Соединение аккумуляторов последовательно и параллельно

Соединение аккумуляторов последовательно и параллельно

Соединение аккумуляторов последовательно и параллельно
СОДЕРЖАНИЕ
0
877 просмотров
04 января 2021

Теория

   Для последовательного соединения аккумуляторов, обычно к плюсу электрической схемы подключают положительную клемму первого  последовательное соединение аккумуляторов аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к минусу блока. Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Значит если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

   Энергия, накопленная в АКБ, равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы – параллельно или последовательно.

   Литий-ионные батареи просто подключить к БП нельзя – нужно выравнивание зарядных токов на каждом элементе (банке). Балансировку проводят при зарядке аккумулятора, когда энергии много и её можно сильно не экономить и поэтому без особых потерь можно воспользоваться пассивным рассеиванием “лишнего” электричества.

   Никель-кадмиевые АКБ не требуют дополнительных систем, поскольку каждое звено при достижении его максимального напряжения заряда перестает принимать энергию. Признаки полного заряда Ni-Cd – это увеличение напряжения до определенного значения, а затем его падение на несколько десятков милливольт, и повышение температуры – так что лишняя энергия сразу превращается в тепло.

   У литиевых аккумуляторов наоборот. Разрядка до низких напряжений вызывает деградацию химии и необратимое повреждение элемнта, с ростом внутреннего сопротивления. В общем они не защищены от перезаряда, и можно потратить много лишней энергии, резко сокращая тем самым время их службы.

   Если соединить несколько литиевых элементов в ряд и запитать через зажимы на обоих концах блока, то мы не можем контролировать заряд отдельных элементов. Достаточно того, что одно из них будет иметь несколько более высокое сопротивление или чуть меньшую емкость, и это звено гораздо быстрее достигнет напряжения заряда 4,2 В, в то время как остальные будут еще иметь 4,1 В. И когда напряжение всего пакета достигнет напряжение заряда, может оказаться, что эти слабые звенья заряжены до 4,3 Вольт или даже больше. С каждым таким циклом будет происходить ухудшение параметров. К тому же Li-Ion является неустойчивым и при перегрузке может достичь высокой температуры, а, следовательно, взорваться.

   Чаще всего на выходе источника зарядного напряжения ставится устройство, называемое “балансиром”. Простейший тип балансира – это ограничитель напряжения. Он представляет из себя компаратор, сравнивающий напряжение на банке Li-Ion с пороговым значением 4,20 В. По достижении этого значения приоткрывается мощный ключ-транзистор, включенный параллельно элементу, пропускающий через себя большую часть тока заряда и превращающий энергию в тепло. На долю самой банки при этом достается крайне малая часть тока, что, практически, останавливает ее заряд, давая дозарядиться соседним. Выравнивание напряжений на элементах батареи с таким балансиром происходит только в конце заряда по достижении элементами порогового значения.

Кречмар по четвергам, 17 декабря

Почему есть ограничения?

Итак, для успешного протекания необходимой электрохимической реакции необходимо обеспечить её качественным электролитом

Важно также совершение процесса в верхних слоях и отвод продуктов. В этом значительным образом помогает активная масса пластин аккумулятора

Ведь благодаря ей легче подводится и отводится вещество, участвующее в реакции. Но по мере перемещения «ресурсных материалов» вниз всё начинает происходить медленнее. Активно сказывается и то, что в электролите появляется сера. Поэтому соединение аккумуляторов параллельно предпочтительным является только когда батарея заряжена. Чем ниже реальный показатель напряжения, тем опаснее работа источников питания разной емкости. Поэтому желательным является обеспечение своевременного питания. Лучше всего будет не давать емкости упасть меньше 1/3 номинала.

Параллельное соединение

Последовательное соединение конденсаторов

Если автомобилю требуется больше пусковой мощности, чем может обеспечить батарея, соединяются несколько аккумуляторов параллельно.


Схема параллельного соединения аккумуляторов

По практическим соображениям (в основном, вес и размер корпуса) АКБ имеют ограниченную емкость. 12-вольтовые аккумуляторы производятся емкостью до нескольких сотен Ач. Хорошая батарея на 200 Ач весит 60-70 кг. Из-за этого главным образом используются аккумуляторы до 250 Ач. Однако очень часто потребности превышают данную емкость. В таких случаях можно применить параллельное соединение аккумуляторов. Благодаря этому решению, блоки с батарейками не имеют ограничения по пропускной способности, и в то же время их сборка, разборка, перемещение возможны без грузоподъемного оборудования.

