Одна батарейка или аккумулятор часто не могут удовлетворить потребности устройства в энергии, как с точки зрения напряжения, так и тока. Чтобы решить эту проблему, несколько ячеек (банок) подключаются параллельно или последовательно. Но такая конструкция требует специальных мер для защиты схемы от повреждений и для поддержания рабочих параметров.
Последовательное подключение позволяет увеличить напряжение источника питания – его величина складывается из напряжений отдельных ячеек. Параллельное соединение позволяет достичь большей емкости (то есть тока), которая складывается из мощностей отдельных элементов сборки.
Также возможно комбинировать последовательные и параллельные соединения в одном пакете – такие решения используются например в аккумуляторах ноутбука. Обычно они имеют четыре литий-ионных элемента, соединенных последовательно для достижения номинального напряжения питания 14,4 В (учетверенное 3,6 В, то есть напряжение одного элемента), и каждый из них состоит из двух элементов, соединенных параллельно, что увеличивает емкость аккумулятора от 2400 мАч (номинал одной ячейки) до 4800 мАч. Эту конфигурацию часто называют 4s2p, что означает 4 ячейки, соединенные последовательно и 2 соединенные параллельно. Значит всего такой пакет состоит из 8 ячеек (банок).
Большинство типов батарей допускают как последовательное, так и параллельное соединение. Важно только соединять батареи одного типа и с одинаковыми рабочими параметрами. Большое несоответствие параметров отдельных ячеек может привести к разбалансировке, а значит к значительному ухудшению рабочих параметров сборки. Это особенно важно в случае последовательного соединения, когда отказ одного элемента препятствует дальнейшей работе всего пакета.
Также негативно сказывается на работе работающий элемент с худшими параметрами. Скорее всего он разряжается намного быстрее чем остальные, а также будет более подвержен старению. В процессе зарядки он будет заряжаться быстрее чем другие элементы, поэтому он будет дольше оставаться заряженным. При подключении большего количества ячеек рекомендуется использовать схемы балансировки, позволяющие снизить негативные последствия несовпадения подключенных аккумуляторов.
Одиночная ячейка
Самый простой способ использовать батарею – использовать только одну ячейку. Это решение не требует никаких настроек, а также позволяет максимально упростить схему защиты.
Типичные примеры использования можно найти в мобильных телефонах и планшетах, часто с питанием от одного литий-ионного элемента 3,6 В. Другие распространенные варианты это часы, игрушки и все типы небольшой бытовой электроники.
Номинальное напряжение никель-кадмиевого элемента составляет примерно 1,2 В, щелочной батареи 1,5 В, батареи Si-Ox – 1,6 В, а свинцово-кислотной – 2,0 В. Конструкции в которых используется литий, имеют диапазон напряжений от примерно 3,0 до 3,9 В (3,6 В для литий-ионных аккумуляторов, 3,7 В для Li-Po аккумуляторов и 2,4 В для LTO – литиево-титановых).
Последовательное соединение
Устройства с более высокими напряжениями питания требуют использования последовательного соединения двух или более ячеек. На рисунке показан пример последовательного соединения четырех литий-ионных батарей 3,6 В, в результате чего получается источник питания на общее напряжение 14,4 В.
Если необходимо подать в схему напряжение с необычным значением, например 9,5 В, можно использовать сборку с одним из стандартных уровней напряжения при условии, что оно выше требуемого значения напряжения питания. Примерное устройство, для которого требуется напряжение 9,5 В, можно легко запитать от набора из трех последовательно соединенных литий-ионных батарей с номинальным напряжением 10,8 В. Большинство электрических устройств могут легко работать с немного более высоким напряжением, но допустимое максимальное значение конечно не должно быть превышено, обычно оно указывается в спецификации.
Аккумуляторы с высоким напряжением требуют тщательной балансировки отдельных ячеек, особенно если они предназначены для работы с высокими нагрузками или при низких температурах. В наборах состоящих из многих ячеек, вероятность повредить одну из них очень высока. Чтобы защитить систему от повреждения, обычно используются полупроводниковые переключатели для отключения поврежденного элемента от цепи.
Замена поврежденного элемента также является сложной задачей – новый элемент обычно будет иметь гораздо лучшие рабочие параметры, чем другие, уже в некоторой степени деградировавшие в результате процессов старения. По этой причине комплекты ячеек часто представляют собой один общий модуль, который можно заменить только целиком.
В дорогих и сложных системах, таких как электромобили или электромотоциклы, основная батарея часто делится на более мелкие модули, состоящие из нескольких ячеек и полностью заменяемые. Также увеличивается дисбаланс, но чаще всего эта проблема нейтрализуется соответствующими схемами балансировки. На рисунке выше показан пример схемы, в которой одна из ячеек имеет значительно более низкое номинальное напряжение – например из-за преждевременного старения.
Методы балансировки ячеек
Балансировка пакета ячеек заключается в выравнивании их уровня заряда, для чего используется специально разработанная для этого схема (балансир BMS). Среди методов балансировки можно выделить активный и пассивный.
