Аккумуляторные элементы не так часто используют по отдельности. Чаще всего их так или иначе соединяют между собой, чтобы получить новые характеристики источника питания.
Что дает соединение аккумуляторов
Вследствие законов химии и физики, одна аккумуляторная ячейка не всегда удовлетворяет требованиям, предъявляемым к питанию потребителей. Обойти эту проблему можно путем параллельного или последовательного соединения АКБ.
Увеличение напряжения
Единичная аккумуляторная банка выдает напряжение, определяемое электрохимическими реакциями, проходящими внутри нее при заряде или разряде. Для наиболее распространенных типов выходной уровень при полной зарядке составляет:
- Литий-ионный – 3,7 вольт.
- Никель-кадмиевый – 1,38 вольт.
- Свинцово-кислотный – 2,1 вольт.
- Никель-металлогидридный – 1,25 вольт.
Во многих случаях этого недостаточно для нормальной работы запитываемой сети. Так, для нормальной работы мотоциклов требуется не менее 6 вольт, а для автомобилей – 12 вольт, а бывает 24 вольта. Единичный элемент выдать такое напряжение не может, поэтому для увеличения выходного уровня ячейки соединяют последовательно.
Увеличение емкости
Если не учитывать воздействие внешних факторов (температуру и т.п.), то емкость одной ячейки определяется:
- удельной емкостью (зависит от технологии изготовления);
- размерами АКБ.
Зачастую удобнее необходимую емкость получать не от одной банки больших габаритов, а от нескольких меньших по весу и размерам элементов. Например, целесообразно применять банки стандартных типоразмеров. Для этой цели их надо соединить параллельно. При этом их емкость складывается.
Схемы подключения
При разных типах подключения клеммы банок соединяют друг с другом разными способами.
Последовательное
При последовательном подключении аккумуляторы соединяются в цепочку разноименными выводами. Плюсовая клемма одной банки соединяется с минусом другой, минусовая клемма – с плюсом третьей. Так можно соединить любое количество элементов, чтобы получить необходимое напряжение, которое снимается со свободных клемм крайних звеньев. Емкость цепочки будет равна емкости одной банки.
Параллельное
При параллельном подключении между собой соединяются положительные выводы всех элементов и все отрицательные. Питание снимается с плюсовой и с минусовой шины в удобном месте. Напряжение сборки будет равно напряжению одной банки (поэтому надо применять однотипные ячейки с равным выходным напряжением), а емкость – сумме всех емкостей.
Комбинированное
В тех случаях, когда надо увеличить одновременно емкость, и напряжение, применяют смешанное (комбинированное) включение элементов. Сначала делают параллельную сборку для достижения необходимой емкости. Потом эти сборки подключают последовательно для получения необходимого напряжения аккумуляторной батареи.
Пример соединение АКБ 18650
Примером параллельного и последовательного соединения аккумуляторов типоразмера 18650 может служить подключение элементов в батарее ноутбука. Выходное напряжение одного литий-ионного аккумулятора составляет 3,7 вольта, что недостаточно для питания многих потребителей компьютера. Наибольшая емкость одного Li-Ion элемента в формате 18650, достижимая в рамках современных технологий, составляет 4500 мА*Ч (к маркировке в 15000 мА*ч или даже 30000 мА*Ч, наносимой на элементы, выпущенные неизвестными производителями из Юго-Восточной Азии, серьезно относиться нельзя).
Для увеличения времени автономной работы лэптопа путем повышения емкости АКБ, одновременно применяют параллельное включение банок. В результате в пределах разумных массогабаритных показателей достигается оптимальное значение напряжения и емкости.
Рекомендуем ознакомиться: Как проверить состояние аккумулятора на ноутбуке
Как коммутировать обычные батарейки
Разница между перезаряжаемыми аккумуляторами и обычными гальваническими элементами в том, что электрохимические процессы в батарейках идут только в одном направлении. После исчерпания энергии снова зарядить такой источник электроэнергии не получится. Поэтому соединять гальванические элементы параллельно не имеет особого смысла – после подключения начнутся переходные процессы, связанные с неодинаковым уровнем заряженности батареек. Большая часть запасенной энергии может уйти на уравнивание заряда. Если запас энергии аккумулятора впоследствии можно восстановить, то гальванический элемент прослужит лишь до окончания остатка заряда.
Сведения о том, что при параллельном подключении гальванических элементов может случиться перегрев с возгоранием, являются не более чем интернет-страшилками. У одноразовых источников не хватит для этого мощности.
