Послідовне та паралельне з’єднання 32140: схеми й розрахунки

Послідовне чи паралельне: головна різниця

При послідовному з’єднанні плюс першої комірки з’єднують із мінусом другої. Вільні крайні контакти стають виводами блока. Через усі комірки проходить один і той самий струм, їхні напруги додаються

При паралельному з’єднанні плюси комірок утворюють спільний позитивний вузол, мінуси — спільний негативний. Напруга залишається на рівні однієї комірки, а навантаження розподіляється між елементами

З’єднання не створює додаткової енергії. Воно змінює співвідношення напруги та ємності. Також не можна знімати «12 В» із частини послідовної батареї більшої напруги: групи розряджатимуться нерівномірно. Для окремого навантаження використовують відповідний DC/DC-перетворювач від усього блока

Що означають S і P у схемі акумулятора

S — кількість послідовно з’єднаних груп. Послідовне з’єднання збільшує напругу: плюс однієї групи з’єднують із мінусом наступної. Ємність у ампер-годинах для однакових узгоджених груп залишається такою, як у однієї групи

P — кількість паралельних комірок у кожній групі. У паралельній групі всі плюси з’єднані між собою, всі мінуси — між собою. Напруга відповідає напрузі однієї комірки, а ємності додаються

Для однакових елементів 3,2 В 15 А·год:

Енергію обчислюють як добуток номінальної напруги на ємність. Реальна доступна енергія залежить від температури, струму, стану комірок і порогів відключення; на виході інвертора додаються його втрати

Зверніть увагу: однакові 16 комірок можуть утворити 4S4P, 8S2P або 16S1P. Номінальна енергія однакова, але напруга, ємність у ампер-годинах і вимоги до обладнання різні

Як влаштована батарея 4S2P

У конструкції 4S2P є чотири послідовні групи. Кожна складається з двох паралельно з’єднаних комірок і має номінально 3,2 В 30 А·год

Мінус G1 — загальний мінус блока комірок. Зовнішні силові підключення виконують через передбачені проєктом BMS і захист. Таблиця показує електричну структуру, а не розташування шин чи порядок монтажу

Для 4S2P потрібна BMS 4S, хоча фізично комірок вісім. Плата контролює чотири напруги послідовних груп. Окрему слабку комірку всередині паралельної пари за її напругою вона не розрізняє. Тому перевірка елементів перед складанням важлива навіть за наявності BMS

Паралельне з’єднання: ємність додається, струм потрібно перевіряти

За однакових комірок і симетричних з’єднань струм між елементами паралельної групи ділиться приблизно порівну. Наприклад, при струмі батареї 20 А кожна комірка в 2P несе орієнтовно 10 А, а в 4P — 5 А

У реальній конструкції розподіл залежить від внутрішнього опору, температури, стану заряду, опору контактів і перемичок. Комірки біля точки підключення не повинні отримувати систематично коротший і менш опірний струмовий шлях. Симетрію оцінюють за повним шляхом струму, а не лише за зовнішнім виглядом шин

Для двох комірок із паспортними 30 А арифметична сума становить 60 А. Проте це ще не підтверджений тривалий струм готової батареї: його можуть обмежувати BMS, перемички, дроти, роз’єми та нагрівання всередині корпуса

Чому не можна просто з’єднати елементи з різним зарядом

При прямому паралельному підключенні виникає вирівнювальний струм. Його початкова оцінка — різниця напруг, поділена на сумарний опір контуру. Навіть 0,10 В при умовних 0,005 Ом дають 20 А. Це ілюстрація ризику, а не допустимий режим чи точний прогноз: опір змінюється, а AC-опір комірки не дорівнює повному опору такого контуру

Перед з’єднанням елементи приводять до узгодженого стану заряду за контрольованою процедурою. Заряджання виконують обладнанням з обмеженням струму й контролем напруги. Для LiFePO₄ близькі напруги в середній частині заряду не доводять однакового SOC через пологу розрядну характеристику

Не використовуйте випадковий провід як спосіб обмежити струм і не з’єднуйте комірки «щоб самі вирівнялися». Універсальної допустимої різниці напруг для будь-яких елементів і з’єднань немає

Паралельні комірки та готові батареї — різні конструкції

4S2P із постійно з’єднаними паралельними парами не тотожна двом окремим батареям 4S1P, з’єднаним лише на виходах. У другому випадку потрібно врахувати роботу кожної BMS, струми між батареями та ситуацію, коли одна відключається, а все навантаження переходить на іншу

Готові батареї підключають паралельно лише за дозволеною виробником схемою, з окремим захистом гілок і перевіркою сумісності. Це окреме завдання проєктування

Як розрахувати потрібну кількість комірок

Для однакових узгоджених елементів використовуйте чотири залежності:

• Номінальна напруга батареї = 3,2 В × S
• Ємність батареї = 15 А·год × P
• Кількість комірок = S × P
• Номінальна енергія = напруга батареї × ємність батареї

