Series vs Parallel LiPo-batteripaket: spänning, kapacitet och skyddskrav

Serie- och parallellanslutningar gör att batteritillverkare kan bygga ett paket kring spänning, kapacitet, drifttid och effektkrav för en enhet.

De grundläggande reglerna verkar enkla: seriekopplingar ökar spänningen, medan parallellkopplingar ökar kapaciteten. I praktiken påverkar dock valet av en konfiguration även laddningsspänning, strömkapacitet, cellbalansering, ledningar, skyddskretsar, fysisk layout och felbeteende.

Ett 2S1P lipo-batteripaket och ett 1S2P-lipo-batteripaket kan innehålla samma antal celler och lagra ungefär samma totala energi, men de är inte utbytbara. Den ena levererar en högre spänning, medan den andra behåller encellsspänning och ger större amperetimmarkapacitet.

Den här guiden förklarar hur serie-, parallell- och serieparallella LiPo-batterier fungerar, hur man beräknar deras huvudsakliga elektriska specifikationer och vilka skyddskrav som bör beaktas innan man väljer en packstruktur.

Viktiga takeaways

• Celler kopplade i serie ökar packspänningen men lägger inte till sin amperetimmarkapacitet.

• Celler anslutna parallellt ökar kapaciteten samtidigt som de behåller spänningen från en cell.

• En serieparallell konfiguration ökar både spänning och kapacitet.

• Bokstaven S anger antalet seriekopplade cellgrupper.

• Bokstaven P indikerar antalet parallellkopplade celler inom varje grupp.

• Ett 2S2P-paket innehåller fyra celler arrangerade som två seriegrupper med två celler i varje parallell grupp.

• Wattimmar ger en bättre energijämförelse än mAh när paket har olika spänningar.

• Seriekopplade grupper kräver individuell spänningsövervakning och kan behöva balanseras.

• Celler i en parallell grupp måste vara nära anpassade och bringas till lämplig spänning innan permanent anslutning.

• Ett skyddskort måste matcha cellkemin, serieräkning, laddningsspänning, kontinuerlig ström, toppström och nödvändiga funktioner.

• Att lägga till parallella celler fördubblar inte automatiskt den säkra packströmmen under alla driftsförhållanden.

• Paket med olika spänningar, kapaciteter, åldrar eller laddningstillstånd bör inte kombineras utan en konstruerad design.

• Batterikonfigurationen, laddaren, BMS, kontakten, kablarna och enhetens strömsystem måste utvärderas tillsammans.

Vad betyder 1S, 2S, 2P och 2S2P?

Batteripaketskonfigurationer beskrivs normalt med bokstäverna S och P.

• S betyder serie.

• P betyder parallell.

• Siffran före varje bokstav anger hur många celler eller cellgrupper som använder den anslutningen.

Vanliga exempel inkluderar:

Det totala cellantalet kan beräknas som:

Totalt antal celler = Serieantal × Parallellantal

Till exempel:

3S2P = 3 × 2 = 6 celler

I de flesta batterispecifikationer förstås en konfiguration som endast är skriven som '2S' att betyda 2S1P om inte en parallell räkning anges separat. För ett OEM-projekt bör dock båda värdena dokumenteras för att undvika oklarheter.

Serie vs parallella LiPo-batteripaket i en överblick

Följande jämförelse antar identiska celler med samma kemi, nominella spänning, kapacitet och urladdningsförmåga.

Dessa är konfigurationsprinciper snarare än garanterade betyg för färdiga förpackningar. Faktisk prestanda kan begränsas av cellspecifikationen, sammankopplingar, skyddskort, kontakt, kabelstorlek, temperatur och produktdesign.

Hur ett LiPo-batteripaket i serien fungerar

Celler är seriekopplade genom att förena den positiva terminalen på en cell med den negativa terminalen på nästa. De två återstående yttre terminalerna bildar packutgången.

Samma ström passerar genom varje cell eller parallell grupp i seriebanan.

Hur seriekoppling påverkar spänningen

Den nominella packspänningen är summan av de nominella spänningarna för de seriekopplade cellerna:

Packets nominella spänning = Cellens nominella spänning × Serieräkning

För standard 3,7 V-celler:

Fullladdningsspänningen beräknas som:

Maximal packspänning = Cellladdningsgräns × Serieantal

Värdet på 4,2 V gäller för en konventionell litiumjonpolymercell designad för den laddningsgränsen. En högspänningskemi kan kräva 4,35 V, 4,4 V eller en annan specificerad gräns per cell.

