Серія проти паралельних батарей LiPo: вимоги до напруги, ємності та захисту

Послідовні та паралельні з’єднання дозволяють виробникам акумуляторів створювати пакет відповідно до вимог до напруги, ємності, часу роботи та потужності пристрою.

Основні правила здаються простими: послідовне з’єднання збільшує напругу, тоді як паралельне з’єднання збільшує потужність. На практиці, однак, вибір конфігурації також впливає на напругу заряджання, потужність струму, балансування осередків, проводку, схеми захисту, фізичне розташування та поведінку відмов.

Акумуляторна батарея 2S1P lipo та акумуляторна батарея 1S2P lipo можуть містити однакову кількість елементів і зберігати приблизно однакову загальну енергію, але вони не є взаємозамінними. Один забезпечує вищу напругу, тоді як інший зберігає напругу однієї комірки та забезпечує більшу ємність в ампер-годинах.

У цьому посібнику пояснюється, як працюють послідовні, паралельні та послідовно-паралельні акумулятори LiPo, як розрахувати їхні основні електричні характеристики та які вимоги до захисту слід враховувати перед вибором структури блоку.

Ключові висновки

• Елементи, з’єднані послідовно, підвищують напругу в упаковці, але не додають своєї ємності в ампер-годинах.

• Паралельно з'єднані елементи збільшують ємність, зберігаючи напругу одного елемента.

• Послідовно-паралельна конфігурація збільшує як напругу, так і ємність.

• Буква S позначає кількість послідовно з'єднаних груп комірок.

• Буква Р вказує кількість комірок, з'єднаних паралельно в кожній групі.

• Пакет 2S2P містить чотири комірки, організовані як дві послідовні групи з двома комірками в кожній паралельній групі.

• Ватт-години забезпечують краще порівняння енергії, ніж мАг, коли пакети мають різну напругу.

• Послідовно з’єднані групи вимагають індивідуального контролю напруги та можуть вимагати балансування.

• Елементи в паралельній групі повинні бути точно підібрані та приведені до відповідної напруги перед постійним підключенням.

• Захисна плата має відповідати хімічному складу елемента, кількості серій, напрузі заряджання, постійному струму, піковому струму та необхідним функціям.

• Додавання паралельних комірок автоматично не подвоює струм безпечної упаковки за будь-яких робочих умов.

• Пакети з різною напругою, ємністю, віком або рівнем заряду не можна об’єднувати без спеціального дизайну.

• Конфігурацію акумулятора, зарядний пристрій, BMS, роз’єм, проводку та систему живлення пристрою необхідно оцінювати разом.

Що означають 1S, 2S, 2P і 2S2P?

Конфігурації акумуляторної батареї зазвичай описуються літерами S і P.

• S означає серія.

• P означає паралельно.

• Число перед кожною літерою вказує, скільки комірок або груп комірок використовує це з’єднання.

Загальні приклади:

Загальну кількість клітин можна розрахувати як:

Загальна кількість клітинок = кількість серій × кількість паралельних клітинок

Наприклад:

3S2P = 3 × 2 = 6 клітин

У більшості специфікацій акумулятора конфігурація, написана лише як '2S', означає 2S1P, якщо паралельний підрахунок не вказано окремо. Однак для проекту OEM обидва значення повинні бути задокументовані, щоб уникнути двозначності.

Короткий огляд серії та паралельних батарей LiPo

Наступне порівняння передбачає ідентичні елементи з однаковою хімією, номінальною напругою, ємністю та здатністю до розряду.

Це принципи конфігурації, а не гарантовані рейтинги готової упаковки. Фактична продуктивність може бути обмежена специфікацією елемента, з’єднаннями, захисною платою, роз’ємом, розміром кабелю, температурою та дизайном продукту.

Як працює серія акумуляторів LiPo

Клітини з’єднані послідовно шляхом з’єднання позитивної клеми однієї клітини з негативною клемою наступної. Дві зовнішні клеми, що залишилися, формують вихід пакета.

Через кожну комірку або паралельну групу в послідовному шляху проходить однаковий струм.

Як послідовне з'єднання впливає на напругу

Номінальна напруга пакета є сумою номінальних напруг послідовно з’єднаних елементів:

Номінальна напруга упаковки = номінальна напруга комірки × кількість серій

Для стандартних елементів 3,7 В:

Напруга повного заряду розраховується як:

Максимальна напруга пакета = межа заряду елемента × кількість серій

Значення 4,2 В застосовується до звичайного літій-іонного полімерного елемента, розробленого для цього обмеження заряду. Для високовольтної хімії може знадобитися 4,35 В, 4,4 В або інше встановлене обмеження на комірку.

