Seri ve Paralel LiPo Pil Paketleri: Gerilim, Kapasite ve Koruma Gereksinimleri

Seri ve paralel bağlantılar, pil üreticilerinin bir cihazın voltaj, kapasite, çalışma süresi ve güç gereksinimlerine göre bir paket oluşturmasına olanak tanır.

Temel kurallar basit görünüyor: seri bağlantılar voltajı artırırken paralel bağlantılar kapasiteyi artırır. Ancak pratikte bir konfigürasyonun seçilmesi aynı zamanda şarj voltajını, akım kapasitesini, hücre dengelemeyi, kablolamayı, koruma devresini, fiziksel düzeni ve arıza davranışını da etkiler.

Bir 2S1P lipo pil paketi ve bir 1S2P lipo pil paketi aynı sayıda hücre içerebilir ve yaklaşık olarak aynı toplam enerjiyi depolayabilir, ancak bunlar birbirinin yerine kullanılamaz. Biri daha yüksek bir voltaj sağlarken diğeri tek hücreli voltajı korur ve daha yüksek amper-saat kapasitesi sağlar.

Bu kılavuzda seri, paralel ve seri paralel LiPo pil paketlerinin nasıl çalıştığı, ana elektriksel özelliklerinin nasıl hesaplanacağı ve paket yapısını seçmeden önce hangi koruma gereksinimlerinin dikkate alınması gerektiği açıklanmaktadır.

Temel Çıkarımlar

• Seri olarak bağlanan hücreler paket voltajını artırır ancak amper-saat kapasitelerini artırmaz.

• Paralel bağlanan hücreler, bir hücrenin voltajını korurken kapasiteyi artırır.

• Seri-paralel konfigürasyon hem voltajı hem de kapasiteyi artırır.

• S harfi seri bağlı hücre gruplarının sayısını gösterir.

• P harfi, her gruptaki paralel bağlanan hücre sayısını gösterir.

• Bir 2S2P paketi, her paralel grupta iki hücre olmak üzere iki seri grup halinde düzenlenmiş dört hücre içerir.

• Watt-saat, paketler farklı voltajlara sahip olduğunda mAh'den daha iyi bir enerji karşılaştırması sağlar.

• Seri bağlantılı gruplar ayrı ayrı voltaj izleme gerektirir ve dengeleme gerektirebilir.

• Kalıcı bağlantıdan önce paralel gruptaki hücrelerin yakından eşleştirilmesi ve uygun bir gerilime getirilmesi gerekir.

• Bir koruma kartının hücre kimyası, seri sayısı, şarj voltajı, sürekli akım, tepe akımı ve gerekli işlevlerle eşleşmesi gerekir.

• Paralel hücrelerin eklenmesi, her çalışma koşulunda güvenli paket akımını otomatik olarak ikiye katlamaz.

• Farklı voltajlara, kapasitelere, yaşlara veya şarj durumlarına sahip paketler, mühendislik tasarımı olmaksızın birleştirilmemelidir.

• Pil konfigürasyonu, şarj cihazı, BMS, konnektör, kablolama ve cihaz güç sistemi birlikte değerlendirilmelidir.

1S, 2S, 2P ve 2S2P Ne Demektir?

Pil takımı konfigürasyonları normalde harfleri kullanılarak açıklanır. S ve P .

• S seri anlamına gelir.

• P paralel anlamına gelir.

• Her harfin önündeki sayı, o bağlantıyı kaç hücrenin veya hücre grubunun kullandığını gösterir.

Yaygın örnekler şunları içerir:

Toplam hücre sayısı şu şekilde hesaplanabilir:

Toplam hücreler = Seri sayısı × Paralel sayım

Örneğin:

3S2P = 3 × 2 = 6 hücre

Çoğu pil spesifikasyonunda, yalnızca '2S' olarak yazılan konfigürasyon, paralel sayım ayrıca belirtilmediği sürece 2S1P anlamına gelir. Ancak bir OEM projesi için belirsizliği önlemek amacıyla her iki değerin de belgelenmesi gerekir.

Bir Bakışta Seri ve Paralel LiPo Pil Paketleri

Aşağıdaki karşılaştırmada aynı kimyaya, nominal gerilime, kapasiteye ve deşarj kapasitesine sahip aynı hücrelerin olduğu varsayılmaktadır.

Bunlar garantili bitmiş paket derecelendirmelerinden ziyade konfigürasyon ilkeleridir. Gerçek performans hücre özellikleri, ara bağlantılar, koruma panosu, konnektör, kablo boyutu, sıcaklık ve ürün tasarımına göre sınırlanabilir.

Bir Seri LiPo Pil Paketi Nasıl Çalışır?

Hücreler, bir hücrenin pozitif terminalinin diğerinin negatif terminaline bağlanmasıyla seri olarak bağlanır. Kalan iki dış terminal paket çıkışını oluşturur.

Aynı akım seri yoldaki her hücreden veya paralel gruptan geçer.

Seri Bağlantı Gerilimi Nasıl Etkiler?

Nominal paket voltajı, seri bağlı hücrelerin nominal voltajlarının toplamıdır:

Paket nominal gerilimi = Hücre nominal gerilimi × Seri sayısı

Standart 3,7 V hücreler için:

Tam şarj voltajı şu şekilde hesaplanır:

Maksimum paket voltajı = Hücre şarj limiti × Seri sayısı

4,2 V değeri, bu şarj limiti için tasarlanmış geleneksel bir lityum iyon polimer hücre için geçerlidir. Yüksek voltaj kimyası, hücre başına 4,35 V, 4,4 V veya belirlenmiş başka bir limit gerektirebilir.

etrafında tasarlanmış bir ürün yüksek voltajlı LiPo piller bu nedenle uyumlu bir şarj cihazına ve koruma sistemine ihtiyaç duyar. Hücre başına daha yüksek bir şarj limiti asla yalnızca nominal voltajdan yola çıkılarak varsayılmamalıdır.

