Схема соединения аккумуляторов

Для автономной работы разнообразного оборудования, техники и приборов нужны накопители энергии с определенными значениями напряжения и емкости. Например, для установки на электровелосипед с мотор-колесом на 48 В необходима Li-ion батарея с номинальным напряжением 48 В и емкостью от 10 до 20 А·ч или выше, в зависимости от необходимой дальности хода на 1 заряде.

Чтобы получить источник автономного питания с такими или любыми другими параметрами, аккумуляторы соединяют по подходящей схеме: для суммирования напряжения – последовательно, для увеличения емкости и допустимых токовых нагрузок – параллельно. Номинальный вольтаж большинства Li-ion «банок» составляет 3,6 или 3,7 В, а моделей подвида LiFePO4 – 3,2 В. Емкость элементов питания зависит от их размеров, материала катода и других факторов. Максимальные токовые нагрузки также зависят от типа химии и у ячеек разных подвидов бывают от 1 С до 10С, где С – значение емкости.

Например, Li-ion аккумулятор SONY VTC6 18650 имеет номинальный вольтаж 3,7 В, емкость 3000 мА·ч и токоотдачу до 10С, т.е. до 30 А. Чтобы собрать из таких элементов батарею на 48 В и 15 А·ч, выполняют последовательное соединение 13 таких «банок» (схема 13S) и соединяют 5 таких параллелей (5Р). Другими словами, используют комбинированную схему 13S5Р и в соответствии с ней собирают батарею из 65 элементов.

Требования к аккумуляторам, соединяемым в АКБ

Для соединения в АКБ применяют идентичные ячейки с абсолютно одинаковыми характеристиками. Даже небольшой разбег по восстанавливаемой емкости или значениям внутреннего сопротивления приводит к разбалансировке последовательно соединенных ячеек и неравномерному использованию запасаемой ими энергии. И если в такую систему не будет включен эффективный балансир, вскоре батарея станет неработоспособной.

При выборе элементов для объединения в общую электрическую систему важно обращать внимание не только на идентичность их характеристик, но и на соответствие рабочих параметров условиям будущей эксплуатации АКБ. Например, для питания моторов портативного электроинструмента или персонального электротранспорта нужны мощные батареи, не перегревающиеся при интенсивных нагрузках. Их собирают из высокотоковых литий-ионных аккумуляторов с малым сопротивлением. А если батарея будет использоваться на холоде, для ее сборки используют морозоустойчивые элементы питания LiFePO4 или другого подвида.

Особенности последовательного соединения

При таком способе коммутации «плюс» каждого предыдущего элемента соединяется с «минусом» последующего. В результате напряжение на выводах полученной сборки становится равным суммарному вольтажу всех соединенным таким образом «банок». При этом емкость и допустимые токи разряда/заряда для полученной батареи будут такими же, как у единичного элемента в ее составе.

При последовательном соединении особенно важно использовать одинаковые ячейки, а если какая-то из них выйдет из строя, придется перебирать всю АКБ. Для устранения разбаланса в таких сборках нужно использовать балансиры. Для соединения «банок» необходимы достаточно толстые провода, выдерживающие тройную нагрузку относительно расчетного значения. Еще лучше использовать для этих целей полоски никелевой ленты.

Особенности параллельной коммутации

При таком способе сборки АКБ объединяются однополюсные контакты всех элементов. В результате напряжение остается неизменным, зато наращивается емкость и увеличиваются допустимые токи заряда/разряда. При параллельной коммутации допустимо включать в цепочку элементы разной емкости, но необходимо обеспечить им защиту от глубокого разряда и перезаряда. При сборке нужно быть осторожным и не замыкать контур, чтобы не испортить аккумуляторы.

Использование смешанных схем

Чаще всего литий-ионные батареи собирают по смешанным или комбинированным схемам. В таком случае получается эффект «два в одном»: наращиваются и вольтаж, и емкость, а вместе с ней растут и максимально возможные токовые нагрузки. Смешанную коммутацию можно выполнять двумя способами:

• Последовательно объединить «банки» для набора нужного вольтажа, а потом из таких серий собрать параллельную цепь для получения достаточной емкости.
• Вначале собрать линии-параллели для прироста емкостного запаса, а затем последовательно составить из них цепь для увеличения вольтажа.

При комбинированной схеме соединения аккумуляторов важно строго соблюдать требования к идентичности объединяемых элементов и использовать провода увеличенного сечения с негорючей или самозатухающей изоляцией или никелевую ленту. Внимательно следите за соблюдением полярности, не собирайте АКБ под нагрузкой, используйте диэлектрические перчатки и инструмент. Чтобы избежать перегрева аккумов, соединяйте их с применением точечной сварки, механических методов или (в крайнем случае) с помощью быстрой пайки.

Пару слов о запасаемой энергии

Количество запасаемой энергии (энерговооруженность батареи) не зависит от метода объединения ячеек. Этот параметр измеряется в ватт-часах и равен произведению напряжения на емкость. Как бы мы ни соединяли «банки», энерговооруженность АКБ не изменится и будет зависеть только от количества ячеек в батарее. Но от способа коммутации аккумов зависит напряжение всей системы, ее емкость и допустимые для нее токовые нагрузки.

Читайте в предыдущей статье блога VoltBikes.ru о лучших снегокатах для детей.