Как разряжаются аккумуляторы при последовательном соединении

Последовательное и параллельное подключение аккумуляторов

При эксплуатации автономных источников тока часто встречаются ситуации, когда необходимо одновременно использовать несколько соединенных определенным образом элементов. Это требует наличия определенных знаний, касающихся особенностей протекания тока в цепях с несколькими источниками питания. В данной статье рассматриваются нюансы различных способов соединения аккумуляторов в сборные батареи.

Для чего соединяют аккумуляторы

Некоторые устройства с автономным электрическим питанием требуют таких значений тока и напряжения, которые трудно обеспечить имеющимися стандартными гальваническими источниками питания.

Как правило, это потребность в более мощном отдаваемом токе, увеличенном значении напряжения или емкости. Для решения этих задач требуется создавать различные конфигурации соединений источников тока, каждая из которых имеет свои особенности.

Варианты подключения аккумуляторов

Существует три схемы соединений АКБ в сборки с нужными параметрами:

1. Последовательное — складывается напряжение всех АКБ;
2. Параллельное – складывается емкость;
3. Комбинированное последовательно-параллельное – для повышения емкости и напряжения.

Все они имеют определенные особенности, которые необходимо знать для обеспечения безопасности и долговременной эксплуатации аккумуляторов и питаемых ими устройств.

Основным требованием при всех способах коммутации является исключение использования в сборке аккумуляторов, изготовленных по разным технологиям (например, нельзя соединять одновременно Li-ion и Ni-Mh).

Последовательное соединение аккумуляторов

Для обеспечения достаточного напряжения и приемлемого времени работы электроприборов часто используют аккумуляторные батареи, у которых аноды и катоды отдельных элементов (секций) последовательно соединяются между собой проводниками.

Анод и катод крайних источников питания получившейся сборной батареи являются ее общими плюсом и минусом. У АКБ из последовательно соединенных элементов результирующее напряжение равно сумме вольтажей использующихся источников тока. Результирующая емкость полученной батареи равна той, которую имеет самый слабый из присоединенных АКБ. При эксплуатации такой сборки через каждый элемент течет одинаковый ток (как при заряде, так и при разряде).

При последовательном соединении шести аккумуляторов, каждый из которых имеет вольтаж 1,2 вольта и емкость 1200 мАч будет получена сборка на 6х1,2=7,2 v с емкостью 1200 мАч.

Если в сборке будут использоваться элементы с разной емкостью, то у тех из них, которые имеют меньшую емкость, будет более высокое внутренне сопротивление по сравнению с другими. Падение напряжения на них будет больше, что приведет к быстрому разряду самого слабого элемента в процессе работы.

Более мощные аккумуляторы сборки при этом еще будут работоспособны и сборка будет эксплуатироваться дальше. Это приведет к сильному разряду самого слабого аккумулятора, что уменьшит его ресурс и емкость.

При заряде такой сборки самый слабый аккумулятор зарядиться раньше других элементов, но из-за того, что остальные еще не зарядились, через него будет продолжать течь зарядной ток, который приведет к перезаряду и перегреву. Это особенно опасно для АКБ, которые содержат соединения лития из-за их повышенной чувствительности к перезаряду и сильному разряду.

Важно! В конечном итоге, постоянно повторяющийся усиленный разряд и перезаряд слабого элемента сборки быстро приведут к его выходу из строя. Поэтому при последовательном соединении должны применяться элементы равной емкости. Этого можно достичь только при использовании источников питания, выпущенных одним и тем же производителем, желательно из одной партии.

Заряд каждого источника питания сборной батареи лучше производить по отдельности, или применять выравнивающий заряд с контролем напряжения (регулировкой тока) на каждом элементе.

Параллельное соединение аккумуляторов

В этом случае одним общим проводником соединяют все аноды, а другим – все катоды соединяемых аккумуляторов. Эта схема применяется тогда, когда необходима повышенная сила тока сборной батареи.

