Układy szeregowe i równoległe akumulatorów: różnice w działaniu i wymagania

Akumulatory mogą być łączone w pakiety szeregowe, równoległe albo mieszane, w których występują jednocześnie oba sposoby połączenia. Konfiguracja wpływa na napięcie całkowite, pojemność, dopuszczalny prąd, sposób ładowania i wymagania wobec układu zabezpieczającego. Sama liczba ogniw nie wystarcza do określenia parametrów całego pakietu.

Ocena takiego układu wymaga odczytania danych z oznaczeń ogniw, dokumentacji producenta i elementów zarządzających pracą pakietu. Znaczenie mają między innymi chemia ogniw, pojemność, rezystancja wewnętrzna, napięcie graniczne oraz sposób odprowadzania ciepła. Poniższe informacje dotyczą zasad technicznych, bez przypisywania konkretnych parametrów elementom, których dokumentacja nie została odczytana.

Podstawowe pojęcia dotyczące łączenia ogniw

Ogniwo jest pojedynczym elementem elektrochemicznym, który przechowuje energię i oddaje ją w postaci prądu stałego. Akumulator może oznaczać pojedyncze ogniwo wielokrotnego ładowania albo cały zespół ogniw połączonych w określony sposób. W praktyce technicznej należy zawsze ustalić, czy podana pojemność dotyczy jednego ogniwa, modułu, czy kompletnego pakietu.

Pakiet składa się z ogniw, przewodów, połączeń mechanicznych oraz elementów nadzorujących. W zależności od konstrukcji może zawierać układ BMS, PCM, bezpiecznik, czujnik temperatury albo kilka z tych elementów jednocześnie. Obecność zabezpieczenia nie zmienia zasad obliczania napięcia i pojemności, lecz wpływa na sposób eksploatacji oraz dopuszczalne warunki ładowania.

• Ogniwo – pojedynczy element elektrochemiczny o określonym napięciu, pojemności i charakterystyce prądowej.
• Pakiet – zespół połączonych ogniw wraz z połączeniami i ewentualnym układem nadzorującym.
• Połączenie szeregowe – połączenie zwiększające napięcie całkowite przy zachowaniu pojemności wyrażonej w amperogodzinach.
• Połączenie równoległe – połączenie zwiększające pojemność i zdolność prądową przy zachowaniu napięcia pojedynczego ogniwa.
• Konfiguracja mieszana – układ zawierający grupy ogniw połączonych równolegle, które następnie są połączone szeregowo.

Układ szeregowy i zmiana napięcia

W połączeniu szeregowym dodatni biegun jednego ogniwa jest połączony z ujemnym biegunem kolejnego. Napięcia poszczególnych ogniw sumują się, dlatego pakiet złożony z kilku jednakowych elementów ma wyższe napięcie nominalne niż pojedyncze ogniwo. Pojemność w amperogodzinach pozostaje zbliżona do pojemności jednego ogniwa, jeżeli wszystkie elementy mają taką samą wartość znamionową.

Przykładowo, dwa ogniwa o napięciu nominalnym określonym przez producenta jako 3,6 V połączone szeregowo tworzą układ o napięciu nominalnym około 7,2 V. Nie oznacza to jednak, że napięcie podczas ładowania lub rozładowania zawsze ma tę samą wartość. Należy uwzględnić napięcie końcowe ładowania, próg odcięcia oraz zmiany wynikające z obciążenia.

W układzie szeregowym prąd przepływający przez każde ogniwo ma tę samą wartość. Jeżeli jedno ogniwo ma większą rezystancję wewnętrzną albo niższą pojemność, może osiągnąć napięcie graniczne wcześniej niż pozostałe. Z tego powodu pakiety szeregowe wymagają kontroli napięcia poszczególnych ogniw, a nie tylko pomiaru napięcia całkowitego.

Układ równoległy i zmiana pojemności

W połączeniu równoległym wszystkie bieguny dodatnie są połączone razem, podobnie jak wszystkie bieguny ujemne. Napięcie pakietu pozostaje takie jak napięcie pojedynczego ogniwa, natomiast pojemność wyrażona w amperogodzinach sumuje się. Zwiększa się także możliwa zdolność do oddawania prądu, ale tylko wtedy, gdy każde ogniwo ma parametry odpowiednie do takiego obciążenia.

