Последовательные или параллельные аккумуляторные блоки: какая конфигурация подходит OEM-устройству?

Способ подключения литий-ионных элементов определяет основное электрическое поведение аккумуляторной батареи.

• Последовательные соединения увеличивают напряжение.

• Параллельные соединения увеличивают мощность и ток.

• Последовательно-параллельные конфигурации одновременно увеличивают напряжение и мощность.

Для OEM-устройства правильная конфигурация аккумуляторной батареи должна соответствовать:

• Диапазон напряжения устройства

• Требуемая мощность

• Непрерывный и пиковый ток

• Цель времени выполнения

• Конструкция зарядного устройства

• Требования BMS или PCM

• Доступное место для установки

• Вес и температурные ограничения

• Требования к производству и испытаниям

Таким образом, выбор между последовательным и параллельным подключением – это не только электрические расчеты. Это проектное решение на уровне системы.

Быстрый ответ: последовательные и параллельные аккумуляторные блоки

Например, используя элементы 3,7 В, 2500 мАч:

• 2S1P = 7,4 В, 2500 мАч

• 1S2P = 3,7 В, 5000 мАч

• 2S2P = 7,4 В, 5000 мАч

Правильная конфигурация зависит от целевого напряжения, мощности, тока и механической конструкции.

1. Что означают буквы «S» и «P»?

Конфигурация аккумуляторной батареи обычно обозначается буквами S и P..

S означает серию

Число перед S указывает количество ячеек или групп ячеек, соединенных последовательно.

Примеры:

• 1S: одна группа ячеек последовательно

• 2S: две группы ячеек последовательно.

• 3S: три группы клеток последовательно.

• 4S: четыре группы клеток последовательно.

Последовательные соединения увеличивают напряжение.

P означает параллельность

Число перед P указывает количество ячеек, соединенных параллельно в каждой группе последовательностей.

Примеры:

• 1П: одна ячейка в каждой параллельной группе

• 2P: две ячейки параллельно

• 3P: три ячейки параллельно

• 4P: четыре ячейки параллельно

Параллельные соединения увеличивают мощность и ток.

Общее количество клеток

Общее количество ячеек:

Всего ячеек = S × P

Например:

• 2С1П = 2 ячейки

• 1С2П = 2 ячейки

• 2С2П = 4 ячейки

• 3С2П = 6 ячеек

2. Как работают серийные аккумуляторные блоки

Ячейки, соединенные последовательно, соединяются встык. Положительная клемма одной ячейки соединяется с отрицательной клеммой следующей ячейки.

Для совпадающих ячеек последовательно:

Напряжение упаковки = Напряжение ячейки × Количество ячеек последовательно.

Емкость в ампер-часах остается примерно равной емкости одной ячейки или одной параллельной группы.

Пример: Пакет 2S1P

Предположим, что каждая ячейка имеет:

• Номинальное напряжение: 3,7 В

• Емкость: 2500 мАч

Пакет 2С1П обеспечивает:

• Напряжение: 3,7 В × 2 = 7,4 В

• Емкость: 2500 мАч

• Энергия: 7,4 В × 2,5 Ач = 18,5 Втч

Результат:

7,4 В, 2500 мАч, 18,5 Втч

Пример: Пакет 3S1P

Используя те же ячейки:

• Напряжение: 3,7 В × 3 = 11,1 В

• Емкость: 2500 мАч

• Энергия: 11,1 В × 2,5 Ач = 27,75 Втч

Результат:

11,1 В, 2500 мАч, 27,75 Втч

Последовательная конфигурация подходит, когда устройству или системе питания требуется более высокое номинальное напряжение.

3. Как работают параллельные аккумуляторные блоки

У ячеек, соединенных параллельно, положительные клеммы соединены вместе, а отрицательные клеммы соединены вместе.

Для совпадающих ячеек параллельно:

Емкость упаковки = Емкость ячейки × Количество параллельно подключенных ячеек

Напряжение остается примерно равным напряжению одной ячейки или одной последовательной группы.