- Пассивный метод основан на использовании резисторов, снимающих избыточный заряд с ячеек со слишком высоким уровнем заряда по сравнению с другими элементами. В самой продвинутой версии каждая из ячеек подключена к резистору с ключом с цифровым управлением. Схема управления, такая как микроконтроллер или FPGA, проверяет напряжение на выводах каждой ячейки и, если обнаруживает слишком высокое значение, открывает ключ, высвобождая заряд до тех пор пока уровень заряда не выровняется. Недостатком этого метода является высокая сложность и низкий КПД – избыточная энергия накопленная в элементах просто теряется в виде тепла, выделяемого на резисторе.
- При активном способе избыточный заряд переносится на другие, менее заряженные элементы. Обычно это делается за счет использования транзисторных ключей и соответствующего соединения отдельных ячеек друг с другом. Это решение значительно снижает потери энергии, тем самым продлевая срок службы всей сборки АКБ.
Параллельное соединение батарей
Если необходимо получить бОльшую емкость (ток), чем обеспечивает одна ячейка, можно подключить несколько ячеек параллельно. Большинство АКБ хорошо переносят это, проявляя незначительные побочные эффекты или не проявляя их вообще. На рисунке показан пример четырех соединенных таким образом элементов. Номинальное напряжение остается таким же, как напряжение отдельной ячейки (3,6 В), но общая емкость увеличивается в 4 раза.
При таком решении наиболее опасная ситуация – короткое замыкание одной из ячеек. Это создает очень высокий ток разряда и быстро вытягивает заряд со всех других, что несет в себе высокий риск возгорания. Часто используемой защитой от подобных ситуаций является то, что в конструкцию корпуса встроен набор предохранителей, изолирующих поврежденный элемент.
В отличие от последовательного подключения, при параллельном выход из строя одной из ячеек при ее фактическом замыкании не приводит к полному повреждению сборки, а только снижает ее емкость. На рисунке показана ситуация частичного повреждения одной из ячеек, что приводит к соответствующему уменьшению емкости всего пакета.
Последовательно-параллельное соединение
Во многих случаях чтобы получить требуемые параметры источника питания, необходимо выполнить последовательно-параллельное соединение, которое позволяет достичь как более высокого напряжения, так и большей емкости, чем у отдельной ячейки. Пример такого решения показан на рисунке.
Литий-ионные элементы хорошо подходят для последовательного и параллельного подключения, но требуют тщательного контроля рабочих параметров аккумулятора и использования соответствующих схем защиты. На рынке можно найти готовые модули для управления работой до десятка взаимосвязанных ячеек. В случае сборки большего размера необходимо разработать собственную схему, так как во многих современных устройствах, таких как электромобили, источник питания может состоять даже из 1000 взаимосвязанных ячеек.
Маркировка аккумуляторных блоков
В соответствии со стандартами принятыми производителями источников питания, конструкция аккумуляторной батареи описывается двумя числами, обозначающими количество ячеек, соединенных последовательно и параллельно. Примером может служить выражение 4s2p – оно означает, что пакет состоит всего из 8 ячеек, то есть 4 пары соединенных последовательно.
Схемы безопасности для АКБ
Неотъемлемой частью аккумуляторной батареи является схема защиты, способная отключать цепь при обнаружении слишком высокой температуры или слишком большого тока в цепи. Активация мер безопасности защищает устройство от повреждений, а его пользователей – от опасности возгорания.
Одним из основных элементов безопасности является термистор. Термистор с положительным температурным коэффициентом (PTC) вставлен в цепь последовательно. По мере увеличения силы тока температура термистора увеличивается, как и его сопротивление. Увеличение сопротивления снижает ток, что защищает источник питания от перегрузки. Это один из самых простых, дешевых и наиболее часто используемых методов защиты литий-ионных аккумуляторов. Некоторые литий-ионные элементы уже имеют встроенный производителем такой тип защиты.
Еще один популярный способ отключения источника питания от нагрузки – использование полевых МОП-транзисторов. Такая схема контролирует рабочие параметры источника питания (напряжение элемента, ток, температура) и в случае обнаружения какой-либо неисправности выдает сигнал, который закрывает транзисторы MOSFET блокируя ячейку.
Выводы
Неотъемлемой частью каждого мобильного устройства является источник питания, обычно аккумулятор. И один элемент не всегда может удовлетворить потребности схемы в энергии, поэтому часто бывает необходимо объединить несколько батареек в одну. Подключение ячеек позволяет увеличить общую емкость и номинальное напряжение. Но в случае их большого количества надо использовать схемы балансировки и защиты, также стоит позаботиться о согласовании соединяемых элементов – они должны быть одного типа, с наиболее идентичными параметрами. В продаже есть готовые модули управляющие работой пакетов, рекомендованные для конкретных типов ячеек, так что собрать батарею можно под любые нужды.