Dwa ogniwa o tej samej pojemności połączone równolegle tworzą układ o pojemności około dwukrotnie większej niż jedno ogniwo. Rzeczywista wartość zależy od temperatury, zużycia, rezystancji połączeń oraz prądu obciążenia. Nie należy przyjmować, że suma wartości z etykiet zawsze odpowiada pojemności dostępnej w każdych warunkach.

Połączenie równoległe zmniejsza udział prądu przypadającego na pojedyncze ogniwo, lecz nie usuwa ryzyka zwarcia ani uszkodzenia. Jeżeli ogniwa mają różne napięcia przed połączeniem, może wystąpić gwałtowny prąd wyrównawczy. Przed montażem należy odczytać wymagania producenta i upewnić się, że napięcia ogniw są zgodne.

Konfiguracje mieszane oznaczane jako S i P

Oznaczenia takie jak 2S, 3S, 1P albo 2P opisują liczbę grup szeregowych i liczbę ogniw równoległych w każdej grupie. W konfiguracji 3S2P występują trzy grupy połączone szeregowo, a każda grupa zawiera dwa ogniwa połączone równolegle. Łączna liczba ogniw wynosi sześć, lecz parametry wynikają z obu członów oznaczenia.

W konfiguracji 3S2P napięcie nominalne jest około trzykrotnie większe od napięcia pojedynczego ogniwa, a pojemność około dwukrotnie większa. Dopuszczalny prąd zależy od danych pojedynczego ogniwa, liczby elementów równoległych, temperatury oraz ograniczeń układu zabezpieczającego. Nie można go wyznaczyć wyłącznie na podstawie pojemności.

Odczyt oznaczenia wymaga ustalenia, czy litera P opisuje rzeczywiste ogniwa, czy tylko moduły zgrupowane w innym miejscu konstrukcji. Dokumentacja może stosować również określenia liczby cel, liczby sekcji albo liczby kanałów pomiarowych. Te terminy nie zawsze są używane jednakowo, dlatego należy odnieść je do rysunku połączeń.

Wpływ konfiguracji na napięcie pracy

Napięcie nominalne służy do opisu typowego poziomu pracy, lecz nie jest wartością stałą. Podczas ładowania napięcie rośnie, a podczas rozładowania maleje. Dodatkowo pojawia się spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej ogniw i przewodów. Układ z większą liczbą sekcji szeregowych ma proporcjonalnie wyższe napięcie końcowe.

Urządzenie zasilające musi być zgodne z zakresem napięcia pakietu. Zastosowanie pakietu o zbyt wysokim napięciu może przeciążyć przetwornicę, silnik, elektronikę sterującą albo izolację. Zbyt niskie napięcie może powodować nieprawidłowe działanie, wcześniejsze odcięcie albo pobór większego prądu przez układ próbujący utrzymać wymaganą moc.

Wartość napięcia należy odczytywać z dokumentacji konkretnego ogniwa i całego pakietu. Sam zapis 3,6 V, 3,7 V lub 4,2 V może oznaczać odpowiednio napięcie nominalne albo maksymalne napięcie ładowania. Bez rozróżnienia tych wartości łatwo pomylić napięcie robocze z granicą, której nie wolno przekraczać.

Wpływ konfiguracji na pojemność i energię

Pojemność jest zwykle podawana w amperogodzinach albo miliamperogodzinach. W połączeniu szeregowym pojemność pozostaje zbliżona do pojemności jednej sekcji, natomiast w połączeniu równoległym sumuje się pojemność elementów. Energia pakietu zależy zarówno od napięcia, jak i pojemności, dlatego nie można porównywać dwóch pakietów wyłącznie na podstawie jednej z tych wartości.

Do przybliżonego określenia energii można użyć zależności napięcie nominalne pomnożone przez pojemność. Wynik podaje się zwykle w watogodzinach. Jest to wartość orientacyjna, ponieważ napięcie zmienia się w czasie rozładowania, a dostępna pojemność zależy od prądu, temperatury i końcowego progu odcięcia.

Podana przez producenta pojemność może być zmierzona przy określonym prądzie i temperaturze. Jeżeli warunki testu różnią się od warunków użytkowania, rzeczywista energia dostępna w urządzeniu może być inna. Dlatego przy odczytywaniu karty należy zwrócić uwagę na metodę pomiaru, czas rozładowania oraz napięcie końcowe.

Dobór ogniw do wspólnego pakietu

Ogniwa w jednym pakiecie powinny mieć zgodną chemię, model, pojemność, napięcie nominalne i dopuszczalny prąd. W przypadku konfiguracji mieszanej istotna jest także zgodność rezystancji wewnętrznej. Elementy o wyraźnie różnych parametrach mogą powodować nierównomierne obciążenie i przyspieszone zużycie części pakietu.

