energie: 7,4 V × 2,5 Ah = 18,5 Wh

Rezultatul este:

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

Exemplu: pachet 3S1P

Folosind aceleași celule:

• Tensiune: 3,7 V × 3 = 11,1 V

• Capacitate: 2500 mAh

• Energie: 11,1 V × 2,5 Ah = 27,75 Wh

Rezultatul este:

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

O configurație în serie este potrivită atunci când dispozitivul sau sistemul de alimentare necesită o tensiune nominală mai mare.

3. Cum funcționează pachetele de baterii paralele

Celulele conectate în paralel au bornele lor pozitive conectate împreună și bornele lor negative conectate împreună.

Pentru celulele potrivite în paralel:

Capacitatea pachetului = Capacitatea celulei × Numărul de celule în paralel

Tensiunea rămâne aproximativ egală cu tensiunea unei celule sau a unui grup de serie.

Exemplu: pachet 1S2P

Să presupunem că fiecare celulă are:

• Tensiune nominală: 3,7 V

• Capacitate: 2500 mAh

Un pachet 1S2P oferă:

• Tensiune: 3,7 V

• Capacitate: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh

• Energie: 3,7 V × 5 Ah = 18,5 Wh

Rezultatul este:

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

O configurație paralelă este potrivită atunci când dispozitivul funcționează la aceeași tensiune ca o celulă sau un grup de serie, dar are nevoie de mai multă capacitate, timp de funcționare mai lung sau capacitate de curent mai mare.

4. Serii vs. Paralel: Ce se schimbă?

Formulele detaliate de capacitate sunt acoperite în Cum se calculează capacitatea acumulatorului litiu-ion.

5. Ce este un pachet de baterii în serie-paralel?

Majoritatea pachetelor de baterii OEM personalizate folosesc o combinație de conexiuni în serie și paralele.

Un pachet serie-paralel folosește:

• Conexiuni în serie pentru atingerea tensiunii necesare;

• Conexiuni paralele pentru a atinge capacitatea și capacitatea de curent necesare.

Exemplu: pachet 2S2P

Folosind patru celule de 3,7 V, 2500 mAh:

• Număr de serii: 2

• Număr paralel: 2

• Total celule: 4

• Tensiune nominală: 7,4 V

• Capacitate: 5000 mAh

• Energie: 37 Wh

Calcul:

3,7 V × 2 = 7,4 V

2500 mAh × 2 = 5000 mAh

7,4 V × 5 Ah = 37 Wh

Rezultatul este:

7,4 V, 5000 mAh, 37 Wh

O configurație 2S2P poate fi adecvată pentru un dispozitiv OEM care are nevoie de o platformă de 7,4 V și mai multă energie decât poate oferi un pachet 2S1P.

6. Comparație practică folosind aceleași două celule

Folosind două celule identice de 3,7 V, 2500 mAh, celulele pot fi conectate în moduri diferite.

Ambele configurații conțin aproximativ aceeași energie nominală deoarece folosesc aceleași două celule. Cu toate acestea, ele nu sunt interschimbabile.

Dispozitivul trebuie să fie proiectat pentru:

• Tensiune de intrare;

• Tensiune de încărcare;

• Actual;

• BMS;

• Conector;

• Dispunerea mecanică.

Acesta este un punct important pentru designul OEM: două pachete de baterii pot avea wați-oră similare, dar totuși nu sunt potrivite pentru același produs.

7. Când ar trebui un dispozitiv OEM să utilizeze o configurație de serie?

O configurație în serie este în general luată în considerare atunci când dispozitivul necesită o tensiune mai mare decât poate furniza o celulă.

Motivele tipice includ:

• Motorul sau sistemul de alimentare necesită o tensiune mai mare;

• Tensiunea mai mare poate reduce curentul pentru un anumit nivel de putere;

• Dispozitivul folosește deja o arhitectură electrică 2S, 3S sau 4S;

• Este necesară o tensiune de intrare mai mare pentru un convertor sau controler de motor;

• Componentele sistemului disponibile sunt proiectate pentru o platformă de tensiune definită.

Pentru o sarcină cu putere constantă:

Curent = Putere ÷ Tensiune

La aceeași putere, o tensiune mai mare a bateriei poate reduce curentul extras din pachet. Acest lucru poate afecta dimensionarea conductorului, selectarea conectorilor și designul de gestionare a puterii.

Cu toate acestea, o tensiune mai mare nu înseamnă automat o performanță mai bună. Electronica dispozitivului, încărcătorul, izolația, BMS și controlerul motorului trebuie să suporte toate tensiunea selectată.

