Bộ pin LiPo nối tiếp và song song: Yêu cầu về điện áp, công suất và bảo vệ

Kết nối nối tiếp và song song cho phép các nhà sản xuất pin xây dựng một gói xoay quanh các yêu cầu về điện áp, công suất, thời gian chạy và nguồn điện của thiết bị.

Các quy tắc cơ bản có vẻ đơn giản: kết nối nối tiếp tăng điện áp, trong khi kết nối song song tăng công suất. Tuy nhiên, trên thực tế, việc chọn cấu hình cũng ảnh hưởng đến điện áp sạc, khả năng dòng điện, cân bằng tế bào, hệ thống dây điện, mạch bảo vệ, bố trí vật lý và hành vi lỗi.

Bộ pin lipo 2S1P và bộ pin lipo 1S2P có thể chứa cùng số lượng tế bào và lưu trữ tổng năng lượng gần như nhau, nhưng chúng không thể thay thế cho nhau. Một cái cung cấp điện áp cao hơn, trong khi cái còn lại giữ lại điện áp một ô và cung cấp công suất ampe giờ lớn hơn.

Hướng dẫn này giải thích cách hoạt động của các bộ pin LiPo nối tiếp, song song và song song, cách tính toán các thông số điện chính của chúng và những yêu cầu bảo vệ nào cần được xem xét trước khi chọn cấu trúc gói.

Bài học chính

• Các tế bào được kết nối nối tiếp sẽ tăng điện áp gói nhưng không tăng công suất ampe giờ của chúng.

• Các ô được kết nối song song sẽ tăng công suất trong khi vẫn giữ được điện áp của một ô.

• Cấu hình nối tiếp song song làm tăng cả điện áp và công suất.

• Chữ S cho biết số lượng nhóm ô được kết nối nối tiếp.

• Chữ P cho biết số lượng ô được kết nối song song trong mỗi nhóm.

• Gói 2S2P chứa bốn ô được sắp xếp thành hai nhóm chuỗi với hai ô trong mỗi nhóm song song.

• Watt-giờ cung cấp khả năng so sánh năng lượng tốt hơn mAh khi các gói có điện áp khác nhau.

• Các nhóm nối tiếp yêu cầu giám sát điện áp riêng và có thể yêu cầu cân bằng.

• Các tế bào trong nhóm song song phải được kết hợp chặt chẽ và đưa đến điện áp phù hợp trước khi kết nối vĩnh viễn.

• Bảng bảo vệ phải phù hợp với thành phần hóa học của tế bào, số dòng, điện áp sạc, dòng điện liên tục, dòng điện cực đại và các chức năng cần thiết.

• Việc thêm các ô song song không tự động tăng gấp đôi dòng điện gói an toàn trong mọi điều kiện hoạt động.

• Không nên kết hợp các gói có điện áp, công suất, độ tuổi hoặc trạng thái sạc khác nhau nếu không có thiết kế kỹ thuật.

• Cấu hình pin, bộ sạc, BMS, đầu nối, hệ thống dây điện và hệ thống nguồn của thiết bị phải được đánh giá cùng nhau.

1S, 2S, 2P và 2S2P có nghĩa là gì?

Cấu hình bộ pin thường được mô tả bằng chữ S và P.

• S có nghĩa là chuỗi.

• P có nghĩa là song song.

• Số trước mỗi chữ cái cho biết có bao nhiêu ô hoặc nhóm ô sử dụng kết nối đó.

Các ví dụ phổ biến bao gồm:

Tổng số ô có thể được tính như sau:

Tổng số ô = Số lượng chuỗi × Số lượng song song

Ví dụ:

3S2P = 3 × 2 = 6 ô

Trong hầu hết các thông số kỹ thuật của pin, cấu hình chỉ được viết là '2S' được hiểu là 2S1P trừ khi số lượng song song được nêu riêng. Tuy nhiên, đối với một dự án OEM, cả hai giá trị này phải được ghi lại để tránh sự mơ hồ.

Sơ lược về các gói pin LiPo song song và song song

Sự so sánh sau đây giả định các tế bào giống hệt nhau có cùng thành phần hóa học, điện áp danh định, công suất và khả năng phóng điện.

Đây là những nguyên tắc cấu hình chứ không phải là xếp hạng được đảm bảo khi đóng gói thành phẩm. Hiệu suất thực tế có thể bị giới hạn bởi thông số kỹ thuật của tế bào, các kết nối, bảng bảo vệ, đầu nối, kích thước cáp, nhiệt độ và thiết kế sản phẩm.

Cách hoạt động của bộ pin LiPo Series

Các ô được kết nối nối tiếp bằng cách nối cực dương của ô này với cực âm của ô tiếp theo. Hai thiết bị đầu cuối bên ngoài còn lại tạo thành đầu ra gói.

Dòng điện giống nhau đi qua mọi ô hoặc nhóm song song trong đường nối tiếp.

Kết nối nối tiếp ảnh hưởng đến điện áp như thế nào

Điện áp danh nghĩa của gói là tổng điện áp danh định của các ô nối tiếp:

Điện áp danh định của gói = Điện áp danh định của ô × Số lượng sê-ri

Đối với tế bào 3,7 V tiêu chuẩn:

Điện áp sạc đầy được tính như sau:

Điện áp gói tối đa = Giới hạn sạc di động × Số sê-ri

Giá trị 4,2 V áp dụng cho pin lithium-ion polymer thông thường được thiết kế cho giới hạn điện tích đó. Hóa học điện áp cao có thể yêu cầu 4,35 V, 4,4 V hoặc giới hạn quy định khác cho mỗi tế bào.

Một sản phẩm được thiết kế xung quanh do đó, pin LiPo điện áp cao cần có bộ sạc và hệ thống bảo vệ tương thích. Không bao giờ nên giả định giới hạn sạc trên mỗi ô cao hơn chỉ từ điện áp danh định.

