Последовательные и параллельные аккумуляторы LiPo: требования к напряжению, емкости и защите

Последовательные и параллельные соединения позволяют производителям аккумуляторов создавать аккумуляторы с учетом требований к напряжению, емкости, времени работы и мощности устройства.

Основные правила кажутся простыми: последовательные соединения увеличивают напряжение, а параллельные соединения увеличивают мощность. Однако на практике выбор конфигурации также влияет на напряжение зарядки, допустимый ток, балансировку элементов, проводку, схему защиты, физическую компоновку и поведение при сбоях.

Липо-аккумуляторный блок 2S1P и липо-аккумуляторный блок 1S2P могут содержать одинаковое количество элементов и хранить примерно одинаковую общую энергию, но они не являются взаимозаменяемыми. Один обеспечивает более высокое напряжение, а другой сохраняет напряжение одной ячейки и обеспечивает большую емкость в ампер-часах.

В этом руководстве объясняется, как работают последовательные, параллельные и последовательно-параллельные аккумуляторы LiPo, как рассчитать их основные электрические характеристики и какие требования к защите следует учитывать перед выбором конструкции блока.

Ключевые выводы

• Ячейки, соединенные последовательно, увеличивают напряжение батареи, но не добавляют свою емкость в ампер-часах.

• Ячейки, соединенные параллельно, увеличивают емкость, сохраняя при этом напряжение одной ячейки.

• Последовательно-параллельная конфигурация увеличивает как напряжение, так и емкость.

• Буква S обозначает количество последовательно соединенных групп ячеек.

• Буква P обозначает количество ячеек, соединенных параллельно внутри каждой группы.

• Пакет 2S2P содержит четыре элемента, организованные в две последовательные группы, по два элемента в каждой параллельной группе.

• Ватт-часы обеспечивают лучшее сравнение энергии, чем мАч, когда аккумуляторы имеют разное напряжение.

• Группы, соединенные последовательно, требуют индивидуального контроля напряжения и могут потребовать балансировки.

• Ячейки в параллельной группе должны быть точно согласованы и доведены до подходящего напряжения перед постоянным подключением.

• Плата защиты должна соответствовать химическому составу элементов, количеству серий, зарядному напряжению, постоянному току, пиковому току и требуемым функциям.

• Добавление параллельных ячеек не приводит к автоматическому удвоению безопасного тока аккумуляторной батареи при каждом рабочем режиме.

• Аккумуляторы с разным напряжением, емкостью, возрастом или уровнем заряда не следует комбинировать без специально разработанной конструкции.

• Конфигурацию аккумулятора, зарядное устройство, BMS, разъем, проводку и систему питания устройства необходимо оценивать вместе.

Что означают 1S, 2S, 2P и 2S2P?

Конфигурации аккумуляторных блоков обычно обозначаются буквами S и P..

• S означает серию.

• P означает параллельность.

• Число перед каждой буквой указывает, сколько ячеек или групп ячеек используют это соединение.

Общие примеры включают в себя:

Общее количество клеток можно рассчитать как:

Общее количество ячеек = количество серий × количество параллельных

Например:

3С2П = 3 × 2 = 6 ячеек

В большинстве спецификаций батарей конфигурация, обозначаемая только как «2S», понимается как 2S1P, если количество параллельных батарей не указано отдельно. Однако для OEM-проекта оба значения должны быть задокументированы, чтобы избежать двусмысленности.

Краткий обзор серийных и параллельных аккумуляторов LiPo

Следующее сравнение предполагает идентичные элементы с одинаковым химическим составом, номинальным напряжением, емкостью и разрядной способностью.

Это принципы конфигурации, а не гарантированные характеристики готовой упаковки. Фактическая производительность может быть ограничена характеристиками ячейки, межсоединениями, защитной платой, разъемом, размером кабеля, температурой и конструкцией продукта.

Как работает аккумулятор серии LiPo

Ячейки соединяются последовательно путем соединения положительной клеммы одной ячейки с отрицательной клеммой следующей. Две оставшиеся внешние клеммы образуют выход блока.

Один и тот же ток проходит через каждую ячейку или параллельную группу на последовательном пути.

Как последовательное соединение влияет на напряжение

Номинальное напряжение батареи представляет собой сумму номинальных напряжений последовательно соединенных элементов:

Номинальное напряжение пакета = Номинальное напряжение ячейки × Количество серий

Для стандартных элементов 3,7 В:

Напряжение полного заряда рассчитывается как:

Максимальное напряжение аккумулятора = предел заряда элемента × количество серий

Значение 4,2 В относится к обычному литий-ионному полимерному элементу, рассчитанному на этот предел заряда. Для высоковольтной химии может потребоваться напряжение 4,35 В, 4,4 В или другой указанный предел на ячейку.