Например, чтобы получить емкость 400 Ач и 12 В, надо соединить следующие аккумуляторы:

  • две батареи 200 Ач (2 х 200 Ач = 400 Ач);
  • пять батарей 80 Ач (5 х 80 Ач = 400 Ач);
  • две батареи 100 Ач и одна 200 Ач (2 х 100 Ач + 200 Ач = 400 Ач).

Аналогично любые другие комбинации.

Емкость созданного таким образом набора равна сумме емкостей отдельных аккумуляторов. При этом надо соединить одноименные полюса батарей.

Подключение аккумулятора

Как подключить аккумулятор к нагрузке, зависит от числа элементов и нагрузочного тока:

  1. При небольшом количестве аккумуляторов и нагрузке или зарядке с малым током различия в отдаче энергии отдельных элементов будут незначительны. Можно подключать нагрузку и зарядку к первой батарее;
  2. Способ подсоединения, когда «минус» к нагрузке и зарядке подсоединяется от первой батареи, а «плюс» – от последней, рекомендуется для балансировки аккумуляторов под нагрузкой во время зарядки с высоким током или, когда в параллель подключается много элементов. Это позволяет оптимизировать распределение напряжения.


Предпочтительное подключение параллельно соединенных элементов

Принципы параллельного подключения

Наилучшие результаты можно получить, объединив аккумуляторы с одинаковыми параметрами:

  • емкость;
  • степень износа;
  • внутреннее сопротивление.

Хотя требования к аналогичности параметров в данном случае намного ниже, чем, когда используется последовательное соединение аккумуляторов. Основным условием является идентичное номинальное напряжение. Но можно комбинировать:

  • батареи различной емкости;
  • аккумуляторы разных производителей;
  • даже значительно отличающиеся по степени износа.

Важно! В случае параллельного подключения нельзя использовать поврежденные батареи с низким внутренним сопротивлением. Применение поврежденных или сильно изношенных аккумуляторов экономически необоснованно – они потребляют энергию оставшихся элементов, что снижает доступную мощность всего комплекта

Проверка подключения

Перед сборкой нескольких аккумуляторов следует проверить каждую батарею отдельно. Это позволит избежать потерь и даже выхода из строя элементов.

  1. Использование батареи с очень низкой емкостью не опасно, но не имеет смысла, так как не способно увеличивать мощность, однако возрастет риск будущих проблем;
  2. Если оставить комбинацию параллельных батарей подключенной, при одной из них с низким током короткого замыкания и потребляющей много энергии, то сохранение этого состояния в течение длительного времени приведет к разрядке других батарей и ограничению эффективности;
  3. Аккумулятор с небольшим током короткого замыкания, но имеющий значительную емкость может быть полезен, только если энергия потребляется в течение короткого времени после окончания зарядки. Такой комплект требует постоянного контроля, поскольку сопротивление нагрузки может упасть до опасного уровня;
  4. Проверенные батареи следует заряжать так, чтобы их напряжение было одинаковым. Параллельное соединение заряженных и разряженных аккумуляторов приводит к внезапному сильному току. Заряженный элемент будет быстро разряжаться, а разряженный еще быстрее. Масштаб этого явления зависит от разности напряжений и мощностей.

Например, для аккумулятора 200 Ач не будет опасным подключение второго на 7 Ач, независимо от уровня разряда. В то же время с разностью напряжения во время подключения небольшая батарея будет испытывать значительную потерю мощности, что может довести вплоть до повреждения ее корпуса.

Зачем соединять аккумуляторы в один блок?

При работе систем наблюдаются омические потери напряжения. Эта та часть затраченной энергии, которая преобразуется в тепло, не давая полезной работы. Объединяя аккумуляторы определенным образом, можно уменьшить потери, увеличив КПД. Бывают случаи, когда для работы оборудования емкости одного гальванического элемента недостаточно. Покупать батарею большей емкости дорого, да и не всегда удобно (например, проблемы с размещением). Практичнее объединить два однотипных химических источника энергии.

Запросы по характеристикам питания в различных областях различны.

Имея одинаковые и однотипные аккумулирующие элементы легко их удовлетворить, соединяя источники в разных сочетаниях. Это дешевле и практичнее.