Продукт, розроблений навколо Тому високовольтні LiPo батареї потребують сумісного зарядного пристрою та системи захисту. Вищий ліміт заряду на комірку ніколи не слід припускати лише на основі номінальної напруги.

Як послідовне з'єднання впливає на ємність

Послідовне з’єднання однакових елементів ємністю 1000 мАг не додає їх номінальних показників у мАг.

Наприклад:

• Один елемент 3,7 В 1000 мАг: 3,7 В, 1000 мАг

• Два елемента послідовно: 7,4 В, 1000 мАг

• Три елементи послідовно: 11,1 В, 1000 мАг

Пакет містить більше енергії, оскільки його напруга зросла, навіть якщо значення Ah залишається незмінним.

Як послідовне з'єднання впливає на струм

У пакеті 2S1P однаковий струм проходить через обидва елемента. Якщо елемент розрахований на певний безперервний струм, послідовне додавання іншого ідентичного елемента не подвоює цей номінальний струм.

Струм готової упаковки обмежується найменшим застосовним значенням серед:

• Струм постійного розряду елемента

• Здатність клітини до пікового струму

• Номінальний струм PCM або BMS

• MOSFET і дизайн вимірювання струму

• Нікелева стрічка, вкладка, шина або ємність для друкованої плати

• Розмір дроту

• Рейтинг роз'єму

• Запобіжник або компонент, що обмежує струм

• Термічні умови

Більш висока напруга пакета може дозволити пристрою отримати таку ж потужність при меншому струмі, але це залежить від навантаження та архітектури перетворення потужності.

Чому серійні пакети потребують моніторингу клітинних груп

Послідовно з’єднані елементи не залишаються ідеально ідентичними протягом усього терміну служби. Невеликі відмінності в ємності, внутрішньому опорі, саморозряді, температурі та старінні можуть призвести до розбіжності в їх зарядах.

Під час заряджання одна серійна група може досягти верхньої межі напруги раніше за інших. Під час розряду найслабша група може першою досягти своєї нижньої межі.

Таким чином, система захисту та моніторингу повинна реагувати на напругу окремої послідовної групи, а не покладатися лише на загальну напругу пакета.

Наприклад, загальне значення напруги в пакеті 8,0 В не доводить, що пакет 2S збалансований. Він може складатися з:

• 4,0 В і 4,0 В

• 4,15 В і 3,85 В

• 4,25 В і 3,75 В

Останній приклад має таку саму загальну напругу, але вже може розмістити одну групу за межею дозволеного.

Як працює паралельний LiPo акумулятор

При паралельному з'єднанні плюсові клеми з'єднані разом, а мінусові - разом.

Тому всі комірки в групі мають однакову напругу на клемах.

Як паралельне з'єднання впливає на напругу

Напруга залишається рівною напрузі однієї комірки:

Напруга пакета = Напруга елемента

Для двох стандартних елементів 3,7 В, з’єднаних паралельно:

• Номінальна напруга: 3,7 В

• Типова напруга повного заряду: 4,2 В

• Конфігурація: 1S2P

Додавання більшої кількості паралельних комірок не створює 7,4 В або 11,1 В. Це продовжує формувати єдину групу напруги.

Як паралельне підключення впливає на ємність

Ємності близько підібраних паралельних комірок додаються:

Ємність упаковки = Ємність комірок × Паралельна кількість

Для однакових елементів на 1000 мАг:

Це робить паралельну конструкцію корисною, коли програма потребує більш тривалого часу роботи, але має зберегти платформу напруги з однією коміркою.

Як паралельне підключення впливає на поточні можливості

Теоретично ідентичні комірки, з’єднані збалансованими струмовими шляхами, можуть розподіляти навантаження. Таким чином, два відповідних елемента паралельно можуть забезпечити більший струм, ніж один елемент.

Однак струм безпечної упаковки не слід обчислювати шляхом множення номінального значення комірки без подальшої оцінки.

На поточний спільний доступ можуть впливати:

• Внутрішній опір клітини

• Варіація ємності

• Перепади температур

• Опір вкладки та з'єднання

• Розташування клітини в зграї

• Симетрія кабельної траси

• Відмінності в стані заряду

• Старіння

• Опір роз'єму

• Межі захисної дошки

Один елемент може нести більшу частину навантаження, якщо він має менший опір або коротший шлях струму. Тоді пакет може розвивати локалізований нагрів, навіть якщо загальний струм знаходиться в межах простого теоретичного обмеження.

Значення швидкості розряду та його співвідношення з ємністю пояснюється далі в що означає рейтинг C літій-полімерної батареї.

Чи потрібна балансування паралельних комірок?