Продукт, созданный вокруг Поэтому высоковольтные LiPo-аккумуляторы нуждаются в совместимом зарядном устройстве и системе защиты. Никогда не следует предполагать более высокий предел заряда на элемент, исходя только из номинального напряжения.

Как последовательное соединение влияет на емкость

Последовательное соединение одинаковых аккумуляторов емкостью 1000 мАч не увеличивает их номинал в мАч.

Например:

• Один элемент 3,7 В, 1000 мАч: 3,7 В, 1000 мАч

• Две батареи последовательно: 7,4 В, 1000 мАч.

• Три элемента последовательно: 11,1 В, 1000 мАч.

Аккумулятор содержит больше энергии, поскольку его напряжение увеличилось, хотя значение Ач остается неизменным.

Как последовательное соединение влияет на ток

В упаковке 2С1П через обе ячейки проходит одинаковый ток. Если элемент рассчитан на заданный непрерывный ток, добавление последовательно еще одного идентичного элемента не приводит к автоматическому удвоению номинального тока.

Ток готовой упаковки ограничивается наименьшим применимым значением из:

• Непрерывный ток разряда ячейки

• Пиковый ток ячейки

• Текущий рейтинг PCM или BMS

• МОП-транзистор и конструкция с определением тока

• Никелевая полоса, вывод, шина или емкость печатной платы

• Размер провода

• Рейтинг разъема

• Предохранитель или токоограничивающий компонент

• Термические условия

Более высокое напряжение батареи может позволить устройству получать ту же мощность при меньшем токе, но это зависит от нагрузки и архитектуры преобразования мощности.

Почему для серийных пакетов необходим мониторинг групп ячеек

Последовательно соединенные элементы не остаются совершенно идентичными на протяжении всего срока службы. Небольшие различия в емкости, внутреннем сопротивлении, саморазряде, температуре и старении могут привести к разнице их заряда.

Во время зарядки одна последовательная группа может достичь верхнего предела напряжения раньше других. Во время разрядки самая слабая группа может первой достичь нижнего предела.

Поэтому система защиты и контроля должна реагировать на напряжение отдельной последовательной группы, а не полагаться только на общее напряжение батареи.

Например, общее показание блока 8,0 В не доказывает, что блок 2S сбалансирован. Он может состоять из:

• 4,0 В и 4,0 В

• 4,15 В и 3,85 В

• 4,25 В и 3,75 В

Последний пример имеет такое же общее напряжение, но уже может вывести одну группу за допустимый предел.

Как работает параллельный аккумулятор LiPo

При параллельном соединении положительные клеммы соединяются вместе, а отрицательные клеммы соединяются вместе.

Таким образом, все элементы в группе имеют одинаковое напряжение на клеммах.

Как параллельное соединение влияет на напряжение

Напряжение остается равным напряжению одной ячейки:

Напряжение упаковки = напряжение ячейки

Для двух стандартных элементов 3,7 В, соединенных параллельно:

• Номинальное напряжение: 3,7 В

• Типичное напряжение полной зарядки: 4,2 В.

• Конфигурация: 1С2П

Добавление дополнительных параллельных ячеек не дает 7,4 В или 11,1 В. Оно продолжает формировать единую группу напряжения.

Как параллельное соединение влияет на емкость

Емкости близко согласованных параллельных ячеек складываются:

Емкость упаковки = Емкость ячейки × Число параллельных вычислений

Для идентичных аккумуляторов емкостью 1000 мАч:

Это делает параллельную конструкцию полезной, когда приложение требует более длительного времени работы, но должно сохранить платформу напряжения с одной ячейкой.

Как параллельное соединение влияет на текущую мощность

Теоретически идентичные элементы, подключенные через пути сбалансированного тока, могут распределять нагрузку. Таким образом, две подходящие ячейки, включенные параллельно, могут обеспечивать больший ток, чем одна ячейка.

Однако ток безопасной батареи не следует рассчитывать путем умножения номинала элемента без дальнейшей оценки.

На текущий обмен могут повлиять следующие факторы:

• Внутреннее сопротивление ячейки

• Изменение мощности

• Разница температур

• Сопротивление выводов и межсоединений

• Положение ячейки внутри пакета

• Симметрия прокладки кабеля

• Различия в состоянии заряда

• Старение

• Сопротивление разъема

• Пределы платы защиты

Одна ячейка может нести большую часть нагрузки, если она имеет меньшее сопротивление или более короткий путь тока. Тогда батарея может развивать локальный нагрев, даже если общий ток находится в пределах простого теоретического предела.

Значение скорости разряда и ее связь с емкостью объясняется далее в разделе что означает рейтинг C у литий-полимерного аккумулятора.