En produkt designad kring högspännings LiPo-batterier behöver därför en kompatibel laddare och skyddssystem. En högre laddningsgräns per cell bör aldrig antas enbart från den nominella spänningen.

Hur seriekoppling påverkar kapaciteten

Att ansluta identiska 1000 mAh-celler i serie adderar inte deras mAh-värden.

Till exempel:

• En 3,7 V 1000 mAh-cell: 3,7 V, 1000 mAh

• Två celler i serie: 7,4 V, 1000 mAh

• Tre celler i serie: 11,1 V, 1000 mAh

Paketet innehåller mer energi eftersom dess spänning har ökat, även om Ah-värdet förblir oförändrat.

Hur seriekoppling påverkar ström

I ett 2S1P-paket passerar samma ström genom båda cellerna. Om cellen är klassad för en given kontinuerlig ström, fördubblar inte strömstyrkan automatiskt att lägga till en annan identisk cell i serie.

Den färdiga packströmmen begränsas av det lägsta tillämpliga värdet bland:

• Cellens kontinuerliga urladdningsström

• Cellens toppströmkapacitet

• PCM eller BMS strömstyrka

• MOSFET och strömavkännande design

• Kapacitet för nickellist, flik, samlingsskena eller PCB

• Trådstorlek

• Anslutningsklass

• Säkring eller strömbegränsande komponent

• Termiska förhållanden

En högre packspänning kan göra det möjligt för en enhet att få samma effekt vid en lägre ström, men det beror på belastningen och strömkonverteringsarkitekturen.

Varför seriepaket behöver cellgruppsövervakning

Seriekopplade celler förblir inte helt identiska under hela livslängden. Små skillnader i kapacitet, inre motstånd, självurladdning, temperatur och åldrande kan göra att deras laddningstillstånd divergerar.

Under laddning kan en seriegrupp nå sin övre spänningsgräns före de andra. Under urladdning kan den svagaste gruppen nå sin nedre gräns först.

Skydds- och övervakningssystemet måste därför reagera på individuella serie-gruppspänningar snarare än att bara förlita sig på den totala packspänningen.

En total paketavläsning på 8,0 V, till exempel, bevisar inte att ett 2S-paket är balanserat. Det kan bestå av:

• 4,0 V och 4,0 V

• 4,15 V och 3,85 V

• 4,25 V och 3,75 V

Det sista exemplet har samma totalspänning men kan redan placera en grupp utanför dess tillåtna gräns.

Hur ett parallellt LiPo-batteripaket fungerar

I en parallellkoppling är de positiva terminalerna sammankopplade och de negativa terminalerna sammankopplade.

Alla celler i gruppen delar därför samma terminalspänning.

Hur parallellanslutning påverkar spänningen

Spänningen förblir lika med spänningen för en cell:

Packspänning = Cellspänning

För två standard 3,7 V-celler kopplade parallellt:

• Nominell spänning: 3,7 V

• Typisk fullladdningsspänning: 4,2 V

• Konfiguration: 1S2P

Att lägga till fler parallella celler producerar inte 7,4 V eller 11,1 V. Det fortsätter att bilda en enda spänningsgrupp.

Hur parallellanslutning påverkar kapaciteten

Kapaciteten hos nära matchade parallella celler läggs till:

Paketkapacitet = Cellkapacitet × Parallellantal

För identiska 1000 mAh-celler:

Detta gör parallellkonstruktion användbar när applikationen behöver längre drifttid men måste behålla en encellsspänningsplattform.

Hur parallellanslutning påverkar nuvarande kapacitet

I teorin kan identiska celler anslutna via balanserade strömbanor dela belastningen. Två lämpliga celler parallellt kan därför ge mer ström än en cell.

Den säkra packströmmen bör dock inte beräknas genom att multiplicera cellklassificeringen utan ytterligare utvärdering.

Aktuell delning kan påverkas av:

• Cellens inre motstånd

• Kapacitetsvariation

• Temperaturskillnader

• Tab och sammankopplingsmotstånd

• Cellposition i förpackningen

• Kabeldragningssymmetri

• Kostnadsskillnader

• Åldrande

• Kontaktresistans

• Skyddsbrädans gränser

En cell kan bära en större del av lasten om den har lägre motstånd eller en kortare strömväg. Paketet kan då utveckla lokal uppvärmning även när den totala strömmen verkar ligga inom en enkel teoretisk gräns.

Innebörden av urladdningshastighet och dess förhållande till kapacitet förklaras längre fram vad C-klassificeringen för ett litiumpolymerbatteri betyder.

Behöver parallella celler balanseras?