Общая емкость (отдаваемый ток) полученной сборки равна сумме емкостей (проходящих токов) соединенных источников питания. Ее напряжение будет равно вольтажу элемента с самой большой электродвижущей силой, и оно будет одинаково на всех источниках полученной батареи.

При параллельном соединении шести АКБ, каждый из которых имеет напряжение 1,2 вольта и емкость 1200 мАч будет получена сборка на 1,2v с емкостью 6*1200=7200 мАч.

Внимание! При параллельном соединении нескольких одинаковых источников, имеющих разное напряжение, происходит перетекание тока из источника с большим напряжением в элемент с меньшим вольтажом.

Это разрушительно сказывается на тех из них, которые имеют меньшую емкость. Из-за перетекания токов запрещается параллельно соединять одноразовые батарейки, в которых оно приводит к заряду элементов с меньшим напряжением, их перегреву, вытеканию электролита или даже взрыву.

В случае параллельного соединения источника с большим напряжением малой емкости к элементу большей емкости, но с меньшим напряжением происходит электрическое замыкание слабого АКБ через меньшее внутреннее сопротивление сильного. Из-за этого в слабом источнике протекает сильный ток, который приводит к его постепенному разрушению.

В случае высокого вольтажа на аккумуляторе большей емкости происходит форсированный заряд слабого элемента, что также сказывается на нем губительно. Исходя из этого, перед сборкой батареи рекомендуется выравнивать напряжения каждого ее элемента до одинакового значения.

Важно! Для исключения разрушающего воздействия перетекания токов при параллельном соединении аккумуляторов должны использоваться элементы питания, одинаковые по напряжению.

Последовательно-параллельное соединение аккумуляторов

Если учитывать правила соединения аккумуляторов в последовательные и параллельные сборки, то можно создавать сложные комбинированные варианты с одновременным использованием обоих способов. Это позволяет увеличивать результирующую емкость и напряжение, что особенно необходимо в системах автономного энергообеспечения, электромобилях и других устройствах с большим потреблением электрического тока.

Сборка комбинированной батареи может осуществляться двумя способами:

1. Составляется нужное количество последовательно соединенных сборок с необходимым напряжением, а затем они объединяются в единую батарею с помощью параллельной коммутации.
2. Создаются батареи с параллельно соединенными аккумуляторами необходимой емкости, которые затем последовательно коммутируются до набора нужного вольтажа.

Важно! Необходимо понимать, что даже при соблюдении всех правил соединения, невозможно подобрать элементы питания с абсолютно идентичными характеристиками. Это неизбежно приведет к разбалансировке значений емкостей и напряжений, что со временем будет приводить к повышенному износу более слабых аккумуляторов.

Меры предосторожности при подключении

При всех способах соединения аккумуляторов необходимо соблюдать ряд мер предосторожности:

• соблюдать меры безопасности по эксплуатации электроустановок для исключения поражения электрическим током (главное — не создавать цепи прохождения тока через тело человека):
• соблюдать полярность подключения;
• не создавать коротких замыканий;
• при сборке батарей отключать от них нагрузку;
• подсоединение зарядного устройства к АКБ осуществлять тогда, когда оно отключено от сети;
• работы проводить в соответствующей изолирующей одежде и обуви, без металлических предметов, которые могут упасть и замкнуть контакты;
• не касаться руками клемм АКБ, в особенности двумя руками на разных полюсах (это очень опасно на мощных батареях с высоким напряжением);
• использовать специальный инструмент с изолированными частями;
• не проводить работы при плохом состоянии здоровья;
• учитывать токи, проходящие через сборную батарею и нагрузку и использовать подходящие по сечению проводники;
• при соединении элементов в одну батарею обеспечивать надежный и изолированный от внешних воздействий контакт;
• обеспечивать надежную защиту сборных батарей от коротких замыканий и попадания влаги;
• использовать аккумуляторы с одинаковыми характеристиками и степенью износа;
• внимательно проверять собранную батарею на наличие ошибок коммутации.

