У любого аккумулятора, в зависимости от его типа, есть определенные паспортные значения: номинальное напряжение, максимальный ток, оптимальный ток, номинальная емкость. Отметим, что данные паспортные значения являются верными только при условии соблюдения рекомендованного производителем режима эксплуатации аккумулятора, и только для тех аккумуляторов, жизненный ресурс которых далек от исчерпания.
Однако бывает и так, что необходимо сразу добиться от аккумулятора большего, чем то, на что он способен по паспорту. Поэтому для увеличения емкости, рабочего тока или напряжения часто прибегают к последовательному, параллельному, а иногда и к смешанному (последовательно-параллельному) соединению аккумуляторов (элементов, ячеек).
Так, для литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов номинальным значением напряжения для одного элемента будет 3,7 В, для свинцово-кислотных аккумуляторов — 2,1 В, для никель-цинковых — 1,6 В, а для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных — 1,2 В.
Что же касается емкости и оптимального тока аккумулятора, то данные параметры зависят от многих конструктивных параметров: от площади электродов, от объема ячейки, от плотности электролита и т. д.
Если необходимо получить большее рабочее напряжение, то аккумуляторные ячейки соединяют последовательно, если требуются большая емкость и ток — параллельно, если же необходимо и емкость увеличить и напряжение повысить — применяют последовательно-параллельное соединение аккумуляторов.
Последовательное соединение аккумуляторов и его особенности
С самого начала необходимо понимать, что для последовательно соединенных аккумуляторов - ток через каждый аккумулятор такой сборки (батареи) всегда будет равен току через всю сборку, причем независимо от того, разряжается в этот момент батарея или стоит на зарядке.
По этой причине строго рекомендуется соединять последовательно только однотипные аккумуляторы (или сборки) одинаковой емкости (реальной!).
Почему однотипные? Потому что минимальное (до которого можно разряжать) и максимальное (до которого можно заряжать) напряжения для каждой ячейки должны быть одинаковыми.
Теперь разберемся с вопросом, почему же необходимо чтобы соединяемые последовательно емкости также были одинаковыми.
Если соединить последовательно аккумуляторы разной емкости, то в процессе разрядки ячейка наименьшей емкости разрядится быстрее остальных, и может дойти до того, что наступит глубокий разряд одной из ячеек образующих сборку, тогда как остальные элементы еще могли бы безопасно разряжаться. Это нарушит работу всей батареи аккумуляторов, ее напряжение упадет, а емкость при этом просто не сможет быть адекватно реализована в нагрузке.
А в процессе зарядки такой неравномерной сборки будет происходить следующее: аккумуляторная ячейка наименьшей емкости уже зарядится до нужного напряжения, тогда как соседи большей емкости останутся недозаряженными.
Чтобы предотвратить подобное неприятное развитие событий (бывает так, что некоторые из ячеек даже в ходе правильной эксплуатации раньше других теряют свою исходную емкость), зарядное устройство (или сборку) оснащают выравнивающим контроллером заряда-разряда, защищающим ячейки от критических режимов.
Так или иначе, прежде чем соединять аккумуляторы в последовательную сборку, измерьте емкость каждого специальным прибором, который всем известен и широко доступен в продаже.
В ампер-часах (Ah) или в миллиампер-часах (mAh) емкость батареи, получившейся при последовательном соединении одинаковых аккумуляторов, будет равна емкости единичного элемента составляющих последовательную батарею.
Номинальный ток, как и емкость, будет равен номинальному току одной ячейки. Номинальное же напряжение (в вольтах) и энергия (в ватт-часах), будут равны сумме, соответственно, номинальных напряжений и ватт-часов, всех составляющих батарею ячеек.
Ампер-час - единица измерения количества электричества, применяемая главным образом в электрохимии. Один ампер-час равен количеству электричества, проходящему через проводник за один час при силе тока в один ампер, т. е. равен 3600 кулонам (3600 амперсекундам). В ампер-часах измеряется емкость аккумуляторов, а также электрическая энергия при постоянном напряжении.
Параллельное соединение аккумуляторов и его особенности
Параллельное соединение аккумуляторов применяют тогда, кода напряжение необходимо оставить таким как есть, но при этом увеличить общую емкость и соответственно номинальный ток сборки.
Параллельно соединять допускается ячейки с одинаковыми номинальными напряжениями, также очень желательно чтобы они были однотипными (дабы влияние условий эксплуатации на емкость и на токовые характеристики для всех ячеек было примерно одинаковым).
В момент соединения желательно также выровнять текущие напряжения, чтобы снизить выравнивающие токи, которые неизбежно возникнут в момент параллельного замыкания полюсных выводов ячеек.
Емкость получившейся сборки в ампер-часах, ее рабочий ток, а также запасенная энергия в ватт-часах будут равны сумме оных для каждой из ячеек образующих сборку.
