Bộ pin nối tiếp và song song: Cấu hình nào phù hợp với thiết bị OEM?

Cách kết nối các tế bào lithium-ion xác định hoạt động điện cơ bản của bộ pin.

• Kết nối nối tiếp làm tăng điện áp.

• Kết nối song song tăng công suất và khả năng hiện tại.

• Cấu hình song song nối tiếp tăng điện áp và công suất cùng một lúc.

Đối với thiết bị OEM, cấu hình bộ pin chính xác phải phù hợp:

• Dải điện áp thiết bị

• Công suất cần thiết

• Dòng điện liên tục và cực đại

• Mục tiêu thời gian chạy

• Thiết kế bộ sạc

• Yêu cầu về BMS hoặc PCM

• Không gian lắp đặt sẵn có

• Giới hạn trọng lượng và nhiệt độ

• Yêu cầu sản xuất và thử nghiệm

Do đó, việc lựa chọn giữa nối tiếp và song song không chỉ là tính toán điện. Đó là một quyết định thiết kế cấp hệ thống.

Trả lời nhanh: Bộ pin nối tiếp và bộ pin song song

Ví dụ: sử dụng pin 3,7 V, 2500 mAh:

• 2S1P = 7,4 V, 2500 mAh

• 1S2P = 3,7 V, 5000 mAh

• 2S2P = 7,4 V, 5000 mAh

Cấu hình phù hợp phụ thuộc vào điện áp, công suất, dòng điện và thiết kế cơ học mục tiêu.

1. 'S' và 'P' nghĩa là gì?

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

S có nghĩa là dòng

Số trước S cho biết số lượng ô hoặc nhóm ô được kết nối thành chuỗi.

Ví dụ:

• 1S: một nhóm ô nối tiếp

• 2S: hai nhóm tế bào nối tiếp

• 3S: ba nhóm tế bào nối tiếp

• 4S: bốn nhóm tế bào nối tiếp

Kết nối nối tiếp làm tăng điện áp.

P có nghĩa là song song

Số trước P cho biết số lượng ô được kết nối song song trong mỗi nhóm chuỗi.

Ví dụ:

• 1P: một ô trong mỗi nhóm song song

• 2P: hai ô song song

• 3P: ba ô song song

• 4P: bốn ô song song

Kết nối song song tăng công suất và khả năng hiện tại.

Tổng số tế bào

Tổng số ô là:

Tổng số ô = S × P

Ví dụ:

• 2S1P = 2 ô

• 1S2P = 2 ô

• 2S2P = 4 ô

• 3S2P = 6 ô

2. Bộ pin Series hoạt động như thế nào

Các ô được kết nối nối tiếp được kết nối từ đầu đến cuối. Cực dương của một ô kết nối với cực âm của ô tiếp theo.

Đối với các ô khớp trong chuỗi:

Điện áp gói = Điện áp di động × Số lượng tế bào trong chuỗi

Công suất amp-giờ vẫn xấp xỉ bằng công suất của một ô hoặc một nhóm song song.

Ví dụ: Gói 2S1P

Giả sử mỗi ô có:

• Điện áp danh định: 3,7 V

• Dung lượng: 2500 mAh

Gói 2S1P cung cấp:

• Điện áp: 3,7V × 2 = 7,4V

• Dung lượng: 2500 mAh

• Năng lượng: 7,4 V × 2,5 Ah = 18,5 Wh

Kết quả là:

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

Ví dụ: Gói 3S1P

Sử dụng các ô giống nhau:

• Điện áp: 3,7 V × 3 = 11,1 V

• Dung lượng: 2500 mAh

• Năng lượng: 11,1 V × 2,5 Ah = 27,75 Wh

Kết quả là:

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

Cấu hình nối tiếp phù hợp khi thiết bị hoặc hệ thống điện yêu cầu điện áp danh định cao hơn.

3. Cách thức hoạt động của các bộ pin song song

Các ô được kết nối song song có các cực dương được kết nối với nhau và các cực âm của chúng được kết nối với nhau.