Seri Bağlantı Kapasiteyi Nasıl Etkiler?

Aynı 1000 mAh hücrelerin seri olarak bağlanması, mAh derecelerini artırmaz.

Örneğin:

• Bir adet 3,7 V 1000 mAh hücre: 3,7 V, 1000 mAh

• Seri bağlı iki hücre: 7,4 V, 1000 mAh

• Seri bağlı üç hücre: 11,1 V, 1000 mAh

Ah değeri değişmese de paketin voltajı arttığı için paket daha fazla enerji içerir.

Seri Bağlantı Akımı Nasıl Etkiler?

2S1P paketinde her iki hücreden de aynı akım geçer. Hücre belirli bir sürekli akım için derecelendirilmişse, seri olarak başka bir özdeş hücrenin eklenmesi, bu akım değerini otomatik olarak ikiye katlamaz.

Bitmiş paket akımı aşağıdakiler arasında uygulanabilir en düşük değerle sınırlıdır:

• Hücre sürekli deşarj akımı

• Hücre tepe akımı kapasitesi

• PCM veya BMS akım derecesi

• MOSFET ve akım odaklı tasarım

• Nikel şerit, sekme, bara veya PCB kapasitesi

• Tel boyutu

• Bağlayıcı derecesi

• Sigorta veya akım sınırlayıcı bileşen

• Termal koşullar

Daha yüksek bir paket voltajı, bir cihazın aynı gücü daha düşük bir akımda elde etmesine izin verebilir, ancak bu, yüke ve güç dönüştürme mimarisine bağlıdır.

Seri Paketleri Neden Hücre Grubu İzlemesine İhtiyaç Duyar?

Seri bağlı hücreler hizmet ömürleri boyunca tamamen aynı kalmazlar. Kapasite, iç direnç, kendi kendine deşarj, sıcaklık ve yaşlanmadaki küçük farklılıklar, yük durumlarının farklılaşmasına neden olabilir.

Şarj sırasında bir seri grubu diğerlerinden önce üst voltaj sınırına ulaşabilir. Deşarj sırasında en zayıf grup önce alt sınırına ulaşabilir.

Bu nedenle koruma ve izleme sistemi yalnızca toplam paket voltajına dayanmak yerine bireysel seri grup voltajlarına yanıt vermelidir.

Örneğin toplam paket okumasının 8,0 V olması, 2S paketinin dengeli olduğunu kanıtlamaz. Şunlardan oluşabilir:

• 4,0 V ve 4,0 V

• 4,15 V ve 3,85 V

• 4,25 V ve 3,75 V

Son örnek aynı toplam gerilime sahiptir ancak bir grubu zaten izin verilen sınırın üzerine çıkarabilir.

Paralel LiPo Pil Paketi Nasıl Çalışır?

Paralel bağlantıda pozitif terminaller birbirine, negatif terminaller birbirine bağlanır.

Bu nedenle gruptaki tüm hücreler aynı terminal voltajını paylaşır.

Paralel Bağlantı Gerilimi Nasıl Etkiler?

Gerilim bir hücrenin gerilimine eşit kalır:

Paket voltajı = Hücre voltajı

Paralel bağlı iki standart 3,7 V hücre için:

• Nominal voltaj: 3,7 V

• Tipik tam şarj voltajı: 4,2 V

• Yapılandırma: 1S2P

Daha fazla paralel hücre eklemek 7,4 V veya 11,1 V üretmez. Tek bir voltaj grubu oluşturmaya devam eder.

Paralel Bağlantı Kapasiteyi Nasıl Etkiler?

Yakından eşleşen paralel hücrelerin kapasiteleri eklenir:

Paket kapasitesi = Hücre kapasitesi × Paralel sayım

Aynı 1000 mAh hücreler için:

Bu, uygulamanın daha uzun bir çalışma süresine ihtiyaç duyduğu ancak tek hücreli bir voltaj platformunun muhafaza edilmesi gerektiği durumlarda paralel yapıyı kullanışlı hale getirir.

Paralel Bağlantı Akım Yeteneğini Nasıl Etkiler?

Teorik olarak dengeli akım yolları üzerinden birbirine bağlanan özdeş hücreler yükü paylaşabilir. Dolayısıyla paralel bağlı iki uygun hücre, bir hücreden daha fazla akım sağlayabilir.

Ancak güvenli paket akımı, daha fazla değerlendirme yapılmadan hücre değeri çarpılarak hesaplanmamalıdır.

Mevcut paylaşım şunlardan etkilenebilir:

• Hücre iç direnci

• Kapasite değişimi

• Sıcaklık farklılıkları

• Sekme ve ara bağlantı direnci

• Paket içindeki hücre konumu

• Kablo yönlendirme simetrisi

• Şarj durumu farklılıkları

• Yaşlanma

• Konektör direnci

• Koruma panosu sınırları

Bir hücre, daha düşük dirence veya daha kısa bir akım yoluna sahipse, yükün daha büyük bir bölümünü taşıyabilir. Daha sonra paket, toplam akım basit bir teorik limit dahilinde görünse bile lokal ısıtma geliştirebilir.

Deşarj oranının anlamı ve kapasite ile ilişkisi daha ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. lityum polimer pilin C derecesi ne anlama gelir?.

Paralel Hücrelerin Dengelenmeye İhtiyacı Var mı?