Нужна ли балансировка параллельным ячейкам?

Непосредственно подключенные параллельные ячейки имеют одинаковое напряжение на клеммах, поэтому BMS обычно рассматривает всю параллельную группу как один узел напряжения.

Это не означает, что сопоставление ячеек не требуется. Равное напряжение на клеммах не гарантирует одинаковую емкость, сопротивление, температуру или ток.

Ячейки, выбранные для одной параллельной группы, обычно должны иметь совместимые:

• Химия

• Предел напряжения заряда

• Емкость

• Внутреннее сопротивление

• Характеристики разряда

• История производства

• Возраст и состояние цикла

• Физический дизайн

• Состояние заряда при сборке

Поврежденная или значительно деградировавшая ячейка может создать дополнительную нагрузку на остальные ячейки и снизить надежность всей группы.

Почему необходимо проверять напряжение перед параллельным подключением

Элементы с разным напряжением не следует просто соединять вместе.

После подключения элемент с более высоким напряжением может быстро разряжаться в элемент с более низким напряжением. Результирующий ток выравнивания может быть ограничен главным образом сопротивлением элемента и соединения и может значительно превышать нормальный зарядный ток.

По этой причине параллельные группы должны собираться посредством контролируемого производственного процесса с использованием квалифицированных, близко подобранных ячеек. Конечным пользователям не следует добавлять новый элемент в устаревшую упаковку или соединять два отдельных элемента в пакете параллельно без проверенной конструкции и подходящего оборудования.

Как работает последовательно-параллельный блок LiPo

Последовательно-параллельный пакет сочетает в себе оба способа подключения.

Рассмотрим конструкцию 2S2P, состоящую из четырех одинаковых элементов 3,7 В, 1000 мАч:

1. Два элемента соединены параллельно, образуя первую группу 3,7 В, 2000 мАч.

2. Еще две ячейки образуют вторую группу 3,7 В, 2000 мАч.

3. Две параллельные группы соединены последовательно.

Итоговая теоретическая спецификация:

• Номинальное напряжение: 7,4 В

• Емкость: 2000 мАч

• Энергия: 14,8 Втч

• Конфигурация: 2С2П

• Всего ячеек: 4

Формулы:

Напряжение упаковки = номинальное напряжение ячейки × S

Емкость упаковки = Емкость ячейки × P

Общее количество клеток = S × P

Номинальная энергия = Напряжение аккумулятора × Емкость аккумулятора в Ач

В этой конструкции BMS контролирует напряжение двух последовательных групп. Каждая контролируемая группа содержит две параллельные ячейки.

Поэтому пакет 2S2P не контролируется как пакет 4S. Выбор платы защиты по общему количеству отдельных ячеек вместо количества серий был бы неправильным.

Сравнение напряжения, мощности и ватт-часов

Разница между последовательной и параллельной конструкцией становится более очевидной, если сравнивать блоки с идентичными элементами 3,7 В, 1000 мАч.

Оба примера 2S1P и 1S2P содержат две ячейки и хранят около 7,4 Втч. Их номинальные напряжения и мощности различаются, но их теоретическая номинальная энергия одинакова.

Их все равно нельзя заменить друг другом, поскольку устройство видит разное входное напряжение.

Почему только мАч не может сравнивать разные аккумуляторы

Блок питания 3,7 В, 2000 мАч и блок 7,4 В, 1000 мАч содержат примерно 7,4 Втч:

3,7 В × 2,0 Ач = 7,4 Втч

7,4 В × 1,0 Ач = 7,4 Втч

Если посмотреть только на мАч, первая упаковка окажется вдвое большей емкостью. По энергетике они схожи.

Поэтому ватт-часы более полезны при сравнении блоков с разным напряжением.

Однако одинаковое количество Втч не гарантирует идентичное время работы устройства. Фактическое время работы также зависит от:

• Эффективность преобразования напряжения

• Ток устройства при различных входных напряжениях

• Внутреннее сопротивление батареи

• Напряжение отсечки

• Скорость разряда

• Температура

• Старение клеток

• Падение напряжения на плате защиты

• Полезная мощность при фактической нагрузке

Время работы в конечном итоге следует проверять на готовом устройстве, а не прогнозировать только на основе мАч.

Обеспечивает ли большее количество серий большую мощность?

Увеличение напряжения может обеспечить большую доступную мощность, но только в том случае, если элемент, система защиты, проводка и устройство могут подавать и принимать необходимый ток.

Электрическая мощность рассчитывается как:

Мощность = Напряжение × Ток

Блок на 7,4 В, выдающий ток 2 А, обеспечивает примерно 14,8 Вт. Блок на 3,7 В должен будет выдавать примерно 4 А, чтобы обеспечить ту же входную мощность, без учета потерь на преобразование.