Direktanslutna parallella celler delar samma terminalspänning, så en BMS behandlar normalt hela den parallella gruppen som en spänningsnod.

Det betyder inte att cellmatchning är onödig. Lika terminalspänningar garanterar inte lika kapacitet, motstånd, temperatur eller strömbidrag.

Celler valda för en parallell grupp bör normalt ha kompatibla:

• Kemi

• Laddningsspänningsgräns

• Kapacitet

• Inre motstånd

• Urladdningsegenskaper

• Produktionshistorik

• Ålder och cykeltillstånd

• Fysisk design

• Laddningsläge vid montering

En skadad eller väsentligt nedbruten cell kan belasta de återstående cellerna ytterligare och minska tillförlitligheten för hela gruppen.

Varför spänning måste kontrolleras innan parallellanslutning

Celler vid olika spänningar bör inte bara kopplas samman.

När den väl är ansluten kan den högre spänningscellen laddas ur snabbt in i den lägre spänningscellen. Den resulterande utjämningsströmmen kan begränsas huvudsakligen av cell- och anslutningsresistans och kan bli mycket högre än den normala laddningsströmmen.

Av denna anledning bör parallella grupper sättas samman genom en kontrollerad tillverkningsprocess med hjälp av kvalificerade, nära matchade celler. Slutanvändare bör inte lägga till en ny cell i en gammal förpackning eller ansluta två lösa påsceller parallellt utan en validerad design och lämplig utrustning.

Hur ett serieparallellt LiPo-paket fungerar

Ett serieparallellt paket kombinerar båda anslutningsmetoderna.

Tänk på en 2S2P-design gjord av fyra identiska 3,7 V, 1000 mAh-celler:

1. Två celler är parallellkopplade för att bilda den första 3,7 V, 2000 mAh-gruppen.

2. Ytterligare två celler bildar en andra 3,7 V, 2000 mAh-grupp.

3. De två parallella grupperna är seriekopplade.

Den resulterande teoretiska specifikationen är:

• Nominell spänning: 7,4 V

• Kapacitet: 2000 mAh

• Energi: 14,8 Wh

• Konfiguration: 2S2P

• Totalt antal celler: 4

Formlerna är:

Paketspänning = Cellens nominella spänning × S

Paketkapacitet = Cellkapacitet × P

Totalt antal celler = S × P

Nominell energi = Packspänning × Packkapacitet i Ah

I denna design övervakar BMS två seriegruppspänningar. Varje övervakad grupp innehåller två parallella celler.

Ett 2S2P-paket övervakas därför inte som ett 4S-paket. Att välja ett skyddskort enligt det totala antalet enskilda celler istället för serieräkningen skulle vara felaktigt.

Jämföra spänning, kapacitet och wattimmar

Skillnaden mellan serie- och parallellkonstruktion blir tydligare när paketen jämförs med identiska 3,7 V, 1000 mAh-celler.

Både 2S1P- och 1S2P-exemplen innehåller två celler och lagrar cirka 7,4 Wh. Deras spännings- och kapacitetsvärden skiljer sig, men deras teoretiska nominella energi är liknande.

De kan fortfarande inte ersättas med varandra eftersom enheten ser en annan inspänning.

Varför mAh Ensam inte kan jämföra olika batteripaket

Ett 3,7 V 2000 mAh-paket och ett 7,4 V 1000 mAh-paket innehåller båda cirka 7,4 Wh:

3,7 V × 2,0 Ah = 7,4 Wh

7,4 V × 1,0 Ah = 7,4 Wh

Att bara titta på mAh skulle få det första paketet att verka ha dubbelt så mycket kapacitet. Energimässigt liknar de varandra.

Wattimmar är därför mer användbara när man jämför paket med olika spänningar.

Lika Wh garanterar dock inte identisk enhetskörning. Den faktiska drifttiden beror också på:

• Spänningskonverteringseffektivitet

• Enhetsström vid olika inspänningar

• Batteri internt motstånd

• Brytspänning

• Utsläppshastighet

• Temperatur

• Cellernas åldrande

• Spänningsfall på skyddskortet

• Användbar kapacitet under den faktiska belastningen

Körtid bör i slutändan verifieras i den färdiga enheten snarare än att förutsäga enbart från mAh.

Ger en högre serieräkning mer kraft?

Ökande spänning kan göra mer ström tillgänglig, men bara om cellen, skyddssystemet, ledningarna och enheten kan leverera och acceptera den ström som krävs.

Elektrisk effekt beräknas som:

Effekt = Spänning × Ström

Ett 7,4 V-paket som levererar 2 A ger cirka 14,8 W. Ett 3,7 V-paket skulle behöva leverera cirka 4 A för att ge samma ineffekt, innan man räknar med omvandlingsförluster.

