Полное руководство по последовательно-параллельному соединению литиевых аккумуляторов: распространённые комбинации, сборка батарей и правильные методы
01 Определение последовательно-параллельного соединения литиевых батарей
Из-за ограниченного напряжения и емкости отдельных аккумуляторов на практике часто требуется их последовательно-параллельное соединение для достижения более высоких напряжений и емкостей, соответствующих потребляемой мощности устройства.
Последовательное соединение литиевых аккумуляторов
:
Напряжения добавляются, емкость остается постоянной, а внутреннее сопротивление увеличивается.
Параллельное соединение литиевых батарей
:
Напряжение остается постоянным, емкость увеличивается, внутреннее сопротивление уменьшается, а продолжительность подачи питания увеличивается.
Последовательно-параллельное соединение литиевых батарей
:
Аккумуляторные батареи сочетают в себе как параллельное, так и последовательное соединение, что позволяет увеличить напряжение и емкость.
Последовательное напряжение:
При необходимости отдельные батареи напряжением 3,7 В могут быть объединены в аккумуляторные блоки с напряжением 3,7*(N)В (N: количество отдельных батарей).
Например, 7,4 В, 12 В, 24 В, 36 В, 48 В, 60 В, 72 В и т. д.
Параллельная емкость
:
При необходимости элементы емкостью 2000 мАч могут быть собраны в аккумуляторные блоки емкостью 2*(N) Ач (N: количество элементов).
Например, 4000 мАч, 6000 мАч, 8000 мАч, 5 Ач, 10 Ач, 20 Ач, 30 Ач, 50 Ач, 100 Ач и т. д.
02 Литиевый аккумулятор
Литиевые аккумуляторные блоки – это процесс обработки, сборки и упаковки литиевых аккумуляторных блоков. Процесс сборки литиевых аккумуляторных элементов в группы называется блоком. Это может быть отдельный элемент или последовательно-параллельный литиевый аккумуляторный блок. Литиевый аккумуляторный блок обычно состоит из пластикового корпуса, защитной платы, аккумуляторных элементов, выходных электродов, контактных площадок для подключения, а также изоляционной ленты и двустороннего скотча.
-
Литиевый элемент
:
Основной компонент готовой батареи.
-
Защитная доска
:
Обеспечивает защиту от перезаряда, переразряда, перегрузки по току, короткого замыкания и контроль температуры NTC.
-
Пластиковый корпус
:
Опорный каркас всей батареи; он устанавливает и закрепляет защитную пластину; а также поддерживает и ограничивает положение всех других компонентов, не являющихся корпусом.
-
Клеммные выводы
:
Предоставляет различные интерфейсы зарядки и разрядки для различных электронных продуктов, устройств накопления энергии и резервных источников питания.
-
Никелевый лист/скоба
:
Компоненты, соединяющие и фиксирующие элементы батареи.
03 Последовательно-параллельные комбинации литиевых аккумуляторов
В целях безопасности литиевые аккумуляторы должны быть подключены к внешней защитной пластине для контроля состояния каждого элемента. Параллельная работа, как правило, не рекомендуется. При параллельной работе параметры аккумуляторов (ёмкость, внутреннее сопротивление и т. д.) должны быть одинаковыми. Кроме того, параметры последовательно соединённых аккумуляторов также должны быть одинаковыми. В противном случае производительность аккумуляторной батареи будет значительно ниже, чем у одноэлементной.
Стандарты сопряжения литиевых аккумуляторов: разница напряжений ≤ 10 мВ, разница внутреннего сопротивления ≤ 5 мОм, разница ёмкости ≤ 20 мА
Целью подбора пар литиевых аккумуляторов является обеспечение согласованности ёмкости, напряжения, внутреннего сопротивления и производительности каждого аккумулятора в аккумуляторном блоке. Несоответствие параметров может привести к отклонению различных параметров литиевого аккумуляторного блока во время эксплуатации, что приводит к дисбалансу напряжений. Со временем это может привести к перезаряду, глубокому разряду и недостаточной ёмкости, что создаёт риск взрыва или возгорания.
Комбинация литиевых батарей
Комплект из 2 литиевых аккумуляторов (литиевая батарея 7,4 В)
3-рядный литиевый аккумулятор (литиевый аккумулятор 11,1 В)
4-рядный литиевый аккумулятор (литиевый аккумулятор 14,8 В)
6-рядный литиевый аккумулятор (литиевый аккумулятор 22,2 В)
Кабели/клеммы для литиевых аккумуляторов
Длину вилки и провода литиевого аккумуляторного блока можно подобрать в соответствии с электрооборудованием заказчика.