Это одна из причин, по которой разработчик может выбрать блок более высокого напряжения для двигателей, нагревателей, насосов, робототехники или других энергоемких продуктов. Меньший ток при той же мощности может уменьшить потери в проводниках, но большее количество серий также увеличивает напряжение зарядного устройства, сложность BMS, требования к напряжению компонентов и требования к изоляции.

Выбор следует начинать с диапазона входного напряжения и профиля нагрузки устройства, а не с предположения, что чем больше последовательно соединенных элементов, тем автоматически лучше.

Требования к защите пакета 1S

Однопоследовательный блок имеет только одну группу напряжения, поэтому не требует балансировки между последовательными элементами.

Его PCM все равно может потребоваться предоставить:

• Защита от перезаряда

• Защита от переразряда

• Защита от перегрузки по току

• Защита от короткого замыкания

• Контроль заряда и разряда

• Мониторинг температуры

• выход NTC

• Идентификация батареи

• Учет топлива или связь

Зарядное устройство должно соответствовать химическому составу элементов и максимальному напряжению заряда. PCM прерывает работу в ненормальных условиях, но не является заменой правильно контролируемого зарядного устройства.

В конструкции 1S2P или 1S3P схема защиты рассматривает параллельную группу как один узел напряжения большей мощности. Его текущий рейтинг должен основываться на полной нагрузке блока, а не на емкости одного элемента.

Требования к защите для пакета Multi-Series

Для конструкции серии 2S, 3S или выше требуется схема защиты, подходящая именно для этого количества серий.

Многосотовой BMS или PCM может потребоваться выполнить:

• Индивидуальный последовательно-групповой контроль напряжения

• Пакет текущего мониторинга

• Защита от перегрузки по току зарядки

• Защита от перегрузки по току

• Защита от короткого замыкания

• Отключение перезаряда

• Отключение при чрезмерной разрядке

• Балансировка групп ячеек

• Мониторинг температуры

• Управление МОП-транзистором

• Оценка состояния

• Запись неисправностей

• Связь с хост-устройством

Номинальное напряжение компонентов также должно соответствовать максимальному напряжению батареи, включая соответствующий расчетный запас.

Почему общего напряжения батареи недостаточно

Мониторинг только общего напряжения не может надежно выявить отдельную группу, которая перезаряжена или переразряжена.

По этой причине схема защиты 3S обычно требует доступа к:

• Пакет отрицательный

• Соединение после группы серий 1

• Соединение после группы серий 2

• Пакет положительный после серии 3 группы

Таким образом, обычный жгут мониторинга имеет на одно подключение напряжения больше, чем количество последовательностей:

Соединения измерения напряжения = S + 1

Пакет со встроенной BMS может не раскрывать эти соединения снаружи, но они все равно необходимы внутри для мониторинга отдельных серий и групп.

Что делает балансировка ячеек

Балансировка помогает ограничить различия между последовательно соединенными группами.

Система пассивной балансировки обычно отбирает небольшое количество энергии из группы с более высоким напряжением, чтобы группы с более низким напряжением могли продолжать зарядку. Более совершенные системы активной балансировки могут перераспределять энергию между группами.

Балансировка не может полностью исправить:

• Поврежденная клетка

• Серьезная потеря емкости

• Высокий саморазряд

• Плохое электрическое соединение

• Основные различия внутреннего сопротивления

• Неправильно совпадающие ячейки

• Неподходящее оформление упаковки

Аккумулятор, в котором постоянно возникает большой дисбаланс, следует проверить, а не полагаться на схему балансировки, чтобы скрыть основную проблему.

Требования защиты для параллельных групп

Параллельное строительство создает другой набор приоритетов проектирования.

Сопоставление ячеек

Клетки следует выбирать из совместимых групп производства и производительности. Смешение элементов разной емкости, химического состава, пределов напряжения, возраста или внутреннего сопротивления может привести к неравномерному распределению тока.

Практические эффекты клеточной изменчивости более подробно обсуждаются в почему литий-ионные аккумуляторы становятся нестабильными.

Проектирование текущего пути

Сопротивление межсоединения должно быть низким и разумно сбалансированным. Макет не должен заставлять одну ячейку или вкладку нести непропорциональную долю текущей информации.

Факторы проектирования включают в себя:

• Геометрия вкладки

• Размеры никелевой полосы или шины

• Толщина меди печатной платы

• Положение подключения

• Размещение потенциальных клиентов

• Качество сварки

• Расстояние между ячейками

• Тепловыделение

• Расположение разъема

Сдерживание неисправностей

В постоянно подключенной параллельной группе исправные ячейки могут подавать ток в неисправную ячейку или неисправную ветвь.

