Параллельное и последовательное соединение аккумуляторов между собой

Принципы работы химического источника питания

Источники питания, основанные на химических процессах, бывают первичными и вторичными. Первичные источники состоят из твердых электродов и соединяющих их химически и электрически электролитов — жидких или твердых составов. Комплекс реакций всего агрегата действует так, что заложенное в нем химическое неравновесие разряжается, приводя к некоему балансу компонентов. Выделяющаяся при этом энергия в виде заряженных частиц выходит наружу и на клеммах создает электрическое напряжение. Пока оттока заряженных частиц наружу нет, электрическое поле замедляет химические реакции внутри источника. При соединении клемм источника с какой-нибудь электрической нагрузкой по цепи побежит ток, а химические реакции возобновятся с новой силой, снова поставляя электрическое напряжение на клеммы. Таким образом, напряжение на источнике остается неизменным, медленно уменьшающимся, пока в нем продолжает оставаться химическое неравновесие. Это можно наблюдать по медленному постепенному уменьшению напряжения на клеммах.

Такое явление называется разрядка химического источника электроэнергии. Первоначально обнаружили такой комплекс реакции с двумя разными металлами (медь и цинк) и кислотой. При этом металлы в процессе разрядки подвергаются разрушению. Но потом подобрали такие компоненты и такое их взаимодействие, что если после уменьшения напряжения на клеммах в результате разрядки поддерживать его там искусственно, то через источник обратно потечет электрический ток, и химические реакции способны повернуть вспять, снова создавая в комплексе прежнее неравновесное состояние.

Источники первого типа, в которых компоненты безвозвратно разрушаются, называются первичными, или гальваническими элементами, по имени открывателя таких процессов Луиджи Гальвани. Источники второго рода, способные под действием внешнего напряжения, повернув вспять весь механизм химических реакций, снова вернуться к неравновесному состоянию внутри источника, называются источниками второго рода, или электрическими аккумуляторами. От слова «аккумулировать» — сгущать, собирать. И их главная особенность, только что описанная, называется зарядка.

Однако у аккумуляторов все не так просто.

Таких химических механизмов было найдено несколько. С разными участвующими в них веществами. Поэтому и типов аккумуляторов несколько. И они по-разному себя ведут, заряжаются и разряжаются. А в некоторых случаях возникают явления, которые очень хорошо знать людям, имеющим с ними дело.

А с ними имеют дело практически все. Аккумуляторы, как автономные источники энергии, применяются повсюду, в самых разных устройствах. От маленьких наручных часов до транспортных средств разного размера: автомобилей, троллейбусов, тепловозов, теплоходов.

Балансировочная плата для литиевых аккумуляторов

При соединении нескольких источников постоянного тока в общую банку по последовательной методике обеспечивается суммирование напряжений. При этом емкость аккумулятора будет определяться элементом с минимальным значением параметра.

Для зарядки устройства используется две методики — последовательная и параллельная. При первом способе осуществляется подача питания от единого источника, напряжение соответствует значению параметра на полностью заряженном аккумуляторе.

Параллельный метод предусматривает независимую зарядку каждого изделия, входящего в аккумуляторную банку. В конструкцию зарядного блока входят не связанные между собой источники питания. Для контроля параметров электрического тока применяются индивидуальные устройства. Зарядные блоки подобной конструкции встречаются редко, для восполнения емкости литиевых аккумуляторов применяется последовательная схема зарядки.

Из-за различных характеристик элементов пороговое значение достигается в разное время.

Пользователь вынужден прекратить зарядку после фиксации допустимого напряжения на первом источнике, при этом остальные компоненты АКБ остаются недозаряженными, что негативно влияет на конечную емкость батареи.

При эксплуатации элемента питания происходит неравномерное снижение напряжения на выводах элементов. Разрядка прекращается в момент фиксации минимально допустимого порога на секции, не получившей необходимого заряда.

Для исключения возможности возникновения ситуации в цепь питания батареи вводится балансировочный блок, который контролирует параметры на каждой секции. При достижении запрограммированного значения происходит параллельная коммутация балластного резистора, отсекающего подачу питания на клеммы секции.

Балластное сопротивление отключает питание в случае превышения силы тока, идущего через резистор, над параметром в цепи питания секции аккумулятора. Остальные компоненты аккумуляторной банки продолжают заряжаться.