Doğrudan bağlı paralel hücreler aynı terminal voltajını paylaşır, dolayısıyla BMS normalde tüm paralel grubu tek bir voltaj düğümü olarak ele alır.

Bu, hücre eşleşmesinin gereksiz olduğu anlamına gelmez. Eşit terminal voltajı eşit kapasiteyi, direnci, sıcaklığı veya akım katkısını garanti etmez.

Bir paralel grup için seçilen hücrelerin normalde uyumlu olması gerekir:

• Kimya

• Şarj voltajı sınırı

• Kapasite

• İç direnç

• Deşarj özellikleri

• Üretim geçmişi

• Yaş ve döngü durumu

• Fiziksel tasarım

• Toplantıda şarj durumu

Hasar görmüş veya önemli ölçüde bozulmuş bir hücre, kalan hücrelere ek yük getirebilir ve tüm grubun güvenilirliğini azaltabilir.

Paralel Bağlantıdan Önce Gerilim Neden Kontrol Edilmelidir?

Farklı voltajlardaki hücreler basitçe birbirine bağlanmamalıdır.

Bağlandıktan sonra yüksek voltajlı hücre, düşük voltajlı hücreye hızlı bir şekilde deşarj olabilir. Ortaya çıkan dengeleme akımı esas olarak hücre ve bağlantı direnci ile sınırlanabilir ve normal şarj akımından çok daha yüksek olabilir.

Bu nedenle paralel grupların nitelikli, birbirine yakın eşleşen hücreler kullanılarak kontrollü bir üretim süreciyle birleştirilmesi gerekmektedir. Son kullanıcılar, geçerliliği onaylanmış bir tasarım ve uygun ekipman olmadan, eskimiş bir pakete yeni bir hücre eklememeli veya iki gevşek torba hücresini paralel olarak bağlamamalıdır.

Seri-Paralel LiPo Paketi Nasıl Çalışır?

Seri-paralel paket her iki bağlantı yöntemini birleştirir.

Dört özdeş 3,7 V, 1000 mAh hücreden yapılmış bir 2S2P tasarımını düşünün:

1. İlk 3,7 V, 2000 mAh grubu oluşturmak için iki hücre paralel olarak bağlanır.

2. İki hücre daha ikinci bir 3,7 V, 2000 mAh grubu oluşturur.

3. İki paralel grup seri olarak bağlanmıştır.

Ortaya çıkan teorik spesifikasyon şu şekildedir:

• Nominal voltaj: 7,4 V

• Kapasite: 2000 mAh

• Enerji: 14,8 Wh

• Yapılandırma: 2S2P

• Toplam hücreler: 4

Formüller şunlardır:

Paket voltajı = Hücre nominal voltajı × S

Paket kapasitesi = Hücre kapasitesi × P

Toplam hücre sayısı = S × P

Nominal enerji = Paket voltajı × Ah cinsinden paket kapasitesi

Bu tasarımda BMS iki seri grup gerilimini izler. İzlenen her grup iki paralel hücre içerir.

Bu nedenle 2S2P paketi 4S paketi olarak izlenmez. Koruma levhasını seri sayısına göre değil, tek tek hücrelerin toplam sayısına göre seçmek yanlış olur.

Gerilim, Kapasite ve Watt-Saat Karşılaştırması

Seri ve paralel yapı arasındaki fark, paketler aynı 3,7 V, 1000 mAh piller kullanılarak karşılaştırıldığında daha da netleşiyor.

Hem 2S1P hem de 1S2P örnekleri iki hücre içerir ve yaklaşık 7,4 Wh depolar. Gerilim ve kapasite değerleri farklıdır ancak teorik nominal enerjileri benzerdir.

Cihaz farklı bir giriş voltajı gördüğü için yine de birbirlerinin yerine geçemezler.

Neden mAh Tek Başına Farklı Pil Paketlerini Karşılaştıramaz?

3,7 V 2000 mAh paket ve 7,4 V 1000 mAh paketin her ikisi de yaklaşık 7,4 Wh içerir:

3,7 V × 2,0 Ah = 7,4 Wh

7,4 V × 1,0 Ah = 7,4 Wh

Yalnızca mAh'a bakmak, ilk paketin iki kat kapasiteye sahip olduğunu gösterir. Enerji açısından benzerler.

Bu nedenle watt-saat, farklı voltajlara sahip paketleri karşılaştırırken daha kullanışlıdır.

Ancak eşit Wh, aynı cihaz çalışma süresini garanti etmez. Gerçek çalışma süresi aynı zamanda aşağıdakilere de bağlıdır:

• Gerilim dönüşüm verimliliği

• Farklı giriş voltajlarında cihaz akımı

• Pilin iç direnci

• Kesme gerilimi

• Deşarj oranı

• Sıcaklık

• Hücre yaşlanması

• Koruma kartı voltaj düşüşü

• Gerçek yük altında kullanılabilir kapasite

Çalışma süresi, yalnızca mAh'den tahmin edilmek yerine, nihai olarak bitmiş cihazda doğrulanmalıdır.

Daha Yüksek Seri Sayısı Daha Fazla Güç Sağlar mı?

Artan voltaj daha fazla gücü kullanılabilir hale getirebilir, ancak bu yalnızca hücrenin, koruma sisteminin, kabloların ve cihazın gerekli akımı sağlayıp kabul edebilmesi durumunda mümkündür.

Elektrik gücü şu şekilde hesaplanır:

Güç = Gerilim × Akım

2 A sağlayan 7,4 V'lik bir paket yaklaşık 14,8 W sağlar. 3,7 V'lik bir paketin, dönüşüm kayıplarını hesaba katmadan önce aynı giriş gücünü sağlamak için yaklaşık 4 A sağlaması gerekir.