Прямо з’єднані паралельні комірки мають однакову напругу на клемах, тому BMS зазвичай розглядає всю паралельну групу як один вузол напруги.

Це не означає, що зіставлення клітинок непотрібне. Рівна напруга на клемах не гарантує однакову ємність, опір, температуру чи струм.

Комірки, вибрані для однієї паралельної групи, зазвичай повинні мати сумісні:

• Хімія

• Межа заряду-напруги

• Ємність

• Внутрішній опір

• Характеристики розряду

• Історія виробництва

• Вік і стан циклу

• Фізичний дизайн

• Стан заряду при складанні

Пошкоджена або значно погіршена комірка може спричинити додаткове навантаження на інші комірки та знизити надійність усієї групи.

Чому перед паралельним підключенням необхідно перевірити напругу

Елементи з різними напругами не слід просто з’єднувати разом.

Після підключення елемент вищої напруги може швидко розряджатися в елемент нижчої напруги. Результуючий струм вирівнювання може бути обмежений головним чином опором елемента та з’єднання та може стати набагато вищим за звичайний зарядний струм.

З цієї причини паралельні групи повинні бути зібрані за допомогою контрольованого виробничого процесу з використанням кваліфікованих, точно відповідних комірок. Кінцеві користувачі не повинні додавати нову комірку до старої упаковки або з’єднувати дві незакріплені комірки паралельно без перевіреної конструкції та відповідного обладнання.

Як працює послідовно-паралельний пакет LiPo

Послідовно-паралельний пакет поєднує обидва способи підключення.

Розглянемо конструкцію 2S2P, виготовлену з чотирьох однакових елементів 3,7 В, 1000 мАг:

1. Два елемента з’єднані паралельно, щоб утворити першу групу 3,7 В, 2000 мАг.

2. Ще дві клітини утворюють другу групу 3,7 В, 2000 мАг.

3. Дві паралельні групи з’єднані послідовно.

Отримана теоретична специфікація така:

• Номінальна напруга: 7,4 В

• Ємність: 2000 мАг

• Енергія: 14,8 Вт*год

• Конфігурація: 2S2P

• Всього комірок: 4

Формули:

Напруга пакета = номінальна напруга комірки × S

Ємність упаковки = Ємність комірки × П

Загальна кількість клітин = S × P

Номінальна енергія = Напруга упаковки × Ємність упаковки в Аг

У цій конструкції BMS контролює дві напруги послідовної групи. Кожна контрольована група містить дві паралельні комірки.

Тому пакет 2S2P не контролюється як пакет 4S. Обирати захисну плату за загальною кількістю окремих комірок замість кількості серій було б неправильно.

Порівняння напруги, ємності та ват-годин

Різниця між послідовною та паралельною конструкцією стає зрозумілішою, коли пакети порівнюються з використанням ідентичних елементів 3,7 В, 1000 мАг.

Обидва приклади 2S1P і 1S2P містять дві комірки та зберігають приблизно 7,4 Вт·год. Їх номінальна напруга та потужність відрізняються, але теоретична номінальна енергія однакова.

Вони все одно не можуть бути замінені один на одного, оскільки пристрій бачить різну вхідну напругу.

Чому один лише мАг не може порівняти різні акумулятори

Обидва акумулятори 3,7 В 2000 мАг і 7,4 В 1000 мАг містять приблизно 7,4 Вт год:

3,7 В × 2,0 А·год = 7,4 Вт·год

7,4 В × 1,0 А·год = 7,4 Вт·год

Дивлячись лише на мАг, здається, що перша упаковка має вдвічі більшу ємність. В енергетичному плані вони схожі.

Таким чином, ват-години більш корисні, якщо порівнювати пакети з різною напругою.

Однак рівний Wh не гарантує ідентичний час роботи пристрою. Фактичний час роботи також залежить від:

• Ефективність перетворення напруги

• Струм пристрою при різних вхідних напругах

• Внутрішній опір батареї

• Напруга відсічення

• Швидкість розряду

• температура

• Старіння клітини

• Перепад напруги на платі захисту

• Корисна ємність при фактичному навантаженні

Зрештою час роботи слід перевірити на готовому пристрої, а не прогнозувати лише на основі мАг.

Чи дає більша кількість серій більше потужності?

Підвищення напруги може зробити доступною більшу потужність, але тільки якщо елемент, система захисту, електропроводка та пристрій можуть подавати та приймати необхідний струм.

Електрична потужність розраховується як:

Потужність = Напруга × Струм

Пакет на 7,4 В, що забезпечує струм 2 А, забезпечує приблизно 14,8 Вт. Пакет на 3,7 В потребує приблизно 4 А, щоб забезпечити ту саму вхідну потужність, перш ніж враховувати втрати при перетворенні.