В зависимости от размера упаковки и оценки рисков при проектировании могут потребоваться:

• Плавкие межсоединения

• Ограничение тока ответвления

• Термическое разделение

• Датчики температуры

• Огнестойкие материалы

• Механические барьеры

• Объединение на уровне упаковки

• Контролируемое вентиляционное пространство

• Дополнительные функции обнаружения неисправностей

Требуемый подход зависит от энергии аккумулятора, типа элемента, применения, корпуса, требований соответствия и прогнозируемых условий отказа.

Номинальный ток платы защиты

BMS должна поддерживать общий ожидаемый ток аккумуляторной батареи, включая:

• Нормальный рабочий ток

• Максимальный непрерывный ток

• Всплеск запуска

• Ток остановки двигателя

• Пуск нагревателя

• Пики связи-передатчика

• Зарядный ток

• Пороги обнаружения неисправностей

Заявленный ток платы не следует рассматривать как полезный ток устройства без проверки потерь МОП-транзистора, повышения температуры, условий охлаждения, размера проводника и времени отключения.

Требования к зарядному устройству для последовательного и параллельного подключения

Зарядное устройство должно соответствовать химическому составу аккумулятора, количеству серий, предельному напряжению заряда и допустимому зарядному току.

Для обычных элементов 4,2 В:

Аккумулятор 2S не следует заряжать с помощью зарядного устройства 1S. Аналогично, зарядное устройство, предназначенное для стандартных аккумуляторов на 4,2 В, может оказаться непригодным для высоковольтной химии с другим пределом заряда.

Параллельная емкость влияет на расчет зарядного тока. Если две одинаковые ячейки расположены параллельно, подходящая упаковка может выдерживать больший общий ток, чем одна ячейка, но правильное значение зависит от:

• Ограничение скорости зарядки ячейки

• Емкость упаковки

• Температура

• Параллельное распределение тока

• Рейтинг платы защиты

• Номинал разъема и провода

• Целевое время зарядки

• Требования к сроку службы

Зарядное устройство и BMS выполняют разные функции. Зарядное устройство регулирует профиль зарядки, а система защиты реагирует на определенные ненормальные условия. Одно не должно использоваться в качестве замены другого.

Требования к сопоставлению ячеек

Надежный многоячеечный пакет начинается с выбора подходящих ячеек.

Ячейки, используемые в одной сборке, возможно, придется сопоставить для:

• Модель ячейки

• Химия

• Номинальная мощность

• Измеренная мощность

• Напряжение холостого хода

• Внутреннее сопротивление

• Толщина и размеры

• Саморазряд

• Производственная партия

• Возраст

• История цикла

Согласование важно как в последовательных, так и в параллельных структурах.

В последовательной цепочке группа с наименьшей емкостью или с самым высоким сопротивлением может первой достичь предела напряжения и ограничить полезную емкость аккумулятора.

В параллельной группе различия в сопротивлении и соединениях влияют на распределение тока. Одна клетка может работать больше и стареть быстрее, чем другие.

Производители аккумуляторов должны установить критерии проверки элементов, соответствующие продукту, а не объединять элементы просто потому, что они имеют одинаковые печатные характеристики.

Можно ли соединять готовые аккумуляторы LiPo последовательно?

Два готовых блока не следует соединять последовательно, если вся система не спроектирована и не проверена для такого соединения.

Потенциальные проблемы включают в себя:

• Различные состояния заряда

• Разные способности или возраст

• Несовместимые схемы защиты

• Неправильное заземление

• Несовместимость зарядного устройства

• Пробелы в мониторинге баланса

• Пределы напряжения разъема

• Неожиданное поведение отключения BMS

• Одна упаковка заряжается другой

• Небезопасные процедуры обслуживания или замены

В некоторых защищенных комплектах используются интерфейсы переключения или связи нижнего уровня, которые делают внешнее последовательное соединение непригодным. Батарея, которая безопасна как отдельный продукт, не является автоматически безопасной в сочетании с другим аккумулятором.

Если приложение требует более высокого напряжения, использование специально разработанной многосерийной сборки обычно более надежно, чем подключение батарей с независимой защитой после производства.

Можно ли подключать готовые блоки LiPo параллельно?

Готовые блоки не следует подключать параллельно только потому, что на их маркировке указано одинаковое номинальное напряжение.

Перед параллельной работой в конструкции должны быть учтены:

• Разница напряжений в упаковке

• Разница в состоянии заряда

• Вместимость и возраст

• Внутреннее сопротивление

• BMS-взаимодействие

• Обратный ток

• Распределение зарядного тока

• Последовательность разъемов

• Снятие упаковки под напряжением

• Защита филиалов

• Локализация отказов

Если одна упаковка имеет более высокое напряжение, большой ток выравнивания может течь, как только разъемы войдут в контакт.