Схема выпрямителя для АКБ на 12 и 24 В

Некоторые особенности аккумуляторов

Для питания электроники автомобиля устанавливается классический свинцово-сернокислый аккумулятор. Выпускается он в виде последовательного соединения отдельных батарей. К особенностям подобной конструкции относят следующие моменты:

  1. Опасным фактором можно назвать применение серной кислоты, которая имеет концентрацию 25−30%. При эксплуатации ее температура может повышаться, происходит образование газов. Именно поэтому корпус имеет два отверстия, через которые и происходит отвод газов.
  2. Практически все устройства могут неоднократно заряжаться для повышения емкости. Стоит учитывать, что полный разряд негативно влияет на устанавливаемые пластины. Поэтому в некоторых случаях проводится соединение нескольких аккумуляторов, за счет чего исключается вероятность их полного разряда.
  3. Главными характеристиками можно назвать емкость электролита и ее плотность. При длительной или неправильной эксплуатации показатель емкости может существенно упасть. Измерить уровень жидкости можно при помощи обычного стеклянного стержня, который опускается в аккумулятор. Для измерения плотности жидкости применяется специальный инструмент. При желании можно снизить или повысить уровень электролита и изменить показатель плотности.

Особенности и схемы последовательного и параллельного соединения

Каждая из схем имеет свои особенности, которые нужно учитывать, чтобы АКБ не вышли из строя.

Параллельное соединение — для увеличения ёмкости

При параллельном подключении аккумуляторов ёмкость складывается. Например, если подключить 5 накопителей на 1200 мАч, то получим 5 х 1200 = 6000 мАч. При параллельном соединении напряжение, выдаваемое этой конструкцией, будет таким же, как и у одного элемента конструкции.

В параллельную сборку можно объединять аккумуляторы только с одинаковым напряжением. Если этот показатель будет отличаться, то один из АКБ будет отдавать больший ток, и возникнет перегрузка. При условии равенства потенциалов можно объединять параллельно накопители разной ёмкости. Но если это равенство будет нарушено, пострадает накопитель меньшей емкости. Если напряжение на нем будет больше, чем на остальных, то через него будет протекать большой ток. Если меньше, то он будет заряжаться в режиме перегрузки.

Последовательное соединение — для увеличения напряжения

При последовательном соединении ёмкость сборки такая же, как и у одного аккумулятора, входящего в цепочку, а напряжение равно суммарной разности потенциалов всех элементов конструкции.

Объединять между собой можно только накопители одинаковой ёмкости. Давайте разберемся, почему.

При последовательном соединении сила тока на всех элементах цепи одинаковая, а разность потенциалов может различаться. Внутреннее сопротивление накопителя зависит от его ёмкости. При увеличении электрической вместительности сопротивление уменьшается. Поэтому при использовании АКБ разной емкости во время зарядки напряжение на одном накопителе будет выше допустимого, а при разрядке — ниже.

Давайте рассмотрим такой случай: есть конструкция из 10 элементов разной емкости, 5 из которых рассчитаны на 20 Ач, а один — на 10 Ач. Заряжать их будем током 2 А. Отрегулируем зарядное устройство так, чтобы оно отключалось при разности потенциалов 138 В (по 13,8 В на одну батарею).

При зарядке АКБ небольшой вместительности будет заряжаться быстрее. И когда она будет заряжена, остальные АКБ еще будут пополняться энергией. Произойдет перезаряд и электролит может закипеть, что может привести к возгоранию или взрыву. К тому же это отрицательно скажется на времени жизни аккумулятора.

При разряде такой сборки АКБ малой ёмкости разрядится раньше, когда остальные еще будут отдавать энергию. Произойдет глубокий разряд накопителя, это приведет к сульфатация пластин, что станет причиной быстрого износа батареи.

Смешанная схема

В комбинированной схеме подключения соединение аккумуляторов происходит последовательно и параллельно. Она нужна для того, чтобы одновременно увеличить и емкость, и разность потенциалов.

Подключение накопителей может происходить по такому сценарию:

  • сначала подключаем последовательно столько аккумуляторов, сколько необходимо, чтобы обеспечить требуемую разность потенциалов;
  • потом параллельно подключаем нужное количество сборок для обеспечения требуемой вместимости.

Можно ли и как правильно соединять обычные батарейки

Обычные батарейки можно подключать последовательно. Именно такое подключение используется во многих бытовых электрических приборах, например, в пульте дистанционного управления, детских игрушках, радиоприемниках.

Последовательное соединение батареек использовать не рекомендуется, потому что подобрать две батарейки с одинаковым напряжением невозможно. Между выводами возникнут разность потенциалов и паразитный ток, который будет разряжать одну из батареек. При последовательном соединении аккумуляторов одна из батарей будет просто заряжать другую, но батарейки не могут заряжаться.

Видео о подключении батареек:

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.