Це одна з причин, чому розробник може обрати блок вищої напруги для двигунів, обігрівачів, насосів, робототехніки чи інших енергоспоживаючих продуктів. Менший струм за тієї самої потужності може зменшити втрати в провіднику, але більша кількість серій також збільшує напругу зарядного пристрою, складність BMS, вимоги до напруги компонентів та міркування ізоляції.

Вибір слід починати з діапазону вхідної напруги пристрою та профілю навантаження, а не з припущення, що більше серійних елементів автоматично є кращими.

Вимоги до захисту пакета 1S

Односерійний пакет має лише одну групу напруги, тому не потребує балансування між послідовними елементами.

Його PCM все ще може потребувати надання:

• Захист від перезаряду

• Захист від перерозряду

• Захист від перевантаження по струму

• Захист від короткого замикання

• Контроль заряду та розряду

• Контроль температури

• Вихід NTC

• Ідентифікація батареї

• Вимір палива або зв'язок

Зарядний пристрій має відповідати хімічному складу елемента та максимальній напрузі заряду. PCM перериває ненормальні умови, але він не є заміною належним чином керованим зарядним пристроєм.

У конструкції 1S2P або 1S3P схема захисту розглядає паралельну групу як один вузол напруги більшої ємності. Його номінальний струм повинен базуватися на повному навантаженні пакета, а не на ємності однієї клітини.

Вимоги до захисту для багатосерійної упаковки

Конструкція серії 2S, 3S або вищої потребує захисних схем, придатних для точної кількості серій.

Багатокомпонентному BMS або PCM може знадобитися виконати:

• Індивідуальний серійно-груповий контроль напруги

• Пакет поточного моніторингу

• Захист від перевантаження по струму

• Захист від перевантаження по струму розряду

• Захист від короткого замикання

• Відсікання перезаряду

• Відсікання надлишкового розряду

• Балансування клітинних груп

• Контроль температури

• Керування MOSFET

• Оцінка стану заряду

• Запис несправностей

• Зв'язок з головним пристроєм

Номінальна напруга компонентів також повинна відповідати максимальній напрузі пакета, включаючи відповідний проектний запас.

Чому загальної напруги акумулятора недостатньо

Моніторинг лише загальної напруги не може надійно визначити окрему групу, яка перезаряджена або надмірно розряджена.

З цієї причини схема захисту 3S зазвичай потребує доступу до:

• Пакет негативний

• З'єднання після серії група 1

• З'єднання після серії група 2

• Пакет позитивних після серій групи 3

Таким чином, звичайний джгут моніторингу має на одне з’єднання напруги більше, ніж серія:

З'єднання вимірювання напруги = S + 1

Пакет із інтегрованою BMS може не розкривати ці з’єднання зовні, але вони все одно потрібні всередині для моніторингу окремої серії та групи.

Що робить клітинний баланс

Балансування допомагає обмежити відмінності між послідовно з’єднаними групами.

Система пасивного балансування зазвичай забирає невелику кількість енергії від групи з вищою напругою, щоб нижчі групи могли продовжувати зарядку. Більш просунуті системи активного балансування можуть перерозподіляти енергію між групами.

Балансування не може повністю виправити:

• Пошкоджена клітина

• Важка втрата дієздатності

• Високий саморозряд

• Погане електричне підключення

• Основні відмінності внутрішнього опору

• Неправильно підібрані клітинки

• Невідповідний макет упаковки

Пакет, який неодноразово розвиває великий дисбаланс, слід перевірити, а не покладатися на схему балансування, щоб приховати основну проблему.

Вимоги до захисту для паралельних груп

Паралельна конструкція створює інший набір пріоритетів проектування.

Зіставлення клітинок

Клітини слід вибирати із сумісних груп виробництва та продуктивності. Змішування елементів різної ємності, хімічного складу, обмежень напруги, віку або внутрішнього опору може призвести до нерівномірного розподілу струму.

Більш детально практичні наслідки зміни клітин обговорюються в чому літій-іонні акумулятори стають несумісними.

Проектування контуру струму

Опір з’єднання має бути низьким і достатньо збалансованим. У макеті слід уникати того, щоб одна клітинка або вкладка переносила непропорційну частку поточного.

Фактори дизайну включають:

• Геометрія вкладки

• Розміри нікелевої стрічки або шини

• Товщина міді PCB

• Позиція підключення

• Розміщення лідерів

• Якість зварювання

• Відстань між осередками

• Тепловіддача

• Розташування роз’єму

Усунення несправностей

У постійно підключеній паралельній групі здорові клітини можуть подавати струм до несправної клітини або несправної гілки.