Последовательный и параллельный расчет литиевых аккумуляторов
Мы все знаем, что последовательное соединение литиевых аккумуляторов увеличивает напряжение, а параллельное — ёмкость. Итак, как же рассчитать количество последовательных и параллельных соединений в литиевой аккумуляторной батарее и сколько в ней ячеек?
Перед выполнением этого расчёта необходимо знать характеристики элементов, используемых в аккумуляторной батарее. Поскольку разные элементы имеют разное напряжение и ёмкость, количество последовательных и параллельных элементов, необходимых для сборки конкретного литиевого аккумуляторного блока, различается. На рынке представлены следующие типы литиевых элементов: литий-кобальт-оксидные 3,7 В, тройные 3,6 В, литий-железо-фосфатные 3,2 В и литий-титанатные 2,4 В. Ёмкость зависит от размера элемента, материала и производителя.
Возьмем в качестве примера литиевый аккумулятор 48 В 20 А·ч.
-
Предположим, что характеристики используемого элемента питания следующие: 18650 3,7 В 2000 мАч
-
Предположим, что характеристики используемого элемента питания следующие: 18650 3,7 В 2000 мАч
-
Количество параллельно соединенных ячеек: 20 А·ч/2 А·ч = 10, т.е. 10 ячеек параллельно
-
Полный комплект аккумуляторов: 13 рядов x 10 ячеек = 130 ячеек.
Распространенные комбинации серий литиевых аккумуляторных батарей
04 Процесс сборки литиевой батареи
Процесс сборки литиевого аккумулятора 18650-3S6P/11.1V/15600mAh
① Оценка емкости аккумулятора
ACEY-BCT506R-512H
машина для зарядки и разрядки литиевых аккумуляторов
предназначен для проверки емкости, напряжения, тока, а также характеристик зарядки и разрядки цилиндрических литиевых элементов, таких как 18650, 21700, 26650, 32650, 32700.
Разница в емкости ≤ 30 мАч
После сортировки по емкости дать постоять 48–72 часа перед группировкой.
②
Наклеивание изоляционной бумаги на аккумуляторы
Для изоляции используйте быстросъёмную бумагу и ленту Mara.
ACEY-BS01
автоматическая машина для склеивания изоляционной бумаги
в основном используется для наклеивания слоя ячменной бумаги на положительный или отрицательный электрод аккумуляторов 18650/21700/26650/32650/32700 для обеспечения хорошей изоляции, износостойкости, водонепроницаемости и других характеристик.
③ Сортировка по напряжению и внутреннему сопротивлению батареи
ACEY-AS11S
машина для сортировки литиевых элементов
Это эффективное и высокоточное устройство, предназначенное для быстрой сортировки цилиндрических литиевых аккумуляторов. Оно использует усовершенствованный тестер внутреннего сопротивления для точного измерения напряжения и внутреннего сопротивления аккумулятора. Оборудование совместимо с аккумуляторами различных типоразмеров (18650/21700/26650/32700 и т.д.) со скоростью сортировки до 5000 шт./час, что значительно повышает эффективность производства и поддерживает экспорт данных для удобного отслеживания качества.
Разница напряжений ≤ 5 мВ
Разница внутреннего сопротивления ≤ 5 мОм Восемь ячеек с одинаковым напряжением и внутренним сопротивлением соединяются вместе.
④
Точечная сварка аккумуляторных элементов
Используйте литые никелевые полосы для устранения холодной пайки, коротких замыканий, низкой эффективности и неравномерного распределения тока.
ACEY-5000D
ручной точечный сварочный аппарат
Используется для сварки положительных и отрицательных клемм нескольких аккумуляторов и материалов, таких как никелевые листы, обеспечивая стабильную передачу тока во время зарядки и разрядки аккумуляторной батареи. Широко применяется для сварки различных аккумуляторных батарей, таких как силовые батареи, электроинструменты, электровелосипеды и т. д.
⑤
Сварка защитной пластины
Убедитесь в отсутствии протекающих компонентов на печатной плате, холодных паяных соединений и других дефектов.
⑥ Комплексное тестирование аккумуляторной батареи
Серия ACEY-BIT
комплексный тестер аккумуляторов
Позволяет проводить количественные и точные измерения некоторых основных параметров аккумулятора. Устройство позволяет измерять напряжение холостого хода, внутреннее сопротивление, заряд, разряд, защиту от перегрузки по току, защиту от короткого замыкания и другие характеристики аккумулятора. Устройство позволяет легко обнаружить неисправные аккумуляторы и повысить эффективность производства.
⑦ Упаковка в термоусадочную пленку ПВХ
Сначала выполните термоусадку концов, чтобы зафиксировать их в нужном положении.
Затем поместите центр в термоусадку.
Убедитесь, что пленка ПВХ расположена по центру и не имеет белых пятен или протечек.
