Serie vs. parallella batteripaket: Vilken konfiguration passar en OEM-enhet?

Sättet litiumjonceller är anslutna bestämmer det grundläggande elektriska beteendet hos ett batteripaket.

• Serieanslutningar ökar spänningen.

• Parallella anslutningar ökar kapaciteten och strömkapaciteten.

• Serieparallella konfigurationer ökar spänningen och kapaciteten samtidigt.

För en OEM-enhet måste korrekt batteripaketskonfiguration matcha:

• Enhetens spänningsområde

• Erforderlig kapacitet

• Kontinuerlig och toppström

• Körtidsmål

• Laddare design

• BMS- eller PCM-krav

• Tillgängligt installationsutrymme

• Vikt och termiska gränser

• Produktions- och testkrav

Att välja mellan serie och parallell är därför inte bara en elektrisk beräkning. Det är ett designbeslut på systemnivå.

Snabbsvar: Serie vs. parallella batteripaket

Till exempel, med 3,7 V, 2500 mAh-celler:

• 2S1P = 7,4 V, 2500 mAh

• 1S2P = 3,7 V, 5000 mAh

• 2S2P = 7,4 V, 5000 mAh

Rätt konfiguration beror på målspänning, kapacitet, ström och mekanisk design.

1. Vad betyder 'S' och 'P'?

Batteripaketets konfiguration skrivs vanligtvis med bokstäverna S och P.

S betyder serie

Siffran före S indikerar antalet celler eller cellgrupper kopplade i serie.

Exempel:

• 1S: en cellgrupp i serie

• 2S: två cellgrupper i serie

• 3S: tre cellgrupper i serie

• 4S: fyra cellgrupper i serie

Serieanslutningar ökar spänningen.

P betyder parallell

Siffran före P indikerar antalet parallellkopplade celler inom varje seriegrupp.

Exempel:

• 1P: en cell i varje parallellgrupp

• 2P: två celler parallella

• 3P: tre celler parallellt

• 4P: fyra celler parallellt

Parallella anslutningar ökar kapaciteten och strömkapaciteten.

Totalt antal celler

Det totala antalet celler är:

Totalt antal celler = S × P

Till exempel:

• 2S1P = 2 celler

• 1S2P = 2 celler

• 2S2P = 4 celler

• 3S2P = 6 celler

2. Så fungerar seriebatterier

Celler kopplade i serie är anslutna ände till ände. Den positiva terminalen på en cell ansluter till den negativa terminalen på nästa cell.

För matchade celler i serie:

Packspänning = Cellspänning × Antal celler i serie

Kapaciteten i amperetimmar förblir ungefär lika med kapaciteten för en cell eller en parallell grupp.

Exempel: 2S1P Pack

Antag att varje cell har:

• Nominell spänning: 3,7 V

• Kapacitet: 2500 mAh

Ett 2S1P-paket ger:

• Spänning: 3,7 V × 2 = 7,4 V

• Kapacitet: 2500 mAh

• Energi: 7,4 V × 2,5 Ah = 18,5 Wh

Resultatet är:

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

Exempel: 3S1P Pack

Använd samma celler:

• Spänning: 3,7 V × 3 = 11,1 V

• Kapacitet: 2500 mAh

• Energi: 11,1 V × 2,5 Ah = 27,75 Wh

Resultatet är:

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

En seriekonfiguration är lämplig när enheten eller kraftsystemet kräver en högre nominell spänning.

3. Hur parallella batteripaket fungerar

Celler som är parallellkopplade har sina positiva terminaler sammankopplade och deras negativa terminaler sammankopplade.

För matchade celler parallellt:

Paketkapacitet = Cellkapacitet × Antal celler parallellt

Spänningen förblir ungefär lika med spänningen för en cell eller en seriegrupp.

