При параллельном соединении аккумуляторов это означает, что напряжение системы остается постоянным, тогда как общая емкость банка аккумуляторов увеличивается и равна сумме емкостей всех подключенных параллельно аккумуляторов.
Последовательное, параллельное и последовательно-параллельное соединение аккумуляторов
Ранее мы изучали особенности подключения солнечных панелей, и теперь давайте обратим внимание на соединение аккумуляторов, которое может потребоваться для повышения как напряжения, так и емкости системы.
- Номинальное напряжение (В ― Вольт): это значение, которое указывает на электрическое давление в системе.
- Емкость (Ач – Ампер*час): это показатель, который указывает, сколько энергии аккумулятор может хранить и отдавать за определенное время.
- Максимальное количество запасенной энергии рассчитывается как произведение Номинального напряжения на Емкость (кВт*ч – киловатт*час): это полезный параметр, показывающий, сколько энергии может накопить аккумулятор.
Существует три основных варианта соединения аккумуляторов – последовательно, параллельно или комбинацией этих двух методов, именуемой последовательно-параллельным соединением. В зависимости от выбранной схемы соединения может меняться как Номинальное напряжение, так и Емкость системы; в то же время общее максимальное количество запасенной энергии всех подключенных аккумуляторов останется неизменным.
Теперь рассмотрим каждый из упомянутых вариантов соединения аккумуляторов в составе банка аккумуляторов:
1) Последовательное соединение аккумуляторов
В данном случае минусовая клемма первого аккумулятора соединена с плюсовой клеммой второго аккумулятора, минус второй соединён с плюсом третьего, и так далее, образуя последовательность.
При таком соединении Емкость системы не изменяется, но общее напряжение системы представляет собой сумму напряжений всех последовательно подключенных аккумуляторов.
Например, если у нас есть четыре аккумулятора с емкостью 200 Ач и номинальным напряжением 12 В каждый, при их последовательном подключении общее номинальное напряжение составит 12 В * 4 = 48 В, а емкость останется 200 Ач. Максимальная запасенная энергия может быть рассчитана как: 200 Ач * 12 В * 4 = 9600 Вт*ч = 9.6 кВт*ч. Это также можно выразить в отсутствии необходимости пересчитывать — как максимальный запас энергии всего банка в 200 Ач * 48 В = 9600 Вт*ч = 9.6 кВт*ч.
Такой способ подключения применяется, когда требуется увеличить напряжение системы.
Последовательное соединение аккумуляторных батарей
В схеме с последовательным соединением аккумуляторных батарей, общая емкость системы остается такой же, как у каждого отдельного аккумулятора в цепи, в то время как напряжение суммируется. Таким образом, при последовательном соединении четырех аккумуляторов по 200 Ач и 12 В мы получаем общую батарею с емкостью 200 Ач и напряжением 48 В.
Параллельное соединение аккумуляторных батарей
При параллельном соединении аккумуляторов напряжение всей батареи остается таким же, как у каждого отдельного аккумулятора, а вот общая емкость суммируется. Например, если мы используем четыре аккумулятора емкостью 200 Ач и напряжением 12 В, то общая батарея будет иметь емкость 800 Ач и напряжение 12 В.
Способы параллельного соединения
Существует несколько эффективных способов параллельного соединения аккумуляторов, и в этом разделе мы их рассмотрим подробнее.
Способ 1
При первом методе подключения оборудование контактирует с положительным и отрицательным полюсами крайнего аккумулятора в цепи.
Часто аккумуляторы соединяют с помощью медных кабелей с большим сечением, например, 35 мм², которые обладают удельным сопротивлением примерно 0.0006 Ома на метр. Следовательно, сопротивление кабеля длиной 20 см между батареями составит 0.00012 Ома. Это значение невелико, однако стоит учесть дополнительные потери: 0.0002 Ома для каждого соединения, включая контакты на кабелях и клеммах аккумуляторов, что может привести к общему увеличению сопротивления до 0.0015 Ома.