Залежно від розміру упаковки та оцінки ризику, конструкція може вимагати:

• Плавкі з'єднання

• Обмеження струму відгалуження

• Термічна сепарація

• Датчики температури

• Вогнестійкі матеріали

• Механічні бар'єри

• Фьюзінг на рівні пачки

• Контрольований вентиляційний простір

• Додаткові функції виявлення несправностей

Необхідний підхід залежить від енергії пакета, типу елемента, застосування, корпусу, вимог до відповідності та передбачуваних умов відмови.

Номінальний струм плати захисту

BMS має підтримувати загальний очікуваний струм пакета, включаючи:

• Нормальний робочий струм

• Максимальний безперервний струм

• Стартовий сплеск

• Струм зупинки двигуна

• Пуск нагрівача

• Піки зв'язку-передавача

• Струм зарядки

• Пороги виявлення несправностей

Оголошений струм плати не слід розглядати як придатний для використання струм пристрою без перевірки втрат MOSFET, підвищення температури, умов охолодження, розміру провідника та часу відключення.

Вимоги до зарядних пристроїв для послідовних і паралельних пакетів

Зарядний пристрій має відповідати хімічному складу упаковки, кількості серій, граничній напрузі заряду та допустимому струму заряджання.

Для звичайних елементів 4,2 В:

Пакунок 2S не можна заряджати за допомогою зарядного пристрою 1S. Подібним чином зарядний пристрій, призначений для стандартних елементів 4,2 В, може бути непридатним для хімії високої напруги з іншим обмеженням заряду.

Паралельна ємність впливає на розрахунок зарядного струму. Якщо дві ідентичні комірки розміщені паралельно, відповідна упаковка може приймати більший сумарний струм, ніж одна комірка, але правильне значення залежить від:

• Обмеження швидкості заряду клітинки

• Ємність упаковки

• температура

• Паралельний розподіл струму

• Ступінь захисту плати

• Номінальні характеристики роз'ємів і проводів

• Цільовий час зарядки

• Вимоги до життєвого циклу

Зарядний пристрій і BMS виконують різні функції. Зарядний пристрій регулює профіль зарядки, а система захисту реагує на визначені ненормальні умови. Одне не слід використовувати як заміну іншого.

Вимоги до відповідності клітинок

Надійна багатокомпонентна упаковка починається з вибору відповідних комірок.

Клітинки, які використовуються в одній збірці, можуть знадобитися зіставити для:

• Модель клітини

• Хімія

• Номінальна місткість

• Виміряна ємність

• Напруга холостого ходу

• Внутрішній опір

• Товщина і розміри

• Саморозряд

• Виробнича партія

• Вік

• Історія циклу

Відповідність важлива як у послідовних, так і в паралельних структурах.

У послідовній ланцюжку група з найнижчою ємністю або найвищим опором може досягти своєї межі напруги першою та обмежити корисну ємність акумулятора.

У паралельній групі на розподіл струму впливають відмінності опору та з’єднання. Одна клітина може працювати більше і старіти швидше, ніж інші.

Виробники акумуляторів повинні встановити критерії перевірки елементів, які відповідають продукту, а не комбінувати елементи просто тому, що вони мають однакові надруковані специфікації.

Чи можна готові пакети LiPo з’єднувати послідовно?

Дві готові упаковки не слід з’єднувати послідовно, якщо вся система не розроблена та перевірена для цієї схеми.

Серед потенційних проблем:

• Різні стани заряду

• Різної здібності або віку

• Несумісні схеми захисту

• Неправильне заземлення

• Несумісність зарядного пристрою

• Прогалини в моніторингу балансу

• Межі напруги роз'єму

• Неочікувана поведінка відключення BMS

• Одна пачка перезараховується іншою

• Небезпечне обслуговування або процедури заміни

Деякі захищені пакети використовують комутаційні або комунікаційні інтерфейси низької сторони, що робить зовнішнє послідовне з’єднання непридатним. Акумулятор, безпечний як окремий продукт, не є автоматично безпечним у поєднанні з іншим блоком.

Якщо застосування потребує вищої напруги, використання спеціально розробленої багатосерійної збірки зазвичай надійніше, ніж підключення незалежно захищених батарей після виробництва.

Чи можна готові пакети LiPo підключати паралельно?

Готові пакети не можна з’єднувати паралельно лише тому, що на їхніх етикетках зазначено однакову номінальну напругу.

Перед паралельною роботою проект повинен враховувати:

• Різниця напруг пакета

• Різниця в стані заряду

• Дієздатність і вік

• Внутрішній опір

• BMS взаємодія

• Зворотний струм

• Розподіл зарядного струму

• Послідовність сполучників

• Зняття упаковки під напругою

• Гілка захисту

• Локалізація проблем

Якщо один пакет має вищу напругу, великий струм вирівнювання може протікати, як тільки з’єднувачі встановлюють контакт.