Detta är en anledning till att en designer kan välja ett högre spänningspaket för motorer, värmare, pumpar, robotar eller andra kraftkrävande produkter. Lägre ström för samma effekt kan minska ledarförlusterna, men ett högre serieantal ökar också laddarens spänning, BMS-komplexitet, komponentspänningskrav och isoleringshänsyn.

Valet bör börja med enhetens inspänningsområde och belastningsprofil snarare än antagandet att fler serieceller automatiskt är bättre.

Skyddskrav för ett 1S-paket

Ett enkelseriepaket har bara en spänningsgrupp, så det kräver inte balansering mellan serieceller.

Dess PCM kan fortfarande behöva tillhandahålla:

• Överladdningsskydd

• Överurladdningsskydd

• Överströmsskydd

• Kortslutningsskydd

• Laddnings- och urladdningskontroll

• Temperaturövervakning

• NTC-utgång

• Batteriidentifiering

• Bränslemätning eller kommunikation

Laddaren måste matcha cellkemin och maximal laddningsspänning. En PCM avbryter onormala förhållanden, men den är inte en ersättning för en korrekt kontrollerad laddare.

I en 1S2P- eller 1S3P-design ser skyddskretsen den parallella gruppen som en spänningsnod med större kapacitet. Dess nuvarande klassificering måste baseras på den fullständiga packbelastningen, inte kapaciteten hos en cell.

Skyddskrav för ett Multi-Series Pack

En 2S-, 3S- eller högre seriedesign kräver skyddskretsar som är lämpliga för det exakta serieantalet.

En flercells BMS eller PCM kan behöva utföra:

• Individuell serie-grupp spänningsövervakning

• Packa strömövervakning

• Ladda överströmsskydd

• Urladdning överströmsskydd

• Kortslutningsskydd

• Överladdningsgräns

• Överurladdningsgräns

• Cellgruppsbalansering

• Temperaturövervakning

• MOSFET-kontroll

• Uppskattning av laddningstillstånd

• Felregistrering

• Kommunikation med värdenheten

Komponenternas märkspänning måste också anpassas till den maximala packspänningen, inklusive lämplig designmarginal.

Varför den totala packspänningen inte räcker

Att endast övervaka den totala spänningen kan inte på ett tillförlitligt sätt identifiera en enskild grupp som är över- eller överurladdad.

Av denna anledning behöver en 3S-skyddskrets normalt tillgång till:

• Pack negativ

• Anslutningen efter seriegrupp 1

• Anslutningen efter seriegrupp 2

• Packa positivt efter seriegrupp 3

En konventionell övervakningskabel har därför en mer spänningsanslutning än serieantalet:

Spänningsavkänningsanslutningar = S + 1

Ett paket med en integrerad BMS kanske inte exponerar dessa anslutningar externt, men de krävs fortfarande internt för individuell seriegruppsövervakning.

Vad cellbalansering gör

Balansering hjälper till att begränsa skillnader mellan seriekopplade grupper.

Ett passivt balanseringssystem tar vanligtvis bort en liten mängd energi från en grupp med högre spänning så att de lägre grupperna kan fortsätta att ladda. Mer avancerade aktiva balanseringssystem kan omfördela energi mellan grupper.

Balanseringen kan inte korrigeras helt:

• En skadad cell

• Allvarlig kapacitetsförlust

• Hög självurladdning

• Dålig elektrisk anslutning

• Stora inre resistansskillnader

• Felaktigt matchade celler

• En olämplig förpackningslayout

Ett paket som upprepade gånger utvecklar en stor obalans bör inspekteras snarare än att förlita sig på balanseringskretsen för att dölja det underliggande problemet.

Skyddskrav för parallella grupper

Parallell konstruktion skapar en annan uppsättning designprioriteringar.

Cellmatchning

Celler bör väljas från kompatibla produktions- och prestationsgrupper. Att blanda celler med olika kapacitet, kemi, spänningsgränser, åldrar eller inre resistanser kan orsaka ojämn strömdelning.

De praktiska effekterna av cellvariation diskuteras mer i detalj i varför litiumjonbatterier blir inkonsekventa.

Current-Path Design

Sammankopplingsmotståndet bör hållas lågt och rimligt balanserat. Layouten bör undvika att tvinga en cell eller flik att bära en oproportionerlig andel av strömmen.