Соединяя аккумуляторные элементы параллельно, важно помнить и о том, что результирующий ток саморазряда параллельной сборки окажется выше, чем сумма токов саморазряда, характерных для каждой ячейки в отдельности, поскольку какие-то из ячеек в сборке будут разряжаться быстрее, и более стойкие в плане саморазряда ячейки будут разряжаться не только сами через себя, но и через соседей, все время как-бы заряжая их.
Последовательно-параллельное или смешанное соединение аккумуляторов
Если вы разобрались с правилами и особенностями последовательного соединения аккумуляторных ячеек и поняли принцип суммирования емкости и тока при параллельном соединении, то для вас не составит труда соединить получившиеся последовательные сборки параллельно, либо параллельные сборки последовательно.
Теоретически, чтобы уменьшить ток саморазряда, казалось бы, лучше параллельно соединить несколько заготовленных заранее правильно собранных последовательных цепочек одинаковой емкости без параллельных замыканий соседних звеньев. Однако на практике проще соединить друг с другом несколько параллельных сборок.
В итоге принцип формирования сборки следующий: если в смешанном соединении количество последовательных элементов (в одной цепочке последовательно соединенных аккумуляторов) превышает количество параллельных элементов (то есть превышает количество цепочек), то параллельно объединяют цепочки.
Если же в смешанном соединении количество параллельных элементов превышает количество элементов в цепочке, то последовательно соединяют параллельные сборки, предварительно убедившись в том, что их емкости равны.
При смешанном соединении аккумуляторов важно учитывать соотношение количества элементов в последовательных и параллельных цепочках. Это позволяет оптимизировать общую емкость и напряжение сборки. При равенстве количества последовательных и параллельных элементов, сборка может быть выполнена любым удобным способом, но всегда с учетом равенства емкостей отдельных элементов или групп.
Пример расчет сборки:
Предположим, у нас есть 12 аккумуляторов, и мы хотим создать сборку с максимально возможной емкостью. Если мы соединим их все последовательно, мы получим суммарное напряжение, равное сумме напряжений всех аккумуляторов, но емкость будет равна емкости одного аккумулятора. Если же мы соединим их все параллельно, напряжение сборки будет равно напряжению одного аккумулятора, но емкость увеличится в 12 раз.
Для оптимального сочетания напряжения и емкости можно использовать смешанное соединение. Например, можно создать 4 цепочки по 3 аккумулятора в каждой, соединенные последовательно, и затем соединить эти цепочки параллельно. Таким образом, напряжение сборки будет в 3 раза выше напряжения одного аккумулятора, а емкость — в 4 раза больше.
Важно помнить, что при смешанном соединении необходимо строго соблюдать равенство емкостей всех параллельно соединенных групп, чтобы избежать перераспределения тока, которое может привести к перегреву и выходу из строя отдельных аккумуляторов. Кроме того, следует регулярно проверять состояние каждого аккумулятора в сборке и при необходимости производить их замену и балансировку.
Примеры применения различных типов соединений аккумуляторов в электротехнических устройствах
Последовательное соединение:
- Фонарики и портативные электронные устройства: часто используют последовательное соединение для увеличения напряжения, необходимого для их работы.
- Электроинструменты: некоторые инструменты требуют более высокого напряжения для повышения мощности, что достигается за счет последовательного соединения аккумуляторов.
Параллельное соединение:
- Аккумуляторы для солнечных панелей: для увеличения общей емкости и поддержания стабильного напряжения используют параллельное соединение.
- Электромобили: для обеспечения необходимой емкости и тока, позволяющего увеличить дальность пробега, аккумуляторы соединяются параллельно.
Смешанное соединение:
- Переносные электроинструменты: для достижения оптимального баланса между напряжением и емкостью, часто используют смешанное соединение.
- Бесперебойные источники питания (БИП): смешанное соединение позволяет достичь необходимых параметров напряжения и тока для поддержания работы оборудования при отключении основного источника питания.
Заключение
Последовательное соединение аккумуляторов используется для увеличения рабочего напряжения сборки, в то время как параллельное соединение применяется для увеличения общей емкости и номинального тока. Смешанное соединение, комбинирующее оба этих метода, позволяет одновременно увеличить и напряжение, и емкость.
Однако при любом типе соединения важно использовать аккумуляторы с одинаковыми характеристиками, чтобы избежать неравномерной зарядки или разрядки ячеек, что может привести к снижению эффективности и срока службы батареи.
Также необходимо учитывать меры предосторожности и использовать соответствующие устройства для контроля и балансировки заряда, чтобы обеспечить безопасность и долговечность аккумуляторной сборки.
Правильное соединение аккумуляторов требует внимательности и знания основ электротехники, а также понимания специфических требований к эксплуатации различных типов аккумуляторов.
Андрей Повный