К чему могут привести ошибки при соединении АКБ

Для исключения ошибок при соединении аккумуляторов желательно использовать специальные разъемы, исключающие ошибки при коммутации, например, переходники T-Plug. При неправильном подключении аккумуляторов в одной сборке могут быть допущены ошибки, которые могут привести к очень тяжелым последствиям:

• при параллельном соединении образуется короткозамкнутый контур, в результате чего в аккумуляторах будет происходить бурная химическая реакция, которая очень быстро приведет к вытеканию электролита, деформации корпуса, возгоранию или даже взрыву;
• при последовательном соединении с неправильной полярностью контур разомкнут, но при подключении нагрузки может появиться обратный ток через неверно подключенный элемент, что выведет его из строя;
• при длительном коротком замыкании одного или нескольких аккумуляторов неизбежно возгорание изоляции, расплавление проводников, бурная реакция внутри АКБ, вытекание электролита, деформация корпуса, возгорание или взрыв;
• при краткосрочном коротком замыкании контактов батарея останется работоспособной, но может произойти ухудшение состояния электродов внутри батареи, уменьшение емкости;
• при использовании проводников, не рассчитанных на рабочие токи, они будут перегреваться, оплавится их изоляция, что может привести к короткому замыканию и вытекающим отсюда последствиям.

Остались вопросы или есть что добавить? Тогда напишите нам об этом в комментариях, это позволит сделает материал более полным и точным.

Источник

Последовательное и параллельное соединение аккумуляторов

В этой статье мы расскажем, как правильно соединять аккумуляторы, объясним, чем отличаются разные типы соединений, и зачем вообще все это нужно.

Для чего соединять несколько аккумуляторов

Основные причины, по которым аккумуляторы объединяют в сборки, можно свести к следующим:

1. Уменьшить омические потери (или потери тепла при передаче электроэнергии) путем увеличения сопротивления системы. Сила тока и сопротивление обратно пропорциональны друг другу, а чем слабее ток, тем меньше потери.
2. Собрать батарею, подходящую для питания приборов с более высокими диапазонами напряжений.
3. Увеличить емкость аккумулятора.
4. Увеличить и мощность, и напряжение.

Одним словом, создают АКБ, которая подходит под конкретные нужды. Проще и удобнее комбинировать имеющиеся под рукой аккумуляторы, чем покупать десятки различных батарей. А в некоторых случаях это банально дешевле.

СПРАВКА. Электроэнергия, которая накапливается в АКБ, складывается из энергий составляющих элементов. Поэтому и при последовательном, и при параллельном, и при комбинированном соединении она будет одинаковой, если используются одни и те же элементы в одном и том же количестве.

Какие виды соединения существуют

Чаще всего используется последовательное и параллельное соединение аккумуляторов. Есть еще третий вид, комбинированный, или последовательно-параллельный.

Можно ли соединять АКБ разной емкости

Последовательно – нет. Дело в том, что от емкости зависит внутреннее сопротивление. Чем больше емкость, тем ниже сопротивление. В сборке образуется большая разница напряжения, и где-то оно может оказаться сильно выше предела, а где-то – намного ниже. При подключении зарядного устройства аккумулятор с меньшей емкостью зарядится быстрее и на нем будет избыток напряжения, что приведет к порче и потере емкости, в то время как аккумуляторы с большей емкостью так и не зарядятся до конца.

При подключении нагрузки произойдет обратная ситуация: маленький аккумулятор разрядится ниже допустимой границы (так называемый глубокий разряд), в результате потеряв часть своей емкости.

ВАЖНО! Нельзя соединять последовательно аккумуляторы разной емкости, разного типа, разной степени зарядки. Они должны быть максимально похожи, лучше – из одной партии.