Đối với các ô khớp song song:

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

Điện áp vẫn xấp xỉ bằng điện áp của một ô hoặc một nhóm nối tiếp.

Ví dụ: Gói 1S2P

Giả sử mỗi ô có:

• Điện áp danh định: 3,7 V

• Dung lượng: 2500 mAh

Gói 1S2P cung cấp:

• Điện áp: 3,7 V

• Dung lượng: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh

• Năng lượng: 3,7 V × 5 Ah = 18,5 Wh

Kết quả là:

3,7V, 5000mAh, 18,5Wh

Cấu hình song song phù hợp khi thiết bị hoạt động ở cùng điện áp với một ô hoặc nhóm nối tiếp nhưng cần nhiều công suất hơn, thời gian chạy dài hơn hoặc khả năng dòng điện cao hơn.

4. Chuỗi so với song song: Điều gì thay đổi?

Các công thức công suất chi tiết được trình bày trong Cách tính dung lượng bộ pin Lithium-Ion.

5. Bộ pin song song nối tiếp là gì?

Hầu hết các bộ pin OEM tùy chỉnh đều sử dụng kết hợp các kết nối nối tiếp và song song.

Một gói song song sử dụng:

• Kết nối nối tiếp để đạt được điện áp yêu cầu;

• Kết nối song song để đạt được công suất và khả năng hiện tại cần thiết.

Ví dụ: Gói 2S2P

Sử dụng 4 cell 3,7 V, 2500 mAh:

• Số loạt: 2

• Số lượng song song: 2

• Tổng số ô: 4

• Điện áp danh định: 7,4 V

• Dung lượng: 5000 mAh

• Năng lượng: 37 Wh

Tính toán:

3,7V × 2 = 7,4V

2500 mAh × 2 = 5000 mAh

7,4 V × 5 Ah = 37 Wh

Kết quả là:

7,4V, 5000mAh, 37Wh

Cấu hình 2S2P có thể phù hợp với thiết bị OEM cần nền tảng 7,4 V và nhiều năng lượng hơn gói 2S1P có thể cung cấp.

6. So sánh thực tế khi sử dụng hai ô giống nhau

Sử dụng hai ô 3,7 V, 2500 mAh giống hệt nhau, các ô có thể được kết nối theo nhiều cách khác nhau.

Cả hai cấu hình đều chứa năng lượng danh nghĩa xấp xỉ nhau vì chúng sử dụng hai ô giống nhau. Tuy nhiên, chúng không thể thay thế cho nhau.

Thiết bị phải được thiết kế chính xác:

• Điện áp đầu vào;

• Điện áp sạc;

• Hiện hành;

• BMS;

• Đầu nối;

• Bố trí cơ khí.

Đây là một điểm quan trọng đối với thiết kế OEM: hai bộ pin có thể có công suất watt tương tự nhau nhưng vẫn không phù hợp cho cùng một sản phẩm.

7. Khi nào thiết bị OEM nên sử dụng cấu hình sê-ri?

Cấu hình nối tiếp thường được xem xét khi thiết bị yêu cầu điện áp cao hơn mức mà một tế bào có thể cung cấp.

Những lý do điển hình bao gồm:

• Động cơ hoặc hệ thống điện yêu cầu điện áp cao hơn;

• Điện áp cao hơn có thể làm giảm dòng điện ở mức công suất nhất định;

• Thiết bị đã sử dụng kiến ​​trúc điện 2S, 3S hoặc 4S;

• Cần có đầu vào điện áp cao hơn cho bộ chuyển đổi hoặc bộ điều khiển động cơ;

• Các thành phần hệ thống có sẵn được thiết kế cho một nền điện áp xác định.

Đối với tải có công suất không đổi:

Dòng điện = Công suất -> Điện áp

Ở cùng mức công suất, điện áp pin cao hơn có thể làm giảm dòng điện rút ra từ gói. Điều này có thể ảnh hưởng đến kích thước dây dẫn, lựa chọn đầu nối và thiết kế quản lý nguồn.