ACEY-5035C
машина для упаковки в термоусадочную пленку
Используется при сборке и упаковке аккумуляторных батарей, в частности литий-ионных и других типов аккумуляторов. Эти машины предназначены для надежной упаковки и герметизации аккумуляторных батарей термоусадочной пленкой, обеспечивая защиту, изоляцию и аккуратный внешний вид.
⑧
Печать пакетного кода на струйном принтере
Печать должна быть четкой и разборчивой.
ACEY-CP2
Машина для пакетной струйной кодировки
Используется для печати на продуктах или упаковке информации, такой как номера партий, сроки годности, даты производства, штрихкоды и другие переменные данные. Это необходимо для прослеживаемости продукции, контроля качества и соответствия нормативным требованиям.
⑨ Старение аккумуляторной батареи
Определите качество аккумуляторной батареи и обеспечьте стабильность, безопасность и срок службы литиевой аккумуляторной батареи во время использования.
Серия ACEY-BA
машина для старения аккумуляторов
В основном используется для зарядки и разрядки аккумуляторов, а также для тестирования их характеристик. Тестовые каналы полностью независимы и подходят для испытаний на старение тройных, литий-железо-фосфатных, свинцово-кислотных, никель-металлгидридных и никель-кадмиевых аккумуляторов.
05
Меры предосторожности при последовательном и параллельном соединении литиевых батарей
-
Не используйте одновременно батареи разных марок.
-
Не используйте одновременно батареи разного напряжения.
-
Не смешивайте батареи разной емкости или старые и новые литиевые батареи.
-
Не следует смешивать батареи с разным химическим составом, например, никель-металлгидридные и литиевые батареи.
-
При низком заряде батареи замените все батареи.
-
Используйте плату защиты литиевых аккумуляторов с соответствующими параметрами.
-
Выбирайте аккумуляторы со стабильной производительностью. Как правило, для литиевых аккумуляторов, используемых последовательно и параллельно, требуется парное соединение элементов. Критерии парного соединения: разность напряжений ≤ 10 мВ, разность внутреннего сопротивления ≤ 5 мОм и разность ёмкостей ≤ 20 мА.
① Литиевые батареи разного напряжения, соединенные последовательно
Поскольку литиевые аккумуляторы имеют проблемы с постоянством заряда, даже при параллельном и последовательном соединении в одной системе (например, тройной или железо-литиевой), важно выбирать аккумуляторы с одинаковым напряжением, внутренним сопротивлением и ёмкостью. Последовательное использование аккумуляторов с разным напряжением и внутренним сопротивлением может привести к тому, что один аккумулятор будет заряжаться первым и разряжаться последним в каждом цикле. Если установлена плата защиты, которая исправна, это снизит ёмкость всей группы. Без платы защиты аккумулятор неизбежно будет перезарядиться или переразрядиться, что приведёт к повреждению.
② Параллельное соединение литиевых аккумуляторов разной емкости
Совместное использование литиевых аккумуляторов разной ёмкости, а также старых и новых аккумуляторов может привести к утечке и нулевому напряжению. Это связано с тем, что разница в ёмкости во время зарядки приводит к тому, что одни аккумуляторы перезарядятся, а другие — недозарядятся. Во время разрядки аккумуляторы высокой ёмкости могут разрядиться не полностью, а аккумуляторы низкой ёмкости — переразрядиться. Этот замкнутый круг повреждает аккумуляторы, вызывая утечку или низкое (нулевое) напряжение.
06 Следует ли при сборке сначала соединять литиевые батареи параллельно или последовательно?
Последовательно-параллельная топология литиевых аккумуляторов
-
К типичным методам соединения литиевых аккумуляторных батарей относятся: сначала параллельное, затем последовательное, сначала последовательное, затем параллельное и смешанное соединение.
-
Литиевые аккумуляторные батареи для электробусов обычно используют метод сначала параллельного, а затем последовательного соединения.
-
Литиевые аккумуляторные батареи для хранения сетевой энергии часто используют метод сначала последовательного, а затем параллельного соединения.
Преимущества параллельного (сначала параллельного, а затем последовательного) соединения литиевых аккумуляторов
-
Выход из строя литиевого элемента аккумулятора приводит к автоматическому отключению. За исключением снижения ёмкости, это не влияет на возможность параллельной работы.
-
Если в ячейке литиевой батареи происходит короткое замыкание при параллельном соединении, в параллельной цепи возникнут очень высокие токи, что обычно предотвращается технологией защиты предохранителями.
Недостатки параллельного соединения литиевых аккумуляторов
-
Из-за различий во внутреннем сопротивлении и неравномерного рассеивания тепла между ячейками литиевых аккумуляторов может измениться срок службы параллельно соединенных литиевых аккумуляторов.