На вопрос о том, можно ли параллельно соединять аккумуляторы разной емкости, ответ – да. Но осторожно. Убедитесь, что напряжение на их клеммах равно. Если оно будет сильно отличаться, это может вызвать короткое замыкание либо порчу меньшего аккумулятора. Еще стоит учитывать, что клеммы конкретного аккумулятора могут не выдержать слишком сильный ток в течение длительного времени. Смотрите технические характеристики перед сборкой.

Особенности последовательного соединения АКБ

Последовательное соединение АКБ – задача не такая уж сложная. К плюсу электрической схемы подсоединяем плюс первой батареи, к минусу первой батареи подключаем плюс второй, и так далее. Минус последней подключается к минусу электросхемы. Перед тем как последовательно соединить аккумуляторы, убедитесь в том, что они одинаковы по параметрам.

Формулы (U – напряжение, I – ток, C – емкость, E – электрическая энергия):

Схема

Емкость системы

Емкость АКБ при последовательном соединении будет равна емкости одного элемента, а напряжение элементов будет суммироваться. Например, на схеме показано, как подключить аккумуляторы последовательно. В таком случае напряжение батареи вырастет в 4 раза (12*4 = 48 В), а емкость останется равной 200 Ач.

Для чего используется

Разные устройства имеют различные диапазоны напряжений. В то же время, рабочее напряжение электроаккумуляторов варьируется от 0,5 до 48 В. Если нужен автономный источник энергии для приборов, электроприводной техники, стартеров автомобилей, для него создается повышенное рабочее напряжение. Делается это как раз с помощью последовательного соединения аккумуляторных батарей.

Самый простой пример такого соединения – карманный фанарик. Чем ниже напряжение в фонарике, тем более тускло горит лампочка. А наиболее часто такая система используется в автомобильных свинцово-кислотных АКБ. Отдельные элементы в них называются банками и объединены в общем корпусе свинцовыми шинами. В беспроводных инструментах и электровелосипедах используются литий-ионные аккумуляторы.

Особенности параллельного соединения АКБ

Как соединить два аккумулятора параллельно: плюс каждого элемента подсоединяют к плюсу последующего, а минус – к минусу.

Формулы (U – напряжение, I – ток, C – емкость, E – электрическая энергия):

Схема

Емкость системы

Параллельное подключение аккумуляторов позволяет увеличить емкость системы, не увеличивая напряжение. Например, при параллельном соединении трех идентичных аккумуляторов со схемы выше, напряжение батареи будет равно 12 В, а емкость увеличится до 600 Ач (200 Ач * 3).

Для чего используется

Чаще всего параллельное подключение АКБ используется в источниках аварийного или бесперебойного питания. Параллельное соединение аккумуляторов позволяет увеличить мощность, поэтому применяется также в тяжелой спецтехнике и в двигателях большегрузных автомобилей. Такой тип соединения распространен и на флоте: он обеспечивает работу аварийных систем связи и жизнеобеспечения, освещения и вспомогательных дизелей.

Особенности последовательно-параллельного соединения АКБ

При таком подходе последовательное подключение аккумуляторов проводят одновременно с параллельным. Существует два возможных варианта:

1. Сперва подготавливается требуемое напряжение путем последовательного подключения АКБ. Затем из нескольких таких сборок составляется система с необходимой электрической емкостью.
2. Сперва соединяют аккумуляторы параллельно для увеличения емкости, затем увеличивают напряжение, соединяя сборки последовательно.

Схема

Емкость системы

В данном случае увеличивается и емкость, и напряжение. В примере на схеме подключили сперва по два аккумулятора последовательно, получив две сборки с емкостью 200 Ач и напряжением 24 В, а затем объединили готовые сборки параллельно. Таким образом, напряжение осталось 24 В, а емкость увеличилась до 400 Ач.