Pentru comparații practice ale nivelului de tensiune, vezi Baterii de 7,4 V față de 11,1 V față de 14,8 V.

8. Când ar trebui un dispozitiv OEM să utilizeze o configurație paralelă?

O configurație paralelă este în general luată în considerare atunci când dispozitivul are nevoie de mai multă capacitate sau de un curent mai mare la aceeași tensiune nominală.

Motivele tipice includ:

• Timp de rulare necesar mai lung;

• Curent continuu mai mare;

• Cerere scurtă de curent ridicat;

• Mai multă energie în cadrul aceleiași platforme de tensiune;

• Utilizarea unei celule cu capacitate individuală limitată;

• Trebuie să distribuiți curentul în mai multe celule.

Celulele paralele pot partaja curentul, dar designul trebuie să țină cont de:

• Potrivirea celulelor;

• Distribuția curentă;

• Rezistența conexiunii;

• Temperatura celulei;

• Calitatea sudurii;

• BMS sau design de protecție;

• Suport mecanic.

Celulele paralele nu trebuie tratate ca automat identice. Diferențele de rezistență internă sau starea de încărcare pot afecta partajarea curentului și consistența pachetului pe termen lung.

9. Cerințe de potrivire a celulelor

Pachetele de baterii în serie și paralele necesită celule compatibile.

Celulele utilizate în același pachet ar trebui să fie corelate cu caracteristici relevante, cum ar fi:

• Model;

• Capacitate nominală;

• Voltaj;

• Rezistenta interioara;

• lot de producție;

• Starea de îmbătrânire;

• Istoricul temperaturii.

De ce este importantă potrivirea în pachetele de serie

Într-un pachet în serie, celula cea mai slabă poate atinge limita superioară sau inferioară de tensiune înaintea celorlalte celule. Acest lucru poate reduce capacitatea utilizabilă a pachetului și poate cauza întreruperea prematură a protecției.

De ce este importantă potrivirea în pachetele paralele

Într-un grup paralel, celulele cu tensiune sau rezistență internă diferită pot să nu împartă curentul în mod egal. O celulă poate transporta mai multă sarcină sau poate primi mai mult curent de încărcare decât alta.

Pentru mai multe informații despre inconsecvența pachetului și diferențele de celule, consultați De ce acumulatorii litiu-ion devin inconsecvenți și ce trebuie făcut.

10. Cerințe BMS pentru pachetele serie și paralele

Sistemul de management al bateriei trebuie să se potrivească cu configurația pachetului.

Pachete de serie

Un pachet cu mai multe celule în serie necesită, în general, monitorizarea grupurilor individuale de celule.

BMS poate avea nevoie să furnizeze:

• Monitorizarea tensiunii celulei;

• Echilibrarea celulelor;

• Protecție la supraîncărcare;

• Protecție la supradescărcare;

• Protectie la supracurent;

• Protectie la scurtcircuit;

• Monitorizarea temperaturii.

Pe măsură ce numărul de serie crește, BMS-ul trebuie proiectat pentru numărul corespunzător de celule.

Pachete paralele

Celulele paralele pot împărtăși același punct de măsurare a tensiunii, dar BMS sau sistemul de protecție trebuie să țină seama de:

• Curent total;

• Potrivirea celulelor;

• Temperatură;

• Comportamentul de încărcare;

• Rezistența conexiunii;

• Condiții de defecțiune.

Pachete serie-paralel

Un pachet serie-paralel necesită de obicei ca BMS să monitorizeze fiecare grup de serie în timp ce gestionează curentul total al pachetului.

BMS-ul trebuie selectat în timpul etapei de proiectare a bateriei, nu adăugat după finalizarea configurației celulei.

11. Cerințe de încărcare

Configurațiile în serie și paralelă necesită considerații de încărcare diferite.

Încărcare în serie

Încărcătorul trebuie să suporte tensiunea totală în serie.

De exemplu:

• Pachet 1S: încărcător conceput pentru o singură celulă;

• Pachet 2S: încărcător conceput pentru o baterie 2S;

• Pachet 3S: încărcător conceput pentru o baterie 3S;

• Pachet 4S: încărcător conceput pentru o baterie 4S.

Un încărcător proiectat pentru o singură celulă nu trebuie utilizat direct cu un pachet cu mai multe serii.

Încărcare paralelă

Un pachet paralel folosește în continuare tensiunea unei celule sau a unui grup de serie, dar este posibil ca sistemul de încărcare să fie nevoie să furnizeze mai mult curent sau să accepte un timp de încărcare mai lung.

Încărcare în serie-paralelă

Sistemul de încărcare trebuie să se potrivească cu ambele:

• Tensiune totală în serie;

• Capacitatea pachetului și cerințele privind curentul de încărcare.