Kết nối sê-ri ảnh hưởng đến công suất như thế nào

Việc kết nối nối tiếp các ô 1000 mAh giống hệt nhau không làm tăng xếp hạng mAh của chúng.

Ví dụ:

• Một pin 3,7 V 1000 mAh: 3,7 V, 1000 mAh

• Hai ô nối tiếp: 7,4 V, 1000 mAh

• Ba ô nối tiếp: 11,1 V, 1000 mAh

Gói chứa nhiều năng lượng hơn vì điện áp của nó tăng lên, mặc dù giá trị Ah không thay đổi.

Kết nối sê-ri ảnh hưởng đến hiện tại như thế nào

Trong gói 2S1P, dòng điện giống nhau đi qua cả hai ô. Nếu ô được xếp hạng cho một dòng điện liên tục nhất định, việc thêm một ô giống hệt khác nối tiếp sẽ không tự động tăng gấp đôi xếp hạng hiện tại đó.

Dòng điện của gói thành phẩm bị giới hạn bởi giá trị áp dụng thấp nhất trong số:

• Dòng xả liên tục của tế bào

• Khả năng dòng điện cực đại của tế bào

• Xếp hạng hiện tại PCM hoặc BMS

• MOSFET và thiết kế theo dòng điện

• Dải niken, tab, thanh cái hoặc dung lượng PCB

• Kích thước dây

• Đánh giá kết nối

• Cầu chì hoặc thành phần giới hạn dòng điện

• Điều kiện nhiệt

Điện áp gói cao hơn có thể cho phép thiết bị có được công suất tương tự ở mức dòng điện thấp hơn, nhưng điều đó phụ thuộc vào cấu trúc tải và chuyển đổi năng lượng.

Tại sao các gói sê-ri cần giám sát nhóm di động

Các ô được kết nối nối tiếp không giữ nguyên trạng thái giống hệt nhau hoàn toàn trong suốt thời gian sử dụng của chúng. Những khác biệt nhỏ về công suất, điện trở trong, khả năng tự phóng điện, nhiệt độ và độ lão hóa có thể khiến trạng thái tích điện của chúng khác nhau.

Trong quá trình sạc, một nhóm dòng có thể đạt đến giới hạn điện áp trên trước các nhóm khác. Trong quá trình phóng điện, nhóm yếu nhất có thể đạt đến giới hạn dưới trước.

Do đó, hệ thống bảo vệ và giám sát phải đáp ứng với điện áp của từng nhóm nối tiếp thay vì chỉ dựa vào tổng điện áp của gói.

Ví dụ, tổng số đọc của gói là 8,0 V không chứng tỏ rằng gói 2S là cân bằng. Nó có thể bao gồm:

• 4.0V và 4.0V

• 4,15V và 3,85V

• 4,25V và 3,75V

Ví dụ cuối cùng có cùng điện áp tổng nhưng có thể đã đặt một nhóm vượt quá giới hạn cho phép của nó.

Cách thức hoạt động của bộ pin LiPo song song

Trong kết nối song song, các cực dương được kết nối với nhau và các cực âm được kết nối với nhau.

Do đó, tất cả các ô trong nhóm đều có chung điện áp đầu cuối.

Kết nối song song ảnh hưởng đến điện áp như thế nào

Điện áp vẫn bằng điện áp của một tế bào:

Điện áp gói = Điện áp di động

Đối với hai ô 3,7 V tiêu chuẩn được kết nối song song:

• Điện áp danh định: 3,7 V

• Điện áp sạc đầy điển hình: 4,2 V

• Cấu hình: 1S2P

Việc thêm nhiều ô song song không tạo ra 7,4 V hoặc 11,1 V. Nó tiếp tục tạo thành một nhóm điện áp duy nhất.

Kết nối song song ảnh hưởng đến dung lượng như thế nào

Dung lượng của các ô song song phù hợp chặt chẽ được thêm vào:

Dung lượng gói = Dung lượng ô × Số lượng song song

Đối với các ô 1000 mAh giống hệt nhau:

Điều này làm cho việc xây dựng song song trở nên hữu ích khi ứng dụng cần thời gian hoạt động lâu hơn nhưng phải giữ lại nền điện áp một ô.

Kết nối song song ảnh hưởng đến khả năng hiện tại như thế nào

Về lý thuyết, các tế bào giống hệt nhau được kết nối thông qua các đường dẫn dòng điện cân bằng có thể chia sẻ tải. Do đó, hai ô thích hợp mắc song song có thể cung cấp nhiều dòng điện hơn một ô.

Tuy nhiên, không nên tính dòng điện của gói an toàn bằng cách nhân xếp hạng ô mà không đánh giá thêm.

Việc chia sẻ hiện tại có thể bị ảnh hưởng bởi:

• Sức đề kháng nội tại của tế bào

• Biến thiên công suất

• Chênh lệch nhiệt độ

• Điện trở tab và kết nối

• Vị trí ô trong gói

• Đối xứng định tuyến cáp

• Sự khác biệt về mức phí

• Lão hóa

• Điện trở đầu nối

• Giới hạn của bảng bảo vệ

Một ô có thể mang phần tải lớn hơn nếu nó có điện trở thấp hơn hoặc đường dẫn dòng điện ngắn hơn. Sau đó, gói có thể phát triển nhiệt cục bộ ngay cả khi tổng dòng điện dường như nằm trong giới hạn lý thuyết đơn giản.

Ý nghĩa của tốc độ xả và mối quan hệ của nó với công suất được giải thích rõ hơn trong xếp hạng C của pin lithium polymer có nghĩa là gì.

Các ô song song có cần cân bằng không?

Các ô song song được kết nối trực tiếp có chung điện áp đầu cuối, do đó BMS thường coi nhóm song song hoàn chỉnh là một nút điện áp.