Bu, bir tasarımcının motorlar, ısıtıcılar, pompalar, robotikler veya diğer güç gerektiren ürünler için daha yüksek voltajlı bir paket seçmesinin bir nedenidir. Aynı güç için daha düşük akım, iletken kayıplarını azaltabilir, ancak daha yüksek seri sayısı aynı zamanda şarj cihazı voltajını, BMS karmaşıklığını, bileşen voltajı gereksinimlerini ve yalıtım hususlarını da artırır.

Seçim, daha fazla seri hücrenin otomatik olarak daha iyi olacağı varsayımından ziyade cihazın giriş voltajı aralığı ve yük profiliyle başlamalıdır.

1S Paketi için Koruma Gereksinimleri

Tek serili pakette yalnızca bir voltaj grubu bulunur, dolayısıyla seri hücreler arasında dengeleme gerektirmez.

PCM'nin yine de şunları sağlaması gerekebilir:

• Aşırı şarj koruması

• Aşırı deşarj koruması

• Aşırı akım koruması

• Kısa devre koruması

• Şarj ve deşarj kontrolü

• Sıcaklık izleme

• NTC çıkışı

• Pil tanımlama

• Yakıt ölçümü veya iletişim

Şarj cihazı hücre kimyasına ve maksimum şarj voltajına uygun olmalıdır. PCM anormal koşulları engeller ancak uygun şekilde kontrol edilen bir şarj cihazının yerini almaz.

1S2P veya 1S3P tasarımında koruma devresi paralel grubu daha büyük kapasiteli bir gerilim düğümü olarak görür. Mevcut derecelendirmesi tek bir hücrenin kapasitesine değil, paketin tamamına göre belirlenmelidir.

Çoklu Seri Paket için Koruma Gereksinimleri

2S, 3S veya daha yüksek seri tasarımı, tam seri sayısına uygun koruma devresi gerektirir.

Çok hücreli bir BMS veya PCM'nin aşağıdakileri gerçekleştirmesi gerekebilir:

• Bireysel seri-grup gerilim izleme

• Paket akımı izleme

• Şarj aşırı akım koruması

• Deşarj aşırı akım koruması

• Kısa devre koruması

• Aşırı şarj kesintisi

• Aşırı deşarj kesintisi

• Hücre grubu dengeleme

• Sıcaklık izleme

• MOSFET kontrolü

• Şarj durumu tahmini

• Arıza kaydı

• Ana cihazla iletişim

Bileşenlerin voltaj değeri, uygun tasarım marjı da dahil olmak üzere maksimum paket voltajına da uygun olmalıdır.

Toplam Paket Gerilimi Neden Yeterli Değil

Yalnızca toplam voltajın izlenmesi, aşırı şarj edilen veya aşırı deşarj olan bireysel bir grubu güvenilir bir şekilde tanımlayamaz.

Bu nedenle bir 3S koruma devresinin normalde aşağıdakilere erişmesi gerekir:

• Negatif paketi

• Seri grup 1'den sonraki bağlantı

• Seri grup 2'den sonraki bağlantı

• Seri grup 3'ten sonra pozitif paket

Bu nedenle geleneksel bir izleme donanımında seri sayısından bir fazla voltaj bağlantısı bulunur:

Gerilim algılama bağlantıları = S + 1

Entegre BMS'li bir paket bu bağlantıları harici olarak açığa çıkarmayabilir, ancak bireysel seri-grup izleme için dahili olarak hala gereklidirler.

Hücre Dengeleme Ne Yapar?

Dengeleme, seri bağlı gruplar arasındaki farklılıkların sınırlandırılmasına yardımcı olur.

Pasif dengeleme sistemi tipik olarak yüksek voltaj grubundan küçük miktardaki enerjiyi ortadan kaldırır, böylece alt gruplar şarj olmaya devam edebilir. Daha gelişmiş aktif dengeleme sistemleri, enerjiyi gruplar arasında yeniden dağıtabilir.

Dengeleme tam olarak düzeltilemez:

• Hasarlı bir hücre

• Ciddi kapasite kaybı

• Yüksek kendi kendine deşarj

• Kötü bir elektrik bağlantısı

• Başlıca iç direnç farklılıkları

• Yanlış eşleşen hücreler

• Uygun olmayan bir paket düzeni

Altta yatan sorunu gizlemek için dengeleme devresine güvenmek yerine, sürekli olarak büyük bir dengesizlik geliştiren bir paket incelenmelidir.

Paralel Gruplar için Koruma Gereksinimleri

Paralel yapı, farklı tasarım öncelikleri dizisi yaratır.

Hücre Eşleştirme

Hücreler uyumlu üretim ve performans gruplarından seçilmelidir. Farklı kapasitelere, kimyasallara, voltaj sınırlarına, yaşlara veya iç dirençlere sahip hücrelerin karıştırılması, eşit olmayan akım paylaşımına neden olabilir.

Hücre varyasyonunun pratik etkileri daha ayrıntılı olarak tartışılmıştır. lityum iyon pil paketleri neden tutarsız hale geliyor?.

Akım Yolu Tasarımı

Ara bağlantı direnci düşük tutulmalı ve makul ölçüde dengelenmelidir. Düzen, bir hücreyi veya sekmeyi orantısız bir akım payı taşımaya zorlamaktan kaçınmalıdır.