Параллельное и последовательное соединение

Если вы используете больше одного аккумулятора, то через батарейные переключатели их можно подключить к цепи независимо, но можно соединить последовательно или параллельно.

При последовательном соединении положительную клемму одного аккумулятора соединяют с отрицательной клеммой другого, а нагрузку подключают к свободным положительной и отрицательным клеммам. Общая емкость последовательно соединенных аккумуляторов не меняется, а выходное напряжение увеличивается. Например, емкость батареи, состоящей из двух последовательно соединенных 12-вольтовых аккумуляторов по 100 Ач каждый, останется 100 Ач, а напряжение увеличится до 24 Вольт.

При параллельном соединении, положительную клемму одного аккумулятора соединяют с положительной клеммой другого, затем соединяют между собой отрицательные клеммы и подключают к нагрузке. Напряжение батареи параллельно соединенных аккумуляторов не меняется, а емкость равняется сумме емкостей соединенных аккумуляторов.

Последовательно-параллельное соединение используют когда необходимо создать аккумуляторную батарею большой емкости, но вес каждого аккумулятора слишком велик. В 12-вольтовых электрических системах сначала  соединяют последовательно два 6-вольтовых аккумулятора и получают 12 вольт. Затем полученную батарею подключают параллельно к еще двум,  соединенным таким же образом 6-вольтовым аккумуляторам. Первое соединение увеличивает напряжение, а второе емкость аккумуляторной батареи.

Считается, что при параллельном подключении вышедшая из строя аккумуляторная ячейка может разряжать другие аккумуляторы, а небольшие токи, циркулирующие между аккумуляторами увеличивают уровень саморазряда. Из-за этого 12-вольтовую батарею иногда рекомендуют создавать из последовательно соединенные 6-вольтовых аккумуляторов большой емкости. А если они оказываются слишком тяжелыми, то использовать шесть последовательно соединенных 2-вольтовых аккумуляторов.

Однако при параллельном подключении отказ одной ячейки не ведет к выходу из строя всей батареи. Оборудование контроля позволяет обнаружить неисправный аккумулятор и удалить его. Емкость батареи уменьшится, но аккумуляторы продолжат работать.

Но если ячейка выходит из строя в последовательно соединенной батарее, то после удаления неисправного аккумулятора, напряжение в системе упадает на 6 или 2 вольта (в зависимости от того, из каких аккумуляторов собрана батарея).

Меры предосторожности при подключении

  • соблюдать правила безопасности при работе с электрическим током, одевать резиновые перчатки;
  • предупредить создание цепи прохождения электротока через человеческое тело;
  • избегать коротких замыканий;
  • не пренебрегать полярностью;
  • к клеммам АКБ голыми руками не прикасаться;
  • не собирать аккумуляторы, подключенные к нагрузкам (раздельно перепроверить каждый перед включением в цепь);
  • зарядное устройство нужно отключить перед тем, как подключать батарею;
  • применять инструменты с изолированными рукоятками;
  • не пренебрегать параметрами тока АКБ и нагрузки перед тем, как воспользоваться блоком;
  • соединительные контакты должны быть надежными и изолированными;
  • сборку защитить изоляционным корпусом от попадания влаги;
  • применять одинаковые аккумуляторы по параметрам, степени износа;
  • перед тем, как воспользоваться сборкой, протестировать ее на предмет некорректного соединения клемм.

При исправлении ошибок первоначально отсоединяют нагрузку (зарядное устройство), затем только проводят переделку блока.

Комнатные лианы

Последовательное соединение

Если требуется увеличить напряжение батареи, надо подключить аккумуляторы последовательно, то есть объединить «плюс» каждого элемента с «минусом» другого. При последовательном соединении не оказывается влияния на емкость, а только на напряжение подключённой батареи. Например, два аккумулятора с напряжением 6 В и емкостью 7,2 Ач создадут одну батарею 12 В с той же емкостной величиной.

Важно! Последовательное подключение батарей позволяет генерировать более высокие общие напряжения. Недостатком такой конструкции является то, что самый слабый элемент батареи влияет на производительность серии

Неисправный аккумулятор приведет к сбою всей линии.

Вероятность отказа возрастает с количеством подключаемых элементов. Если одна из ячеек выходит из строя, это приводит к низкому напряжению.

Объединять в последовательную цепь можно аккумуляторы, имеющие идентичную емкость, так как они должны разряжаться синхронно во избежание глубокого разряда более слабых элементов.


