Послідовні та паралельні акумуляторні батареї: яка конфігурація підходить для OEM-пристрою?

Спосіб підключення літій-іонних елементів визначає основну електричну поведінку акумуляторної батареї.

• Послідовне з'єднання підвищує напругу.

• Паралельні з'єднання збільшують потужність і силу струму.

• Послідовно-паралельні конфігурації збільшують напругу та ємність одночасно.

Для пристрою OEM правильна конфігурація акумуляторної батареї має відповідати:

• Діапазон напруги пристрою

• Необхідна місткість

• Безперервний і піковий струм

• Цільове виконання

• Конструкція зарядного пристрою

• Вимоги до BMS або PCM

• Доступне місце для установки

• Обмеження по вазі та температурі

• Вимоги до виробництва та випробувань

Тому вибір між послідовним і паралельним з’єднанням – це не лише електричний розрахунок. Це проектне рішення системного рівня.

Швидка відповідь: послідовні та паралельні акумуляторні батареї

Наприклад, використовуючи елементи 3,7 В, 2500 мАг:

• 2S1P = 7,4 В, 2500 мАг

• 1S2P = 3,7 В, 5000 мАг

• 2S2P = 7,4 В, 5000 мАг

Правильна конфігурація залежить від цільової напруги, потужності, струму та механічної конструкції.

1. Що означають 'S' і 'P'?

Конфігурацію акумуляторної батареї зазвичай пишуть літерами S і P.

S означає серію

Число перед S вказує на кількість комірок або груп комірок, з’єднаних послідовно.

приклади:

• 1S: одна група клітин послідовно

• 2S: дві групи клітин послідовно

• 3S: три групи клітин послідовно

• 4S: чотири групи клітин послідовно

Послідовне з'єднання підвищує напругу.

P означає паралельний

Число перед P вказує на кількість комірок, з’єднаних паралельно в кожній послідовній групі.

приклади:

• 1P: одна клітинка в кожній паралельній групі

• 2P: дві клітини паралельно

• 3P: три клітини паралельно

• 4П: чотири клітини паралельно

Паралельні з'єднання збільшують потужність і силу струму.

Загальна кількість клітин

Загальна кількість комірок:

Загальна кількість клітинок = S × P

Наприклад:

• 2S1P = 2 кл

• 1S2P = 2 клітини

• 2S2P = 4 клітини

• 3S2P = 6 клітин

2. Як працюють серійні акумуляторні блоки

Клітини, з’єднані послідовно, з’єднуються впритул. Позитивна клема однієї комірки з’єднується з негативною клемою наступної комірки.

Для відповідних клітинок у серії:

Напруга пакета = Напруга елемента × Кількість елементів у серії

Ємність в ампер-годинах залишається приблизно рівною ємності однієї комірки або однієї паралельної групи.

Приклад: 2S1P Pack

Припустимо, що кожна клітинка має:

• Номінальна напруга: 3,7 В

• Ємність: 2500 мАг

Пакет 2S1P забезпечує:

• Напруга: 3,7 В × 2 = 7,4 В

• Ємність: 2500 мАг

• Енергія: 7,4 В × 2,5 А·год = 18,5 Вт·год

Результат:

7,4 В, 2500 мАг, 18,5 Вт·год

Приклад: 3S1P Pack

Використовуючи однакові клітинки:

• Напруга: 3,7 В × 3 = 11,1 В

• Ємність: 2500 мАг

• Енергія: 11,1 В × 2,5 А·год = 27,75 Вт·год

Результат:

11,1 В, 2500 мАг, 27,75 Втч

Послідовна конфігурація підходить, коли пристрій або система живлення потребують вищої номінальної напруги.

3. Як працюють паралельні батарейні блоки

Паралельно з’єднані клітини мають позитивні клеми, з’єднані разом, а негативні – разом.

Для відповідних клітинок паралельно:

Місткість упаковки = Ємність комірок × Кількість комірок паралельно

Напруга залишається приблизно рівною напрузі однієї комірки або однієї послідовної групи.