Tuy nhiên, điện áp cao hơn không tự động có nghĩa là hiệu suất tốt hơn. Các thiết bị điện tử, bộ sạc, vật liệu cách nhiệt, BMS và bộ điều khiển động cơ đều phải hỗ trợ điện áp đã chọn.

Để so sánh mức điện áp thực tế, xem Bộ pin 7.4V so với 11.1V so với 14.8V.

8. Khi nào thiết bị OEM nên sử dụng cấu hình song song?

Cấu hình song song thường được xem xét khi thiết bị cần nhiều công suất hơn hoặc dòng điện cao hơn ở cùng một điện áp danh định.

Những lý do điển hình bao gồm:

• Thời gian chạy yêu cầu dài hơn;

• Dòng điện liên tục cao hơn;

• Nhu cầu dòng điện cao ngắn hạn;

• Nhiều năng lượng hơn trong cùng một nền tảng điện áp;

• Sử dụng một tế bào có dung lượng cá nhân hạn chế;

• Cần phân phối dòng điện trên nhiều ô.

Các ô song song có thể chia sẻ dòng điện, nhưng thiết kế vẫn phải tính đến:

• Kết hợp tế bào;

• Phân phối hiện tại;

• Điện trở kết nối;

• Nhiệt độ tế bào;

• Chất lượng hàn;

• BMS hoặc thiết kế bảo vệ;

• Hỗ trợ cơ khí.

Các ô song song không được coi là giống hệt nhau một cách tự động. Sự khác biệt về điện trở trong hoặc trạng thái sạc có thể ảnh hưởng đến việc chia sẻ dòng điện và tính nhất quán lâu dài của gói.

9. Yêu cầu đối sánh ô

Các bộ pin nối tiếp và song song đều yêu cầu các tế bào tương thích.

Các tế bào được sử dụng trong cùng một gói phải phù hợp với các đặc điểm có liên quan như:

• Người mẫu;

• Công suất danh nghĩa;

• Điện áp;

• Kháng nội bộ;

• Lô sản xuất;

• tình trạng lão hóa;

• Lịch sử nhiệt độ.

Tại sao việc kết hợp lại quan trọng trong các gói sê-ri

Trong gói nối tiếp, ô yếu nhất có thể đạt đến giới hạn điện áp trên hoặc dưới trước các ô khác. Điều này có thể làm giảm dung lượng gói có thể sử dụng và gây ra tình trạng cắt bảo vệ sớm.

Tại sao việc kết hợp lại quan trọng trong các gói song song

Trong một nhóm song song, các tế bào có điện áp hoặc điện trở trong khác nhau có thể không chia sẻ dòng điện đồng đều. Một ô có thể mang nhiều tải hơn hoặc nhận được nhiều dòng sạc hơn ô khác.

Để biết thêm thông tin về sự không nhất quán của gói và sự khác biệt về ô, hãy xem Tại sao bộ pin Lithium-Ion trở nên không nhất quán và phải làm gì.

10. Yêu cầu BMS đối với các gói nối tiếp và song song

Hệ thống quản lý pin phải phù hợp với cấu hình gói.

Gói loạt

Một gói có nhiều ô nối tiếp thường yêu cầu giám sát từng nhóm ô riêng lẻ.

BMS có thể cần cung cấp:

• Giám sát điện áp di động;

• Cân bằng tế bào;

• Bảo vệ quá tải;

• Bảo vệ quá tải;

• Bảo vệ quá dòng;

• Bảo vệ ngắn mạch;

• Giám sát nhiệt độ.

Khi số lượng chuỗi tăng lên, BMS phải được thiết kế cho số lượng ô tương ứng.

Gói song song

Các ô song song có thể dùng chung điểm đo điện áp, nhưng BMS hoặc hệ thống bảo vệ vẫn cần tính đến:

• Tổng dòng điện;

• Kết hợp tế bào;

• Nhiệt độ;

• Hành vi sạc;

• Điện trở kết nối;

• Điều kiện lỗi.