Designfaktorer inkluderar:

• Flikgeometri

• Dimensioner av nickelband eller samlingsskena

• PCB koppartjocklek

• Anslutningsläge

• Lead placering

• Svetskvalitet

• Cellavstånd

• Värmeavledning

• Kontaktens plats

Felinneslutning

I en permanent ansluten parallell grupp kan de friska cellerna leverera ström till en felaktig cell eller misslyckad gren.

Beroende på förpackningsstorlek och riskbedömning kan designen kräva:

• Smältbara sammankopplingar

• Grenströmsbegränsning

• Termisk separation

• Temperatursensorer

• Flambeständiga material

• Mekaniska barriärer

• Säkring på packnivå

• Kontrollerat ventilationsutrymme

• Ytterligare felsökningsfunktioner

Det erforderliga tillvägagångssättet beror på paketets energi, celltyp, applikation, kapsling, överensstämmelsekrav och förutsebara felförhållanden.

Skyddsbrädans nuvarande klassificering

BMS måste stödja den totala förväntade packströmmen, inklusive:

• Normal driftström

• Maximal kontinuerlig ström

• Uppstartsstegring

• Motorstoppström

• Värmeinlopp

• Kommunikationssändartoppar

• Laddström

• Trösklar för feldetektering

Kortets annonserade ström bör inte behandlas som den användbara enhetens ström utan att kontrollera MOSFET-förluster, temperaturstegring, kylningsförhållanden, ledarestorlek och avstängningstid.

Laddningskrav för serie- och parallellpaket

Laddaren måste matcha paketets kemi, serieräkning, laddningsspänningsgräns och tillåten laddningsström.

För konventionella 4,2 V-celler:

Ett 2S-paket ska inte laddas med en 1S-laddare. Likaså kan en laddare avsedd för vanliga 4,2 V-celler vara olämplig för en högspänningskemi med en annan laddningsgräns.

Parallell kapacitet påverkar beräkningen av laddström. Om två identiska celler placeras parallellt, kan ett lämpligt paket acceptera mer total ström än en cell, men det korrekta värdet beror på:

• Gräns ​​för cellladdningshastighet

• Paketkapacitet

• Temperatur

• Parallell strömdelning

• Betyg för skyddskort

• Kontakt- och ledningsklassificering

• Mål för laddningstid

• Krav på cykellivslängd

En laddare och BMS utför olika funktioner. Laddaren reglerar laddningsprofilen, medan skyddssystemet reagerar på definierade onormala förhållanden. Den ena ska inte användas som ersättning för den andra.

Cellmatchningskrav

Ett pålitligt flercellspaket börjar med lämpligt cellval.

Celler som används i samma sammansättning kan behöva matchas för:

• Cellmodell

• Kemi

• Nominell kapacitet

• Uppmätt kapacitet

• Öppen kretsspänning

• Inre motstånd

• Tjocklek och dimensioner

• Självurladdning

• Produktionsbatch

• Åldras

• Cykel historia

Matchning är viktigt i både serie- och parallellstrukturer.

I en seriesträng kan gruppen med lägst kapacitet eller högst motstånd nå sin spänningsgräns först och begränsa användbar packkapacitet.

I en parallell grupp påverkar motstånd och anslutningsskillnader hur strömmen delas. En cell kan arbeta hårdare och åldras snabbare än de andra.

Batteritillverkare bör fastställa cellscreeningskriterier som är lämpliga för produkten snarare än att kombinera celler bara för att de har samma tryckta specifikation.

Kan färdiga LiPo-paket anslutas i serie?

Två färdiga paket bör inte kopplas i serie om inte hela systemet har designats och validerats för det arrangemanget.

Potentiella problem inkluderar:

• Olika laddningstillstånd

• Olika kapaciteter eller åldrar

• Inkompatibla skyddskretsar

• Felaktig jordning

• Inkompatibilitet med laddare

• Balansövervakande luckor

• Kontaktspänningsgränser

• Oväntat BMS cutoff-beteende

• Det ena paketet laddas omvänt av det andra

• Osäkra service- eller utbytesprocedurer

Vissa skyddade paket använder lågsidiga omkopplings- eller kommunikationsgränssnitt som gör extern seriekoppling olämplig. Ett batteri som är säkert som en fristående produkt är inte automatiskt säkert när det kombineras med ett annat paket.

Om applikationen kräver en högre spänning, är användningen av en specialdesignad multi-serie montering vanligtvis mer tillförlitlig än att ansluta oberoende skyddade batterier efter produktion.

Kan färdiga LiPo-paket anslutas parallellt?

Färdiga förpackningar bör inte kopplas parallellt bara för att deras etiketter visar samma nominella spänning.

