Последовательное соединение аккумуляторов

В этой статье мы расскажем о последовательном соединении аккумулятора. Отдельные аккумуляторы производятся в виде элементов с достаточно низким, от 1,2 до 3,7 Вольт напряжением, в зависимости от технологии. С целью увеличения мощности, отдельные ячейки собирают в батареи. Последовательное соединение аккумуляторов увеличивает напряжение, параллельное – максимальный ток. Хорошо известный автовладельцам 12-вольтовый автомобильный аккумулятор на самом деле состоит из шести ячеек по два вольта каждая, соединенных последовательно.

Содержание

1 Типы аккумуляторов, характеристики
2 Последовательное соединение
3 Параллельное соединение
4 Комбинированная схема
5 Особенности использования

Типы аккумуляторов, характеристики

Основные типы используемых в настоящее время аккумуляторов следующие:

cвинцово-кислотные;
никель кадмиевые NiCa;
никель-металл-гидридные Ni-MH;
литиевые Li-ion, Li-Fe.

Одиночные свинцово-кислотные банки имеют напряжение 2В, никель-кадмиевые и металлогидридные – 1,2В, литиевые 3,7В.

Свинцовые батареи широко используются в автомобилях, устройствах бесперебойного электропитания, системах ветровой и солнечной энергетики. Основными достоинствами являются:

относительная дешевизна киловатт-часа;
способность работать при низких отрицательных температурах;
неприхотливость к условиям эксплуатации и заряда.

Никелевые источники питания применяются в портативных устройствах, но из-за невысоких показателей мощности и массы, в последнее время активно вытесняются литиевыми.

Литиевые батареи наиболее перспективная на сегодняшний день технология. Они обладают максимальной плотностью мощности. Это значит, что на единицу объёма и массы приходится большая, чем у других типов источников запасаемая электрическая мощность.

Основные достоинства:

высокая скорость заряда;
до 2000 циклов заряд/разряд;
способны отдавать в нагрузку токи 10-30C;
компактные габариты и низкая масса.

Литиевые батареи используются повсеместно, от источников питания портативной электроники, до тяговых батарей электромобилей и даже сверхлёгких летательных аппаратов.

Последовательное соединение

При последовательном подключении выполняется соединения полюсов аккумуляторов в цепочку, при этом отрицательный полюс предыдущего соединяется с положительным полюсом следующего. Первый положительный полюс становится «плюсом», последний отрицательный полюс становится «минусом» собранной схемы.

При таком способе соединения напряжения (U) ячеек складываются, общее напряжение батареи равно сумме напряжений всех составляющих элементов:

U_общ =U_G₁+U_G₂+U_G₃.

Соответственно, при использовании батареек с различным потенциалом, суммарное напряжение будет различным. Так, три элемента NiCa дадут 3,6В, а три литиевых – 11,1В.

Поскольку ток нагрузки и заряда (I) будет протекать через все составляющие части последовательно, I_общ =I_G₁=I_G₂=I_G₃.

Параллельное соединение

Применяется для увеличения максимального тока, отдаваемого источником энергии. При таком способе сборки одноименные полюса ячеек соединяются между собой.

Общий потенциал схемы должен быть равен напряжению каждого отдельного источника U_общ =U_G₁₌U_G₂₌U_G₃.

Суммарный ток нагрузки будет складываться из токов отдельных элементов:

I_общ =I_G₁+I_G₂+I_G₃.

Комбинированная схема

Применяется если нужно одновременно увеличить напряжение и максимальный ток.

Данная схема может быть модифицирована любым другим соотношением элементов для достижения требуемой величины мощности.

Ярким примером комбинированной схемы является источник питания электрического автомобиля Tesla Model S напряжением 400В, емкостью 85 кВт/ч. Батарея собрана из отдельных Li-ion цилиндрических аккумуляторов производства фирмы Panasonic по комбинированной схеме: 16 блоков по 6 параллельных цепочек из 74 последовательно соединённых элементов. Всего использовано около 7000 батареек.

Особенности использования

При сборке той или иной схемы, желательно использовать аккумуляторы одинаковой технологии, ёмкости и напряжения. Различие номиналов приведут к нарушению режимов работы отдельных ячеек.

Рассмотрим ситуации, возникающие с батареями, собранными из трёх элементов с различными номиналами: G1=10А/ч, G2=20А/ч, G3=15А/ч, которые питают нагрузку током, величиной 1 ампер:

Ситуация №1, Элементы G1, G2, G3 соединены последовательно. В процессе работы режим разряда проблем не вызывает. Спустя 10 часов G1 разрядится полностью, G2 – наполовину, G3 — на две трети. При последующем заряде, как было сказано выше, через всю цепочку протекает ток одной величины. Ввиду наличия остаточного заряда одни элементы окажутся перезаряжены, другие недозаряжены.

Ситуация №2. Элементы G1, G2, G3 соединены параллельно. Подобно случаю с последовательной схемой, работа в режиме разряда происходит нормально. В процессе заряда каждый элемент примет ток в соответствии со своим внутренним сопротивлением. Однако, элемент G2 с большим остаточным зарядом будет иметь более высокое напряжение. Так как условием окончания зарядки в автоматических зарядных устройствах (ЗУ) является определённый уровень напряжения, то как только G2 достигнет точки отключения, заряд прекратится, а G1 и G3 останутся недостаточно заряжены. Если ЗУ не отключается автоматически, можно продолжить зарядку до достижения окончательного наполнения всех элементов, но при этом G2 и G3 окажутся перезаряженными.

Если же вам нужен сертификат, отвечающий законодательству, то советуем воспользоваться сайтом https://www.serconsrus.ru/ — орган по сертификации.

В обеих ситуациях неравномерность заряженности приведёт к быстрому исчерпанию ресурса одного или нескольких элементов, понадобится их замена. Для реализации нормальных зарядных режимов можно заряжать каждую ячейку отдельно, но это потребует втрое больше времени, либо наличия трёх зарядных устройств.

Следует иметь в виду, что соединять параллельно разные по напряжению аккумуляторы категорически запрещено. Энергия от источников с более высоким потенциалом будет перетекать в элементы с низким напряжением, вызывая критический разряд первых. Так, например, нельзя соединять параллельно 1,2 вольтовые NiCa или NiMH c аккумуляторами типа 18650, так как последние выполнены по Li-ion технологии и имеют номинальное напряжение 3,7В, а критически низким для них является уровень 2.7-3В.

Последовательно можно соединять аккумуляторы любых типов и ёмкостей, но только в режиме разряда, для запитывания какой-либо нагрузки. Нормально зарядить такую цепочку в собранном виде не удастся по описанным выше причинам.

Даже если все компоненты батареи имеют одинаковые номиналы, со временем потеря ёмкости происходит неравномерно, что приводит к изменению режима заряда. Если для прочих типов источников энергии это не очень критично, то литиевые аккумуляторы весьма чувствительны даже к небольшим отклонениям от номинальных параметров заряда. Несоблюдение регламента резко сокращает срок службы аккумулятора. Для устранения этой проблемы для батарей на базе Li-ion и Li-Fe применяют балансировочные зарядные устройства. Такое ЗУ контролирует состояние каждого элемента в отдельности и не допускает перезаряда отдельных ячеек.

Последовательное и параллельное соединение аккумуляторов: видео