Для чего используется

Чаще всего используется для питания машин с электрическим приводом. Если говорить о литиевом аккумуляторе, то из них составляют акб для портативных компьютеров. 4 последовательных элемента по 3,6 В обеспечивают напряжение 14,4 В, а два параллельных – емкость 4800 мАч.

ВАЖНО! Правильно подбирайте провода для соединения аккумуляторов. Помните, что при увеличении емкости увеличивается и ток. Лучше использовать самозатухающие или негорючие провода.

Техника безопасности

• используйте диэлектрические перчатки;
• не прикасайтесь к клеммам голыми руками;
• аккумуляторы должны быть отключены от нагрузок;
• пользуйтесь инструментами с изолированными рукоятками;
• проверьте клеммы и соединительные контакты перед подключением;
• не используйте аккумуляторы с разными параметрами и степенью износа;
• будьте внимательны с полярностью;
• используйте подходящие провода для соединения;
• изолируйте сборку от влаги

ВНИМАНИЕ! Главное – обезопасить себя от удара током.

Ошибки коммутации и их последствия

Ошибки коммутации можно разделить на ошибки самого соединения (перепутали плюс и минус) и на неправильный выбор аккумуляторов и соединяющих проводов.

Если вы перепутаете клеммы, возможно следующее:

• замыкание;
• воспламенение;
• оплавка проводов;
• порча АКБ (падение мощности).

Помните, что при увеличении мощности потребуются соединяющие провода с подходящим сечением. Перед коммутацией понадобится тщательный расчет всех параметров. Про аккумуляторы мы уже писали выше; если вы соедините неподходящие акб, вы их испортите.

Проверка работоспособности системы

В первую очередь убедитесь, что аккумуляторы целые, без трещин, без ржавчины и следов окислов. Провода на клеммах должны быть хорошо закреплены. Если внешне все в порядке, можно проверить напряжение и силу тока.

1. Проверка падения напряжения при подключении нагрузки.
   К системе подключается нагрузка определенной величины и измеряется падение напряжения мультиметром или вольтметром. Можно провести проверку несколько раз, делая паузы между измерениями, чтобы дать заряду восстановиться. Полученные данные нужно сравнить с параметрами используемого типа батареи с учетом величины нагрузки.
2. Измерение напряжения без нагрузки.
   У разных типов акб свои значения напряжения разомкнутой цепи. Например у свинцово-кислотного это 12,6 В.
3. Использование нагрузочной вилки.
   Если в течение 5-10 секунд напряжение незначительно возрастает или стабильно, то система исправна.
4. Проверка с помощью специальных анализаторов и тестеров.
   Можно быстро замерять напряжение и определять емкость с помощью приборов-тестеров, например, Кулон, PITE, Fluke, Vencon.
5. Полная разрядка / зарядка.
   Это, пожалуй, самый достоверный способ. С помощью специальных устройств (УКРЗ) выполняется глубокая разрядка, а затем полная зарядка с непрерывным контролем емкости. Однако этот метод очень долгий, он может занимать от 15 часов до суток и более.

СПРАВКА. Если вы работаете со свинцово-кислотными аккумуляторами, обращайте внимание на электролит: его уровень должен быть выше свинцовых пластин на несколько мм, а плотность – находиться в пределах 1,23 – 1,31 г/см3 (ее можно измерить ареометром). Изменение оттенка на бурый может происходить из-за порчи пластин.

Напоследок несколько советов о том, как соединить аккумуляторы 18650:

• лучше брать батареи фирм Panasonic, LG, Samsung или Sanyo;
• никелевые полосы лучше, чем никелированные металлические;
• аккумуляторы ни в коем случае нельзя перегревать, поэтому используйте точечную сварку, либо быструю пайку;
• перед единением выравняйте напряжение на батареях с помощью зарядного устройства;
• поставьте на сборку плату BMS.

Надеемся, мы помогли вам немного разобраться в теме, и вы сможете без проблем собрать свою систему акб, если потребуется.

Источник