Приклад: пакет 1S2P

Припустимо, що кожна клітинка має:

• Номінальна напруга: 3,7 В

• Ємність: 2500 мАг

Пакет 1S2P забезпечує:

• Напруга: 3,7 В

• Ємність: 2500 мАг × 2 = 5000 мАг

• Енергія: 3,7 В × 5 А·год = 18,5 Вт·год

Результат:

3,7 В, 5000 мАг, 18,5 Вт·год

Паралельна конфігурація підходить, коли пристрій працює при тій самій напрузі, що й одна комірка або послідовна група, але потребує більшої ємності, довшого часу роботи або більшого струму.

4. Послідовність проти паралельності: що змінилося?

Детальні формули ємності описані в Як розрахувати ємність літій-іонного акумулятора.

5. Що таке послідовно-паралельний акумулятор?

Більшість спеціалізованих комплектів батарей OEM використовують комбінацію послідовних і паралельних з’єднань.

Послідовно-паралельний пакет використовує:

• Послідовне з'єднання для досягнення необхідної напруги;

• Паралельні з'єднання для досягнення необхідної потужності та струму.

Приклад: пакет 2S2P

Використання чотирьох елементів 3,7 В, 2500 мАг:

• Кількість серій: 2

• Паралельний рахунок: 2

• Всього комірок: 4

• Номінальна напруга: 7,4 В

• Ємність: 5000 мАг

• Енергія: 37 Вт*год

Розрахунок:

3,7 В × 2 = 7,4 В

2500 мАг × 2 = 5000 мАг

7,4 В × 5 А·год = 37 Вт·год

Результат:

7,4 В, 5000 мАг, 37 Вт*год

Конфігурація 2S2P може підійти для OEM-пристрою, якому потрібна платформа 7,4 В і більше енергії, ніж може забезпечити пакет 2S1P.

6. Практичне порівняння за допомогою одних і тих же двох клітинок

Використовуючи дві ідентичні елементи 3,7 В, 2500 мАг, елементи можна з’єднувати різними способами.

Обидві конфігурації містять приблизно однакову номінальну енергію, оскільки вони використовують однакові дві комірки. Однак вони не взаємозамінні.

Прилад повинен бути розроблений для правильного:

• Вхідна напруга;

• Напруга зарядки;

• поточний;

• BMS;

• роз'єм;

• Механічна схема.

Це важливий момент для дизайну OEM: дві батареї можуть мати однакову потужність у ват-годинах, але все одно не підходити для одного продукту.

7. Коли пристрій OEM має використовувати конфігурацію серії?

Послідовна конфігурація зазвичай розглядається, коли пристрій потребує вищої напруги, ніж може забезпечити один елемент.

Серед типових причин:

• Двигун або система живлення потребують вищої напруги;

• Вища напруга може зменшити струм для даного рівня потужності;

• У пристрої вже використовується електрична архітектура 2S, 3S або 4S;

• Для перетворювача або контролера двигуна необхідна вища напруга;

• Доступні компоненти системи розроблені для певної платформи напруги.

Для навантаження постійної потужності:

Струм = Потужність ÷ Напруга

За тієї самої потужності вища напруга батареї може зменшити струм, що споживається з блоку. Це може вплинути на розмір провідника, вибір роз’єму та конструкцію керування живленням.

Проте вища напруга автоматично не означає кращу продуктивність. Електроніка пристрою, зарядний пристрій, ізоляція, BMS і контролер двигуна повинні підтримувати вибрану напругу.

Практичні порівняння рівнів напруги див Акумуляторні блоки 7,4 В проти 11,1 В та 14,8 В.

8. Коли пристрій OEM має використовувати паралельну конфігурацію?

Паралельна конфігурація зазвичай розглядається, коли пристрій потребує більшої потужності або більшого струму за тієї самої номінальної напруги.

Серед типових причин:

• Довший час роботи;

• Вищий безперервний струм;

• Короткий сильний попит;

• Більше енергії на тій самій платформі напруги;

• Використання камери з обмеженою індивідуальною місткістю;

• Необхідно розподілити струм між кількома осередками.