Если нагрузка равномерно распределена между аккумуляторами, то с потребляемым током в 100 А каждый из четырех аккумуляторов будет обеспечивать по 25 А. Однако на практике наблюдается, что максимальный ток идет от нижнего аккумулятора, в то время как токи остальных постепенно уменьшаются. Это связано с тем, что ток, который исходит от нижнего аккумулятора, не встречает значительного сопротивления, в отличие от тока, приходящего от верхнего аккумулятора, который проходит через большее количество соединений.
При зарядке происходит аналогичная ситуация: нижний аккумулятор получает больший ток, чем верхний. В результате его условия работы ухудшаются, что может привести к преждевременному выходу из строя.
По итогам расчетов можно заметить следующую картину распределения тока при внутреннем сопротивлении аккумулятора 0.02 Ома, сопротивлении клемм 0.0015 Ома и нагрузке 100 А:
- Нижний аккумулятор: 35.9 А
- Второй снизу: 26.2 А
- Третий снизу: 20.4 А
- Верхний аккумулятор: 17.8 А
Таким образом, нижний аккумулятор отдает почти вдвое больший ток по сравнению с верхним. Однако это не означает, что его срок службы окажется в два раза меньше. В процессе разряда, нагрузка всё же перераспределяется между остальными аккумуляторами. Основной недостаток такого способа подключения заключается в том, что система в целом работает с существенно нарушенным балом, что приводит к более быстрому старению батарей.
Способ 2
Во втором способе местоположение подключения остается неизменным, однако нагрузка распределяется по разным аккумуляторам. Распределение тока будет следующее при нагрузке в 100 А:
- Нижний аккумулятор: 26.7 А
- Второй снизу: 23.2 А
- Третий снизу: 23.2 А
- Верхний аккумулятор: 26.7 А
Эта схема демонстрирует значительное улучшение распределения тока по сравнению с предыдущим методом, позволяя аккумуляторам работать более сбалансированно.
Способ 3
С увеличением стоимости тяговых аккумуляторов и уменьшением их внутреннего сопротивления забота о точной балансировке становится всё более важной. Для достижения наилучшего баланса необходимо обеспечить примерно равное количество соединений между каждым аккумулятором и нагрузкой.
В первом варианте подключения ток верхнего аккумулятора проходил через шесть дополнительных соединений, в то время как для нижнего он преодолевал значительно меньшее количество соединений. На втором этапе количество соединений для верхнего и нижнего аккумуляторов удалось сократить до трех, что заметно улучшает балансировку.
Способы получения нужных величин напряжений и токов
Различают три основных схемы подключения аккумуляторов, исходя из требований к токам и напряжениям, необходимым для функционирования оборудования. Рассмотрим их подробнее.
Параллельное соединение батарей
Для увеличения отдаваемого тока применяется параллельное соединение аккумуляторов. Эта схема имеет свои особенности — все минусовые терминалы объединены в общую шину, как и все плюсовые. Это позволяет образовать большой аккумулятор с распределенной емкостью.
При данной схеме крайне важно избежать дисбаланса, то есть использовать только аккумуляторы с одинаковыми характеристиками. Это должно быть неизменно, чтобы избежать негативных последствий. Желательно выбирать батареи одного производителя и даже одной производственной линии, так как может существенно различаться внутреннее сопротивление.
Параллельное соединение батарей позволяет достичь следующих результатов:
- Суммируется генерируемый ток. Окончательное значение тока можно получить, просто сложив токи, выдаваемые каждой из батарей. Это соединение обычно используется в мощных энергетических установках, таких как тяговые электродвигатели.
- Напряжение остается постоянным и соответствует значению одного из аккумуляторов. Это связано с тем, что цепь не дополняется дополнительным потенциалом.
- Важно предусмотреть систему защиты от перегрузок при коротком замыкании в одной из батарей, так как возможно повреждение всего комплекса при возникновении перегрева.
Пример расчета энергетических характеристик при параллельном соединении:
Допустим, один аккумулятор имеет емкость 200 Ач и выдает ток 1000 А. Тогда можно утверждать, что итоговый пусковой ток составит 2000 А, а общая емкость будет 400 Ач. Если напряжение на одном аккумуляторе 12 В, то оно останется таким же и для всего комплекса.