Пример: пакет 1S2P

Предположим, что каждая ячейка имеет:

• Номинальное напряжение: 3,7 В

• Емкость: 2500 мАч

Пакет 1С2П обеспечивает:

• Напряжение: 3,7 В

• Емкость: 2500 мАч × 2 = 5000 мАч

• Энергия: 3,7 В × 5 Ач = 18,5 Втч

Результат:

3,7 В, 5000 мАч, 18,5 Втч

Параллельная конфигурация подходит, когда устройство работает при том же напряжении, что и одна группа элементов или последовательная группа, но требует большей мощности, более длительного времени работы или более высокой токовой нагрузки.

4. Последовательный или параллельный подход: какие изменения?

Подробные формулы емкости приведены в Как рассчитать емкость литий-ионного аккумулятора.

5. Что такое последовательно-параллельный аккумулятор?

В большинстве нестандартных аккумуляторных батарей OEM используется комбинация последовательного и параллельного соединений.

В последовательно-параллельном пакете используются:

• Последовательные соединения для достижения необходимого напряжения;

• Параллельные соединения для достижения необходимой мощности и текущей мощности.

Пример: пакет 2S2P

Использование четырех аккумуляторов 3,7 В, 2500 мАч:

• Количество серий: 2

• Количество параллельных: 2

• Всего ячеек: 4

• Номинальное напряжение: 7,4 В

• Емкость: 5000 мАч

• Энергия: 37 Втч

Расчет:

3,7 В × 2 = 7,4 В

2500 мАч × 2 = 5000 мАч

7,4 В × 5 Ач = 37 Втч

Результат:

7,4 В, 5000 мАч, 37 Втч

Конфигурация 2S2P может подойти для OEM-устройства, которому требуется платформа 7,4 В и больше энергии, чем может обеспечить блок 2S1P.

6. Практическое сравнение с использованием одних и тех же двух ячеек

Используя две одинаковые ячейки 3,7 В, 2500 мАч, их можно соединить разными способами.

Обе конфигурации содержат примерно одинаковую номинальную энергию, поскольку в них используются одни и те же две ячейки. Однако они не являются взаимозаменяемыми.

Устройство должно быть спроектировано для правильного:

• Входное напряжение;

• Зарядное напряжение;

• Текущий;

• БМС;

• Разъем;

• Механическая компоновка.

Это важный момент для OEM-проектирования: два аккумуляторных блока могут иметь одинаковую мощность в ватт-часах, но при этом не подходить для одного и того же продукта.

7. Когда OEM-устройству следует использовать последовательную конфигурацию?

Последовательная конфигурация обычно рассматривается, когда устройству требуется более высокое напряжение, чем может обеспечить один элемент.

Типичные причины включают в себя:

• Двигатель или система питания требуют более высокого напряжения;

• Более высокое напряжение может снизить ток для данного уровня мощности;

• В устройстве уже используется электрическая архитектура 2S, 3S или 4S;

• Для преобразователя или контроллера двигателя требуется вход более высокого напряжения;

• Доступные системные компоненты предназначены для определенной платформы напряжения.

Для нагрузки постоянной мощности:

Ток = Мощность ÷ Напряжение

При той же мощности более высокое напряжение батареи может снизить ток, потребляемый аккумулятором. Это может повлиять на размер проводника, выбор разъема и конструкцию управления питанием.

Однако более высокое напряжение не означает автоматически лучшую производительность. Электроника устройства, зарядное устройство, изоляция, BMS и контроллер двигателя должны поддерживать выбранное напряжение.

Практические сравнения уровней напряжения см. Аккумуляторные блоки 7,4 В, 11,1 В, 14,8 В.

8. Когда OEM-устройству следует использовать параллельную конфигурацию?

Параллельная конфигурация обычно рассматривается, когда устройству требуется большая мощность или более высокий ток при том же номинальном напряжении.

Типичные причины включают в себя:

• Более длительное необходимое время работы;

• Более высокий непрерывный ток;

• Короткое сильноточное потребление;

• Больше энергии на той же платформе напряжения;

• Использование камеры с ограниченной индивидуальной вместимостью;

• Необходимо распределить ток по нескольким ячейкам.