Tasarım faktörleri şunları içerir:

• Sekme geometrisi

• Nikel şerit veya bara boyutları

• PCB bakır kalınlığı

• Bağlantı konumu

• Potansiyel müşteri yerleşimi

• Kaynak kalitesi

• Hücre aralığı

• Isı dağılımı

• Bağlayıcı konumu

Arıza Sınırlaması

Kalıcı olarak bağlı bir paralel grupta, sağlıklı hücreler arızalı bir hücreye veya arızalı dallara akım sağlayabilir.

Paket boyutuna ve risk değerlendirmesine bağlı olarak tasarım şunları gerektirebilir:

• Eriyebilir ara bağlantılar

• Şube akımı sınırlaması

• Termal ayırma

• Sıcaklık sensörleri

• Aleve dayanıklı malzemeler

• Mekanik bariyerler

• Paket düzeyinde birleştirme

• Kontrollü havalandırma alanı

• Ek arıza tespit fonksiyonları

Gerekli yaklaşım, paket enerjisine, hücre tipine, uygulamaya, muhafazaya, uyumluluk gerekliliklerine ve öngörülebilir arıza koşullarına bağlıdır.

Koruma Kartı Akım Değeri

BMS aşağıdakiler de dahil olmak üzere beklenen toplam paket akımını desteklemelidir:

• Normal çalışma akımı

• Maksimum sürekli akım

• Başlangıç ​​dalgalanması

• Motor durma akımı

• Isıtıcı girişi

• İletişim verici zirveleri

• Şarj akımı

• Arıza tespit eşikleri

Kartın reklamı yapılan akımı, MOSFET kayıpları, sıcaklık artışı, soğutma koşulları, iletken boyutu ve kesme zamanlaması kontrol edilmeden kullanılabilir cihaz akımı olarak değerlendirilmemelidir.

Seri ve Paralel Paketler için Şarj Cihazı Gereksinimleri

Şarj cihazının paket kimyasına, seri sayısına, şarj voltajı sınırına ve izin verilen şarj akımına uygun olması gerekir.

Geleneksel 4,2 V hücreler için:

2S paketi, 1S şarj cihazı kullanılarak şarj edilmemelidir. Benzer şekilde, standart 4,2 V hücrelere yönelik bir şarj cihazı, farklı şarj sınırına sahip yüksek voltaj kimyası için uygun olmayabilir.

Paralel kapasite şarj akımı hesaplamasını etkiler. İki özdeş hücre paralel olarak yerleştirilirse, uygun bir paket bir hücreden daha fazla toplam akım kabul edebilir, ancak doğru değer şunlara bağlıdır:

• Hücre şarj oranı sınırı

• Paket kapasitesi

• Sıcaklık

• Paralel akım paylaşımı

• Koruma panosu derecelendirmesi

• Konektör ve kablo derecesi

• Şarj süresi hedefi

• Döngü ömrü gereksinimleri

Bir şarj cihazı ve BMS farklı işlevleri yerine getirir. Şarj cihazı şarj profilini düzenlerken, koruma sistemi de tanımlanan anormal koşullara yanıt verir. Biri diğerinin yerine kullanılmamalıdır.

Hücre Eşleştirme Gereksinimleri

Güvenilir bir çok hücreli paket, uygun hücre seçimiyle başlar.

Aynı montajda kullanılan hücrelerin aşağıdakiler için eşleştirilmesi gerekebilir:

• Hücre modeli

• Kimya

• Nominal kapasite

• Ölçülen kapasite

• Açık devre voltajı

• İç direnç

• Kalınlık ve boyutlar

• Kendi kendine deşarj

• Üretim partisi

• Yaş

• Döngü geçmişi

Eşleştirme hem seri hem de paralel yapılarda önemlidir.

Bir seri dizide, en düşük kapasiteli veya en yüksek dirençli grup önce voltaj sınırına ulaşabilir ve kullanılabilir paket kapasitesini kısıtlayabilir.

Paralel bir grupta direnç ve bağlantı farklılıkları akımın nasıl paylaşıldığını etkiler. Bir hücre diğerlerinden daha fazla çalışabilir ve daha hızlı yaşlanabilir.

Pil üreticileri, aynı basılı spesifikasyona sahip oldukları için hücreleri birleştirmek yerine, ürüne uygun hücre tarama kriterleri oluşturmalıdır.

Bitmiş LiPo Paketleri Seri Olarak Bağlanabilir mi?

Sistemin tamamı bu düzenleme için tasarlanıp onaylanmadıkça, iki bitmiş paket seri olarak bağlanmamalıdır.

Potansiyel sorunlar şunları içerir:

• Farklı şarj durumları

• Farklı kapasiteler veya yaşlar

• Uyumsuz koruma devreleri

• Yanlış topraklama

• Şarj cihazı uyumsuzluğu

• Denge izleme boşlukları

• Konektör voltajı sınırları

• Beklenmeyen BMS kesme davranışı

• Bir paket diğeri tarafından ters şarj ediliyor

• Güvenli olmayan servis veya değiştirme prosedürleri

Bazı korumalı paketler, harici seri bağlantıyı uygunsuz hale getiren düşük taraf anahtarlama veya iletişim arayüzleri kullanır. Tek başına güvenli olan bir pil, başka bir paketle birleştirildiğinde otomatik olarak güvenli değildir.

Uygulamanın daha yüksek bir voltaj gerektirmesi durumunda, amaca yönelik olarak tasarlanmış çok serili bir düzeneğin kullanılması, genellikle üretimden sonra bağımsız olarak korunan akülerin bağlanmasından daha güvenilirdir.

Bitmiş LiPo Paketleri Paralel Bağlanabilir mi?

Hazır paketler, etiketleri aynı nominal voltajı gösterdiği için paralel bağlanmamalıdır.