Điều đó không có nghĩa là việc khớp ô là không cần thiết. Điện áp đầu cuối bằng nhau không đảm bảo công suất, điện trở, nhiệt độ hoặc đóng góp dòng điện như nhau.

Các ô được chọn cho một nhóm song song thường phải tương thích:

• Hoá học

• Giới hạn điện áp sạc

• Dung tích

• Kháng nội bộ

• Đặc tính phóng điện

• Lịch sử sản xuất

• Tuổi và tình trạng chu kỳ

• Thiết kế vật lý

• Trạng thái phí khi lắp ráp

Một ô bị hỏng hoặc xuống cấp đáng kể có thể đặt thêm tải lên các ô còn lại và làm giảm độ tin cậy của toàn bộ nhóm.

Tại sao phải kiểm tra điện áp trước khi kết nối song song

Các tế bào ở các điện áp khác nhau không nên được kết nối đơn giản với nhau.

Sau khi được kết nối, tế bào có điện áp cao hơn có thể phóng điện nhanh chóng vào tế bào có điện áp thấp hơn. Dòng cân bằng thu được có thể bị giới hạn chủ yếu bởi điện trở của tế bào và kết nối và có thể cao hơn nhiều so với dòng sạc thông thường.

Vì lý do này, các nhóm song song phải được lắp ráp thông qua quy trình sản xuất được kiểm soát bằng cách sử dụng các ô phù hợp chặt chẽ, đủ tiêu chuẩn. Người dùng cuối không nên thêm pin mới vào gói cũ hoặc kết nối song song hai pin dạng túi rời mà không có thiết kế đã được xác nhận và thiết bị phù hợp.

Cách hoạt động của gói LiPo song song nối tiếp

Gói song song nối tiếp kết hợp cả hai phương thức kết nối.

Hãy xem xét thiết kế 2S2P được tạo từ bốn tế bào 3,7 V, 1000 mAh giống hệt nhau:

1. Hai ô được kết nối song song để tạo thành nhóm 3,7 V, 2000 mAh đầu tiên.

2. Hai ô nữa tạo thành nhóm 3,7 V, 2000 mAh thứ hai.

3. Hai nhóm song song được mắc nối tiếp.

Đặc điểm kỹ thuật lý thuyết kết quả là:

• Điện áp danh định: 7,4 V

• Dung lượng: 2000 mAh

• Năng lượng: 14,8 Wh

• Cấu hình: 2S2P

• Tổng số ô: 4

Các công thức là:

Điện áp gói = Điện áp danh định của tế bào × S

Dung lượng gói = Dung lượng ô × P

Tổng số tế bào = S × P

Năng lượng danh định = Điện áp gói × Dung lượng gói tính bằng Ah

Trong thiết kế này, BMS giám sát hai điện áp nhóm nối tiếp. Mỗi nhóm được giám sát chứa hai ô song song.

Do đó, gói 2S2P không được giám sát như gói 4S. Việc chọn bảng bảo vệ theo tổng số ô riêng lẻ thay vì số lượng chuỗi sẽ không chính xác.

So sánh điện áp, công suất và giờ Watt

Sự khác biệt giữa cấu trúc nối tiếp và song song trở nên rõ ràng hơn khi các gói được so sánh bằng cách sử dụng các tế bào 3,7 V, 1000 mAh giống hệt nhau.

Cả hai ví dụ 2S1P và 1S2P đều chứa hai ô và lưu trữ khoảng 7,4 Wh. Xếp hạng điện áp và công suất của chúng khác nhau, nhưng năng lượng danh định theo lý thuyết của chúng là tương tự nhau.

Chúng vẫn không thể thay thế cho nhau vì thiết bị thấy điện áp đầu vào khác.

Tại sao chỉ riêng mAh không thể so sánh các bộ pin khác nhau

Cả gói 3,7 V 2000 mAh và gói 7,4 V 1000 mAh đều chứa khoảng 7,4 Wh:

3,7 V × 2,0 Ah = 7,4 Wh

7,4 V × 1,0 Ah = 7,4 Wh

Chỉ nhìn vào mAh sẽ khiến gói đầu tiên dường như có dung lượng gấp đôi. Về mặt năng lượng, chúng giống nhau.

Do đó, số watt sẽ hữu ích hơn khi so sánh các gói có điện áp khác nhau.

Tuy nhiên, Wh bằng nhau không đảm bảo thời gian chạy thiết bị giống hệt nhau. Thời gian hoạt động thực tế còn phụ thuộc vào:

• Hiệu suất chuyển đổi điện áp

• Dòng điện của thiết bị ở các điện áp đầu vào khác nhau

• Điện trở trong của pin

• Điện áp cắt

• Tốc độ xả

• Nhiệt độ

• Lão hóa tế bào

• Giảm điện áp bảng bảo vệ

• Công suất sử dụng theo tải thực tế

Cuối cùng, thời gian chạy phải được xác minh trên thiết bị hoàn chỉnh thay vì chỉ được dự đoán từ mAh.

Số lượng dòng cao hơn có cung cấp nhiều năng lượng hơn không?

Việc tăng điện áp có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn, nhưng chỉ khi tế bào, hệ thống bảo vệ, hệ thống dây điện và thiết bị có thể cung cấp và chấp nhận dòng điện cần thiết.

Công suất điện được tính như sau:

Công suất = Điện áp × Dòng điện

Một gói 7,4 V cung cấp 2 A cung cấp khoảng 14,8 W. Một gói 3,7 V sẽ cần cung cấp khoảng 4 A để cung cấp cùng một công suất đầu vào trước khi tính đến tổn thất chuyển đổi.