Încărcătorul, bateria și BMS trebuie testate ca un singur sistem.

12. Potriviți configurația cu dispozitivul OEM

Configurația corectă depinde de cerințele reale ale dispozitivului.

Acesta este doar un ghid preliminar de selecție. Configurația finală ar trebui, de asemenea, verificată în raport cu cererea curentă, dimensiuni, încărcare, temperatură și cerințele de producție.

13. Exemplu OEM: Alegerea unei configurații pentru un dispozitiv de 7,4 V

Să presupunem că un produs OEM necesită:

• Tensiune nominală: aproximativ 7,4 V;

• Capacitate tinta: 5000 mAh;

• Curent continuu: moderat;

• Compartiment compact dreptunghiular pentru baterii;

• Funcționare reîncărcabilă;

• Monitorizare la nivel celular.

O configurație preliminară ar putea fi:

2S2P folosind celule de 3,7 V, 2500 mAh

Calcul:

• Tensiune: 3,7 V × 2 = 7,4 V;

• Capacitate: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Total celule: 2 × 2 = 4 celule;

• Energie nominală: 7,4 V × 5 Ah = 37 Wh.

Echipa de proiectare trebuie apoi să confirme:

• Dacă intervalul de tensiune 2S este compatibil cu dispozitivul;

• Dacă este necesar un BMS 2S cu echilibrare;

• Dacă celulele pot suporta curentul;

• Dacă încărcătorul este proiectat pentru 2S;

• Dacă pachetul se potrivește incintei;

• Dacă conectorul acceptă curentul necesar;

• Dacă bateria trece testul planificat.

ale lui ZENE Pagina pachetului de baterii cu litiu de 7,4 V poate fi folosită ca referință la nivel de produs pentru configurațiile pachetului de baterii 2S, în timp ce modelele personalizate ar trebui evaluate în raport cu dispozitivul OEM real.

14. Exemplu de configurare pentru un dispozitiv cu tensiune mai mare

Să presupunem că un alt produs OEM necesită:

• Tensiune nominală: aproximativ 11,1 V;

• Capacitate: 5000 mAh;

• Ieșire stabilă în timpul funcționării continue.

O configurație preliminară ar putea fi:

3S2P folosind celule de 3,7 V, 2500 mAh

Calcul:

• Tensiune: 3,7 V × 3 = 11,1 V;

• Capacitate: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Total celule: 3 × 2 = 6 celule;

• Energie nominală: 11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh.

Un pachet de 11,1 V necesită un încărcător și un BMS concepute pentru o configurație 3S.

Pentru o referință de produs existentă, consultați ZENE Pagina pachetului de baterii cu litiu de 11,1 V.

15. Considerații de proiectare mecanică

Conexiunile în serie și paralele afectează, de asemenea, aspectul pachetului fizic.

Proiectantul ar trebui să ia în considerare:

• Orientarea celulei;

• Spațierea celulelor;

• Puncte de sudura;

• Bare colectoare sau conductori;

• Izolare;

• locația BMS;

• Dirijarea cablurilor;

• Poziția conectorului;

• Dimensiunile carcasei;

• Disiparea căldurii;

• Puncte de montare;

• Vibrații și impact.

O configurație care este corectă din punct de vedere electric poate fi în continuare nepotrivită dacă nu se potrivește carcasei disponibile.

Pentru pachetele de celule cilindrice, aranjarea celulelor poate afecta lățimea, lungimea și înălțimea pachetului. Pentru pachetele cu celule pungă, locațiile filelor în serie și paralele pot influența aspectul intern și ieșirea cablului.

Degajările detaliate ale compartimentului bateriei, alocațiile de compresie și umflare ar trebui să fie tratate separat în Design compartiment baterie LiPo: clearance și umflare.

16. Greșeli comune de proiectare în serie și paralele

Greșeala 1: Presupunând că seria crește mAh

Conexiunile în serie măresc tensiunea, nu în mod normal capacitatea amperi-oră.

Greșeala 2: Presupunând că paralel crește tensiunea

Celulele paralele păstrează aproximativ aceeași tensiune ca o celulă sau un grup în serie.

Greșeala 3: Folosirea unui încărcător pentru numărul de serie greșit

Un încărcător pentru un pachet 1S nu este potrivit pentru un pachet 2S, 3S sau 4S.

Greșeala 4: Conectarea celulelor nepotrivite

Capacitatea, rezistența sau condițiile de îmbătrânire diferite pot reduce consistența ambalajului și performanța utilizabilă.