Paralel çalışmadan önce tasarımın aşağıdakileri ele alması gerekir:

• Paket voltajı farkı

• Şarj durumu farkı

• Kapasite ve yaş

• İç direnç

• BMS etkileşimi

• Ters akım

• Şarj akımı dağılımı

• Bağlayıcı dizisi

• Enerji verildiğinde paketin çıkarılması

• Şube koruması

• Arıza izolasyonu

Bir paketin voltajı daha yüksekse, konektörler temas ettiği anda büyük bir dengeleme akımı akabilir.

Paralel akü modülleri güvenli bir şekilde tasarlanabilir ancak tanımlanmış bir bağlantı yöntemine, uyumlu koruma mimarisine, gerektiğinde kontrollü ön şarja ve doğrulanmış hata davranışına ihtiyaç duyarlar.

Yapılandırma Pil Boyutunu ve Düzenini Nasıl Etkiler?

Hücrelerin eklenmesi enerjiyi artırır ancak aynı zamanda mekanik tasarımı da değiştirir.

Seri ve paralel montajlar şunları etkileyebilir:

• Toplam kalınlık

• Genişlik ve uzunluk

• Ağırlık

• Ağırlık merkezi

• Kablo yönlendirme alanı

• Bükülme yarıçapı

• Isı dağılımı

• Hücre genişleme ödeneği

• Düşme koruması

• Titreşim direnci

• Hizmet erişimi

• Muhafaza montajı

Yan yana yerleştirilen iki kese hücresi geniş, ince bir paket oluşturabilir. Bunları istiflemek daha kalın ve daha küçük bir ayak izi oluşturabilir.

Seri-paralel bir yapı ayrıca şunları da gerektirebilir:

• Ek yalıtım

• Daha fazla kaynak noktası

• Daha büyük bir BMS

• Gerilim algılamalı kablolama

• Sıcaklık sensörleri

• Daha güçlü bir destek çerçevesi

• Daha karmaşık ambalajlama

• Tırnakların ve koruma bileşenlerinin etrafında artırılmış boşluk

Bu nedenle elektrik konfigürasyonu, muhafazanın tamamlanmasından sonra değil, mevcut pil bölmesiyle birlikte seçilmelidir.

Seri ve Paralel: Hangi Yapılandırmayı Seçmelisiniz?

Cihazın gerektirdiği voltaja göre seri sayısını seçin.

Gerekli enerjiye, çalışma süresine, akım kapasitesine, alana ve ağırlığa göre paralel sayımı seçin.

Seri Odaklı Bir Tasarım Şu Durumlarda Uygun Olabilir:

• Cihaz daha yüksek bir giriş voltajı gerektirir

• Bir motor veya ısıtıcı daha yüksek voltajda daha verimli çalışır

• Sistem, 1S paketi aralığının üzerinde bir voltaj rayı kullanıyor

• Belirli bir güç seviyesi için daha düşük akım tercih edilir

• Cihazda zaten uyumlu bir çok hücreli şarj cihazı bulunmaktadır

• Ürün çok serili bir BMS'yi barındırabilir

Paralel Odaklı Tasarım Şu Durumlarda Uygun Olabilir:

• Ürün 3,7 V nominal platforma sahip olmalıdır

• Daha uzun çalışma süresi gerekli

• Tek bir hücre yeterli kapasiteyi sağlayamaz

• Hücrenin doğrulanmış çalışma koşullarında daha fazla çıkış akımına ihtiyaç vardır

• Muhafaza birden fazla hücreyi barındırabilir

• Şarj cihazı ve koruma sistemi, ortaya çıkan kapasiteyi ve akımı destekler

Seri-Paralel Tasarım Şu Durumlarda Uygun Olabilir:

• Cihazın hem daha yüksek voltaja hem de daha uzun çalışma süresine ihtiyacı var

• Tek bir seri dizi gerekli akımı sağlayamaz

• Enerji gereksinimi pratik tek dizinin kapasitesini aşıyor

• Alan birkaç hücre pozisyonuna dağıtılmalıdır

• Uygulama, ilave BMS ve montaj karmaşıklığını haklı çıkarmaktadır

ZERNE'nin özel Li-polimer pil çözümleri, cihazın voltajı, kapasitesi, boyutu, akımı, konektörü ve koruma gereksinimlerine göre tek hücreli, çok serili, paralel ve seri paralel yapıları destekler.

Pratik Bir Akü Konfigürasyonu Seçim Süreci

1. Cihaz Voltaj Aralığını Doğrulayın

Tanımlamak:

• Minimum çalışma voltajı

• Normal çalışma voltajı

• Maksimum güvenli giriş voltajı

• Başlangıç ​​voltajı gereksinimi

• Kapatma voltajı

• Voltaj regülatörü giriş aralığı

• Motor, ısıtıcı veya aktüatör voltajı

• Şarj cihazı giriş ve çıkış voltajı

Tam olarak şarj edilmiş maksimum paket voltajı, bağlı her bileşenin güvenli aralığında kalmalıdır.

2. Yük Profilini Tanımlayın

Kayıt:

• Bekleme akımı

• Tipik çalışma akımı

• Maksimum sürekli akım

• Tepe akımı

• Yoğun süre

• Başlangıç ​​veya duraklama akımı

• Günlük çalışma süresi

• Şarj başına gerekli çalışma süresi

Ortalama akım tek başına hücrelerin, BMS'nin ve konektörün kısa yüksek akım olaylarını destekleyip desteklemediğini ortaya çıkarmayabilir.