Innan parallelldrift måste konstruktionen ta upp:

• Paketspänningsskillnad

• Debiteringsskillnad

• Kapacitet och ålder

• Inre motstånd

• BMS interaktion

• Omvänd ström

• Laddströmsfördelning

• Anslutningssekvens

• Borttagning av förpackningen medan den är strömsatt

• Grenskydd

• Felisolering

Om ett paket har högre spänning kan en stor utjämningsström flyta så snart kontakterna får kontakt.

Parallella batterimoduler kan konstrueras säkert, men de behöver en definierad anslutningsmetod, kompatibel skyddsarkitektur, kontrollerad förladdning vid behov och validerat felbeteende.

Hur konfigurationen påverkar batteristorlek och layout

Att lägga till celler ökar energin men förändrar också den mekaniska designen.

Serie- och parallellmontering kan påverka:

• Total tjocklek

• Bredd och längd

• Vikt

• Tyngdpunkt

• Kabeldragningsutrymme

• Böjradie

• Värmeavledning

• Cellexpansionstillägg

• Fallskydd

• Vibrationsmotstånd

• Tillgång till tjänsten

• Kapslingsmontage

Två påsceller placerade sida vid sida kan skapa en bred, tunn förpackning. Att stapla dem kan skapa ett mindre fotavtryck med större tjocklek.

En serieparallell struktur kan också kräva:

• Ytterligare isolering

• Fler svetspunkter

• En större BMS

• Spänningsavkännande ledningar

• Temperatursensorer

• En starkare stödram

• Mer komplex förpackning

• Ökat avstånd runt flikar och skyddskomponenter

Den elektriska konfigurationen bör därför väljas tillsammans med det tillgängliga batterifacket snarare än efter att kapslingen har slutförts.

Series vs Parallell: Vilken konfiguration ska du välja?

Välj serieräkning enligt den spänning som enheten kräver.

Välj parallellräkning enligt önskad energi, körtid, strömkapacitet, utrymme och vikt.

En seriefokuserad design kan vara lämplig när:

• Enheten kräver en högre inspänning

• En motor eller värmare fungerar mer effektivt vid högre spänning

• Systemet använder en spänningsskena över räckvidden för ett 1S-paket

• Lägre ström är att föredra för en given effektnivå

• Enheten innehåller redan en kompatibel flercellsladdare

• Produkten kan rymma en multi-serie BMS

En parallellfokuserad design kan vara lämplig när:

• Produkten måste behålla en 3,7 V nominell plattform

• Längre körtid krävs

• En enda cell kan inte ge tillräcklig kapacitet

• Mer utström behövs inom cellens validerade driftsförhållanden

• Kapslingen kan rymma flera celler

• Laddaren och skyddssystemet stödjer den resulterande kapaciteten och strömmen

En serieparallell design kan vara lämplig när:

• Enheten behöver både högre spänning och längre drifttid

• En enda seriesträng kan inte tillhandahålla den erforderliga strömmen

• Energibehovet överstiger kapaciteten för en praktisk enkelsträng

• Utrymmet måste fördelas över flera cellpositioner

• Applikationen motiverar den extra BMS- och monteringskomplexiteten

ZERNE's anpassade Li-polymer batterilösningar stöder encelliga, multi-serier, parallella och serie-parallella strukturer baserat på enhetsspänning, kapacitet, storlek, ström, kontakt och skyddskrav.

En praktisk process för val av batterikonfiguration

1. Bekräfta enhetens spänningsområde

Identifiera:

• Minsta driftspänning

• Normal driftspänning

• Maximal säker inspänning

• Krav på startspänning

• Avstängningsspänning

• Spänningsregulatorns ingångsområde

• Motor-, värmare- eller ställdonsspänning

• Laddarens in- och utspänning

Den maximala fulladdade packspänningen måste hållas inom det säkra området för varje ansluten komponent.

2. Definiera laddningsprofilen

Spela in:

• Standbyström

• Typisk driftström

• Maximal kontinuerlig ström

• Toppström

• Topplängd

• Start- eller stoppström

• Daglig drifttid

• Krävd körtid per laddning

Enbart medelström avslöjar kanske inte om cellerna, BMS och kontakten kan stödja korta högströmshändelser.

3. Beräkna erforderlig energi

En första uppskattning kan beräknas med:

Erforderlig energi i Wh = Medeleffekt i W × Drifttid i timmar

En praktisk design bör också ta hänsyn till:

• Spännings-omvandlingsförluster

• Batteriet åldras

• Kapacitetsförlust vid låg temperatur

• Högbelastningsspänningssänkning

• Reservkapacitet

• BMS förbrukning

• Enhetens standbyförbrukning

• Tillåtet utsläppsdjup

4. Välj serieräkning

Välj antalet seriegrupper som krävs för att uppfylla enhetens spänning.