Наприклад, потрібна батарея номінально 12,8 В із запасом енергії близько 600 Вт·год. Одна послідовна четвірка має 192 Вт·год. Три паралельні комірки в кожній групі дадуть 576 Вт·год, чотири — 768 Вт·год. Якщо потрібні щонайменше 600 Вт·год корисної енергії, варіант 4S3P не підходить уже за номінальним розрахунком; для 4S4P ще потрібно врахувати втрати й робочі пороги

Кількість паралельних комірок перевіряють і за струмом. Для інвертора орієнтовно: I = P навантаження / (U батареї × ККД). При 300 Вт, 12,8 В і ККД 90% це близько 26 А, а при 11 В — уже 30,3 А. Отже, рахувати лише за номінальною напругою недостатньо

Збільшення S потребує іншої BMS, зарядного пристрою та сумісного навантаження. Збільшення P при незмінному S зберігає номінальну напругу, але може вимагати інших шин, дротів, захисту й теплового розрахунку

Приклади для роутера, освітлення та інвертора з урахуванням втрат наведені в розрахунку автономності акумуляторів 32140

BMS і балансування послідовних груп

BMS обирають за хімією LiFePO₄, кількістю послідовних груп і реальними струмами. Для 4S1P, 4S2P та 4S4P потрібна BMS 4S; для 8S2P — BMS 8S. Параметри силової частини при цьому можуть суттєво відрізнятися

У послідовному ланцюзі корисну ємність обмежує група, яка першою досягне порога відключення. Якщо три групи мають 30 А·год, а четверта — 15 А·год, батарея не перетворюється на повноцінну 30-ампер-годинну. Тому кількість і параметри паралельних комірок узгоджують у всіх групах

Балансир зменшує різницю заряду між послідовними групами. Він не відновлює зношені елементи й не замінює захист. Наприклад, для компенсації різниці 1 А·год струмом 0,05 А потрібно щонайменше 20 годин активного балансування, а з обмеженнями алгоритму — довше

BMS не збільшує допустимий струм комірок і не замінює запобіжник. Усередині паралельної групи несправна комірка може отримувати струм від сусідніх навіть після відключення зовнішнього навантаження. Захист від таких відмов продумують на рівні конструкції, включно з індивідуальними плавкими зв’язками там, де вони передбачені проєктом

Заряджання: що змінюється при S і P

Напруга заряджання залежить від S, а допустимий струм — від P, характеристик елементів, температури та можливостей усіх компонентів. Якщо для вибраної комірки передбачений заряд до 3,65 В, відповідний рівень CV для 4S становить 14,6 В, для 8S — 29,2 В, для 16S — 58,4 В

Ці числа не є універсальними налаштуваннями будь-якої батареї. Виробник готової системи може передбачати нижчу робочу напругу. Загальна напруга блока також не доводить, що кожна група перебуває в допустимих межах: це перевіряє BMS

Зарядний пристрій на 5 А не почне видавати 10 А після переходу з 4S1P на 4S2P. За інших однакових умов збільшення ємності приблизно подовжить основний етап заряду. Підвищувати струм можна лише після перевірки комірок, BMS, проводки, роз’ємів і температурного режиму

Вибір зарядного пристрою, тривалість етапів і пошук причин відключення — у посібнику із заряджання 32140

Часті запитання про з’єднання акумуляторів

Чи можна з’єднувати комірки різної ємності?

Для нової батареї обирайте одну модель із близькими виміряними ємністю, опором і станом. Однакові написи 32140 або 15Ah не гарантують сумісності. Зношені й нові елементи можуть нерівномірно ділити струм та по-різному поводитися під навантаженням

Чи можна додати одну комірку паралельно до готової 4S1P?

Додавання лише до однієї з чотирьох груп створює неоднакову ємність груп. Для переходу на 4S2P потрібні чотири додаткові узгоджені елементи та повторна перевірка всієї конструкції. Це перебудова батареї, а не просте підключення ще одного акумулятора

Чому 4S2P має 30 А·год, а не 120 А·год?

Дві паралельні комірки утворюють групу на 30 А·год. Чотири такі групи з’єднані послідовно, тому додається напруга, а ємність залишається 30 А·год. Енергія дорівнює 12,8 × 30 = 384 Вт·год

Чи можна з’єднати готові батареї послідовно?

Лише якщо це дозволено їхнім виробником. Внутрішня BMS повинна бути розрахована на відповідні режими й напруги при відключенні. Однакова номінальна напруга або наявність BMS сама по собі такого дозволу не означає

Від розрахунку до складання

Спершу оберіть сумісну напругу системи, потім розрахуйте P за енергією та струмом і перевірте обмеження компонентів. Порівняти елементи допоможе таблиця характеристик 32140 і 33140

Якщо вам потрібна невелика батарея з чотирьох комірок, перейдіть до практичного посібника зі складання LiFePO₄ 12,8 В 15 А·год: там один наскрізний приклад 4S1P — від комплектуючих до першого запуску