Параллельные аккумуляторные модули можно спроектировать безопасно, но для них необходим определенный метод подключения, совместимая архитектура защиты, контролируемая предварительная зарядка, где это необходимо, и проверенное поведение при сбоях.

Как конфигурация влияет на размер и расположение батареи

Добавление ячеек увеличивает энергию, но также меняет механическую конструкцию.

Последовательные и параллельные сборки могут повлиять на:

• Общая толщина

• Ширина и длина

• Масса

• Центр тяжести

• Пространство для прокладки кабеля

• Радиус изгиба

• Тепловыделение

• Допуск на расширение ячейки

• Защита от падения

• Устойчивость к вибрации

• Доступ к сервису

• Сборка корпуса

Две ячейки пакета, расположенные рядом, могут создать широкую и тонкую упаковку. Их штабелирование может занять меньшую площадь при большей толщине.

Последовательно-параллельная структура также может потребовать:

• Дополнительная изоляция

• Больше точек сварки

• Более крупная BMS

• Проводка датчика напряжения

• Датчики температуры

• Более прочная опорная рама

• Более сложная упаковка упаковки.

• Увеличено расстояние между вкладками и компонентами защиты.

Поэтому электрическую конфигурацию следует выбирать вместе с имеющимся батарейным отсеком, а не после окончательной доработки корпуса.

Последовательный или параллельный: какую конфигурацию выбрать?

Выберите количество серий в соответствии с напряжением, требуемым устройством.

Выберите количество параллельных соединений в соответствии с требуемой энергией, временем работы, текущей мощностью, занимаемым пространством и весом.

Серийно-ориентированная конструкция может подойти в следующих случаях:

• Устройство требует более высокого входного напряжения

• Двигатель или нагреватель работают более эффективно при более высоком напряжении.

• В системе используется шина напряжения выше диапазона блока 1S.

• Более низкий ток предпочтителен для данного уровня мощности.

• В комплект устройства уже входит совместимое многоэлементное зарядное устройство.

• Продукт может вместить несколько серий BMS.

Параллельно-ориентированная конструкция может подойти в следующих случаях:

• Изделие должно сохранять номинальную платформу 3,7 В.

• Требуется более длительное время работы

• Одна ячейка не может обеспечить достаточную емкость

• В утвержденных условиях эксплуатации элемента требуется больший выходной ток.

• В корпусе может разместиться несколько ячеек

• Зарядное устройство и система защиты поддерживают результирующую емкость и ток.

Последовательно-параллельная конструкция может подойти в следующих случаях:

• Устройству требуется как более высокое напряжение, так и более длительное время работы.

• Одна последовательная цепочка не может обеспечить требуемый ток.

• Потребность в энергии превышает емкость практической одной струны.

• Пространство должно быть распределено по нескольким позициям ячеек

• Приложение оправдывает дополнительную BMS и сложность сборки.

ЦЕРНЕ Специальные решения для литий-полимерных аккумуляторов поддерживают одноэлементные, многопоследовательные, параллельные и последовательно-параллельные структуры в зависимости от напряжения, емкости, размера, тока, разъема и требований защиты устройства.

Практичный процесс выбора конфигурации батареи

1. Подтвердите диапазон напряжения устройства.

Идентифицировать:

• Минимальное рабочее напряжение

• Нормальное рабочее напряжение

• Максимальное безопасное входное напряжение

• Требования к пусковому напряжению

• Напряжение отключения

• Диапазон входного сигнала регулятора напряжения

• Напряжение двигателя, нагревателя или привода

• Входное и выходное напряжение зарядного устройства

Максимальное напряжение полностью заряженной батареи должно оставаться в пределах безопасного диапазона для каждого подключенного компонента.

2. Определите профиль нагрузки

Записывать:

• Ток в режиме ожидания

• Типичный рабочий ток

• Максимальный непрерывный ток

• Пиковый ток

• Пиковая продолжительность

• Пусковой или остановочный ток

• Ежедневное время работы

• Требуемое время работы на одну зарядку

Сам по себе средний ток не может показать, могут ли элементы, BMS и разъем поддерживать короткие сильноточные события.

3. Рассчитайте необходимую энергию

Первую оценку можно рассчитать, используя:

Требуемая энергия в Втч = Средняя мощность в Вт × Время работы в часах

Практическая конструкция также должна учитывать:

• Потери преобразования напряжения

• Старение батареи

• Потеря мощности при низких температурах

• Просадка напряжения при высокой нагрузке

• Резервная мощность

• Потребление БМС

• Потребление устройства в режиме ожидания

• Допустимая глубина разгрузки

4. Выберите количество серий.