Параллельные ячейки могут разделять ток, но конструкция все равно должна учитывать:

• Сопоставление ячеек;

• Текущее распределение;

• Сопротивление соединения;

• Температура ячейки;

• Качество сварки;

• BMS или конструкция защиты;

• Механическая поддержка.

Параллельные ячейки не следует рассматривать как автоматически идентичные. Различия во внутреннем сопротивлении или состоянии заряда могут повлиять на распределение тока и долговременную стабильность аккумулятора.

9. Требования к сопоставлению ячеек

Для последовательных и параллельных аккумуляторных блоков требуются совместимые элементы.

Элементы, используемые в одной упаковке, должны соответствовать соответствующим характеристикам, таким как:

• Модель;

• Номинальная мощность;

• Напряжение;

• Внутреннее сопротивление;

• Производственная партия;

• Состояние старения;

• История температуры.

Почему совпадение важно в серийных упаковках

В последовательном блоке самая слабая ячейка может достичь верхнего или нижнего предела напряжения раньше других ячеек. Это может уменьшить полезную емкость аккумулятора и привести к преждевременному отключению защиты.

Почему совпадение важно в параллельных пакетах

В параллельной группе элементы с разным напряжением или внутренним сопротивлением могут неравномерно распределять ток. Один элемент может нести большую нагрузку или получать больший зарядный ток, чем другой.

Дополнительную информацию о несоответствии пакетов и различиях в ячейках см. Почему литий-ионные аккумуляторы перестают работать и что делать.

10. Требования BMS для последовательных и параллельных пакетов

Система управления батареями должна соответствовать конфигурации аккумулятора.

Пакеты серий

Пакет с несколькими последовательно соединенными ячейками обычно требует мониторинга отдельных групп ячеек.

BMS может потребоваться предоставить:

• Мониторинг напряжения ячейки;

• Балансировка ячеек;

• Защита от перезаряда;

• Защита от переразряда;

• Защита от перегрузки по току;

• Защита от короткого замыкания;

• Мониторинг температуры.

По мере увеличения количества серий BMS должна быть рассчитана на соответствующее количество ячеек.

Параллельные пакеты

Параллельные ячейки могут использовать одну и ту же точку измерения напряжения, но BMS или система защиты все равно должны учитывать:

• Общий ток;

• Сопоставление ячеек;

• Температура;

• Поведение зарядки;

• Сопротивление соединения;

• Условия неисправности.

Последовательно-параллельные пакеты

Последовательно-параллельный пакет обычно требует, чтобы BMS контролировала каждую последовательную группу, одновременно управляя общим током пакета.

BMS следует выбирать на этапе проектирования батареи, а не добавлять после завершения конфигурации элемента.

11. Требования к зарядке

Последовательные и параллельные конфигурации требуют разных подходов к зарядке.

Серийная зарядка

Зарядное устройство должно поддерживать общее последовательное напряжение.

Например:

• Упаковка 1S: зарядное устройство рассчитано на один аккумулятор;

• Пакет 2S: зарядное устройство, предназначенное для аккумулятора 2S;

• Пакет 3S: зарядное устройство, предназначенное для аккумулятора 3S;

• Пакет 4S: зарядное устройство, предназначенное для аккумулятора 4S.

Зарядное устройство, рассчитанное на один аккумулятор, не следует использовать непосредственно с аккумулятором из нескольких серий.

Параллельная зарядка

Параллельная батарея по-прежнему использует напряжение одной ячейки или одной последовательной группы, но системе зарядки может потребоваться подача большего тока или более длительное время зарядки.

Последовательно-параллельная зарядка

Система зарядки должна соответствовать обоим:

• Общее последовательное напряжение;

• Емкость аккумулятора и требования к зарядному току.

Зарядное устройство, аккумулятор и BMS следует тестировать как одну систему.

12. Сопоставьте конфигурацию с OEM-устройством.

Правильная конфигурация зависит от реальных требований устройства.

Это лишь предварительное руководство по выбору. Окончательную конфигурацию также следует проверить на соответствие текущим потребностям, размерам, зарядке, температуре и производственным требованиям.

13. Пример OEM: выбор конфигурации для устройства на 7,4 В.