Nie należy łączyć nowych ogniw z elementami używanymi, nawet jeśli mają podobne oznaczenie. Różnica wieku może oznaczać inną pojemność rzeczywistą, inny poziom zużycia i odmienne zachowanie podczas ładowania. Także ogniwa pochodzące z różnych serii produkcyjnych wymagają potwierdzenia zgodności w dokumentacji.

Przed połączeniem należy odczytać oznaczenia na obudowie i porównać je z kartą producenta. Należy uwzględnić typ obudowy, biegunowość, sposób montażu, dopuszczalny prąd ciągły oraz wartości graniczne. Brak pełnej identyfikacji elementu uniemożliwia rzetelne wyznaczenie parametrów pakietu.

Balansowanie w układach szeregowych

Balansowanie polega na kontrolowaniu napięć poszczególnych sekcji i ograniczaniu różnic między nimi. Jest potrzebne przede wszystkim w pakietach szeregowych, ponieważ napięcie całkowite nie pokazuje, jak rozkładają się wartości na poszczególnych ogniwach. Jedna sekcja może osiągnąć granicę ładowania wcześniej, podczas gdy pozostałe nadal pozostają poniżej tego poziomu.

Układ BMS może wykonywać balansowanie pasywne albo aktywne. Balansowanie pasywne odprowadza niewielką ilość energii z sekcji o wyższym napięciu, zwykle przez rezystor. Balansowanie aktywne przenosi część energii pomiędzy sekcjami. Zakres działania, próg rozpoczęcia oraz maksymalny prąd balansowania należy odczytać z dokumentacji konkretnego modułu.

Balansowanie nie naprawia ogniwa o obniżonej pojemności ani nie usuwa skutków zwarcia, przegrzewania lub uszkodzenia mechanicznego. Jeżeli różnica napięć szybko powraca po zakończeniu ładowania, może wskazywać na nierówny stan sekcji. W takiej sytuacji potrzebne są pomiary każdej sekcji i analiza historii pracy pakietu.

Ładowanie pakietów szeregowych i równoległych

Ładowarka musi być dobrana do całej konfiguracji, a nie tylko do pojedynczego ogniwa. Pakiet szeregowy wymaga napięcia końcowego odpowiadającego liczbie sekcji. Pakiet równoległy zachowuje napięcie pojedynczego ogniwa, lecz może wymagać większego prądu ładowania albo dłuższego czasu ładowania ze względu na większą pojemność.

W przypadku ogniw litowo-jonowych ładowanie przebiega zwykle w etapach stałego prądu i stałego napięcia. Parametry tych etapów muszą być zgodne z dokumentacją ogniw oraz układu zarządzającego. Nie należy używać ładowarki przeznaczonej dla innej liczby sekcji, nawet gdy wtyczka i obudowa są zgodne mechanicznie.

Podczas ładowania należy obserwować temperaturę i zachowanie pakietu. Wzrost temperatury, zapach, odkształcenie obudowy albo nietypowe przerywanie procesu są sygnałami wymagającymi przerwania pracy. Do oceny przyczyny potrzebny jest pomiar napięć sekcji, kontrola przewodów oraz porównanie parametrów z dokumentacją.

Odczytywanie etykiet i kart technicznych

Na etykiecie mogą znajdować się oznaczenia typu ogniwa, napięcia nominalnego, pojemności, maksymalnego prądu rozładowania, napięcia ładowania oraz kodu serii. Nie wszystkie wartości muszą być podane w jednym miejscu. Część danych może znajdować się wyłącznie w karcie technicznej, instrukcji albo na stronie producenta.

Oznaczenia dotyczące prądu wymagają szczególnej ostrożności. Wartość ciągła i chwilowa nie oznaczają tego samego. Niektóre etykiety podają prąd przy określonej temperaturze lub czasie pracy, a inne stosują oznaczenia marketingowe, które nie zastępują pełnej specyfikacji. Do obliczeń należy przyjmować dane opisane jednoznacznie.

W przypadku pakietu trzeba dodatkowo odczytać oznaczenie konfiguracji, model BMS, napięcie wyjściowe i rodzaj złącza. Zgodność mechaniczna przewodu nie potwierdza zgodności elektrycznej. Znaczenie mają także polaryzacja, przekrój przewodów, maksymalny prąd oraz obecność czujnika temperatury.