Паралельні акумуляторні модулі можна сконструювати безпечно, але для них потрібен певний метод підключення, сумісна архітектура захисту, контрольована попередня зарядка, де це необхідно, і перевірена поведінка при збоях.

Як конфігурація впливає на розмір і розташування батареї

Додавання клітин збільшує енергію, але також змінює механічну конструкцію.

Послідовні та паралельні збірки можуть впливати на:

• Загальна товщина

• Ширина і довжина

• вага

• Центр ваги

• Простір для прокладання кабелю

• Радіус вигину

• Тепловіддача

• Надбавка на розширення клітини

• Захист від падіння

• Стійкість до вібрації

• Сервісний доступ

• Збірка корпусу

Дві мішечні клітини, розміщені поруч, можуть створити широку тонку упаковку. Їхнє складання може створити менший відбиток при більшій товщині.

Послідовно-паралельна структура також може потребувати:

• Додаткове утеплення

• Більше точок зварювання

• Більший BMS

• Електропроводка датчика напруги

• Датчики температури

• Міцніший опорний каркас

• Більш складна упаковка пачок

• Збільшений відстань навколо вкладок і компонентів захисту

Тому електричну конфігурацію слід вибирати разом із наявним батарейним відсіком, а не після завершення складання корпусу.

Послідовність проти паралельної: яку конфігурацію вибрати?

Виберіть кількість серій відповідно до напруги, необхідної для пристрою.

Виберіть паралельний підрахунок відповідно до необхідної енергії, часу роботи, поточної потужності, місця та ваги.

Орієнтований на серію дизайн може бути придатним, якщо:

• Для пристрою потрібна більш висока вхідна напруга

• Двигун або нагрівач працює ефективніше при вищій напрузі

• У системі використовується шина напруги, що перевищує діапазон 1S

• Нижчий струм є кращим для даного рівня потужності

• Пристрій уже містить сумісний багатоелементний зарядний пристрій

• Виріб може вмістити багатосерійну BMS

Паралельно-орієнтований дизайн може бути придатним, коли:

• Виріб має підтримувати номінальну платформу 3,7 В

• Потрібен довший час роботи

• Одна клітина не може забезпечити достатню ємність

• Потрібен більший вихідний струм у перевірених робочих умовах клітини

• У вольєрі можна розмістити кілька камер

• Зарядний пристрій і система захисту підтримують результуючу ємність і струм

Послідовно-паралельний дизайн може бути придатним, коли:

• Пристрою потрібна як вища напруга, так і довший час роботи

• Одна серія не може забезпечити необхідний струм

• Потреба в енергії перевищує потужність однієї практичної струни

• Простір має бути розподілений між кількома позиціями клітинок

• Додаток виправдовує додаткову BMS і складність монтажу

ЗЕРНЕ Індивідуальні літій-полімерні батареї підтримують однокомпонентні, багатопослідовні, паралельні та послідовно-паралельні структури на основі напруги пристрою, ємності, розміру, струму, роз’єму та вимог до захисту.

Практичний процес вибору конфігурації батареї

1. Перевірте діапазон напруги пристрою

Визначте:

• Мінімальна робоча напруга

• Нормальна робоча напруга

• Максимально безпечна вхідна напруга

• Вимоги до початкової напруги

• Напруга відключення

• Вхідний діапазон регулятора напруги

• Напруга двигуна, нагрівача або приводу

• Вхідна і вихідна напруга зарядного пристрою

Максимальна напруга повністю зарядженого акумулятора має залишатися в безпечному діапазоні кожного підключеного компонента.

2. Визначте профіль навантаження

запис:

• Струм очікування

• Типовий робочий струм

• Максимальний безперервний струм

• Піковий струм

• Пікова тривалість

• Струм запуску або зупинки

• Добовий час роботи

• Необхідний час роботи на одному заряді

Сам по собі середній струм може не виявити, чи можуть клітини, BMS і роз’єм підтримувати короткочасні події високого струму.

3. Обчисліть необхідну енергію

Першу оцінку можна розрахувати за допомогою:

Необхідна енергія у Вт·год = Середня потужність у Вт × Час роботи в годинах

Практичний дизайн також повинен враховувати:

• Втрати перетворення напруги

• Старіння батареї

• Втрата низькотемпературної ємності

• Просадка напруги під високим навантаженням

• Резервна потужність

• Споживання BMS

• Споживання пристрою в режимі очікування

• Дозволена глибина розвантаження

4. Виберіть кількість серій

Виберіть кількість серійних груп, необхідних для відповідності напрузі пристрою.