Đây là một lý do khiến nhà thiết kế có thể chọn gói điện áp cao hơn cho động cơ, máy sưởi, máy bơm, robot hoặc các sản phẩm tiêu thụ điện năng khác. Dòng điện thấp hơn cho cùng một công suất có thể làm giảm tổn thất dây dẫn, nhưng số lượng chuỗi cao hơn cũng làm tăng điện áp của bộ sạc, độ phức tạp của BMS, yêu cầu về điện áp thành phần và các cân nhắc về cách điện.

Việc lựa chọn nên bắt đầu với dải điện áp đầu vào và cấu hình tải của thiết bị thay vì giả định rằng nhiều ô nối tiếp sẽ tự động tốt hơn.

Yêu cầu bảo vệ đối với gói 1S

Gói nối tiếp đơn chỉ có một nhóm điện áp nên không yêu cầu cân bằng giữa các ô nối tiếp.

PCM của nó có thể vẫn cần cung cấp:

• Bảo vệ quá tải

• Bảo vệ quá xả

• Bảo vệ quá dòng

• Bảo vệ ngắn mạch

• Kiểm soát sạc và xả

• Giám sát nhiệt độ

• đầu ra NTC

• Nhận dạng pin

• Đo nhiên liệu hoặc truyền thông

Bộ sạc phải phù hợp với thành phần hóa học của tế bào và điện áp sạc tối đa. PCM làm gián đoạn các tình trạng bất thường nhưng nó không phải là sự thay thế cho bộ sạc được kiểm soát đúng cách.

Trong thiết kế 1S2P hoặc 1S3P, mạch bảo vệ coi nhóm song song là một nút điện áp có công suất lớn hơn. Xếp hạng hiện tại của nó phải dựa trên tải gói hoàn chỉnh chứ không phải dựa trên dung lượng của một ô.

Yêu cầu bảo vệ đối với gói nhiều dòng

Thiết kế dòng 2S, 3S hoặc cao hơn yêu cầu mạch bảo vệ phù hợp với số lượng dòng chính xác đó.

BMS hoặc PCM đa ô có thể cần thực hiện:

• Giám sát điện áp nhóm nối tiếp riêng lẻ

• Đóng gói giám sát hiện tại

• Sạc bảo vệ quá dòng

• Xả bảo vệ quá dòng

• Bảo vệ ngắn mạch

• Cắt quá tải

• Cắt quá xả

• Cân bằng nhóm tế bào

• Giám sát nhiệt độ

• Điều khiển MOSFET

• Ước tính trạng thái phí

• Ghi lỗi

• Giao tiếp với thiết bị chủ

Định mức điện áp của các bộ phận cũng phải phù hợp với điện áp gói tối đa, bao gồm cả biên độ thiết kế phù hợp.

Tại sao tổng điện áp gói không đủ

Chỉ giám sát tổng điện áp không thể xác định một cách đáng tin cậy một nhóm riêng lẻ bị sạc quá mức hoặc xả quá mức.

Vì lý do này, mạch bảo vệ 3S thường cần truy cập vào:

• Gói tiêu cực

• Kết nối sau chuỗi nhóm 1

• Sự kết nối sau loạt bài nhóm 2

• Đóng gói tích cực sau loạt nhóm 3

Do đó, dây giám sát thông thường có nhiều hơn một kết nối điện áp so với số lượng chuỗi:

Kết nối cảm nhận điện áp = S + 1

Gói có BMS tích hợp có thể không hiển thị các kết nối này ra bên ngoài, nhưng chúng vẫn được yêu cầu nội bộ để giám sát từng nhóm sê-ri riêng lẻ.

Cân bằng tế bào làm gì

Cân bằng giúp hạn chế sự khác biệt giữa các nhóm được kết nối theo chuỗi.

Hệ thống cân bằng thụ động thường loại bỏ một lượng nhỏ năng lượng từ nhóm điện áp cao hơn để các nhóm thấp hơn có thể tiếp tục sạc. Các hệ thống cân bằng chủ động tiên tiến hơn có thể phân phối lại năng lượng giữa các nhóm.

Cân bằng không thể chính xác hoàn toàn:

• Một tế bào bị hư hỏng

• Mất công suất nghiêm trọng

• Tự xả cao

• Kết nối điện kém

• Sự khác biệt chính về sức đề kháng nội bộ

• Các ô khớp không chính xác

• Bố cục gói không phù hợp

Cần kiểm tra một gói liên tục xuất hiện sự mất cân bằng lớn thay vì dựa vào mạch cân bằng để che giấu vấn đề cơ bản.

Yêu cầu bảo vệ cho các nhóm song song

Việc xây dựng song song tạo ra một loạt các ưu tiên thiết kế khác nhau.

So khớp ô

Các tế bào nên được lựa chọn từ các nhóm sản xuất và hiệu suất tương thích. Việc trộn lẫn các tế bào có công suất, thành phần hóa học, giới hạn điện áp, độ tuổi hoặc điện trở trong khác nhau có thể gây ra sự chia sẻ dòng điện không đồng đều.

Những tác động thực tế của sự biến đổi tế bào sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong tại sao các bộ pin lithium-ion trở nên không nhất quán.

Thiết kế đường dẫn hiện tại

Điện trở kết nối phải được giữ ở mức thấp và cân bằng hợp lý. Bố cục nên tránh buộc một ô hoặc tab phải mang một phần dòng điện không cân xứng.

Các yếu tố thiết kế bao gồm:

• Hình học tab

• Kích thước dải niken hoặc thanh cái

• Độ dày đồng PCB

• Vị trí kết nối

• Vị trí dẫn đầu

• Chất lượng mối hàn

• Khoảng cách ô

• tản nhiệt

• Vị trí kết nối

Ngăn chặn lỗi

Trong một nhóm song song được kết nối cố định, các tế bào khỏe mạnh có thể cung cấp dòng điện vào một tế bào hoặc nhánh bị hỏng.