Паралельні комірки можуть спільно використовувати струм, але проект все одно повинен враховувати:

• Зіставлення клітинок;

• Розподіл струму;

• Опір з'єднання;

• температура клітини;

• Якість зварювання;

• BMS або дизайн захисту;

• Механічна опора.

Паралельні комірки не слід розглядати як автоматично ідентичні. Різниця у внутрішньому опорі або стані заряду може вплинути на розподіл струму та довгострокову стабільність упаковки.

9. Вимоги до відповідності клітинок

Як послідовні, так і паралельні батарейні блоки потребують сумісних елементів.

Клітини, що використовуються в одній упаковці, повинні відповідати відповідним характеристикам, таким як:

• модель;

• Номінальна місткість;

• напруга;

• внутрішній опір;

• Виробнича партія;

• стан старіння;

• Історія температури.

Чому відповідність важлива в серійних пакетах

У послідовному пакеті найслабша клітина може досягти своєї верхньої або нижньої межі напруги раніше за інших елементів. Це може зменшити корисну ємність упаковки та спричинити передчасне відключення захисту.

Чому відповідність важлива в паралельних пакетах

У паралельній групі елементи з різною напругою або внутрішнім опором можуть розподіляти струм нерівномірно. Один елемент може нести більше навантаження або отримувати більший зарядний струм, ніж інший.

Щоб отримати додаткові відомості про неузгодженість пакетів і відмінності клітинок, див Чому літій-іонні акумулятори стають несумісними і що робити.

10. Вимоги BMS для послідовних і паралельних пакетів

Система керування акумулятором має відповідати конфігурації пакета.

Пакети серії

Упаковка з кількома клітинами в серії зазвичай потребує моніторингу окремих груп клітин.

BMS може знадобитися надати:

• Моніторинг напруги клітини;

• Балансування клітин;

• Захист від перезаряду;

• Захист від перерозряду;

• Захист від перевантаження по струму;

• Захист від короткого замикання;

• Контроль температури.

У міру збільшення кількості серій BMS має бути розраховано на відповідну кількість комірок.

Паралельні пакети

Паралельні комірки можуть використовувати одну точку вимірювання напруги, але BMS або система захисту все одно повинні враховувати:

• Загальний струм;

• Зіставлення клітинок;

• температура;

• Поведінка зарядки;

• Опір з'єднання;

• Умови несправності.

Послідовно-паралельні пакети

Послідовно-паралельний пакет зазвичай вимагає, щоб BMS відстежувала кожну послідовну групу, керуючи загальним струмом пакета.

BMS слід вибирати на етапі проектування акумулятора, а не додавати після завершення конфігурації елемента.

11. Вимоги до зарядки

Послідовні та паралельні конфігурації вимагають різних аспектів заряджання.

Серія Зарядка

Зарядний пристрій повинен підтримувати загальну послідовну напругу.

Наприклад:

• 1S pack: зарядний пристрій, розрахований на один елемент;

• 2S pack: зарядний пристрій для акумулятора 2S;

• 3S pack: зарядний пристрій для акумулятора 3S;

• Комплект 4S: зарядний пристрій, призначений для акумулятора 4S.

Зарядний пристрій, призначений для однієї клітинки, не слід використовувати безпосередньо з багатосерійною упаковкою.

Паралельна зарядка

Паралельна батарея все ще використовує напругу одного елемента або однієї послідовної групи, але системі заряджання може знадобитися забезпечити більше струму або прийняти довший час заряджання.

Послідовно-паралельний заряд

Система зарядки повинна відповідати обом:

• Загальна послідовна напруга;

• Вимоги до ємності упаковки та зарядного струму.

Зарядний пристрій, акумулятор і BMS слід тестувати як одну систему.

12. Зіставте конфігурацію з пристроєм OEM

Правильна конфігурація залежить від фактичних вимог пристрою.

Це лише попередня інструкція щодо вибору. Остаточна конфігурація також повинна бути перевірена відповідно до поточного попиту, розмірів, зарядки, температури та виробничих вимог.