Предположим, что OEM-продукт требует:

• Номинальное напряжение: примерно 7,4 В;

• Целевая емкость: 5000 мАч;

• Непрерывный ток: умеренный;

• Компактный прямоугольный батарейный отсек;

• Аккумуляторная работа;

• Мониторинг на уровне клеток.

Предварительная конфигурация может быть:

2S2P с использованием элементов 3,7 В, 2500 мАч

Расчет:

• Напряжение: 3,7 В × 2 = 7,4 В;

• Емкость: 2500 мАч × 2 = 5000 мАч;

• Всего ячеек: 2 × 2 = 4 ячейки;

• Номинальная энергия: 7,4 В × 5 Ач = 37 Втч.

Затем группа разработчиков должна подтвердить:

• Совместим ли диапазон напряжения 2S с устройством;

• Требуется ли 2S BMS с балансировкой;

• Могут ли клетки выдерживать ток;

• рассчитано ли зарядное устройство на 2S;

• Подходит ли упаковка к вольеру;

• Поддерживает ли разъем необходимый ток;

• Проходит ли батарея плановые испытания.

ЦЕРНЕ Страницу литиевого аккумуляторного блока 7,4 В можно использовать в качестве справочника на уровне продукта для конфигураций аккумуляторного блока 2S, а нестандартные конструкции следует оценивать по сравнению с реальным OEM-устройством.

14. Пример конфигурации устройства более высокого напряжения.

Предположим, что для другого OEM-продукта требуется:

• Номинальное напряжение: примерно 11,1 В;

• Емкость: 5000 мАч;

• Стабильная производительность при непрерывной работе.

Предварительная конфигурация может быть:

3S2P с использованием элементов 3,7 В, 2500 мАч

Расчет:

• Напряжение: 3,7 В × 3 = 11,1 В;

• Емкость: 2500 мАч × 2 = 5000 мАч;

• Всего ячеек: 3 × 2 = 6 ячеек;

• Номинальная энергия: 11,1 В × 5 Ач = 55,5 Втч.

Для блока на 11,1 В требуется зарядное устройство и BMS, предназначенные для конфигурации 3S.

Справочную информацию о существующем продукте см. на сайте ZERNE. Страница литиевого аккумулятора 11,1 В.

15. Особенности механической конструкции

Последовательные и параллельные соединения также влияют на физическую компоновку упаковки.

Дизайнер должен учитывать:

• Ориентация клеток;

• Расстояние между ячейками;

• Сварочные точки;

• Шинопроводы или проводники;

• Изоляция;

• расположение БМС;

• Прокладка кабеля;

• Положение разъема;

• Размеры корпуса;

• Тепловыделение;

• Точки крепления;

• Вибрация и удар.

Электрически правильная конфигурация может оказаться непригодной, если она не подходит к имеющемуся корпусу.

Для цилиндрических пакетов ячеек расположение ячеек может влиять на ширину, длину и высоту пакета. Для пакетов с ячейками последовательное и параллельное расположение выступов может повлиять на внутреннюю компоновку и выход кабеля.

Подробные зазоры в батарейном отсеке, припуски на сжатие и вздутие следует учитывать отдельно в Конструкция отсека для батарей LiPo: зазор и вздутие.

16. Распространенные ошибки последовательного и параллельного проектирования

Ошибка 1: предположение, что серия увеличивает мАч

Последовательные соединения увеличивают напряжение, а не емкость в ампер-часах.

Ошибка 2: предположение, что параллельное увеличение напряжения

Параллельные ячейки сохраняют примерно то же напряжение, что и одна ячейка или одна последовательная группа.

Ошибка 3: использование зарядного устройства для неправильного количества серий

Зарядное устройство для пакета 1S не подходит для пакета 2S, 3S или 4S.

Ошибка 4: Соединение несовпадающих ячеек

Различная емкость, устойчивость или условия старения могут снизить стабильность упаковки и ее эксплуатационные характеристики.

Ошибка 5: Выбор BMS после макета упаковки

Перед выбором BMS необходимо знать количество серий, текущие потребности и требования к связи.

Ошибка 6: сравнивать только мАч

Блок питания 3,7 В, 5000 мАч и блок 7,4 В, 5000 мАч не содержат одинаковое количество энергии.