Exempel: 1S2P Pack

Antag att varje cell har:

• Nominell spänning: 3,7 V

• Kapacitet: 2500 mAh

Ett 1S2P-paket ger:

• Spänning: 3,7 V

• Kapacitet: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh

• Energi: 3,7 V × 5 Ah = 18,5 Wh

Resultatet är:

3,7 V, 5 000 mAh, 18,5 Wh

En parallell konfiguration är lämplig när enheten arbetar med samma spänning som en cell eller seriegrupp men behöver mer kapacitet, längre drifttid eller högre strömkapacitet.

4. Serie vs. Parallell: Vad förändras?

De detaljerade kapacitetsformlerna täcks in Hur man beräknar litiumjonbatteriets kapacitet.

5. Vad är ett serieparallellt batteripaket?

De flesta anpassade OEM-batteripaket använder en kombination av serie- och parallellkopplingar.

Ett serieparallellt paket använder:

• Serieanslutningar för att uppnå önskad spänning;

• Parallella anslutningar för att uppnå erforderlig kapacitet och strömkapacitet.

Exempel: 2S2P Pack

Använder fyra 3,7 V, 2500 mAh-celler:

• Antal serier: 2

• Parallellt antal: 2

• Totalt antal celler: 4

• Nominell spänning: 7,4 V

• Kapacitet: 5000 mAh

• Energi: 37 Wh

Beräkning:

3,7 V × 2 = 7,4 V

2500 mAh × 2 = 5000 mAh

7,4 V × 5 Ah = 37 Wh

Resultatet är:

7,4 V, 5000 mAh, 37 Wh

En 2S2P-konfiguration kan vara lämplig för en OEM-enhet som behöver en 7,4 V-plattform och mer energi än ett 2S1P-paket kan ge.

6. Praktisk jämförelse med samma två celler

Genom att använda två identiska 3,7 V, 2500 mAh-celler kan cellerna kopplas ihop på olika sätt.

Båda konfigurationerna innehåller ungefär samma nominella energi eftersom de använder samma två celler. De är dock inte utbytbara.

Enheten måste vara konstruerad för korrekt:

• Ingångsspänning;

• Laddningsspänning;

• Nuvarande;

• BMS;

• Anslutning;

• Mekanisk layout.

Detta är en viktig punkt för OEM-design: två batteripaket kan ha liknande wattimmar men fortfarande vara olämpliga för samma produkt.

7. När ska en OEM-enhet använda en seriekonfiguration?

En seriekonfiguration övervägs i allmänhet när enheten kräver en högre spänning än en cell kan ge.

Typiska skäl inkluderar:

• Motorn eller kraftsystemet kräver en högre spänning;

• Högre spänning kan minska strömmen för en given effektnivå;

• Enheten använder redan en 2S, 3S eller 4S elektrisk arkitektur;

• En högre spänningsingång behövs för en omvandlare eller motorstyrenhet;

• De tillgängliga systemkomponenterna är designade för en definierad spänningsplattform.

För en konstant effektbelastning:

Ström = Effekt ÷ Spänning

Med samma effekt kan en högre batterispänning minska strömmen som dras från paketet. Detta kan påverka ledarens storlek, val av kontakter och strömhanteringsdesign.

Men högre spänning betyder inte automatiskt bättre prestanda. Enhetens elektronik, laddare, isolering, BMS och motorstyrning måste alla stödja den valda spänningen.

För praktiska jämförelser av spänningsnivåer, se 7,4 V vs. 11,1 V vs. 14,8 V batteripaket.

8. När ska en OEM-enhet använda en parallell konfiguration?

En parallell konfiguration övervägs vanligtvis när enheten behöver mer kapacitet eller högre ström vid samma nominella spänning.

Typiska skäl inkluderar:

• Längre erforderlig körtid;

• Högre kontinuerlig ström;

• Kort högströmsefterfrågan;

• Mer energi inom samma spänningsplattform;

• Användning av en cell med begränsad individuell kapacitet;

• Behöver fördela ström över flera celler.