Аккумуляторы, соединенные последовательно

Необходимо соблюдать определенные условия при заряде последовательно подключенных батарей:

  • идентичная емкость;
  • один уровень разряда;
  • общая конструкция.

Если аккумуляторы сильно различаются по названным параметрам, это может привести к превышению предельного тока и напряжения заряда на отдельных элементах, что вызовет их повреждение.

Можно ли соединять последовательно свинцовые аккумуляторы разной емкости?

Известно, что
внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по одной технологии, примерно обратно пропорционально
емкости аккумулятора. Поэтому, при протекании тока через
последовательную аккумуляторную батарею, на
свинцовых аккумуляторах разной емкости будут разные напряжения. Опасно ли это для отдельных
аккумуляторов и для аккумуляторной батареи в целом? Рассмотрим
по-отдельности режимы разряда и зарядки свинцовых аккумуляторов.

Предположим, мы
заряжаем последовательную аккумуляторную батарею, состоящую из семи 12-вольтовых

свинцовых аккумуляторов емкостью по 10 А*час и одного 12-вольтового
свинцового аккумулятора емкостью 8 А*час. В начале все
аккумуляторы разряжены. Зарядное устройство реализует алгоритм
зарядки I-U с начальным током 1 А и конечным напряжением 110 В (13.8 В в среднем на
аккумулятор).

По данным производителя, при
зарядке аккумуляторов постоянным током, напряжение на
аккумуляторе

свинцовом аккумуляторе в 8 А*час будет около 12.3 В, а на всех
аккумуляторах емкостью 10 А*час – примерно по 12 В на каждом.
Начало зарядки абсолютно безопасно для всех 8
аккумуляторов.

Примерно через 10 часов напряжение на
аккумуляторе емкостью 8 А*час достигнет 13.8 вольт.
Аккумулятор в этот момент будет заряжен примерно на 80%. Остальные
аккумуляторы будут заряжены примерно на 70%, а напряжение на каждом из них будет около 13.2 В.

Аккумулятор емкостью 8 А*час уже нужно переводить в режим стабилизации
напряжения, но это невозможно – ведь суммарное напряжение на аккумуляторной батарее еще не достигло конечного
напряжения 110 В, а составляет примерно 13.2 * 7 + 13.8 = 106.2 В. Поэтому все
аккумуляторы емкостью 10 А*час будут продолжать
заряжаться, суммарное напряжение продолжит расти, а вместе с ним и напряжение на
аккумуляторе емкостью 8 А*час.

Еще через 3-4 часа, напряжение на аккумуляторной батарее достигнет предела – 110 В.
Это напряжение разделится следующим образом: на
аккумуляторах емкостью 10 А*час будет чуть больше 13.5 В, а на

аккумуляторе емкостью 8 А*час – больше 15 В. Система рекомбинации газов,
выделяющихся в этом аккумуляторе, перестанет справляться c нагрузкой, предохранительные клапаны

аккумулятора откроются, аккумулятор начнет терять воду, а с ней и
емкость. В то же время, все
аккумуляторы емкостью 10 А*час будут недозаряжены. Следовательно, при
зарядке свинцовых аккумуляторов соединенные последовательно

аккумуляторы разной емкости будут все больше и больше расходиться по своим параметрам – ″разбегаться″.

Рассмотрим теперь разряд все той же аккумуляторной батареи из 8
свинцовых аккумуляторов током 1 А. Пусть система построена так, что при уменьшении напряжения до 84 В срабатывает
защита от глубокого разряда, и разряд прекращается. Начальное состояние всех
свинцовых аккумуляторов – ″полностью заряжены″. Через 7-8 часов после начала разряда,
аккумулятор емкостью 8 А*час полностью разрядится. Напряжение на нем составит 10.5 В.
Напряжение на остальных аккумуляторах батареи будет в это время чуть больше 11 В на каждом.
Значит суммарное напряжение на аккумуляторной батарее еще далеко от конечного
напряжения разряда 84 В и составляет примерно 10.5 * 7 + 11.1 = 88,2 В. Поэтому вся аккумуляторная батарея продолжит разряжаться, в том числе и многострадальный
аккумулятор емкостью 8 А*час. Напряжение на нем будет очень быстро падать,
в то время, как остальные свинцовые аккумуляторы практически не будут разряжаться. Когда напряжение
на нем достигнет примерно 7 В, система отключит нагрузку, но будет уже поздно – аккумулятор
будет в состоянии глубокого разряда и потеряет часть
емкости.

Комментировать
0
877 просмотров
Это интересно

Русские никогда не жили в избах Занимательные факты
197 комментариев