Tùy thuộc vào kích thước gói hàng và đánh giá rủi ro, thiết kế có thể yêu cầu:

• Kết nối dễ nóng chảy

• Giới hạn dòng điện nhánh

• Tách nhiệt

• Cảm biến nhiệt độ

• Vật liệu chống cháy

• Rào cản cơ học

• Kết hợp cấp gói

• Không gian thông gió được kiểm soát

• Chức năng phát hiện lỗi bổ sung

Cách tiếp cận được yêu cầu phụ thuộc vào năng lượng của gói, loại tế bào, ứng dụng, vỏ bọc, yêu cầu tuân thủ và các điều kiện hư hỏng có thể dự đoán trước.

Đánh giá hiện tại của bảng bảo vệ

BMS phải hỗ trợ tổng số gói dự kiến ​​hiện tại, bao gồm:

• Dòng điện hoạt động bình thường

• Dòng điện liên tục tối đa

• Khởi nghiệp đột biến

• Dòng điện chết máy

• Sự xâm nhập của máy sưởi

• Đỉnh máy phát truyền thông

• Dòng sạc

• Ngưỡng phát hiện lỗi

Dòng điện được quảng cáo của bo mạch không nên được coi là dòng điện có thể sử dụng được của thiết bị nếu không kiểm tra tổn thất MOSFET, mức tăng nhiệt độ, điều kiện làm mát, kích thước dây dẫn và thời gian cắt.

Yêu cầu về bộ sạc đối với gói nối tiếp và gói song song

Bộ sạc phải phù hợp với thành phần hóa học của gói, số dòng, giới hạn điện áp sạc và dòng sạc cho phép.

Đối với pin 4,2 V thông thường:

Không nên sạc gói 2S bằng bộ sạc 1S. Tương tự như vậy, bộ sạc dành cho pin 4,2 V tiêu chuẩn có thể không phù hợp với hóa chất điện áp cao có giới hạn sạc khác.

Công suất song song ảnh hưởng đến việc tính toán dòng sạc. Nếu hai ô giống hệt nhau được đặt song song, một gói phù hợp có thể chấp nhận tổng dòng điện lớn hơn một ô, nhưng giá trị đúng phụ thuộc vào:

• Giới hạn tốc độ sạc di động

• Dung lượng gói

• Nhiệt độ

• Chia sẻ hiện tại song song

• Đánh giá bảng bảo vệ

• Đánh giá đầu nối và dây

• Mục tiêu thời gian sạc

• Yêu cầu về vòng đời

Bộ sạc và BMS thực hiện các chức năng khác nhau. Bộ sạc điều chỉnh cấu hình sạc, trong khi hệ thống bảo vệ phản ứng với các điều kiện bất thường được xác định. Một cái không nên được sử dụng để thay thế cho cái kia.

Yêu cầu đối sánh ô

Một gói nhiều ô đáng tin cậy bắt đầu bằng việc lựa chọn ô thích hợp.

Các ô được sử dụng trong cùng một tổ hợp có thể cần phải phù hợp với:

• Mô hình tế bào

• Hoá học

• Công suất danh nghĩa

• Công suất đo được

• Điện áp mạch hở

• Kháng nội bộ

• Độ dày và kích thước

• Tự xả

• Lô sản xuất

• Tuổi

• Lịch sử chu kỳ

Sự kết hợp rất quan trọng trong cả cấu trúc nối tiếp và song song.

Trong chuỗi nối tiếp, nhóm có công suất thấp nhất hoặc có điện trở cao nhất có thể đạt đến giới hạn điện áp trước tiên và hạn chế dung lượng gói có thể sử dụng.

Trong một nhóm song song, sự khác biệt về điện trở và kết nối ảnh hưởng đến cách chia sẻ dòng điện. Một tế bào có thể làm việc chăm chỉ hơn và già đi nhanh hơn những tế bào khác.

Các nhà sản xuất pin nên thiết lập các tiêu chí sàng lọc tế bào phù hợp với sản phẩm thay vì kết hợp các tế bào chỉ vì chúng có cùng thông số kỹ thuật được in.

Các gói LiPo đã hoàn thiện có thể được kết nối thành chuỗi không?

Hai gói đã hoàn thiện không được kết nối nối tiếp trừ khi hệ thống hoàn chỉnh đã được thiết kế và xác nhận cho sự sắp xếp đó.

Các vấn đề tiềm ẩn bao gồm:

• Các trạng thái tính phí khác nhau

• Năng lực hoặc độ tuổi khác nhau

• Mạch bảo vệ không tương thích

• Nối đất không đúng

• Bộ sạc không tương thích

• Khoảng trống giám sát số dư

• Giới hạn điện áp đầu nối

• Hành vi cắt BMS không mong muốn

• Một gói bị sạc ngược bởi gói kia

• Quy trình dịch vụ hoặc thay thế không an toàn

Một số gói được bảo vệ sử dụng giao diện chuyển mạch hoặc giao tiếp phía thấp khiến kết nối nối tiếp bên ngoài không phù hợp. Pin an toàn như một sản phẩm độc lập sẽ không tự động an toàn khi kết hợp với một gói khác.

Nếu ứng dụng yêu cầu điện áp cao hơn, việc sử dụng cụm nhiều dòng được thiết kế chuyên dụng thường đáng tin cậy hơn so với việc kết nối các pin được bảo vệ độc lập sau khi sản xuất.

Các gói LiPo đã hoàn thành có thể được kết nối song song không?

Các gói làm sẵn không được kết nối song song chỉ vì nhãn của chúng hiển thị cùng điện áp danh định.

Trước khi vận hành song song, thiết kế phải giải quyết:

• Chênh lệch điện áp gói

• Chênh lệch trạng thái phí

• Năng lực và độ tuổi

• Kháng nội bộ

• Tương tác BMS

• Dòng điện ngược

• Phân phối dòng sạc

• Trình tự kết nối

• Loại bỏ gói trong khi tràn đầy năng lượng

• Bảo vệ chi nhánh

• Cách ly lỗi

Nếu một gói có điện áp cao hơn, dòng điện cân bằng lớn có thể chạy ngay khi các đầu nối tiếp xúc.