13. Приклад OEM: Вибір конфігурації для пристрою 7,4 В

Припустімо, що продукт OEM вимагає:

• Номінальна напруга: приблизно 7,4 В;

• Цільова ємність: 5000 мАг;

• Постійний струм: помірний;

• Компактний прямокутний акумуляторний відсік;

• Акумуляторна робота;

• Моніторинг на клітинному рівні.

Попередня конфігурація може бути:

2S2P з використанням елементів 3,7 В, 2500 мАг

Розрахунок:

• Напруга: 3,7 В × 2 = 7,4 В;

• Ємність: 2500 мАг × 2 = 5000 мАг;

• Всього клітин: 2 × 2 = 4 клітини;

• Номінальна енергія: 7,4 В × 5 А·год = 37 Вт·год.

Команда проектувальників повинна підтвердити:

• Чи сумісний діапазон напруги 2S з пристроєм;

• Чи потрібна 2S BMS з балансуванням;

• Чи можуть клітини підтримувати струм;

• Чи призначений зарядний пристрій для 2S;

• Чи підходить упаковка до корпусу;

• Чи підтримує роз'єм необхідний струм;

• Чи пройшов акумулятор планове тестування.

ЗЕРНЕ Сторінку літієвої батареї 7,4 В можна використовувати як еталон на рівні продукту для конфігурацій батареї 2S, тоді як нестандартні конструкції слід оцінювати порівняно з фактичним пристроєм OEM.

14. Приклад конфігурації для пристрою з високою напругою

Припустімо, що інший продукт OEM вимагає:

• Номінальна напруга: приблизно 11,1 В;

• Ємність: 5000 мАг;

• Стабільний вихід при безперервній роботі.

Попередня конфігурація може бути:

3S2P з використанням елементів 3,7 В, 2500 мАг

Розрахунок:

• Напруга: 3,7 В × 3 = 11,1 В;

• Ємність: 2500 мАг × 2 = 5000 мАг;

• Всього клітин: 3 × 2 = 6 клітин;

• Номінальна енергія: 11,1 В × 5 А·год = 55,5 Вт·год.

Для блоку напруги 11,1 В потрібен зарядний пристрій і BMS, призначені для конфігурації 3S.

Для наявного посилання на продукт див. ZERNE's Сторінка літієвої батареї 11,1 В.

15. Міркування щодо механічної конструкції

Послідовні та паралельні з’єднання також впливають на фізичну структуру упаковки.

Дизайнер повинен враховувати:

• орієнтація комірки;

• Відстань між осередками;

• Зварювальні точки;

• Шини або провідники;

• Ізоляція;

• розташування BMS;

• Прокладка кабелю;

• Розташування коннектора;

• Розміри корпусу;

• Тепловіддача;

• Точки кріплення;

• Вібрація та удар.

Електрично правильна конфігурація все ще може бути непридатною, якщо вона не підходить для доступного корпусу.

Для циліндричних комірок розміщення комірок може впливати на ширину, довжину та висоту упаковки. Для пакетів із мішками послідовне та паралельне розташування вкладок може впливати на внутрішнє розташування та вихід кабелю.

Детальні зазори в батарейному відсіку, допуски на стиснення та розбухання слід обробляти окремо в Конструкція відсіку для акумулятора LiPo: зазор і здуття.

16. Поширені помилки послідовного та паралельного проектування

Помилка 1: припущення, що серія збільшує мАг

Послідовні з’єднання збільшують напругу, а не зазвичай ампер-годинну ємність.

Помилка 2: припущення, що паралель збільшує напругу

Паралельні комірки зберігають приблизно таку ж напругу, як одна комірка або одна послідовна група.

Помилка 3: використання зарядного пристрою для неправильної кількості серій

Зарядний пристрій для упаковки 1S не підходить для упаковки 2S, 3S або 4S.

Помилка 4: з’єднання невідповідних клітинок

Різна ємність, стійкість або умови старіння можуть знизити консистенцію упаковки та корисну продуктивність.

Помилка 5: вибір BMS після макета пакета

Кількість серій, поточний попит і вимоги до зв’язку повинні бути відомі до вибору BMS.

Помилка 6: порівнюйте лише мАг

Батарея на 3,7 В, 5000 мАг і 7,4 В, 5000 мАг не містять однакову кількість енергії.