Не використовуйте лише номінальну напругу. перевірити:

• Максимальна напруга заряду

• Типовий робочий діапазон

• Напруга відключення BMS

• Поріг зниження напруги пристрою

• Напруга зарядного пристрою

• Номінальна напруга компонентів

5. Виберіть Паралельний підрахунок

Визначте, яку потужність і силу струму може забезпечити одна серія. Додавайте паралельні комірки лише тоді, коли це потрібно для енергії, часу роботи, струму або упаковки.

Більше паралельних комірок також додає вагу, об’єм, вартість, точки зварювання та енергію пошкодження.

6. Спроектуйте систему захисту

Визначити:

• Хімія

• Кількість серій

• Ємність упаковки

• Обмеження струму заряду

• Безперервний струм розряду

• Піковий струм і тривалість

• Поріг перевищення вартості

• Поріг перерозряду

• Поріг перевантаження по струму

• Реакція на коротке замикання

• Температурні межі

• Стратегія балансування

• Вимоги до спілкування

7. Перевірте зарядний пристрій і роз’єм

Зарядний пристрій повинен відповідати повній комплектації, а основний роз'єм і дроти повинні підтримувати реальний струм.

Перед виготовленням зразків слід задокументувати серію роз’єму, полярність, розводку, калібр дроту, довжину кабелю та з’єднання балансу.

8. Створення та тестування зразків

Перевірку слід завершити всередині фактичного пристрою.

Відповідні тести можуть включати:

• Сумісність із зарядкою

• Напруга повного заряду

• Індивідуальна послідовно-групова напруга

• Балансування клітин

• Час виконання

• Падіння напруги на максимальному навантаженні

• Відповідь на піковий струм

• Підвищення температури

• Поведінка відключення BMS

• Захист від короткого замикання

• Підігрів роз'єму

• Прокладка кабелю

• Підгонка корпусу

• Ефективність при падінні та вібрації

• Повторне циклювання

• Зберігання та саморозряд

The Система контролю якості літій-полімерної батареї надає додаткову інформацію про випробування елементів, перевірку складання, електричну перевірку та контроль готової упаковки.

Приклади робочої конфігурації

Приклад 1: Компактний пристрій стеження

Припустімо, що трекер працює від одноелементної платформи напруги та потребує більше часу роботи, ніж може забезпечити одна комірка на 1000 мАг.

Можлива конфігурація:

• Елемент: 3,7 В, 1000 мАг

• Структура: 1С2П

• Напруга пакета: 3,7 В номінальна

• Ємність упаковки: 2000 мАг

• Номінальна енергія: 7,4 Вт*год

Конструкція зберігає зарядну напругу для одного елемента, але вимагає схеми захисту та роз’єму, що підходить для комбінованого струму та ємності.

Приклад 2: Портативний пристрій потребує 7,4 В

Припустімо, портативному продукту потрібно приблизно 7,4 В і 2000 мАг.

Використання елементів 3,7 В, 2000 мАг:

• Будова: 2С1П

• Напруга в упаковці: 7,4 В номінальна

• Ємність упаковки: 2000 мАг

• Номінальна енергія: 14,8 Вт·год

• Типова напруга повного заряду: 8,4 В

Для комплекту потрібна система захисту 2S і літій-іонний зарядний профіль 8,4 В.

Приклад 3: робот потребує вищої напруги та потужності

Припустимо, для робота потрібно 11,1 В номіналу і 4000 мАг. Використання елементів 2000 мАг:

• Структура: 3S2P

• Всього комірок: 6

• Напруга пакета: 11,1 В номінальна

• Ємність: 4000 мАг

• Номінальна енергія: 44,4 Вт*год

• Типова напруга повного заряду: 12,6 В

BMS має контролювати три групи серій, одночасно підтримуючи нормальний струм робота, стрибок при запуску та можливий струм зупинки двигуна.

Поширені помилки при проектуванні послідовної та паралельної батареї

Інформація, яку необхідно надати для спеціальної батареї

Виробник може точніше оцінити послідовну та паралельну конфігурацію, якщо доступна така інформація.