Последовательное соединение
В электрокарах стремятся снизить затрат на медь и добиться эффективной работы силовых агрегатов, повышая напряжение системы. Однако как это сделать, если каждый аккумулятор имеет напряжение 6, 12 или 24 В? Ответ заключается в последовательном соединении батарей. Главный момент заключается в том, что емкость каждого элемента должна быть одинаковой. Если это невозможно, то критического воздействия на систему не будет — заряд распределится по всем батареям, и максимальный зарядный ток будет брать наименьший аккумулятор по емкости.
Последовательные соединения позволяют получить необходимое напряжение на уровне выше 12 или 24 В, комбинируя различные типы батарей и количество одиночных ячеек. К примеру, чтобы достичь 36 В для питания преобразователя и мотора подъемника, можно соединить 12-вольтовые батареи последовательно. Можно также получить такое напряжение, подключая последовательно 24 и 12-вольтовые источники постоянного тока. Но как посчитать, какой ток может быть выдан такой батареей?
Основное правило таково: параллельные соединения увеличивают отдаваемый ток, а последовательные – повышают напряжение. Чтобы рассчитать результирующее напряжение, нужно сложить падения потенциала на каждой из батарей. Для токов и емкости расчет будет другим.
Особенности работы батарейных блоков
Комплекты батарей, как и их ячейки, зачастую различаются по своим физическим и химическим параметрам, даже в рамках одной партии. Это может привести к неравномерной нагрузке на различные аккумуляторы. В таких случаях необходимо установить индивидуальные блоки регулирования заряда и разряда для каждого аккумулятора, что позволит поддерживать оптимальные характеристики и исключать возможность перераспределения плотности заряда.
Для последовательного соединения также возникают определенные сложности. Возможные сценарии:
- При замыкании одной из ячеек в параллельной системе общая емкость уменьшится на величину этой ячейки, что приведет к перегрузке остальных.
- Короткое замыкание в ячейке, подключенной последовательно, значительно снижает результирующее напряжение всей системы.
- В случае обрыва в последовательно соединенной ячейке напряжение на выходе полностью пропадет.
Чтобы получить нестандартное напряжение, например, 18 В или другое, используют отдельные батареи или аккумуляторные ячейки, работающие на 2.3-2.7 В. При этом общая емкость батареи будет равна емкости самой слабой ячейки в системе.
Последовательно-параллельное соединение
Эта конфигурация позволяет достичь нужного напряжения и емкости при минимально возможных размерах литиевой батареи. На рисунке ниже приведен пример двух последовательно-параллельно соединенных элементов, что позволяет удвоить как емкость, так и напряжение.
Еще один пример: литиевая батарея из восьми ячеек с конфигурацией 4S2P состоит из двух параллельно соединенных блоков, каждая из которых включает в себя четыре последовательно соединенные ячейки.
Защита в литиевых аккумуляторах
Литий-ионные аккумуляторы требуют системы защиты от повреждений, вызванных чрезмерным током, перезарядом или повышением температуры. Защитные схемы могут быть встроенными или внешними.
Встроенная защита
Многие производители защищают аккумуляторные элементы от критического перегрева и избыточного давления. Устройство размыкания цепи (CID) отключает ток в момент, когда давление, температура или напряжение выходят за пределы допустимых значений. Например, при увеличении внутреннего давления верхний диск отсоединяется от металлической фольги, тем самым отключая ток. Избыточные газы при этом выводятся через специальные вентиляционные клапаны.
Внешняя защита
Литиевые аккумуляторы могут также оборудоваться системами управления BMS (Battery Management System), которые отслеживают состояние ячеек и отправляют сигналы в защитные схемы при возникновении неисправностей. Датчики в таком случае измеряют параметры зарядного и разрядного токов, напряжение и температуру. В случае превышения допустимых регламентов срабатывает защита, предотвратив повреждения.