Помилка 7: Ігнорування пікового струму

Конфігурація повинна підтримувати пікове споживання пристрою, а не лише його середній струм.

17. Контрольний список послідовної та паралельної батареї

Перед затвердженням конфігурації батареї підтвердьте:

• Номінальна напруга пристрою;

• Мінімальна і максимальна напруга пристрою;

• Цільова ємність;

• Безперервний струм;

• Піковий струм;

• Необхідна кількість серій;

• Необхідний паралельний рахунок;

• модель і ємність комірки;

• Загальна кількість клітин;

• Вимоги до відповідності клітинок;

• структура BMS або PCM;

• сумісність із зарядним пристроєм;

• Роз’єм і кабель;

• Механічна посадка;

• Температурний режим;

• цільове виконання;

• Вимоги до тестування;

• Очікуваний обсяг виробництва.

Більш широкі критерії конструкції акумулятора див Дизайн літій-іонної батареї: напруга, ємність, BMS і час роботи.

FAQ

Яка різниця між послідовним і паралельним акумулятором?

Послідовна батарея збільшує напругу, тоді як паралельна батарея збільшує ємність і силу струму. Послідовно-паралельний пакет поєднує обидва ефекти.

Чи збільшує ємність послідовне підключення батарей?

Зазвичай ні. Послідовне з’єднання елементів однакової ємності підвищує напругу, а ємність в ампер-годинах залишається приблизно однаковою.

Чи збільшується напруга при паралельному з'єднанні батарей?

Зазвичай ні. Паралельне з’єднання елементів однакової напруги збільшує ємність, зберігаючи приблизно однакову напругу.

Що означає 2S2P?

2S2P означає дві групи комірок, з’єднаних послідовно, з двома комірками, з’єднаними паралельно в кожній групі. Всього він містить чотири клітини.

Яка ємність акумулятора 2S2P із елементами 2500 мАг?

Ємність акумулятора становить близько 5000 мАг. Якщо елементи мають номінальну напругу 3,7 В, напруга пакета становить приблизно 7,4 В.

Чи потрібна серія акумуляторних блоків BMS?

Багатосерійні літієві акумуляторні батареї зазвичай потребують відповідного захисту та балансування. Точна структура BMS залежить від хімічного складу елемента, кількості серій, струму, зарядного пристрою та застосування.

Послідовно-паралельні батарейні блоки кращі за лише послідовні чи лише паралельні?

Не автоматично. Послідовно-паралельна конфігурація корисна, коли пристрій вимагає як вищої напруги, так і більшої потужності, але остаточний вибір залежить від програми та фізичних обмежень.

Чи можна з’єднувати різні елементи батареї паралельно?

Елементи не можна з’єднувати випадково, якщо вони відрізняються моделлю, ємністю, напругою, внутрішнім опором або станом. Кваліфікована конструкція батареї повинна використовувати сумісні та правильно підібрані елементи.

Висновок

Основне правило конфігурації акумуляторної батареї:

Серія підвищує напругу.

Паралельне підключення збільшує потужність і силу струму.

Послідовно-паралельний збільшує як напругу, так і ємність.

Для пристрою OEM правильна конфігурація також має відповідати:

• Діапазон напруги;

• Ємність і енергія;

• поточний попит;

• зарядний пристрій;

• BMS;

• Зіставлення клітинок;

• Механічний простір;

• роз'єм;

• температура;

• Вимоги до тестування.

Наприклад:

• 2S1P забезпечує більш високу напругу;

• 1S2P забезпечує більш високу ємність при однаковій напрузі елемента;

• 2S2P забезпечує як вищу напругу, так і більшу ємність.

Якщо ви розробляєте спеціальну батарею, поділіться напругою пристрою, цільовою ємністю, поточним попитом, розмірами, способом заряджання та очікуваною кількістю з технічною командою ZERNE. ZERNE надає індивідуальні літієві акумуляторні батареї для проектів OEM та ODM і може допомогти оцінити відповідну послідовну, паралельну або послідовно-паралельну конфігурацію.