Вимоги до пристрою

• Тип продукту

• Необхідний діапазон вхідної напруги

• Максимально безпечна вхідна напруга

• Типовий робочий струм

• Максимальний безперервний струм

• Піковий струм і тривалість

• Необхідний час виконання

• Спосіб зарядки

• Робоча температура

• Доступне місце для акумулятора

• Цільова вага упаковки

Вимоги до акумулятора

• Бажана хімія

• Номінальна напруга пакета

• Необхідна місткість

• Потреба в енергії

• Очікувана послідовна та паралельна конфігурація

• Цільовий цикл життя

• Час зарядки

• Необхідна швидкість розряду

• Вимоги до низьких або високих температур

• Вимога високовольтної клітини

Вимоги до захисту

• PCM або BMS

• Захист від перезаряду та перерозряду

• Захист від перевантаження по струму та короткого замикання

• Кількість і розташування датчиків температури

• Балансування клітин

• Датчик рівня палива

• Дисплей стану заряду

• SMBus, CAN або інший протокол зв’язку

• Автентифікація або ідентифікація акумулятора

• Вимоги до запобіжника або захисту розгалужень

Механічні вимоги та вимоги до підключення

• Максимальна товщина, ширина і довжина

• Облаштування клітини

• Корпус або обгортка

• Виробник роз'єму та номер деталі

• Полярність і цоколевка

• Калібр дроту

• Довжина кабелю

• Свинець балансу

• NTC або комунікаційні дроти

• Кріплення та розвантаження

• Вимоги щодо вібрації та падіння

The літієву батарею слід вказувати як повну систему, а не лише як значення напруги та мАг.

Висновок

Послідовні та паралельні з’єднання служать різним цілям у акумуляторі LiPo.

Послідовне з’єднання підвищує напругу акумулятора, зберігаючи ємність в А·год одного послідовного шляху. Паралельне з’єднання зберігає напругу однієї комірки, додаючи ємність і потенційно збільшуючи потужність струму. Послідовно-паралельна структура поєднує обидва ефекти.

Ці електричні правила є лише відправною точкою. Готовий пакет також повинен враховувати максимальну напругу заряду, ват-годин, навантаження пристрою, відповідність елементів, розподіл струму, балансування, струм BMS, температуру, проводку, роз’єми, сумісність із зарядними пристроями та механічний захист.

Для пакетів з кількома серіями система захисту повинна контролювати напругу окремих серійних груп і збігатися з точною кількістю серій. Для паралельних конструкцій дуже важливі тісно підібрані комірки та контрольовані шляхи струму. У будь-якому випадку теоретичні значення мають бути підтверджені шляхом тестування на рівні упаковки та на рівні пристрою перед виробництвом.

Часті запитання

Чи збільшує ємність послідовне підключення акумуляторів LiPo?

Це збільшує загальну збережену енергію та напругу акумулятора, але номінальна ємність Аг або мАг залишається рівною ємності одного послідовного шляху. Дві елементи 3,7 В, 1000 мАг, з’єднані послідовно, утворюють пакет 7,4 В, 1000 мАг.

Чи підвищує напругу паралельне підключення LiPo акумуляторів?

Ні. Паралельні комірки зберігають напругу однієї комірки, поки їх ємності додаються. Два паралельних елемента 3,7 В, 1000 мАг утворюють пакет 3,7 В, 2000 мАг.

Яка різниця між 2S2P і 4S1P?

Пакет 2S2P має дві послідовні групи з двома паралельними комірками в кожній групі. Пакет 4S1P складається з чотирьох послідовно з’єднаних елементів, тому він забезпечує вдвічі більшу номінальну напругу, але вдвічі меншу ємність в А·год, якщо використовуються ідентичні елементи.

Чи потрібна пакету 2S2P 2S або 4S BMS?

Зазвичай для цього потрібен 2S BMS, оскільки система захисту контролює дві групи послідовної напруги. BMS також має підтримувати загальну ємність, струм заряду, струм розряду та вимоги до балансування двох паралельних груп.

Чи можна паралельно з’єднати елементи LiPo різної ємності?

Зазвичай їх не слід об’єднувати в OEM-пакет, якщо повний дизайн не був спеціально оцінений. Різниця в потужності, опорі, віці або стані може призвести до нерівномірного розподілу струму та прискореної деградації.

Чи можна з’єднати дві захищені LiPo батареї паралельно?

Лише якщо акумуляторна система розроблена для роботи паралельного модуля. Необхідно врахувати різницю напруги пакета, зворотний струм, взаємодію BMS, послідовність підключення та захист відгалуження.

Чи подвоює розрядний струм додавання паралельних елементів?

Це може збільшити доступний струм, якщо використовуються ідентичні комірки та збалансовані шляхи струму, але безпечний струм готової упаковки все ще обмежується BMS, вкладками, з’єднаннями, проводкою, роз’ємом, температурою та поведінкою розподілу струму.

Яка конфігурація забезпечує довший час роботи: послідовна чи паралельна?

Тривалість роботи не можна визначити лише за показником S або P. Порівняйте загальну кількість ват-годин і перевірте весь пристрій, тому що вхідна напруга, ефективність перетворення, поведінка навантаження, напруга відключення, температура та швидкість розряду також впливають на корисний час роботи.