Các mô-đun pin song song có thể được thiết kế an toàn nhưng chúng cần có phương thức kết nối xác định, kiến ​​trúc bảo vệ tương thích, khả năng sạc trước được kiểm soát khi cần thiết và hành vi lỗi được xác thực.

Cấu hình ảnh hưởng đến kích thước và bố cục pin như thế nào

Việc thêm các tế bào làm tăng năng lượng nhưng cũng làm thay đổi thiết kế cơ học.

Các cụm lắp ráp nối tiếp và song song có thể ảnh hưởng đến:

• Tổng độ dày

• Chiều rộng và chiều dài

• Cân nặng

• Trọng tâm

• Không gian định tuyến cáp

• Bán kính uốn cong

• tản nhiệt

• Phụ cấp mở rộng di động

• Bảo vệ chống rơi

• Chống rung

• Truy cập dịch vụ

• Lắp ráp bao vây

Hai ô túi đặt cạnh nhau có thể tạo thành một gói mỏng và rộng. Việc xếp chồng chúng có thể tạo ra diện tích nhỏ hơn với độ dày lớn hơn.

Một cấu trúc song song nối tiếp cũng có thể yêu cầu:

• Cách nhiệt bổ sung

• Nhiều điểm hàn hơn

• BMS lớn hơn

• Hệ thống dây điện cảm biến điện áp

• Cảm biến nhiệt độ

• Khung hỗ trợ mạnh mẽ hơn

• Gói gói phức tạp hơn

• Tăng khoảng cách xung quanh các tab và các thành phần bảo vệ

Do đó, cấu hình điện nên được chọn cùng với ngăn chứa pin có sẵn thay vì sau khi hoàn thiện vỏ bọc.

Series vs Parallel: Bạn nên chọn cấu hình nào?

Chọn số sê-ri theo điện áp mà thiết bị yêu cầu.

Chọn số lượng song song theo năng lượng cần thiết, thời gian chạy, công suất hiện tại, không gian và trọng lượng.

Thiết kế tập trung vào chuỗi sản phẩm có thể phù hợp khi:

• Thiết bị yêu cầu điện áp đầu vào cao hơn

• Động cơ hoặc lò sưởi hoạt động hiệu quả hơn ở điện áp cao hơn

• Hệ thống sử dụng đường ray điện áp trên phạm vi của gói 1S

• Dòng điện thấp hơn được ưu tiên cho mức công suất nhất định

• Thiết bị đã bao gồm bộ sạc đa cell tương thích

• Sản phẩm có thể chứa BMS nhiều dòng

Thiết kế tập trung song song có thể phù hợp khi:

• Sản phẩm phải giữ lại nền tảng danh định 3,7 V

• Cần có thời gian chạy dài hơn

• Một tế bào không thể cung cấp đủ dung lượng

• Cần nhiều dòng điện đầu ra hơn trong điều kiện hoạt động được xác nhận của tế bào

• Bao vây có thể chứa nhiều tế bào

• Hệ thống sạc và bảo vệ hỗ trợ công suất và dòng điện đạt được

Thiết kế song song nối tiếp có thể phù hợp khi:

• Thiết bị cần cả điện áp cao hơn và thời gian chạy dài hơn

• Một chuỗi chuỗi đơn không thể cung cấp dòng điện cần thiết

• Yêu cầu năng lượng vượt quá khả năng của một chuỗi đơn thực tế

• Không gian phải được phân phối trên một số vị trí ô

• Ứng dụng chứng minh sự phức tạp của BMS và lắp ráp bổ sung

của ZERNE các giải pháp pin Li-polymer tùy chỉnh hỗ trợ các cấu trúc đơn cell, nhiều chuỗi, song song và song song dựa trên các yêu cầu về điện áp, công suất, kích thước, dòng điện, đầu nối và bảo vệ của thiết bị.

Quy trình lựa chọn cấu hình pin thực tế

1. Xác nhận dải điện áp của thiết bị

Nhận dạng:

• Điện áp hoạt động tối thiểu

• Điện áp hoạt động bình thường

• Điện áp đầu vào an toàn tối đa

• Yêu cầu điện áp khởi động

• điện áp tắt máy

• Phạm vi đầu vào điều chỉnh điện áp

• Điện áp động cơ, bộ sưởi hoặc bộ truyền động

• Điện áp đầu vào và đầu ra của bộ sạc

Điện áp gói được sạc đầy tối đa phải duy trì trong phạm vi an toàn của mọi bộ phận được kết nối.

2. Xác định hồ sơ tải

Ghi:

• Dòng điện dự phòng

• Dòng điện hoạt động điển hình

• Dòng điện liên tục tối đa

• Dòng điện cực đại

• Thời gian cao điểm

• Khởi động hoặc đình trệ hiện tại

• Thời gian hoạt động hàng ngày

• Thời gian chạy cần thiết cho mỗi lần sạc

Chỉ riêng dòng điện trung bình có thể không tiết lộ liệu các tế bào, BMS và đầu nối có thể hỗ trợ các sự kiện dòng điện cao ngắn hay không.

3. Tính năng lượng cần thiết

Ước tính đầu tiên có thể được tính bằng cách sử dụng:

Năng lượng cần thiết tính bằng Wh = Công suất trung bình tính bằng W × Thời gian hoạt động tính bằng giờ

Một thiết kế thực tế cũng cần tính đến:

• Tổn thất chuyển đổi điện áp

• Lão hóa pin

• Mất công suất nhiệt độ thấp

• Độ lệch điện áp tải cao

• công suất dự trữ

• Tiêu thụ BMS

• Mức tiêu thụ ở chế độ chờ của thiết bị

• Độ sâu xả cho phép

4. Chọn Số sê-ri

Chọn số lượng nhóm nối tiếp cần thiết để đáp ứng điện áp của thiết bị.