Выберите количество групп серий, необходимое для соответствия напряжению устройства.

Не используйте только номинальное напряжение. Проверять:

• Максимальное напряжение заряда

• Типичный рабочий диапазон

• Напряжение отключения BMS

• Порог пониженного напряжения устройства

• Напряжение зарядного устройства

• Номинальные напряжения компонентов

5. Выберите счетчик параллельных операций.

Определите, какую мощность и ток может обеспечить одна последовательная цепочка. Добавляйте параллельные ячейки только тогда, когда это необходимо для обеспечения энергии, времени работы, тока или упаковки.

Большее количество параллельных ячеек также увеличивает вес, объем, стоимость, количество точек сварки и энергию повреждения.

6. Спроектируйте систему защиты

Определять:

• Химия

• Количество серий

• Емкость упаковки

• Предел зарядного тока

• Непрерывный ток разряда

• Пиковый ток и продолжительность

• Порог перезарядки

• Порог переразряда

• Порог перегрузки по току

• Реакция на короткое замыкание

• Температурные пределы

• Балансирующая стратегия

• Требования к связи

7. Проверьте зарядное устройство и разъем.

Зарядное устройство должно соответствовать комплектному комплекту, а основной разъем и провода должны выдерживать реальный ток.

Перед изготовлением образцов необходимо задокументировать серию разъема, полярность, распиновку, сечение проводов, длину кабеля и соединение баланса.

8. Сборка и тестирование образцов

Проверка должна быть завершена внутри реального устройства.

Соответствующие тесты могут включать:

• Совместимость зарядки

• Напряжение полной зарядки

• Индивидуальное последовательно-групповое напряжение

• Балансировка ячеек

• Время выполнения

• Падение напряжения при максимальной нагрузке

• Реакция на пиковый ток

• Повышение температуры

• Поведение отключения BMS

• Защита от короткого замыкания

• Разъем обогрева

• Прокладка кабеля

• Подходит для корпуса

• Характеристики падения и вибрации

• Повторная езда на велосипеде

• Хранение и саморазряд

Система контроля качества литий-полимерных аккумуляторов предоставляет дополнительную информацию о тестировании элементов, проверке сборки, электрической проверке и контроле готовой упаковки.

Примеры рабочей конфигурации

Пример 1: Компактное устройство слежения

Предположим, что трекер работает на платформе напряжения с одной ячейкой и требует больше времени автономной работы, чем может обеспечить одна ячейка емкостью 1000 мАч.

Возможная конфигурация:

• Ячейка: 3,7 В, 1000 мАч

• Структура: 1С2П

• Напряжение аккумулятора: номинальное 3,7 В.

• Емкость упаковки: 2000 мАч

• Номинальная энергия: 7,4 Втч

Конструкция сохраняет напряжение зарядки одной ячейки, но требует схемы защиты и разъема, подходящего для комбинированного тока и емкости.

Пример 2. Портативное устройство, требующее напряжение 7,4 В.

Предположим, портативному устройству требуется примерно 7,4 В и 2000 мАч.

Использование аккумуляторов 3,7 В, 2000 мАч:

• Состав: 2С1П

• Напряжение аккумулятора: номинальное 7,4 В.

• Емкость упаковки: 2000 мАч

• Номинальная энергия: 14,8 Втч

• Типичное напряжение полной зарядки: 8,4 В.

Для аккумулятора требуется система защиты 2S и профиль зарядки литий-ионного аккумулятора 8,4 В.

Пример 3: Робот, требующий более высокого напряжения и мощности

Допустим, роботу необходимо номинал 11,1 В и 4000 мАч. Использование аккумуляторов емкостью 2000 мАч:

• Структура: 3С2П

• Всего ячеек: 6

• Напряжение аккумулятора: номинальное 11,1 В.

• Емкость аккумулятора: 4000 мАч

• Номинальная энергия: 44,4 Втч

• Типичное напряжение полной зарядки: 12,6 В.

BMS должна контролировать три последовательные группы, поддерживая при этом нормальный ток робота, скачок при запуске и возможный ток остановки двигателя.

Распространенные ошибки при проектировании последовательных и параллельных батарей

Информация о специальном аккумуляторном блоке

Производитель может более точно оценить последовательную и параллельную конфигурацию, если доступна следующая информация.