Ошибка 7: игнорирование пикового тока

Конфигурация должна поддерживать пиковую нагрузку устройства, а не только его средний ток.

17. Контрольный список аккумуляторных батарей для последовательного и параллельного подключения

Прежде чем утвердить конфигурацию батареи, подтвердите:

• Номинальное напряжение устройства;

• Минимальное и максимальное напряжение устройства;

• Целевая мощность;

• Непрерывный ток;

• Пиковый ток;

• Требуемое количество серий;

• Требуется количество параллельных;

• Модель и емкость ячейки;

• Общее количество клеток;

• Требования к сопоставлению ячеек;

• Структура BMS или PCM;

• Совместимость зарядных устройств;

• Характеристики разъема и кабеля;

• Механическая посадка;

• Температурный режим;

• Цель времени выполнения;

• Требования к тестированию;

• Ожидаемый объем производства.

Более широкие критерии проектирования аккумуляторов см. Конструкция литий-ионного аккумуляторного блока: напряжение, емкость, BMS и время работы.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между последовательным и параллельным аккумуляторным блоком?

Последовательный аккумуляторный блок увеличивает напряжение, а параллельный аккумуляторный блок увеличивает емкость и ток. Последовательно-параллельный пакет сочетает в себе оба эффекта.

Увеличивает ли емкость аккумуляторов последовательное соединение?

Обычно нет. Последовательное соединение элементов одинаковой емкости увеличивает напряжение, в то время как емкость в ампер-часах остается примерно такой же.

Увеличивает ли параллельное соединение аккумуляторов напряжение?

Обычно нет. Параллельное соединение элементов с одинаковым напряжением увеличивает емкость при сохранении примерно того же напряжения.

Что означает 2S2P?

2S2P означает две группы ячеек, соединенных последовательно, по две ячейки, соединенные параллельно в каждой группе. Всего он содержит четыре ячейки.

Какова емкость блока 2S2P с элементами емкостью 2500 мАч?

Емкость аккумулятора составляет примерно 5000 мАч. Если элементы имеют номинальное напряжение 3,7 В, напряжение батареи составляет примерно 7,4 В.

Нужна ли серийным аккумуляторным блокам BMS?

Многосерийные литиевые аккумуляторные батареи обычно требуют соответствующей защиты и балансировки. Точная структура BMS зависит от химического состава элемента, количества серий, тока, зарядного устройства и применения.

Последовательно-параллельные аккумуляторные блоки лучше, чем последовательно-параллельные?

Не автоматически. Последовательно-параллельная конфигурация полезна, когда устройству требуется как более высокое напряжение, так и более высокая емкость, но окончательный выбор зависит от приложения и физических ограничений.

Можно ли соединять разные элементы аккумуляторной батареи параллельно?

Не следует случайно соединять элементы, если они различаются по модели, емкости, напряжению, внутреннему сопротивлению или состоянию. В квалифицированной конструкции батареи должны использоваться совместимые и правильно подобранные элементы.

Заключение

Основное правило настройки аккумуляторной батареи:

Серия увеличивает напряжение.

Параллельно увеличивается мощность и текущие возможности.

Последовательно-параллельное соединение увеличивает как напряжение, так и емкость.

Для OEM-устройства правильная конфигурация также должна соответствовать:

• Диапазон напряжения;

• Мощность и энергия;

• Текущий спрос;

• Зарядное устройство;

• БМС;

• Сопоставление ячеек;

• Механическое пространство;

• Разъем;

• Температура;

• Требования к тестированию.

Например:

• 2С1П обеспечивает более высокое напряжение;

• 1S2P обеспечивает более высокую емкость при том же напряжении элемента;

• 2S2P обеспечивает как более высокое напряжение, так и большую емкость.

Если вы разрабатываете индивидуальный аккумуляторный блок, сообщите технической команде ZERNE напряжение устройства, целевую емкость, потребляемый ток, размеры, метод зарядки и ожидаемое количество. ZERNE предоставляет индивидуальные литиевые аккумуляторные батареи для проектов OEM и ODM и может помочь оценить подходящую последовательную, параллельную или последовательно-параллельную конфигурацию.