Không sử dụng điện áp danh định một mình. Kiểm tra:

• Điện áp sạc tối đa

• Phạm vi hoạt động điển hình

• Điện áp cắt BMS

• Ngưỡng điện áp thấp của thiết bị

• Điện áp sạc

• Xếp hạng điện áp thành phần

5. Chọn Số lượng song song

Xác định dung lượng và một chuỗi chuỗi hiện tại có thể cung cấp bao nhiêu. Chỉ thêm các ô song song khi cần thiết cho năng lượng, thời gian chạy, dòng điện hoặc bao bì.

Nhiều ô song song hơn cũng bổ sung trọng lượng, khối lượng, chi phí, điểm hàn và năng lượng lỗi.

6. Thiết kế hệ thống bảo vệ

Định nghĩa:

• Hoá học

• Số loạt

• Dung lượng gói

• Giới hạn dòng điện sạc

• Dòng xả liên tục

• Dòng điện và thời gian đỉnh

• Ngưỡng quá tải

• Ngưỡng xả quá mức

• Ngưỡng quá dòng

• Phản ứng ngắn mạch

• Giới hạn nhiệt độ

• Chiến lược cân bằng

• Yêu cầu giao tiếp

7. Xác nhận bộ sạc và đầu nối

Bộ sạc phải phù hợp với bộ sản phẩm hoàn chỉnh, đồng thời đầu nối chính và dây dẫn phải hỗ trợ dòng điện thực tế.

Chuỗi đầu nối, cực tính, sơ đồ chân, thước dây, chiều dài cáp và kết nối cân bằng phải được ghi lại trước khi sản xuất mẫu.

8. Xây dựng và thử nghiệm mẫu

Việc xác nhận phải được hoàn thành bên trong thiết bị thực tế.

Các xét nghiệm liên quan có thể bao gồm:

• Khả năng tương thích sạc

• Điện áp sạc đầy

• Điện áp nhóm nối tiếp riêng lẻ

• Cân bằng tế bào

• Thời gian chạy

• Giảm điện áp tải tối đa

• Đáp ứng dòng điện đỉnh

• Nhiệt độ tăng

• Hành vi cắt BMS

• Bảo vệ ngắn mạch

• Đầu nối sưởi ấm

• Định tuyến cáp

• Bao vây phù hợp

• Hiệu suất thả và rung

• Đạp xe lặp đi lặp lại

• Lưu trữ và tự xả

các Hệ thống kiểm soát chất lượng pin Li-polymer cung cấp thông tin bổ sung về kiểm tra tế bào, kiểm tra lắp ráp, xác minh điện và kiểm soát gói thành phẩm.

Ví dụ về cấu hình đã hoạt động

Ví dụ 1: Thiết bị theo dõi nhỏ gọn

Giả sử một thiết bị theo dõi hoạt động từ nền tảng điện áp một ô và yêu cầu thời gian chạy nhiều hơn mức mà một ô 1000 mAh có thể cung cấp.

Một cấu hình có thể là:

• Tế bào: 3,7 V, 1000 mAh

• Cấu trúc: 1S2P

• Điện áp gói: 3,7 V danh định

• Dung lượng gói: 2000 mAh

• Năng lượng danh định: 7,4 Wh

Thiết kế vẫn giữ nguyên điện áp sạc cell đơn nhưng yêu cầu mạch bảo vệ và đầu nối phù hợp với dòng điện và công suất tổng hợp.

Ví dụ 2: Thiết bị di động yêu cầu 7,4 V

Giả sử một sản phẩm cầm tay cần khoảng 7,4 V và 2000 mAh.

Sử dụng cell 3,7V, 2000 mAh:

• Cấu trúc: 2S1P

• Điện áp gói: 7,4 V danh nghĩa

• Dung lượng gói: 2000 mAh

• Năng lượng danh nghĩa: 14,8 Wh

• Điện áp sạc đầy điển hình: 8,4 V

Gói này yêu cầu hệ thống bảo vệ 2S và cấu hình sạc lithium-ion 8,4 V.

Ví dụ 3: Robot yêu cầu điện áp và công suất cao hơn

Giả sử một robot cần điện áp danh nghĩa 11,1 V và 4000 mAh. Sử dụng cell 2000 mAh:

• Cấu trúc: 3S2P

• Tổng số ô: 6

• Điện áp gói: danh nghĩa 11,1 V

• Dung lượng gói: 4000 mAh

• Năng lượng danh nghĩa: 44,4 Wh

• Điện áp sạc đầy điển hình: 12,6 V

BMS phải giám sát ba nhóm sê-ri trong khi hỗ trợ dòng điện bình thường, dòng khởi động đột ngột và dòng điện động cơ có thể ngừng hoạt động.

Các lỗi thường gặp trong thiết kế pin nối tiếp và song song

Thông tin cần cung cấp cho bộ pin tùy chỉnh

Nhà sản xuất có thể đánh giá cấu hình nối tiếp và song song chính xác hơn khi có sẵn thông tin sau.

