Как соединить батареи последовательно и параллельно

Неправильное подключение аккумуляторов может привести к снижению производительности, преждевременной деградации элементов или, в серьезных случаях, к нарушениям безопасности.

Независимо от того, разрабатываете ли вы аккумуляторная система для хранения солнечной энергии, промышленное оборудование, морские применения или коммерческие электромобили, понимание последовательной, параллельной и последовательно-параллельной конфигурации является фундаментальным требованием.

В этом руководстве четко объясняется каждая конфигурация с техническими подробностями, необходимыми для принятия правильного решения для вашего приложения.

Основной принцип

Каждое решение о подключении батареи сводится к двум переменным.

Напряжение иемкость (Ач).

• Чтобы увеличить напряжение, подключите последовательно.
• Для увеличения мощности подключайте параллельно.
• Чтобы увеличить оба значения, используйте последовательно-параллельную конфигурацию.

Последовательное соединение батарей

Как это работает

При последовательном соединении положительная клемма одной батареи соединяется с отрицательной клеммой другой.

Это продолжается до тех пор, пока все батареи в цепочке не будут подключены.

Общее напряжение системы представляет собой сумму напряжений всех отдельных батарей.

Емкость остается равной емкости одной батареи.

Пример

Три 12 В 100 Ач батареи соединены последовательно:

Инструкции по подключению

1. Подсоедините отрицательную клемму батареи 1 к положительной клемме батареи 2.
2. Подсоедините отрицательную клемму батареи 2 к положительной клемме батареи 3.
3. Подключите нагрузку или приложение к отрицательной клемме батареи 1 и положительной клемме последней батареи в цепочке.

Порядок подключения имеет значение.

Всегда сначала подключайте отрицательную клемму, а затем сначала отсоединяйте положительную клемму.

Это снижает риск случайного короткого замыкания при установке и снятии.

Потолок напряжения и безопасность

Последовательные соединения увеличивают общее напряжение системы.

При напряжении постоянного тока выше 50 В риск поражения электрическим током значительно возрастает.

Большинство региональных стандартов безопасности классифицируют напряжение постоянного тока 50 В и выше как опасное напряжение, требующее дополнительных мер защиты.

Для систем, работающих при напряжении выше 120 В постоянного тока, что является безопасным порогом сверхнизкого напряжения по стандартам ЕС, требуется дополнительная изоляция, защитное оборудование и квалифицированный монтажный персонал.

Перед проектированием высоковольтной последовательной линии всегда проверяйте применимые стандарты электробезопасности для вашего региона и области применения.

Ключевые требования

Все батареи в последовательной цепочке должны иметь:

• То же номинальное напряжение
• Та же емкость (Ач)
• Та самая химия
• В идеале тот же возраст и история цикла.

Последовательное соединение батарей разного напряжения небезопасно и может привести к дисбалансу элементов и потенциальному повреждению.

В отличие от параллельных соединений, мощность должна совпадать в последовательной строке.

Более слабый элемент в последовательной цепочке будет переразряден до того, как более сильные элементы будут истощены, что приведет к необратимому повреждению этого элемента и снижению общей производительности системы.

Рекомендации по зарядке

Зарядка последовательной цепочки требует тщательного управления.

Если батареи в последовательной цепочке имеют даже небольшие различия во внутреннем сопротивлении или состоянии заряда, некоторые элементы достигнут полного заряда раньше других.

Без надлежащего управления элементы, которые заряжаются первыми, будут перезаряжены, а другие останутся недозаряженными.

Рекомендации:

• По возможности заряжайте каждую батарею индивидуально.
• При одновременной зарядке последовательной цепочки используйте система управления аккумулятором (BMS) с возможностью балансировки ячеек
• Активная балансировка BMS предпочтительнее пассивной балансировки для цепочек больших серий, поскольку она перераспределяет энергию между ячейками, а не рассеивает ее в виде тепла.

Параллельное подключение батарей

Как это работает

При параллельном соединении все положительные клеммы соединяются вместе, а все отрицательные клеммы соединяются вместе.

Это увеличивает общую емкость, в то время как напряжение остается таким же, как у одной батареи.

Пример

Четыре аккумулятора 24 В 50 Ач, соединенные параллельно:

Инструкции по подключению

1. Перед подключением измерьте напряжение всех батарей. Продолжайте только тогда, когда все батареи находятся в пределах 0,1 В друг от друга.
2. Сначала подсоедините отрицательные клеммы, затем положительные клеммы.
3. Соедините все положительные клеммы вместе.
4. Соедините все отрицательные клеммы вместе.
5. Подключите нагрузку с противоположных углов аккумуляторной батареи. Возьмите положительный контакт от первой батареи и отрицательный контакт от последней батареи. Это равномерно распределяет потребляемый ток по всем батареям и предотвращает непропорциональную нагрузку на отдельные элементы.