Använd inte enbart nominell spänning. Kontrollera:

• Maximal laddningsspänning

• Typiskt driftområde

• BMS brytspänning

• Enhetens underspänningströskel

• Laddarens spänning

• Komponentspänningsklasser

5. Välj Parallellräkning

Bestäm hur mycket kapacitet och ström en seriesträng kan ge. Lägg bara till parallella celler när det behövs för energi, körtid, ström eller förpackning.

Fler parallella celler lägger också till vikt, volym, kostnad, svetspunkter och felenergi.

6. Designa skyddssystemet

Definiera:

• Kemi

• Antal serier

• Paketkapacitet

• Laddningsströmgräns

• Kontinuerlig urladdningsström

• Toppström och varaktighet

• Överladdningströskel

• Överurladdningströskel

• Överströmströskel

• Kortslutningssvar

• Temperaturgränser

• Balanseringsstrategi

• Kommunikationskrav

7. Bekräfta laddaren och kontakten

Laddaren måste matcha hela paketet, medan huvudkontakten och kablarna måste stödja den faktiska strömmen.

Anslutningsserier, polaritet, pinout, trådmått, kabellängd och balansanslutning bör dokumenteras innan prover tas fram.

8. Bygg och testa prover

Validering bör slutföras inuti den faktiska enheten.

Relevanta tester kan inkludera:

• Laddningskompatibilitet

• Fulladdad spänning

• Individuell seriegruppspänning

• Cellbalansering

• Körning

• Maximalt belastningsspänningsfall

• Toppströmsvar

• Temperaturstegring

• BMS cutoff beteende

• Kortslutningsskydd

• Kontaktuppvärmning

• Kabeldragning

• Kapslingspassning

• Fall- och vibrationsprestanda

• Upprepad cykling

• Förvaring och självurladdning

De Kvalitetskontrollsystem för Li-polymerbatterier ger ytterligare information om celltestning, monteringsinspektion, elektrisk verifiering och kontroll av färdigförpackning.

Exempel på fungerande konfiguration

Exempel 1: Kompakt spårningsenhet

Anta att en tracker arbetar från en encellsspänningsplattform och kräver mer körtid än en 1000 mAh-cell kan ge.

En möjlig konfiguration är:

• Cell: 3,7 V, 1000 mAh

• Struktur: 1S2P

• Paketspänning: 3,7 V nominell

• Paketkapacitet: 2000 mAh

• Nominell energi: 7,4 Wh

Konstruktionen bibehåller en encellig laddningsspänning men kräver en skyddskrets och kontakt som är lämplig för den kombinerade strömmen och kapaciteten.

Exempel 2: Bärbar enhet som kräver 7,4 V

Anta att en handhållen produkt behöver cirka 7,4 V och 2000 mAh.

Använder 3,7 V, 2000 mAh-celler:

• Struktur: 2S1P

• Paketspänning: 7,4 V nominell

• Paketkapacitet: 2000 mAh

• Nominell energi: 14,8 Wh

• Typisk fullladdningsspänning: 8,4 V

Paketet kräver ett 2S-skyddssystem och en 8,4 V litiumjon-laddningsprofil.

Exempel 3: Robot som kräver högre spänning och kapacitet

Anta att en robot behöver 11,1 V nominellt och 4000 mAh. Använda 2000 mAh-celler:

• Struktur: 3S2P

• Totalt antal celler: 6

• Paketspänning: 11,1 V nominell

• Paketkapacitet: 4000 mAh

• Nominell energi: 44,4 Wh

• Typisk fullladdningsspänning: 12,6 V

BMS måste övervaka tre seriegrupper samtidigt som det stöder robotens normala ström, startstöt och eventuell motorstoppström.

Vanliga designmisstag för serier och parallella batterier

Information att tillhandahålla för ett anpassat batteripaket

En tillverkare kan utvärdera serie- och parallellkonfigurationen mer exakt när följande information är tillgänglig.