3. Gerekli Enerjiyi Hesaplayın

İlk tahmin aşağıdakiler kullanılarak hesaplanabilir:

Wh cinsinden gerekli enerji = W cinsinden ortalama güç × Saat cinsinden çalışma süresi

Pratik bir tasarım aynı zamanda aşağıdakileri de hesaba katmalıdır:

• Gerilim dönüşüm kayıpları

• Pil yaşlanması

• Düşük sıcaklıkta kapasite kaybı

• Yüksek yük voltajı düşüşü

• Rezerv kapasitesi

• BMS tüketimi

• Cihaz bekleme tüketimi

• İzin verilen boşaltma derinliği

4. Seri Sayısını Seçin

Cihaz voltajını karşılamak için gereken seri grup sayısını seçin.

Nominal voltajı tek başına kullanmayın. Kontrol etmek:

• Maksimum şarj voltajı

• Tipik çalışma aralığı

• BMS kesme voltajı

• Cihaz düşük voltaj eşiği

• Şarj cihazı voltajı

• Bileşen voltaj değerleri

5. Paralel Sayımı Seçin

Bir seri dizinin ne kadar kapasite ve akım sağlayabileceğini belirleyin. Paralel hücreleri yalnızca enerji, çalışma süresi, akım veya paketleme için gerektiğinde ekleyin.

Daha fazla paralel hücre aynı zamanda ağırlık, hacim, maliyet, kaynak noktaları ve arıza enerjisini de artırır.

6. Koruma Sistemini Tasarlayın

Tanımlamak:

• Kimya

• Seri sayısı

• Paket kapasitesi

• Şarj akımı sınırı

• Sürekli deşarj akımı

• Tepe akımı ve süre

• Aşırı şarj eşiği

• Aşırı deşarj eşiği

• Aşırı akım eşiği

• Kısa devre yanıtı

• Sıcaklık sınırları

• Dengeleme stratejisi

• İletişim gereksinimleri

7. Şarj Cihazını ve Konektörü Onaylayın

Şarj cihazı paketin tamamıyla eşleşmeli, ana konnektör ve kablolar ise gerçek akımı desteklemelidir.

Konektör serisi, polarite, pin çıkışı, kablo ölçüsü, kablo uzunluğu ve denge bağlantısı numuneler üretilmeden önce belgelenmelidir.

8. Örnekleri Oluşturun ve Test Edin

Doğrulama gerçek cihazın içinde tamamlanmalıdır.

İlgili testler şunları içerebilir:

• Şarj uyumluluğu

• Tam şarj voltajı

• Bireysel seri grup voltajı

• Hücre dengeleme

• Çalışma zamanı

• Maksimum yük voltaj düşüşü

• Tepe akım tepkisi

• Sıcaklık artışı

• BMS kesme davranışı

• Kısa devre koruması

• Konektör ısıtma

• Kablo yönlendirme

• Muhafaza uyumu

• Düşme ve titreşim performansı

• Tekrarlanan bisiklet

• Depolama ve kendi kendine deşarj

Li-polimer pil kalite kontrol sistemi, hücre testi, montaj denetimi, elektriksel doğrulama ve bitmiş paket kontrolü hakkında ek bilgi sağlar.

Çalışılan Konfigürasyon Örnekleri

Örnek 1: Kompakt Takip Cihazı

Bir izleyicinin tek hücreli voltaj platformundan çalıştığını ve 1000 mAh'lik bir hücrenin sağlayabileceğinden daha fazla çalışma süresi gerektirdiğini varsayalım.

Olası bir yapılandırma şöyledir:

• Hücre: 3,7 V, 1000 mAh

• Yapı: 1S2P

• Paket voltajı: 3,7 V nominal

• Paket kapasitesi: 2000 mAh

• Nominal enerji: 7,4 Wh

Tasarım, tek hücreli şarj voltajını korur ancak birleşik akım ve kapasiteye uygun bir koruma devresi ve konektör gerektirir.

Örnek 2: 7,4 V Gerektiren Taşınabilir Cihaz

Elde taşınır bir ürünün yaklaşık 7,4 V ve 2000 mAh'a ihtiyacı olduğunu varsayalım.

3,7 V, 2000 mAh hücrelerin kullanılması:

• Yapı: 2S1P

• Paket voltajı: 7,4 V nominal

• Paket kapasitesi: 2000 mAh

• Nominal enerji: 14,8 Wh

• Tipik tam şarj voltajı: 8,4 V

Paket, 2S koruma sistemi ve 8,4 V lityum iyon şarj profili gerektirir.

Örnek 3: Daha Yüksek Gerilim ve Kapasite Gerektiren Robot

Bir robotun 11,1 V nominal ve 4000 mAh'a ihtiyacı olduğunu varsayalım. 2000 mAh hücrelerin kullanılması:

• Yapı: 3S2P

• Toplam hücreler: 6

• Paket voltajı: 11,1 V nominal

• Paket kapasitesi: 4000 mAh

• Nominal enerji: 44,4 Wh

• Tipik tam şarj voltajı: 12,6 V

BMS, robotun normal akımını, başlatma dalgalanmasını ve olası motor durma akımını desteklerken üç seri grubu izlemelidir.

Yaygın Seri ve Paralel Akü Tasarımı Hataları

Özel Pil Paketi İçin Sağlanacak Bilgiler

Bir üretici, aşağıdaki bilgiler mevcut olduğunda seri ve paralel konfigürasyonu daha doğru değerlendirebilir.