Parallella celler kan dela ström, men designen måste fortfarande ta hänsyn till:

• Cellmatchning;

• Nuvarande fördelning;

• Anslutningsmotstånd;

• Celltemperatur;

• Svetskvalitet;

• BMS eller skyddsdesign;

• Mekaniskt stöd.

Parallella celler ska inte behandlas som automatiskt identiska. Skillnader i internt motstånd eller laddningstillstånd kan påverka strömdelning och långsiktig packkonsistens.

9. Cellmatchningskrav

Både serie- och parallellbatterier kräver kompatibla celler.

Celler som används i samma förpackning bör matchas av relevanta egenskaper som:

• Modell;

• Nominell kapacitet;

• Spänning;

• Inre motstånd;

• Produktionsparti;

• Åldrande tillstånd;

• Temperaturhistorik.

Varför matchning är viktigt i seriepaket

I ett seriepaket kan den svagaste cellen nå sin övre eller nedre spänningsgräns före de andra cellerna. Detta kan minska användbar packkapacitet och orsaka för tidig skyddsavbrott.

Varför matchning är viktigt i parallella förpackningar

I en parallell grupp kanske celler med olika spänning eller intern resistans inte delar ström jämnt. En cell kan bära mer belastning eller ta emot mer laddningsström än en annan.

För mer information om förpackningsinkonsekvens och cellskillnader, se Varför litiumjonbatterier blir inkonsekventa och vad man ska göra.

10. BMS-krav för serie- och parallellpaket

Batterihanteringssystemet måste matcha paketets konfiguration.

Seriepaket

En förpackning med flera celler i serie kräver i allmänhet övervakning av individuella cellgrupper.

BMS kan behöva tillhandahålla:

• Cellspänningsövervakning;

• Cellbalansering;

• Överladdningsskydd;

• Överurladdningsskydd;

• Överströmsskydd;

• Kortslutningsskydd;

• Temperaturövervakning.

När serieantalet ökar måste BMS utformas för motsvarande antal celler.

Parallella förpackningar

Parallella celler kan dela samma spänningsmätningspunkt, men BMS eller skyddssystemet måste fortfarande ta hänsyn till:

• Total ström;

• Cellmatchning;

• Temperatur;

• Laddningsbeteende;

• Anslutningsmotstånd;

• Felförhållanden.

Serie-Parallell Pack

Ett serieparallellt paket kräver vanligtvis att BMS övervakar varje seriegrupp samtidigt som den hanterar den totala paketströmmen.

BMS bör väljas under batteridesignstadiet, inte läggas till efter att cellkonfigurationen har slutförts.

11. Laddningskrav

Serie- och parallellkonfigurationer kräver olika laddningsöverväganden.

Serieladdning

Laddaren måste stödja den totala seriespänningen.

Till exempel:

• 1S-paket: laddare designad för en cell;

• 2S-paket: laddare designad för ett 2S-batteri;

• 3S-paket: laddare designad för ett 3S-batteri;

• 4S-paket: laddare designad för ett 4S-batteri.

En laddare avsedd för en enstaka cell ska inte användas direkt med ett flerseriepaket.

Parallell laddning

Ett parallellpaket använder fortfarande spänningen från en cell eller en seriegrupp, men laddningssystemet kan behöva leverera mer ström eller acceptera en längre laddningstid.

Serie-parallell laddning

Laddningssystemet måste matcha båda:

• Total seriespänning;

• Krav på packkapacitet och laddningsström.

Laddaren, batteriet och BMS bör testas som ett system.

12. Matcha konfigurationen med OEM-enheten

Den korrekta konfigurationen beror på enhetens faktiska krav.

Detta är endast en preliminär urvalsguide. Den slutliga konfigurationen bör också kontrolleras mot aktuell efterfrågan, dimensioner, laddning, temperatur och produktionskrav.