Greșeala 5: Selectarea BMS după aspectul pachetului

Numărul de serie, cererea curentă și cerințele de comunicare ar trebui cunoscute înainte de selectarea BMS.

Greșeala 6: Comparând numai mAh

Un pachet de 3,7 V, 5000 mAh și un pachet de 7,4 V, 5000 mAh nu conțin aceeași cantitate de energie.

Greșeala 7: Ignorarea curentului de vârf

Configurația trebuie să suporte cererea de vârf a dispozitivului, nu doar curentul mediu al acestuia.

17. Lista de verificare a pachetului de baterii în serie și paralelă

Înainte de a aproba configurația bateriei, confirmați:

• Tensiunea nominală a dispozitivului;

• Tensiunea minimă și maximă a dispozitivului;

• Capacitate țintă;

• Curent continuu;

• Curent de vârf;

• Număr de serii obligatorii;

• Numărarea paralelă necesară;

• Modelul și capacitatea celulei;

• Numărul total de celule;

• Cerințe de potrivire a celulelor;

• Structura BMS sau PCM;

• Compatibilitate încărcător;

• Evaluarea conectorului și cablului;

• Potrivire mecanică;

• Condiții de temperatură;

• țintă de rulare;

• Cerințe de testare;

• Volumul de producție așteptat.

Pentru criterii mai largi de proiectare a bateriei, vezi Design pachet baterie litiu-ion: tensiune, capacitate, BMS și timp de funcționare.

FAQ

Care este diferența dintre un pachet de baterii în serie și paralel?

Un acumulator în serie crește tensiunea, în timp ce un acumulator paralel crește capacitatea și capacitatea de curent. Un pachet serie-paralel combină ambele efecte.

Conectarea bateriilor în serie crește capacitatea?

În mod normal, nu. Conectarea celulelor de capacitate egală în serie crește tensiunea, în timp ce capacitatea amperi-oră rămâne aproximativ aceeași.

Conectarea bateriilor în paralel crește tensiunea?

În mod normal, nu. Conectarea celulelor de tensiune egală în paralel crește capacitatea, menținând aproximativ aceeași tensiune.

Ce înseamnă 2S2P?

2S2P înseamnă două grupuri de celule conectate în serie, cu două celule conectate în paralel în fiecare grup. Conține în total patru celule.

Care este capacitatea unui pachet 2S2P care utilizează celule de 2500 mAh?

Capacitatea pachetului este de aproximativ 5000 mAh. Dacă celulele au o tensiune nominală de 3,7 V, tensiunea pachetului este de aproximativ 7,4 V.

Pachetele de baterii din serie au nevoie de un BMS?

Pachetele de baterii cu litiu cu mai multe serii necesită, în general, o protecție și o echilibrare adecvate. Structura exactă a BMS depinde de chimia celulei, numărul de serie, curent, încărcător și aplicație.

Sunt acumulatorii în serie paralelă mai bune decât pachetele numai în serie sau numai în paralel?

Nu automat. O configurație serie-paralelă este utilă atunci când dispozitivul necesită atât o tensiune mai mare, cât și o capacitate mai mare, dar alegerea finală depinde de aplicație și de constrângerile fizice.

Pot fi conectate diferite celule de baterie în paralel?

Celulele nu trebuie conectate între ele întâmplător dacă diferă ca model, capacitate, tensiune, rezistență internă sau stare. Un design calificat de baterie ar trebui să utilizeze celule compatibile și potrivite corespunzător.

Concluzie

Regula de bază pentru configurarea acumulatorului este:

Seria crește tensiunea.

În paralel crește capacitatea și capacitatea curentului.

Seria-paralel crește atât tensiunea, cât și capacitatea.

Pentru un dispozitiv OEM, configurația corectă trebuie, de asemenea, să corespundă:

• Gama de tensiune;

• Capacitate și energie;

• Cererea curentă;

• Încărcător;

• BMS;

• Potrivirea celulelor;

• Spațiul mecanic;

• Conector;

• Temperatură;

• Cerințe de testare.

De exemplu:

• 2S1P oferă o tensiune mai mare;

• 1S2P oferă o capacitate mai mare la aceeași tensiune a celulei;

• 2S2P oferă atât o tensiune mai mare, cât și o capacitate mai mare.

Dacă dezvoltați un pachet de baterii personalizat, împărtășiți echipa tehnică ZENE la tensiunea dispozitivului, ținta de capacitate, cererea curentă, dimensiunile, metoda de încărcare și cantitatea așteptată. ZENE oferă soluții personalizate de pachete de baterii cu litiu pentru proiecte OEM și ODM și poate ajuta la evaluarea configurației adecvate în serie, paralelă sau serie-paralelă.