Cihaz Gereksinimleri

• Ürün türü

• Gerekli giriş voltajı aralığı

• Maksimum güvenli giriş voltajı

• Tipik çalışma akımı

• Maksimum sürekli akım

• Tepe akımı ve süre

• Gerekli çalışma zamanı

• Şarj yöntemi

• Çalışma sıcaklığı

• Kullanılabilir pil alanı

• Hedef paket ağırlığı

Pil Gereksinimleri

• Tercih edilen kimya

• Nominal paket voltajı

• Gerekli kapasite

• Enerji gereksinimi

• Beklenen seri ve paralel konfigürasyon

• Döngü ömrü hedefi

• Şarj süresi

• Gerekli deşarj oranı

• Düşük veya yüksek sıcaklık gereksinimleri

• Yüksek gerilim hücresi gereksinimi

Koruma Gereksinimleri

• PCM veya BMS

• Aşırı şarj ve aşırı deşarj koruması

• Aşırı akım ve kısa devre koruması

• Sıcaklık sensörlerinin sayısı ve konumu

• Hücre dengeleme

• Yakıt göstergesi

• Şarj durumu ekranı

• SMBus, CAN veya başka bir iletişim protokolü

• Kimlik doğrulama veya pil tanımlama

• Sigorta veya dal koruma gereksinimi

Mekanik ve Bağlantı Gereksinimleri

• Maksimum kalınlık, genişlik ve uzunluk

• Hücre düzenlemesi

• Muhafaza veya sarma

• Konektör üreticisi ve parça numarası

• Polarite ve pin çıkışı

• Tel göstergesi

• Kablo uzunluğu

• Denge kurşunu

• NTC veya iletişim kabloları

• Montaj ve gerilim azaltma

• Titreşim ve düşme gereksinimleri

lityum pil paketinin tek başına voltaj ve mAh değerleri yerine komple bir sistem olarak belirtilmesi gerekmektedir.

Çözüm

LiPo pil takımında seri ve paralel bağlantılar farklı amaçlara hizmet eder.

Bir seri bağlantı, bir seri yolun Ah kapasitesini korurken paket voltajını yükseltir. Paralel bağlantı, kapasite eklerken ve potansiyel olarak akım kapasitesini arttırırken bir hücrenin voltajını korur. Seri-paralel yapı her iki etkiyi de birleştirir.

Bu elektrik kuralları yalnızca başlangıç ​​noktasıdır. Bitmiş pakette ayrıca maksimum şarj voltajı, Watt-saat, cihaz yükü, hücre uyumu, akım paylaşımı, dengeleme, BMS akımı, sıcaklık, kablolama, konektörler, şarj cihazı uyumluluğu ve mekanik koruma dikkate alınmalıdır.

Çoklu seri paketler için koruma sistemi, bireysel seri grup gerilimlerini izlemeli ve seri sayısıyla tam olarak eşleşmelidir. Paralel tasarımlar için yakından eşleşen hücreler ve kontrollü akım yolları önemlidir. Her iki durumda da teorik değerler, üretimden önce paket düzeyinde ve cihaz düzeyinde testler yoluyla doğrulanmalıdır.

Sıkça Sorulan Sorular

LiPo pillerin seri bağlanması kapasiteyi artırır mı?

Toplam depolanan enerjiyi ve paket voltajını artırır, ancak Ah veya mAh değeri bir seri yolun kapasitesine eşit kalır. Seri haldeki iki adet 3,7 V, 1000 mAh hücre, 7,4 V, 1000 mAh'lik bir paket oluşturur.

LiPo pillerin paralel bağlanması voltajı artırır mı?

Hayır. Paralel hücreler, kapasiteleri eklenirken bir hücrenin voltajını korur. İki adet 3,7 V, 1000 mAh hücre paralel olarak 3,7 V, 2000 mAh'lik bir paket oluşturur.

2S2P ile 4S1P arasındaki fark nedir?

Bir 2S2P paketinde, her grupta iki paralel hücre bulunan iki seri grup bulunur. Bir 4S1P paketi seri bağlı dört hücreye sahiptir, bu nedenle aynı hücreler kullanıldığında nominal voltajın iki katını ancak Ah kapasitesinin yarısını sağlar.

2S2P paketinin 2S veya 4S BMS'ye ihtiyacı var mı?

Koruma sistemi iki seri voltaj grubunu izlediğinden normalde 2S BMS gerektirir. BMS ayrıca iki paralel grubun toplam kapasitesini, şarj akımını, deşarj akımını ve dengeleme gereksinimlerini desteklemelidir.

Farklı kapasiteli LiPo hücreleri paralel bağlanabilir mi?

Tasarımın tamamı özel olarak değerlendirilmediği sürece normalde bir OEM paketinde birleştirilmemelidirler. Kapasite, direnç, yaş veya durum arasındaki farklılıklar, eşit olmayan akım paylaşımına ve daha hızlı bozulmaya neden olabilir.

İki korumalı LiPo pil paketi paralel olarak bağlanabilir mi?

Yalnızca akü sistemi paralel modül çalışması için tasarlanmışsa. Paket voltajı farklılıkları, ters akım, BMS etkileşimi, bağlantı sırası ve branş korumasının tümü ele alınmalıdır.

Paralel hücrelerin eklenmesi deşarj akımını iki katına çıkarır mı?

Aynı hücreler ve dengeli akım yolları kullanıldığında mevcut akımı artırabilir, ancak güvenli bitmiş paket akımı hala BMS, sekmeler, ara bağlantılar, kablolar, konektör, sıcaklık ve akım paylaşım davranışı tarafından sınırlıdır.

Hangi konfigürasyon daha uzun çalışma süresi sağlar: seri mi yoksa paralel mi?

Çalışma süresi yalnızca S veya P sayımına göre belirlenemez. Toplam Watt-saati karşılaştırın ve cihazın tamamını test edin; çünkü giriş voltajı, dönüşüm verimliliği, yük davranışı, kesme voltajı, sıcaklık ve deşarj oranı da kullanılabilir çalışma süresini etkiler.