По мере фиксации максимального напряжения происходит последовательное отключение цепей питания. После подключения всех имеющихся балластных сопротивлений зарядка прекращается. Напряжение всех секций будет равняться значению параметра, на который отрегулирован балансир.

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.

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.

Последовательное подключение

Схема последовательного подключения предполагает соединение проводником положительного полюса первого источника и отрицательного второго. Далее положительный выход второго источника питания соединяют с отрицательным третьего и так далее. Выводами сборки служат отрицательная клемма первой батареи и положительная последнего в схеме.

Последовательное соединение

Общее напряжение такой сборки будет равняться сумме ЭДС всех источников, включённых в сеть. Если в батарею включены накопители одинаковой ёмкости, то и общее значение останется равным характеристике одного источника.

Например, при последовательном включении 3 изделий по 1,2 В суммарное напряжение между выводными клеммами первого и третьего подключённого источника будет равняться 3,6 В.

При подключении в цепь приёмника электротока через последовательную цепь будет протекать ток, не превышающий возможности 1 источника электричества. Например, если сборка изготовлена из одинаковых батарей 2000 мА/ч, то суммарное значение для любого количества «ячеек» в схеме останется на том же значении.

Смысл последовательного подключения – повысить напряжение в сети, и при малом токе обеспечить на выходе повышенную мощность.

Особенности последовательного включения

При последовательном включении строго соблюдают правила, невыполнение которых приводит к быстрому выходу из строя батареи, а в некоторых случаях опасно для здоровья пользователя.

Каждый источник питания обладает внутренним сопротивлением. У изделий, выполненных по одной технологии, с использованием одних и тех же комплектующих и имеющих одинаковые характеристики внутренне сопротивление примерно одинаково и зависит в основном от степени заряженности.

У одинаковых по изготовлению, но разных по ёмкости батарей внутреннее сопротивление резко отличается. Это же относится к разным по технологии изготовления батареям.

Чем опасно соединение источников питания с разными характеристиками при заряде и разряде последовательно соединённых изделий.

Зарядка

При включении последовательно соединённых аккумуляторных батарей разной ёмкости, каждая из них будет заряжаться одним током, который выдаёт зарядное устройство. При различии ёмкости в два раза, меньший из накопителей зарядится примерно в три раза быстрее больших.

Таким образом, через какое-то время одни из АКБ наберут полную зарядку, в то время как большие будут нуждаться в дальнейшей подаче зарядного тока.

Возможны два итога:

  • Недозагрузка «больших» источников, если зарядное устройство будет выключено. Следовательно, в дальнейшем подключённые потребители не проработают долго.
  • Перезаряд меньшего аккумулятора, если заряд не будет отключён. Как следствие перегрев. Выкипание электролита, выход из строя изделия. Возможен взрыв.

Разряд

Не менее опасен для разных источников процесс разряда. Ток в каждой точке последовательной цепи одинаков. Аккумулятор меньшей ёмкости разрядится быстрее подключенных с ним последовательно более мощных устройств. Если в цепи есть устройство защиты от глубокого разряда, то питание потребителя прекратиться, когда мощные АКБ ещё способны отдавать ток. Эффективность применения общей сборки будет снижена в несколько раз.

Если же устройство не оборудовано защитой, то отдача тока будет продолжена. В результате глубокого разряда неминуемо выйдет из строя самый «маленький» прибор.

Это интересно: Замена автомата в подъездном щитке — рассмотрим вопрос

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.

Проверка работоспособности

При соединении аккумуляторов убедитесь, что они целые, без внешних повреждений, следов ржавчины и окисления. Клеммы и провода должны быть надежно закреплены. Если внешне батареи выглядят целыми, проверьте напряжение и силу тока. Сделать это можно одним из следующих способов:

  • Подключите к системе нагрузку определенной мощности и замерьте падение напряжения с помощью вольт- или мультиметра. Готовые данные сравните с характеристиками используемых аккумуляторов, учтя величину нагрузки.
  • Замерить напряжение можно и без нагрузки. Разные типы батарей имеют свои значения при разомкнутой цепи. Например, свинцово-кислотные АКБ работают с мощностью 12,6 В.
  • Для измерения напряжения можно использовать нагрузочную вилку. Если в течение 10-15 секунд значение вырастет незначительно или вовсе не изменится, значит, система исправна.
  • Проверьте стабильность аккумулятора при помощи специальных анализаторов и тестеров. Например, используя устройства Кулон, PITE, Fluke, Vencon.
  • Самый простой и достоверный метод проверки исправности АКБ – это его полная разрядка и зарядка. Сначала выполняется глубокая разрядка, а затем – восполнение емкости. Однако этот способ занимает много времени – от 14 до 24 часов и более.