Преимущества последовательного соединения литиевых аккумуляторов в первую очередь и параллельного в последнюю очередь
-
Последовательное соединение элементов литиевых аккумуляторов (в зависимости от их ёмкости, например, 1/3 от общей ёмкости), а затем параллельное, снижает вероятность выхода из строя литиевых аккумуляторных модулей большой ёмкости. Кроме того, последовательное соединение элементов литиевых аккумуляторов (в первую очередь, последовательно) значительно повышает их стабильность.
С точки зрения надежности подключения литиевых аккумуляторов, тенденции к нестабильности напряжения и её влияния на производительность, метод соединения «сначала параллельно, затем последовательно» превосходит метод «сначала последовательно, затем параллельно». Топология литиевых аккумуляторов «сначала последовательно, затем параллельно» упрощает обнаружение и управление каждым элементом литиевой батареи в системе.
07 Зарядка литиевых аккумуляторов последовательно и параллельно
① Последовательная зарядка литиевых аккумуляторов
В настоящее время литиевые аккумуляторные батареи, как правило, заряжаются последовательно, в первую очередь благодаря простоте конструкции, низкой стоимости и простоте использования. Однако из-за различий в ёмкости, внутреннем сопротивлении, характеристиках затухания и саморазряде отдельных литий-ионных аккумуляторов при последовательной зарядке литий-ионной батареи сначала полностью заряжается самая маленькая батарея в батарее. К этому моменту остальные батареи не будут полностью заряжены. Если продолжать последовательную зарядку, полностью заряженная батарея может быть перезаряжена.
Перезарядка литий-ионного аккумулятора может серьёзно снизить его производительность и даже привести к взрыву, что может привести к травмам. Поэтому для предотвращения перезарядки отдельных литий-ионных аккумуляторов литий-ионные аккумуляторные блоки обычно оснащаются системой управления аккумуляторами (BMS). Эта система обеспечивает защиту от перезаряда каждого аккумулятора. Во время последовательной зарядки, если напряжение одного литий-ионного аккумулятора достигает напряжения защиты от перезаряда, BMS отключает всю цепь последовательной зарядки и прекращает зарядку, предотвращая перезарядку этого аккумулятора, что в противном случае помешало бы полной зарядке остальных аккумуляторов.
②Параллельная зарядка литиевых аккумуляторов
При параллельной зарядке литий-ионных аккумуляторов убедитесь, что каждый аккумулятор заряжен равномерно. Несоблюдение этого правила повлияет на производительность и срок службы всего аккумуляторного блока. К распространённым методам выравнивающего заряда относятся: выравнивающий заряд с постоянным шунтирующим резистором, выравнивающий заряд с включенным и выключенным шунтирующим резистором, выравнивающий заряд со средним напряжением аккумулятора, выравнивающий заряд с коммутируемым конденсатором, выравнивающий заряд с понижающим преобразователем и выравнивающий заряд с индуктором.
При параллельной зарядке литиевых аккумуляторов следует учитывать несколько моментов:
-
Литиевые аккумуляторы с платами защиты или без них нельзя заряжать параллельно. Аккумуляторы без плат защиты подвержены перезаряду и повреждению.
-
При параллельной зарядке аккумуляторов обычно требуется снять встроенную плату защиты аккумулятора и использовать одну плату защиты.
-
Если аккумуляторы, заряжаемые параллельно, не имеют защитной платы, напряжение зарядки должно быть ограничено 4,2 В, и нельзя использовать зарядное устройство на 5 В.
При параллельном соединении литиевых аккумуляторов чип защиты от заряда обеспечивает защиту. Производители литиевых аккумуляторов в полной мере учитывают изменяющиеся характеристики параллельных литиевых аккумуляторов и при проектировании литиевых аккумуляторов подбирают элементы питания с учетом этих требований. Поэтому пользователям следует заряжать аккумуляторы в соответствии с инструкциями для параллельных литиевых аккумуляторов, чтобы избежать возможного повреждения аккумуляторов из-за неправильной зарядки.
③ Меры предосторожности при зарядке литиевых аккумуляторов
-
Литиевые аккумуляторы необходимо заряжать с помощью специального зарядного устройства. В противном случае они могут не достичь полной ёмкости, что скажется на их производительности.
-
Литиевые батареи не нужно полностью разряжать перед зарядкой.
-
Не оставляйте зарядное устройство подключенным к сети на длительное время. Извлеките аккумулятор из зарядного устройства сразу после полной зарядки.
-
Извлеките аккумулятор из любого неиспользуемого электроприбора и разрядите его перед хранением.
-
Не вставляйте батарею, соблюдая полярность, так как это может привести к ее вздутию или разрушению.
-
Не используйте никелевые и литиевые зарядные устройства взаимозаменяемо.