Gói song song nối tiếp

Gói song song nối tiếp thường yêu cầu BMS giám sát từng nhóm chuỗi trong khi quản lý tổng dòng điện của gói.

BMS phải được chọn trong giai đoạn thiết kế pin, không được thêm vào sau khi hoàn tất cấu hình ô.

11. Yêu cầu sạc

Cấu hình nối tiếp và song song yêu cầu cân nhắc tính phí khác nhau.

Sạc hàng loạt

Bộ sạc phải hỗ trợ tổng điện áp loạt.

Ví dụ:

• Gói 1S: bộ sạc được thiết kế cho một ô;

• Gói 2S: bộ sạc được thiết kế cho pin 2S;

• Gói 3S: bộ sạc được thiết kế cho pin 3S;

• Gói 4S: bộ sạc được thiết kế cho pin 4S.

Không nên sử dụng bộ sạc được thiết kế cho một ô đơn lẻ với gói nhiều dòng.

Sạc song song

Bộ sạc song song vẫn sử dụng điện áp của một ô hoặc một nhóm nối tiếp, nhưng hệ thống sạc có thể cần cung cấp nhiều dòng điện hơn hoặc chấp nhận thời gian sạc lâu hơn.

Sạc song song nối tiếp

Hệ thống sạc phải phù hợp cả hai:

• Tổng điện áp loạt;

• Yêu cầu về dung lượng gói và dòng sạc.

Bộ sạc, pin và BMS phải được kiểm tra dưới dạng một hệ thống.

12. Khớp cấu hình với thiết bị OEM

Cấu hình chính xác phụ thuộc vào yêu cầu thực tế của thiết bị.

Đây chỉ là hướng dẫn lựa chọn sơ bộ. Cấu hình cuối cùng cũng cần được kiểm tra theo nhu cầu hiện tại, kích thước, sạc, nhiệt độ và yêu cầu sản xuất.

13. Ví dụ OEM: Chọn cấu hình cho thiết bị 7.4 V

Giả sử một sản phẩm OEM yêu cầu:

• Điện áp danh định: khoảng 7,4 V;

• Dung lượng mục tiêu: 5000 mAh;

• Dòng điện liên tục: vừa phải;

• ngăn chứa pin hình chữ nhật nhỏ gọn;

• Hoạt động có thể sạc lại;

• Giám sát cấp độ tế bào.

Cấu hình sơ bộ có thể là:

2S2P sử dụng cell 3,7 V, 2500 mAh

Tính toán:

• Điện áp: 3,7 V × 2 = 7,4 V;

• Dung lượng: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Tổng số ô: 2 × 2 = 4 ô;

• Năng lượng danh định: 7,4 V × 5 Ah = 37 Wh.

Sau đó, nhóm thiết kế phải xác nhận:

• Dải điện áp 2S có tương thích với thiết bị hay không;

• Có cần BMS 2S có cân bằng hay không;

• Liệu các tế bào có thể hỗ trợ dòng điện hay không;

• Bộ sạc có được thiết kế cho 2S hay không;

• Liệu gói có phù hợp với vỏ bọc hay không;

• Liệu đầu nối có hỗ trợ dòng điện yêu cầu hay không;

• Liệu pin có vượt qua thử nghiệm theo kế hoạch hay không.

của ZERNE Trang gói pin lithium 7.4V có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo ở cấp độ sản phẩm cho cấu hình gói pin 2S, trong khi các thiết kế tùy chỉnh phải được đánh giá dựa trên thiết bị OEM thực tế.

14. Ví dụ về cấu hình cho thiết bị có điện áp cao hơn

Giả sử một sản phẩm OEM khác yêu cầu:

• Điện áp danh định: khoảng 11,1 V;

• Dung lượng: 5000 mAh;

• Đầu ra ổn định trong quá trình hoạt động liên tục.