Для последовательного соединения таких батареек принципиальных препятствий не существует, и такая схема широко применяется для питания переносных или автономных электронных устройств малой мощности.
Каким кабелем соединять АКБ
Сечение и материал соединяющих проводников выбирается исходя из тока нагрузки будущей сборки. Чем выше ток, тем больше должно быть сечение. Особенно это касается аккумуляторов, от которых требуется большая токоотдача (в электроинструменте и т.п.) – проводники небольшого сечения будут не только перегреваться, но и ограничивать максимальный ток.
Для большинства случаев соединения аккумуляторов 18650 можно применить стандартные никелевые шинки – при достаточном сечении они не увеличивают заметно габариты сборки. Крепить их можно пайкой или точечной сваркой. Также шинками, только большей толщины, иногда соединяют ячейки стартерных кислотно-свинцовых аккумуляторов.
Если требования к токоотдаче невелики и разрядный ток также мал, вполне можно обойтись держателями аккумуляторов с пружинными контактами. В этом случае намного облегчается монтаж или демонтаж элементов.
Обязательно ли применять контроллер
Контроллер обязателен к применению с аккумуляторами, которые особенно боятся перезаряда, глубокого разряда и перегрева. К этой категории относятся литий-ионные и литий-полимерные батареи. Для последовательно соединенных ячеек или сборок обязательно также применение балансиров (BMS). Аккумуляторы имеют разброс по емкости, поэтому некоторые банки зарядятся (или разрядятся) раньше других, для них продолжение процесса будет опасным. Балансир отключит эти элементы, дав зарядиться остальным.
От глубокого разряда, вызванного саморазрядом при длительном хранении, контроллер (и балансир) не спасут. Но склонность Li-Ion и Li-Po батарей к саморазряду низка, поэтому у таких батарей во время бездействия достаточно периодически проверять напряжение. При необходимости их надо подзаряжать.
Частые вопросы
Принципиального запрета на составление батареи из банок с разной емкостью нет, работать такая АКБ будет. Но надо иметь в виду, что при любом соединении такое звено исчерпает свой запас энергии первым. При параллельном соединении он через некоторое время вместо источника тока станет нагрузкой и будет разряжать остальные банки.
При последовательном соединении отстающий аккумулятор снизит емкость АКБ до своего уровня, поэтому время работы всей батареи уменьшится. Также при этом снизится токоотдача. Кроме того, при заряде такая банка зарядится раньше других, пока остальные еще будут добирать энергию. А зарядный ток через нее будет продолжать идти, поэтому легко выйти на режим перезаряда. Особенно такой ситуации боятся батарейки на основе лития, поэтому их в любом случае заряжают под управлением контроллера. Схема управления отключит ячейку, зарядившуюся раньше всех.
Для наглядности видео о соединение аккумуляторов с разной емкостью.
Надо понимать, что банок с абсолютно одинаковой емкостью не существует. Даже у аккумуляторов с равным номиналом всегда присутствует разброс, связанный с различием технологического процесса у разных производителей а также с износом банок. Чем этот разброс больше, тем более выражены описанные явления. Поэтому для изготовления сборок оптимально применять однотипные ячейки одного изготовителя, а если получится – то из одной серии. Также очень желательно, чтобы аккумуляторы, составляющие батарею, имели примерно одно и то же техническое состояние. Считается нормальным, если сборку составляют звенья, емкость которых отличается друг от друга в пределах 5%
Желательно составлять сборки из полностью заряженных элементов (как более сложный вариант – из заряженных до равного уровня). При параллельном подключении разнозаряженных аккумуляторов в батарее начнется процесс выравнивания – более заряженные банки будут отдавать энергию менее заряженным, подобно соединенным сосудам с разным уровнем жидкости. Это перераспределение продолжается до нескольких часов. Если зарядить батарею до истечения выравнивания, то ее емкость будет использоваться не полностью – до первого пополнения энергии с полностью выровненными зарядами.
Читайте: Самодельное зарядное устройство для литий ионных аккумуляторов
Надо понимать, что полностью идентично зарядить банки не получится из-за разницы в характеристиках. Поэтому правильно будет после составления батареи выдержать ее несколько часов, и только после этого дозарядить.
Если из разнозаряженных банок составить последовательную батарею, там будут происходить похожие процессы, только медленнее и только во время работы, ведь без нагрузки ток в цепи не пойдет. Возможно, потребуется несколько циклов зарядки, чтобы уравнять уровни энергии в каждой ячейке. Поэтому в этом случае желательно внимательнее отнестись к подбору элементов с близкими параметрами, а перед соединением зарядить их до полного.