13. OEM-exempel: Välja en konfiguration för en 7,4 V-enhet

Anta att en OEM-produkt kräver:

• Nominell spänning: cirka 7,4 V;

• Målkapacitet: 5000 mAh;

• Kontinuerlig ström: måttlig;

• Kompakt rektangulärt batterifack;

• Uppladdningsbar drift;

• Övervakning på cellnivå.

En preliminär konfiguration kan vara:

2S2P med 3,7 V, 2500 mAh-celler

Beräkning:

• Spänning: 3,7 V × 2 = 7,4 V;

• Kapacitet: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Totalt antal celler: 2 x 2 = 4 celler;

• Nominell energi: 7,4 V × 5 Ah = 37 Wh.

Designteamet måste sedan bekräfta:

• Om 2S-spänningsområdet är kompatibelt med enheten;

• Om en 2S BMS med balansering krävs;

• Huruvida cellerna kan stödja strömmen;

• Huruvida laddaren är designad för 2S;

• Huruvida förpackningen passar höljet;

• Huruvida kontakten stöder den erforderliga strömmen;

• Om batteriet klarar den planerade testningen.

ZERNE's 7,4V litiumbatteripaketsida kan användas som referens på produktnivå för 2S-batteripaketkonfigurationer, medan anpassade konstruktioner bör utvärderas mot den faktiska OEM-enheten.

14. Konfigurationsexempel för en enhet med högre spänning

Anta att en annan OEM-produkt kräver:

• Nominell spänning: cirka 11,1 V;

• Kapacitet: 5000 mAh;

• Stabil effekt under kontinuerlig drift.

En preliminär konfiguration kan vara:

3S2P med 3,7 V, 2500 mAh-celler

Beräkning:

• Spänning: 3,7 V × 3 = 11,1 V;

• Kapacitet: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Totalt antal celler: 3 x 2 = 6 celler;

• Nominell energi: 11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh.

Ett 11,1 V-paket kräver en laddare och BMS designade för en 3S-konfiguration.

För en befintlig produktreferens, se ZERNE's 11,1V litiumbatteripaket sida.

15. Mekaniska konstruktionsöverväganden

Serie- och parallellkopplingar påverkar också den fysiska paketlayouten.

Designern bör överväga:

• Cellorientering;

• Cellavstånd;

• Svetspunkter;

• Samlingsskenor eller ledare;

• Isolering;

• BMS plats;

• Kabeldragning;

• Anslutningsposition;

• Husets dimensioner;

• Värmeavledning;

• Monteringspunkter;

• Vibration och påverkan.

En konfiguration som är elektriskt korrekt kan fortfarande vara olämplig om den inte passar den tillgängliga kapslingen.

För cylindriska cellpaket kan cellarrangemanget påverka packbredd, längd och höjd. För påscellspaket kan placeringar av serier och parallella flikar påverka den interna layouten och kabelutgången.

Detaljerade utrymmen i batterifack, kompressions- och svullnadsmöjlighet bör hanteras separat i LiPo batterifack Design: Clearance & svullnad.

16. Vanliga serie- och parallelldesignmisstag

Misstag 1: Antar att serien ökar mAh

Serieanslutningar ökar spänningen, inte normalt amperetimmars kapacitet.

Misstag 2: Att anta att spänningen ökar parallellt

Parallella celler behåller ungefär samma spänning som en cell eller en seriegrupp.

Misstag 3: Att använda en laddare för fel serieräkning

En laddare för ett 1S-paket är inte lämpligt för ett 2S, 3S eller 4S-paket.

Misstag 4: Ansluta omatchade celler

Olika kapacitet, motstånd eller åldringsförhållanden kan minska förpackningens konsistens och användbar prestanda.

Misstag 5: Välja BMS efter packlayouten

Serieantal, aktuell efterfrågan och kommunikationskrav bör vara kända innan BMS väljs.

Misstag 6: Jämför endast mAh

Ett 3,7 V, 5000 mAh-paket och ett 7,4 V, 5000 mAh-paket innehåller inte samma mängd energi.