Ключевые требования

Все батареи в параллельном блоке должны иметь:

• То же номинальное напряжение
• Та самая химия
• Состояние заряда в пределах 0,1 В друг от друга перед подключением

По поводу емкости:

Согласующая способность настоятельно рекомендуется, но не является строгим электрическим требованием для параллельных соединений.

Батареи разной емкости можно подключать параллельно при условии совпадения напряжения и химического состава.

Например, аккумулятор 12 В 100 Ач и аккумулятор 12 В 200 Ач можно соединить параллельно, что в сумме даст 12 В 300 Ач.

Однако батарея меньшего размера будет достигать полной зарядки и полной разрядки быстрее, чем батарея большего размера, в течение каждого цикла.

Без BMS, активно управляющего этим дисбалансом, меньшая батарея будет чаще перезаряжаться и чрезмерно разряжаться, что приведет к ее деградации значительно быстрее, чем у батареи большего размера.

Если вы подключаете батареи разной емкости параллельно, наличие функциональной BMS не является обязательным. Это требование.

Для самой простой и надежной системы используйте аккумуляторы одинаковой емкости.

Внутреннее сопротивление и распределение тока

При параллельном соединении батарей с разными внутренними сопротивлениями ток между ними распределяется неравномерно.

Батарея с более низким внутренним сопротивлением будет проводить большую долю тока как во время заряда, так и во время разряда.

Со временем это приводит к тому, что эта батарея перегревается и разряжается быстрее, чем другие.

По мере его деградации его внутреннее сопротивление еще больше возрастает, что усугубляет дисбаланс и ускоряет проблему.

Чтобы минимизировать этот риск:

• По возможности используйте батареи из одной производственной партии.
• Никогда не используйте старые и новые батареи в одном параллельном блоке.
• Никогда не смешивайте батареи разных марок или моделей в одном параллельном блоке.
• Мониторинг температуры отдельных батарей в больших параллельных системах

Максимальное количество параллельных строк

Для большинства приложений ограничьте параллельные соединения максимум четырьмя строками.

За пределами четырех цепочек распределение тока и управление температурным режимом становится значительно сложнее контролировать.

Дисбаланс между строками труднее обнаружить и исправить, а ошибка в одной строке может более серьезно повлиять на весь банк.

Для систем, требующих мощности, превышающей возможности четырех параллельных цепочек, проконсультируйтесь с вашим производитель аккумуляторов или квалифицированный системный интегратор.

Требования к плавлению

Каждая параллельная цепочка должна иметь собственный предохранитель или автоматический выключатель, установленный как можно ближе к клемме батареи.

Без предохранителей отдельных цепочек повреждение одной цепочки приведет к потреблению тока разряда от всех остальных цепочек через точку повреждения.

В зависимости от общей емкости батареи этот ток может быть достаточно высоким, чтобы вызвать пожар или взрыв.

Это критическое требование безопасности для всех параллельных и последовательно-параллельных систем.

Рекомендации по зарядке

Параллельно соединенные аккумуляторы заряжаются при том же напряжении, что и одиночный аккумулятор.

Стандартное зарядное устройство, соответствующее напряжению аккумулятора, будет работать правильно.

Время зарядки будет больше по сравнению с одной батареей, поскольку общая емкость банка выше.

Убедитесь, что ваше зарядное устройство имеет достаточный выходной ток для полной зарядки аккумулятора в течение приемлемого периода времени для вашего приложения.

Последовательно-параллельно соединенные батареи

Как это работает

Последовательно-параллельная конфигурация сочетает в себе оба метода для одновременного увеличения напряжения и мощности.

Батареи сначала группируются в последовательные цепочки для достижения целевого напряжения.

Затем эти строки соединяются параллельно для достижения целевой мощности.

Пример

Шесть аккумуляторов 12 В 50 Ач в конфигурации 2S3P:

Ключевые требования

В последовательно-параллельной конфигурации все батареи должны быть идентичными по напряжению, емкости, химическому составу и, в идеале, возрасту и истории циклов.

Каждая параллельная струна должна быть спаяна индивидуально.

Перед параллельным соединением все струны должны иметь одинаковый заряд, с разницей в 0,1 В друг от друга.