Yêu cầu về thiết bị

• Loại sản phẩm

• Dải điện áp đầu vào cần thiết

• Điện áp đầu vào an toàn tối đa

• Dòng điện hoạt động điển hình

• Dòng điện liên tục tối đa

• Dòng điện và thời gian đỉnh

• Thời gian chạy bắt buộc

• Phương pháp sạc

• Nhiệt độ hoạt động

• Dung lượng pin có sẵn

• Trọng lượng gói mục tiêu

Yêu cầu về pin

• Hóa học ưa thích

• Điện áp gói danh nghĩa

• Công suất cần thiết

• Yêu cầu năng lượng

• Chuỗi dự kiến ​​và cấu hình song song

• Mục tiêu vòng đời

• Thời gian sạc

• Tốc độ xả yêu cầu

• Yêu cầu nhiệt độ thấp hoặc cao

• Yêu cầu tế bào điện áp cao

Yêu cầu bảo vệ

• PCM hoặc BMS

• Bảo vệ quá tải và xả quá mức

• Bảo vệ quá dòng và ngắn mạch

• Số lượng và vị trí cảm biến nhiệt độ

• Cân bằng tế bào

• Đồng hồ đo nhiên liệu

• Hiển thị trạng thái sạc

• SMBus, CAN hoặc giao thức truyền thông khác

• Xác thực hoặc nhận dạng pin

• Yêu cầu về cầu chì hoặc bảo vệ nhánh

Yêu cầu cơ khí và kết nối

• Độ dày, chiều rộng và chiều dài tối đa

• Sắp xếp tế bào

• Bao vây hoặc bọc

• Nhà sản xuất đầu nối và số bộ phận

• Phân cực và sơ đồ chân

• Máy đo dây

• Chiều dài cáp

• Cân bằng chì

• NTC hoặc dây truyền thông

• Gắn và giảm căng thẳng

• Yêu cầu về rung và rơi

các bộ pin lithium phải được chỉ định là một hệ thống hoàn chỉnh thay vì chỉ có giá trị điện áp và mAh.

Phần kết luận

Kết nối nối tiếp và song song phục vụ các mục đích khác nhau trong bộ pin LiPo.

Kết nối nối tiếp làm tăng điện áp gói trong khi vẫn giữ được công suất Ah của một đường dẫn nối tiếp. Kết nối song song giữ lại điện áp của một ô trong khi tăng thêm công suất và có khả năng tăng khả năng dòng điện. Một cấu trúc song song nối tiếp kết hợp cả hai hiệu ứng.

Những quy tắc điện này chỉ là điểm khởi đầu. Gói hoàn thiện cũng phải tính đến điện áp sạc tối đa, số giờ Watt, tải thiết bị, khớp tế bào, chia sẻ dòng điện, cân bằng, dòng điện BMS, nhiệt độ, hệ thống dây điện, đầu nối, khả năng tương thích của bộ sạc và bảo vệ cơ học.

Đối với các gói nhiều sê-ri, hệ thống bảo vệ phải giám sát điện áp của từng nhóm sê-ri riêng lẻ và khớp với số lượng sê-ri chính xác. Đối với các thiết kế song song, các ô được kết hợp chặt chẽ và đường dẫn dòng điện được kiểm soát là rất cần thiết. Trong cả hai trường hợp, các giá trị lý thuyết phải được xác nhận thông qua thử nghiệm ở cấp độ gói và cấp độ thiết bị trước khi sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

Việc kết nối pin LiPo nối tiếp có tăng dung lượng không?

Nó làm tăng tổng năng lượng dự trữ và điện áp gói, nhưng mức Ah hoặc mAh vẫn bằng dung lượng của một đường dẫn nối tiếp. Hai pin 3,7 V, 1000 mAh nối tiếp tạo thành một gói 7,4 V, 1000 mAh.

Việc kết nối pin LiPo song song có làm tăng điện áp không?

Không. Các ô song song giữ lại điện áp của một ô trong khi công suất của chúng được tăng thêm. Hai pin 3,7 V, 1000 mAh song song tạo thành một gói 3,7 V, 2000 mAh.

Sự khác biệt giữa 2S2P và 4S1P là gì?

Gói 2S2P có hai nhóm chuỗi với hai ô song song trong mỗi nhóm. Gói 4S1P có bốn ô nối tiếp, vì vậy nó cung cấp gấp đôi điện áp danh định nhưng chỉ cung cấp một nửa công suất Ah khi sử dụng các ô giống hệt nhau.

Gói 2S2P có cần BMS 2S hay 4S không?

Nó thường yêu cầu BMS 2S vì hệ thống bảo vệ giám sát hai nhóm điện áp nối tiếp. BMS cũng phải hỗ trợ các yêu cầu về tổng công suất, dòng sạc, dòng xả và cân bằng của hai nhóm song song.

Các tế bào LiPo có dung lượng khác nhau có thể được kết nối song song không?

Thông thường, chúng không nên được kết hợp trong gói OEM trừ khi thiết kế hoàn chỉnh đã được đánh giá cụ thể. Sự khác biệt về công suất, điện trở, tuổi tác hoặc tình trạng có thể tạo ra sự chia sẻ dòng điện không đồng đều và suy thoái nhanh hơn.

Hai bộ pin LiPo được bảo vệ có thể được kết nối song song không?

Chỉ khi hệ thống pin được thiết kế để vận hành mô-đun song song. Tất cả sự khác biệt về điện áp gói, dòng điện ngược, tương tác BMS, trình tự kết nối và bảo vệ nhánh đều phải được giải quyết.

Việc thêm các tế bào song song có tăng gấp đôi dòng phóng điện không?

Nó có thể tăng dòng điện khả dụng khi sử dụng các tế bào giống hệt nhau và đường dẫn dòng điện cân bằng, nhưng dòng điện đóng gói an toàn vẫn bị giới hạn bởi BMS, các tab, kết nối, hệ thống dây điện, đầu nối, nhiệt độ và hành vi chia sẻ dòng điện.

Cấu hình nào cung cấp thời gian chạy dài hơn: nối tiếp hay song song?

Thời gian chạy không thể được xác định chỉ từ số S hoặc P. So sánh tổng số Watt-giờ và kiểm tra thiết bị hoàn chỉnh vì điện áp đầu vào, hiệu suất chuyển đổi, trạng thái tải, điện áp cắt, nhiệt độ và tốc độ phóng điện cũng ảnh hưởng đến thời gian sử dụng được.