Требования к устройству

• Тип продукта

• Требуемый диапазон входного напряжения

• Максимальное безопасное входное напряжение

• Типичный рабочий ток

• Максимальный непрерывный ток

• Пиковый ток и продолжительность

• Требуемое время выполнения

• Способ зарядки

• Рабочая температура

• Доступное место для аккумулятора

• Целевой вес упаковки

Требования к батарее

• Предпочтительная химия

• Номинальное напряжение батареи

• Требуемая мощность

• Потребность в энергии

• Ожидаемая последовательная и параллельная конфигурация

• Целевой срок службы

• Время зарядки

• Требуемая скорость разряда

• Требования к низким или высоким температурам

• Требования к высоковольтным элементам

Требования защиты

• ПКМ или БМС

• Защита от перезаряда и чрезмерного разряда

• Защита от перегрузки по току и короткого замыкания

• Количество и расположение датчиков температуры

• Балансировка ячеек

• Указатель уровня топлива

• Индикация состояния заряда

• SMBus, CAN или другой протокол связи

• Аутентификация или идентификация батареи

• Требование к предохранителю или защите ответвлений

Механические требования и требования к подключению

• Максимальная толщина, ширина и длина

• Расположение ячеек

• Корпус или упаковка

• Производитель разъема и номер детали

• Полярность и распиновка

• Калибр проволоки

• Длина кабеля

• Балансовое преимущество

• NTC или провода связи

• Монтаж и разгрузка от натяжения

• Требования к вибрации и падению

Литиевый аккумуляторный блок следует указывать как полную систему, а не только как значения напряжения и мАч.

Заключение

Последовательные и параллельные соединения в аккумуляторе LiPo служат разным целям.

Последовательное соединение повышает напряжение батареи, сохраняя при этом емкость Ач одного последовательного пути. Параллельное соединение сохраняет напряжение одной ячейки, одновременно увеличивая емкость и потенциально увеличивая токовую мощность. Последовательно-параллельная структура сочетает в себе оба эффекта.

Эти электрические правила являются лишь отправной точкой. Готовый комплект также должен учитывать максимальное напряжение заряда, ватт-часы, нагрузку устройства, соответствие ячеек, распределение тока, балансировку, ток BMS, температуру, проводку, разъемы, совместимость зарядного устройства и механическую защиту.

Для блоков, состоящих из нескольких серий, система защиты должна контролировать напряжения отдельных серийных групп и соответствовать точному количеству серий. Для параллельных проектов необходимы близко подобранные элементы и контролируемые пути тока. В любом случае теоретические значения должны быть подтверждены посредством тестирования на уровне упаковки и устройства перед производством.

Часто задаваемые вопросы

Повышает ли последовательное соединение LiPo аккумуляторы емкость?

Это увеличивает общую запасаемую энергию и напряжение батареи, но номинал в Ач или мАч остается равным емкости одного последовательного канала. Два последовательно соединенных элемента 3,7 В, 1000 мАч образуют блок 7,4 В, 1000 мАч.

Увеличивает ли параллельное соединение LiPo-аккумуляторов напряжение?

Нет. Параллельные ячейки сохраняют напряжение одной ячейки, пока их емкости суммируются. Два параллельно соединенных элемента 3,7 В, 1000 мАч образуют блок 3,7 В, 2000 мАч.

В чем разница между 2S2P и 4S1P?

Пакет 2S2P состоит из двух последовательных групп по две параллельные ячейки в каждой группе. Блок 4S1P состоит из четырех ячеек, соединенных последовательно, поэтому он обеспечивает удвоенное номинальное напряжение, но половину емкости Ач при использовании идентичных элементов.

Нужен ли пакету 2S2P BMS 2S или 4S?

Обычно требуется 2S BMS, поскольку система защиты контролирует две группы последовательного напряжения. BMS также должна поддерживать общую емкость, ток заряда, ток разряда и требования к балансировке двух параллельных групп.

Можно ли параллельно подключать элементы LiPo разной емкости?

Обычно их не следует объединять в OEM-пакет, если вся конструкция не была специально оценена. Различия в емкости, сопротивлении, возрасте или состоянии могут привести к неравномерному распределению тока и ускорению деградации.

Можно ли подключить два защищенных аккумулятора LiPo параллельно?

Только в том случае, если аккумуляторная система рассчитана на параллельную работу модулей. Необходимо учитывать разницу в напряжении пакета, обратный ток, взаимодействие BMS, последовательность подключений и защиту ответвлений.

Удваивает ли добавление параллельных ячеек ток разряда?

Это может увеличить доступный ток при использовании идентичных элементов и сбалансированных токовых цепей, но безопасный ток готовой упаковки по-прежнему ограничивается BMS, выводами, межсоединениями, проводкой, разъемом, температурой и поведением разделения тока.

Какая конфигурация обеспечивает более длительное время работы: последовательная или параллельная?

Время работы не может быть определено только по количеству S или P. Сравните общее количество ватт-часов и протестируйте все устройство, поскольку входное напряжение, эффективность преобразования, поведение нагрузки, напряжение отсечки, температура и скорость разряда также влияют на полезное время работы.