Cấu hình sơ bộ có thể là:

3S2P sử dụng cell 3,7 V, 2500 mAh

Tính toán:

• Điện áp: 3,7 V × 3 = 11,1 V;

• Dung lượng: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• Tổng số ô: 3 × 2 = 6 ô;

• Năng lượng danh định: 11,1 V × 5 Ah = 55,5 Wh.

Gói 11,1 V yêu cầu bộ sạc và BMS được thiết kế cho cấu hình 3S.

Để tham khảo sản phẩm hiện có, hãy xem ZERNE's Trang pin lithium 11.1V.

15. Cân nhắc về thiết kế cơ khí

Các kết nối nối tiếp và song song cũng ảnh hưởng đến cách bố trí gói vật lý.

Người thiết kế nên xem xét:

• Định hướng tế bào;

• Khoảng cách ô;

• Điểm hàn;

• Thanh cái hoặc dây dẫn;

• Cách nhiệt;

• vị trí BMS;

• Định tuyến cáp;

• Vị trí đầu nối;

• Kích thước nhà ở;

• Tản nhiệt;

• Điểm lắp đặt;

• Rung động và tác động.

Cấu hình đúng về điện vẫn có thể không phù hợp nếu nó không vừa với vỏ có sẵn.

Đối với gói tế bào hình trụ, việc sắp xếp tế bào có thể ảnh hưởng đến chiều rộng, chiều dài và chiều cao của gói. Đối với gói dạng túi, vị trí tab nối tiếp và tab song song có thể ảnh hưởng đến cách bố trí bên trong và lối ra cáp.

Các khoảng trống chi tiết của ngăn chứa pin, các khoản phụ cấp về độ nén và độ phồng phải được xử lý riêng biệt trong Thiết kế ngăn đựng pin LiPo: Độ hở & độ phồng.

16. Những lỗi thường gặp trong thiết kế chuỗi và song song

Sai lầm 1: Giả sử dòng tăng mAh

Kết nối nối tiếp làm tăng điện áp, không phải công suất amp-giờ thông thường.

Sai lầm 2: Giả sử song song tăng điện áp

Các ô song song giữ lại điện áp gần giống như một ô hoặc một nhóm nối tiếp.

Sai lầm 3: Sử dụng bộ sạc không đúng số lượng sê-ri

Bộ sạc dành cho gói 1S không phù hợp với gói 2S, 3S hoặc 4S.

Sai lầm 4: Kết nối các ô không khớp

Công suất, độ bền hoặc điều kiện lão hóa khác nhau có thể làm giảm tính nhất quán của gói và hiệu suất sử dụng.

Sai lầm 5: Chọn BMS sau khi bố trí gói

Cần biết số lượng sê-ri, nhu cầu hiện tại và yêu cầu liên lạc trước khi chọn BMS.

Sai lầm 6: Chỉ so sánh mAh

Gói 3,7 V, 5000 mAh và gói 7,4 V, 5000 mAh không chứa cùng một lượng năng lượng.

Sai lầm 7: Bỏ qua dòng điện cực đại

Cấu hình phải hỗ trợ nhu cầu cao nhất của thiết bị chứ không chỉ dòng điện trung bình.

17. Danh sách kiểm tra bộ pin nối tiếp và song song

Trước khi phê duyệt cấu hình pin, hãy xác nhận:

• Điện áp danh định của thiết bị;

• Điện áp tối thiểu và tối đa của thiết bị;

• Công suất mục tiêu;

• Dòng điện liên tục;

• Dòng điện cực đại;

• Số sê-ri bắt buộc;

• Số lượng song song bắt buộc;

• Mô hình và công suất tế bào;

• Tổng số tế bào;

• Yêu cầu kết hợp ô;

• cấu trúc BMS hoặc PCM;

• Khả năng tương thích của bộ sạc;

• Đánh giá đầu nối và cáp;

• Phù hợp cơ khí;

• Điều kiện nhiệt độ;

• Mục tiêu thời gian chạy;

• Yêu cầu kiểm tra;

• Khối lượng sản xuất dự kiến.