Enhetskrav

• Produkttyp

• Erforderligt inspänningsområde

• Maximal säker inspänning

• Typisk driftström

• Maximal kontinuerlig ström

• Toppström och varaktighet

• Krävd körtid

• Laddningsmetod

• Driftstemperatur

• Tillgängligt batteriutrymme

• Målförpackningsvikt

Batterikrav

• Föredrar kemi

• Nominell packspänning

• Erforderlig kapacitet

• Energibehov

• Förväntad serie och parallell konfiguration

• Cykel-livsmål

• Laddningstid

• Erforderlig tömningshastighet

• Krav på låga eller höga temperaturer

• Krav på högspänningsceller

Skyddskrav

• PCM eller BMS

• Överladdnings- och överladdningsskydd

• Överströms- och kortslutningsskydd

• Antal och placering av temperaturgivare

• Cellbalansering

• Bränslemätare

• Display för laddningstillstånd

• SMBus, CAN eller annat kommunikationsprotokoll

• Autentisering eller batteriidentifiering

• Säkrings- eller grenskyddskrav

Mekaniska och anslutningskrav

• Maximal tjocklek, bredd och längd

• Cellarrangemang

• Kapsling eller omslag

• Tillverkare av kontaktdon och artikelnummer

• Polaritet och pinout

• Trådmätare

• Kabellängd

• Balansledning

• NTC eller kommunikationsledningar

• Montering och dragavlastning

• Krav på vibrationer och fall

De litiumbatteripaket bör specificeras som ett komplett system snarare än som spännings- och mAh-värden enbart.

Slutsats

Serie- och parallellkopplingar tjänar olika syften i ett LiPo-batteripaket.

En seriekoppling höjer packspänningen samtidigt som Ah-kapaciteten för en seriebana bibehålls. En parallellanslutning behåller spänningen för en cell samtidigt som den ökar kapaciteten och potentiellt ökar strömkapaciteten. En serieparallell struktur kombinerar båda effekterna.

Dessa elektriska regler är bara utgångspunkten. Det färdiga paketet måste också ta hänsyn till maximal laddningsspänning, wattimmar, enhetsbelastning, cellmatchning, strömdelning, balansering, BMS-ström, temperatur, ledningar, kontakter, laddarkompatibilitet och mekaniskt skydd.

För flerseriepaket måste skyddssystemet övervaka individuella seriegruppspänningar och matcha det exakta serieantalet. För parallella konstruktioner är nära matchade celler och kontrollerade strömbanor väsentliga. I båda fallen bör teoretiska värden bekräftas genom tester på förpackningsnivå och enhetsnivå före produktion.

Vanliga frågor

Ökar kapaciteten att seriekoppla LiPo-batterier?

Det ökar den totala lagrade energin och packspänningen, men Ah- eller mAh-klassificeringen förblir lika med kapaciteten för en serieväg. Två 3,7 V, 1000 mAh-celler i serie bildar ett 7,4 V, 1000 mAh-paket.

Ökar spänningen att parallellkoppla LiPo-batterier?

Nej. Parallella celler behåller spänningen för en cell medan deras kapacitet läggs till. Två 3,7 V, 1000 mAh-celler parallellt bildar ett 3,7 V, 2000 mAh-paket.

Vad är skillnaden mellan 2S2P och 4S1P?

Ett 2S2P-paket har två seriegrupper med två parallella celler i varje grupp. Ett 4S1P-paket har fyra celler i serie, så det ger två gånger den nominella spänningen men halva Ah-kapaciteten när identiska celler används.

Behöver ett 2S2P-paket ett 2S eller 4S BMS?

Det kräver normalt en 2S BMS eftersom skyddssystemet övervakar två seriespänningsgrupper. BMS måste också stödja den totala kapaciteten, laddningsströmmen, urladdningsströmmen och balanseringskraven för de två parallella grupperna.

Kan LiPo-celler med olika kapacitet kopplas parallellt?

De ska normalt inte kombineras i ett OEM-paket om inte hela designen har utvärderats specifikt. Skillnader i kapacitet, motstånd, ålder eller tillstånd kan ge ojämn strömdelning och accelererad nedbrytning.

Kan två skyddade LiPo-batteripaket kopplas parallellt?

Endast om batterisystemet har konstruerats för parallell moduldrift. Paketspänningsskillnader, backström, BMS-interaktion, anslutningssekvens och grenskydd måste alla åtgärdas.

Fördubblar urladdningsströmmen att lägga till parallella celler?

Det kan öka den tillgängliga strömmen när identiska celler och balanserade strömbanor används, men den säkra färdiga strömmen begränsas fortfarande av BMS, flikar, sammankopplingar, kablar, kontakt, temperatur och strömdelning.

Vilken konfiguration ger längre körtid: serie eller parallell?

Körtid kan inte bestämmas enbart utifrån S- eller P-räkningen. Jämför totala wattimmar och testa hela enheten eftersom inspänning, omvandlingseffektivitet, belastningsbeteende, brytspänning, temperatur och urladdningshastighet också påverkar användbar körtid.