Любой дисбаланс между струнами вызовет циркулирующие токи, что приведет к неравномерной зарядке, ускоренной деградации и потенциальным проблемам с безопасностью.

Для всех последовательно-параллельных систем настоятельно рекомендуется использовать BMS, способную управлять как последовательной балансировкой ячеек, так и мониторингом параллельных цепочек.

Выбор правильной конфигурации

Критические правила для всех конфигураций

1. Всегда согласовывайте напряжение.
Напряжение должно совпадать как при последовательном, так и при параллельном соединении без исключения.

2. Соответствующая емкость для серии, рекомендуется для параллельной работы.
В последовательных цепях емкость должна совпадать, чтобы предотвратить чрезмерную разрядку более слабых элементов. В параллельных банках настоятельно рекомендуется согласовывать мощность, но это не является жестким электрическим требованием. Несовпадающие параллельные мощности требуют активного управления BMS.

3. Проверьте уровень заряда перед подключением.
Перед параллельным подключением все батареи должны находиться в пределах 0,1 В друг от друга. Большая разница напряжений вызывает высокие токи выравнивания, которые могут повредить элементы и вызвать опасное нагревание.

4. Подключайтесь в правильном порядке.
Сначала подключите отрицательные клеммы. Сначала отсоедините положительные клеммы. Это снижает риск случайного короткого замыкания при установке и снятии.

5. Сплавьте каждую параллельную струну по отдельности.
Установите предохранитель или автоматический выключатель на каждой параллельной цепочке как можно ближе к клемме аккумулятора. Это непреложное требование безопасности для всех параллельных и последовательно-параллельных систем.

6. Используйте соответствующие размер кабеля.
Выбирайте кабели с учетом максимального тока, который может выдерживать система, с соответствующим запасом прочности. Кабели с заниженными номинальными характеристиками выделяют тепло, снижают эффективность и создают риск возгорания.

7. Используйте BMS.
Система управления аккумулятором защищает от перезаряда, чрезмерного разряда, короткого замыкания и перегрева. Для последовательных конфигураций необходима активная балансировка ячеек. Для параллельных конфигураций с несовпадающими мощностями требуется BMS.

8. Проверьте совместимость с производителем батареи.
Не все модели аккумуляторов поддерживают последовательное или параллельное соединение. Некоторый аккумуляторы ЛФП со встроенными модулями BMS не предназначены для внешнего последовательного или параллельного подключения. Всегда проверяйте совместимость перед созданием системы с несколькими батареями.

Часто задаваемые вопросы

Увеличивает ли параллельное подключение аккумуляторов ампер-часы?

Да. Параллельное соединение батарей увеличивает общую емкость в ампер-часах при сохранении напряжения. Две батареи 12 В 100 Ач, включенные параллельно, создают систему 12 В 200 Ач, обеспечивая удвоенное время работы без необходимости подзарядки.

Что произойдет, если соединить две батареи 12 В последовательно?

Вы получаете систему на 24 В с той же емкостью в ампер-часах, что и одна батарея. Если каждая батарея рассчитана на напряжение 12 В 100 Ач, комбинация серий дает 24 В 100 Ач. Напряжение увеличивается в два раза, мощность остается прежней.

Что лучше, последовательно или параллельно?

Ни то, ни другое не лучше в целом. Правильный выбор зависит от ваших требований к напряжению и мощности. Если ваше оборудование работает при более высоком напряжении, необходимо последовательное соединение. Если вам нужно более длительное время работы при том же напряжении, ответом будет параллельное соединение. Многие более крупные системы используют последовательно-параллельную схему для достижения обоих целей.

Можно ли подключать батареи LFP последовательно или параллельно?

Большинство качественных аккумуляторов LFP поддерживают обе конфигурации, но это зависит от конкретного продукта и его внутренней конструкции BMS. Некоторые батареи LFP со встроенными блоками BMS не подходят для последовательного соединения, поскольку цепи BMS не изолированы электрически друг от друга, что может вызвать проблемы с контуром заземления и нарушения безопасности. Всегда уточняйте совместимость с производителем батареи перед последовательным подключением батарей LFP.

Какая максимальная разница напряжений допускается перед параллельным подключением батарей?

Разница не более 0,1 В между любыми двумя батареями до их параллельного подключения. Большая разница напряжений приводит к немедленному протеканию высокого тока выравнивания между батареями при подключении, что может привести к повреждению элементов, выделению значительного тепла и в серьезных случаях привести к нарушениям безопасности. Всегда измеряйте и согласовывайте напряжения аккумуляторов перед выполнением параллельных соединений.