Để biết tiêu chí thiết kế pin rộng hơn, hãy xem Thiết kế bộ pin Lithium-Ion: Điện áp, Công suất, BMS và Thời gian chạy.

Câu hỏi thường gặp

Sự khác biệt giữa bộ pin nối tiếp và pin song song là gì?

Bộ pin nối tiếp giúp tăng điện áp, trong khi bộ pin song song giúp tăng công suất và dòng điện. Một gói song song nối tiếp kết hợp cả hai hiệu ứng.

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

Thông thường thì không. Việc kết nối nối tiếp các ô có công suất bằng nhau sẽ làm tăng điện áp trong khi công suất amp-giờ vẫn gần như giữ nguyên.

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

Thông thường thì không. Kết nối song song các tế bào có điện áp bằng nhau sẽ tăng công suất trong khi vẫn duy trì mức điện áp gần như nhau.

2S2P có nghĩa là gì?

2S2P có nghĩa là hai nhóm ô được kết nối nối tiếp, với hai ô được kết nối song song trong mỗi nhóm. Nó chứa tổng cộng bốn ô.

Dung lượng của gói 2S2P sử dụng cell 2500 mAh là bao nhiêu?

Dung lượng gói là khoảng 5000 mAh. Nếu các tế bào có điện áp danh định là 3,7 V thì điện áp gói sẽ xấp xỉ 7,4 V.

Bộ pin dòng có cần BMS không?

Bộ pin lithium nhiều dòng thường yêu cầu sự bảo vệ và cân bằng thích hợp. Cấu trúc BMS chính xác phụ thuộc vào thành phần hóa học của tế bào, số lượng dòng điện, dòng điện, bộ sạc và ứng dụng.

Bộ pin song song nối tiếp có tốt hơn bộ pin chỉ nối tiếp hay chỉ song song không?

Không tự động. Cấu hình nối tiếp song song rất hữu ích khi thiết bị yêu cầu cả điện áp cao hơn và công suất cao hơn, nhưng lựa chọn cuối cùng phụ thuộc vào ứng dụng và các ràng buộc vật lý.

Các tế bào pin khác nhau có thể được kết nối song song?

Các tế bào không nên được kết nối với nhau một cách ngẫu nhiên nếu chúng khác nhau về kiểu dáng, công suất, điện áp, điện trở trong hoặc tình trạng. Một thiết kế pin đủ tiêu chuẩn phải sử dụng các tế bào tương thích và phù hợp.

Phần kết luận

Nguyên tắc cơ bản để cấu hình bộ pin là:

Dòng tăng điện áp.

Song song tăng công suất và khả năng hiện tại.

Dòng song song tăng cả điện áp và công suất.

Đối với thiết bị OEM, cấu hình chính xác cũng phải phù hợp:

• Dải điện áp;

• Công suất và năng lượng;

• Nhu cầu hiện tại;

• Bộ sạc;

• BMS;

• Kết hợp tế bào;

• Không gian cơ học;

• Đầu nối;

• Nhiệt độ;

• Yêu cầu kiểm tra.

Ví dụ:

• 2S1P cung cấp điện áp cao hơn;

• 1S2P cung cấp công suất cao hơn ở cùng điện áp di động;

• 2S2P cung cấp cả điện áp cao hơn và công suất cao hơn.

Nếu bạn đang phát triển bộ pin tùy chỉnh, hãy chia sẻ điện áp, mục tiêu công suất, nhu cầu hiện tại, kích thước, phương pháp sạc và số lượng dự kiến ​​của thiết bị với nhóm kỹ thuật ZERNE. ZERNE cung cấp các giải pháp gói pin lithium tùy chỉnh cho các dự án OEM và ODM và có thể giúp đánh giá cấu hình chuỗi, song song hoặc song song phù hợp.