Najczęstsze błędne interpretacje

Częstym błędem jest utożsamianie większego napięcia z większą pojemnością. Układ szeregowy zwiększa napięcie, ale nie zwiększa automatycznie liczby amperogodzin. Innym błędem jest dodawanie napięć ogniw połączonych równolegle. W takim układzie napięcie pozostaje wspólne dla wszystkich elementów.

Nieprawidłowe jest również sumowanie maksymalnych prądów bez uwzględnienia połączeń i zabezpieczeń. Prąd całego pakietu może być ograniczony przez BMS, przewody, złącza, temperaturę albo konstrukcję obudowy. Dane katalogowe pojedynczego ogniwa nie wyznaczają samodzielnie parametrów gotowego urządzenia.

Nie należy także traktować oznaczenia mAh jako pełnej informacji o czasie pracy. Czas zależy od poboru prądu, napięcia, sprawności przetwornicy, temperatury i progu odcięcia. Dwa pakiety o tej samej pojemności mogą działać przez różny czas, jeżeli zasilają różne układy albo pracują przy innych obciążeniach.

Przechowywanie i obsługa pakietów

Pakiet należy przechowywać w warunkach zgodnych z dokumentacją producenta, z dala od źródeł ciepła, wilgoci i przedmiotów mogących spowodować zwarcie. Szczególne znaczenie ma ochrona styków oraz kontrola stanu izolacji. Uszkodzona folia, wgniecenie albo ślad przegrzania są powodami do wycofania elementu z użytkowania.

Ogniw nie należy przenosić luzem razem z metalowymi przedmiotami. Zwarcie biegunów może spowodować gwałtowny przepływ prądu i wzrost temperatury. W przypadku pakietów z wymiennymi ogniwami trzeba zachować właściwą polaryzację oraz stosować elementy o zgodnych wymiarach i parametrach.

Po dłuższym przechowywaniu należy ocenić napięcie całkowite i, w pakiecie szeregowym, napięcie każdej sekcji. Znaczny spadek napięcia jednej sekcji może wskazywać na samorozładowanie albo zużycie. Sam pomiar napięcia nie potwierdza jednak pojemności ani zdolności do oddawania prądu pod obciążeniem.

Najczęstsze pytania

Czy połączenie szeregowe zwiększa pojemność?

Nie. Zwiększa napięcie całkowite, natomiast pojemność w amperogodzinach pozostaje zbliżona do wartości pojedynczej sekcji.

Czy połączenie równoległe zwiększa napięcie?

Nie. Napięcie pozostaje na poziomie napięcia pojedynczego ogniwa, a zwiększa się pojemność oraz możliwa zdolność prądowa układu.

Czy można połączyć ogniwa o różnej pojemności?

Nie należy tego robić bez jednoznacznego potwierdzenia w dokumentacji. Różne parametry mogą powodować nierównomierne obciążenie i wcześniejsze osiąganie napięć granicznych.

Czy napięcie całego pakietu wystarcza do oceny jego stanu?

Nie. Wymagane jest także sprawdzenie napięć poszczególnych sekcji, temperatury, rezystancji wewnętrznej i zachowania pod obciążeniem.

Czy każdy pakiet szeregowy wymaga BMS?

Pakiety szeregowe wymagają kontroli napięć sekcji i zabezpieczeń dobranych do zastosowania. Sposób realizacji tej kontroli zależy od konstrukcji urządzenia i dokumentacji.

Podsumowanie różnic między układami

Połączenie szeregowe służy do uzyskania wyższego napięcia, a równoległe do zwiększenia pojemności i rozdzielenia prądu pomiędzy kilka ogniw. Konfiguracja mieszana łączy oba efekty, lecz wymaga bardziej rozbudowanej kontroli. Parametry należy określać na podstawie liczby sekcji, liczby ogniw równoległych i danych producenta.

Najważniejsze wymagania dotyczą zgodności ogniw, właściwego napięcia ładowania, kontroli temperatury, ochrony przed zwarciem oraz nadzorowania napięć poszczególnych sekcji. Odczyt samej etykiety nie zawsze wystarcza, ponieważ część ograniczeń znajduje się dopiero w karcie technicznej albo instrukcji modułu zabezpieczającego.

Układy szeregowe i równoległe różnią się przede wszystkim sposobem zmiany napięcia, pojemności i obciążenia pojedynczych ogniw. Bezpieczna ocena pakietu wymaga identyfikacji konfiguracji, porównania parametrów oraz uwzględnienia warunków ładowania, rozładowania, przechowywania i temperatury pracy.