Техника безопасности

Вне зависимости от выбранного способа соединения аккумуляторов важно соблюдать меры безопасности:

Нельзя объединять в единую цепь АКБ с разной емкостью и параметрами.

  • перед работой надевайте диэлектрические перчатки;
  • не трогайте соединения батареи и последовательно снимающиеся клеммы голыми руками;
  • отключайте аккумуляторы от сети и прочих нагрузок;
  • используете инструменты с изолированными рукоятками;
  • перед подключением элементов проверяйте контакты;
  • не включайте в единую цепь АКБ с разной емкостью и параметрами;
  • соблюдайте полярность;
  • изолируйте готовую сборку от влаги.

Последовательное и параллельное подключение батарей с соблюдением техники безопасности позволит снизить потери мощности и увеличить коэффициент полезного действия. Также АКБ соединяют и для объединения емкостей, когда одного аккумулятора недостаточно. Создав единую цепь, нужно проверить ее, как при помощи специальных устройств, так и путем подключения нагрузки.

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.

Соединение нескольких батарей

Аккумуляторы и конденсаторы способны накапливать электроэнергию и сдерживать ее на протяжении длительного периода. Параллельная схема соединения аккумуляторных батарей применяется в следующих случаях:

  1. Некоторые внедорожники снабжаются электрической лебедкой. Она должна работать от дополнительного аккумулятора, так как основной нужен для создания кратковременного пускового тока. Лебедка должна работать от батареи, которая рассчитана на длительное применение. Параллельное подключение АКБ позволяет обеспечить их зарядку от одного генератора.
  2. Автовладельцы часто проводят установку дополнительного электрического оборудования, для работы которых требуется дополнительный источник энергии. Если в автомобиле есть мощная аудиосистема или мультимедийная система, то часто проводится установка еще одной батареи.
  3. Системы, предназначенные для активной защиты транспортного средства, также оснащаются дополнительными источниками энергии. Они обеспечивают их длительную и надежную работу. Батареи, предназначенные для длительной работы, характеризуются высокой емкостью, но они не способны генерировать большой пусковой ток.
  4. Автобусы, фургоны, микроавтобусы и другие крупногабаритные транспортные средства оснащаются оборудованием с высокой потребительской мощностью. Стандартного аккумулятора на 12 В или 24 В может быть недостаточно.

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.

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.

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 питания на примере гидравлики

Давайте рассмотрим водобашню, в которой есть автоматическая подача воды. То есть сколько бы мы не потребляли воды из башни, ее уровень воды будет неизменным.

Схематически это будет выглядеть вот так:

Башню с автоматической подачей воды можно считать источником питания. В химических же источниках питания происходит разряд, что ведет к тому, что уровень напряжения понижается при длительной работе. А что такое напряжение по аналогии с гидравликой? Это тот же самый уровень воды)

Давайте отпилим у водобашни верхнюю часть для наглядности. У нас получится цилиндр, который заполнен водой. Возьмем за точку отсчета уровень земли. Пусть он у нас будет равняться нулю.

Теперь вопрос на засыпку. В каком случае давление на дно будет больше? Когда в башне немного воды

либо когда башня полностью залита водой так, что даже вода выходит за ее края

Разумеется, когда башня наполнена только наполовину водой, на дне башни давление меньше, чем тогда, когда в башне воды под завязку.

Думаю, не надо объяснять, что если в башне вообще нет воды, то никакого давления на дне башни не будет.

По тому же самому принципу работает батарейка или аккумулятор

На электрических схемах ее обозначение выглядит примерно вот так:

Также, чтобы получить необходимое напряжение, одноэлементные источники питания соединяют последовательно. На схеме это выглядит вот так:

Любой аккумулятор или источник постоянного тока имеет два полюса: “плюс” и “минус”. Минус – это уровень земли, как в нашем примере с водобашней, а плюс – это напряжение, по аналогии с гидравликой это и будет тот самый уровень воды.