Misstag 7: Ignorera toppström

Konfigurationen måste stödja enhetens toppbehov, inte bara dess medelström.

17. Checklista för serier och parallella batteripaket

Innan du godkänner batterikonfigurationen, bekräfta:

• Enhetens nominella spänning;

• Enhetens lägsta och maximala spänning;

• Målkapacitet;

• Kontinuerlig ström;

• Toppström;

• Antal serier som krävs;

• Erforderlig parallellräkning;

• Cellmodell och kapacitet;

• Totalt antal celler;

• Cellmatchningskrav;

• BMS- eller PCM-struktur;

• Laddare kompatibilitet;

• Kontakt- och kabelklassificering;

• Mekanisk passform;

• Temperaturförhållanden;

• Körtidsmål;

• Testkrav;

• Förväntad produktionsvolym.

För bredare batteridesignkriterier, se Lithium-Ion Battery Pack Design: Spänning, Kapacitet, BMS och Runtime.

FAQ

Vad är skillnaden mellan ett serie- och parallellbatteri?

Ett seriebatteri ökar spänningen, medan ett parallellbatteri ökar kapaciteten och strömkapaciteten. Ett serieparallellt paket kombinerar båda effekterna.

Ökar kapaciteten att seriekoppla batterier?

Normalt nej. Att seriekoppla celler med lika kapacitet ökar spänningen medan kapaciteten i amperetimmar förblir ungefär densamma.

Ökar spänningen vid parallellkoppling av batterier?

Normalt nej. Att parallellkoppla celler med lika spänning ökar kapaciteten samtidigt som man bibehåller ungefär samma spänning.

Vad betyder 2S2P?

2S2P betyder två cellgrupper kopplade i serie, med två celler kopplade parallellt i varje grupp. Den innehåller totalt fyra celler.

Vilken kapacitet har ett 2S2P-paket som använder 2500 mAh-celler?

Paketets kapacitet är cirka 5000 mAh. Om cellerna har en nominell spänning på 3,7 V är packspänningen ungefär 7,4 V.

Behöver seriebatterier ett BMS?

Litiumbatterier i flera serier kräver i allmänhet lämpligt skydd och balansering. Den exakta BMS-strukturen beror på cellkemi, serieräkning, ström, laddare och applikation.

Är serie-parallella batteripaket bättre än serie-enbart eller parallella-bara-paket?

Inte automatiskt. En serieparallell konfiguration är användbar när enheten kräver både högre spänning och högre kapacitet, men det slutliga valet beror på applikationen och fysiska begränsningar.

Kan olika battericeller kopplas parallellt?

Celler bör inte kopplas samman oavsiktligt om de skiljer sig i modell, kapacitet, spänning, internt motstånd eller tillstånd. En kvalificerad batteridesign bör använda kompatibla och korrekt matchade celler.

Slutsats

Grundregeln för batteripaketkonfiguration är:

Serien ökar spänningen.

Parallell ökar kapaciteten och strömkapaciteten.

Serieparallell ökar både spänning och kapacitet.

För en OEM-enhet måste den korrekta konfigurationen också matcha:

• Spänningsområde;

• Kapacitet och energi;

• Aktuell efterfrågan;

• Laddare;

• BMS;

• Cellmatchning;

• Mekaniskt utrymme;

• Anslutning;

• Temperatur;

• Testkrav.

Till exempel:

• 2S1P ger högre spänning;

• 1S2P ger högre kapacitet vid samma cellspänning;

• 2S2P ger både högre spänning och högre kapacitet.

Om du utvecklar ett anpassat batteripaket, dela enhetens spänning, kapacitetsmål, aktuell efterfrågan, dimensioner, laddningsmetod och förväntad kvantitet med ZERNE tekniska team. ZERNE tillhandahåller anpassade litiumbatteripaketlösningar för OEM- och ODM-projekt och kan hjälpa till att utvärdera lämplig serie, parallell eller serieparallell konfiguration.