Емкость аккумулятора при последовательном соединении

Последовательное соединение

На практике часто бывает необходимо получить большее напряжение или ток, чем может дать один элемент питания (аккумулятор). Для этого прибегают к соединению элементов в батареи. Существуют три способа соединения элементов: последовательное, параллельное или смешанное.

Последовательное соединение элементов в батарею применяется в том случае, когда необходимо увеличить напряжение в цепи.

При последовательном соединении плюс первого элемента соединяется с минусом второго элемента, а плюс второго — с минусом третьего и т.д. Внешняя цепь подключается к свободным концам батареи.

Не следует путать напряжение с электродвижущей силой. Только при разомкнутой электрической цепи напряжение источника тока численно равно его э.д.с.

При последовательном соединении э.д.с. батареи равна сумме э.д.с. всех элементов:
E_б = E₁ + E₂ + E₃,
где Е_б — э.д.с. батареи; Е₁, Е₂, Е₃ — э.д.с. элементов.

Общее внутреннее сопротивление батареи при последовательном соединении элементов равняется сумме внутренних сопротивлений всех элементов:
R_об = R_о1 + R_о2 + R_о3,
где R_об — внутреннее сопротивление батареи; R_о1, R_о2, R_о3 — внутренние сопротивления каждого элемента в отдельности.

Ёмкость батареи при последовательном соединении элементов равна ёмкости одного элемента, а максимально допустимый ток, которым можно разряжать батарею в этом случае, равен максимально допустимому току, который можно получить от одного элемента.

Батарея, состоящая из нескольких однотипных элементов и замкнутая на внешнюю цепь с сопротивлением R, создаёт в цепи ток, величина которого подсчитывается по следующей формуле:
I = E_n / (r_on + R),
где I — величина тока в цепи; E — э.д.с. одного элемента; r_o — внутреннее сопротивление одного элемента.

Рассмотрим пример. Аккумуляторная батарея (на первой фотографии) состоит из трёх последовательно соединённых аккумуляторов ёмкостью 4, 3 ампер х часов с э.д.с. 12 вольт и внутренним сопротивлением 0, 25 ом. Определить э.д.с. батареи Е_б, внутреннее сопротивление R_об и максимально допустимый разрядный ток батареи.

Э.д.с. батареи Е_б = 3 x 12 = 36 вольт.

Внутреннее сопротивление батареи R_об = R_о1 + R_о2 + R_о3 = 0, 25 x 3 = 0, 75 ом.

Разрядный ток I = 4, 3 x 0, 1 = 0, 43 ампера (имеется ввиду нормальный разрядный ток — 1/10 от ёмкости).

Про параллельное и последовательное подключение АКБ

Чтобы добиться параллельного соединения, все аккумуляторы в цепи должны быть подключены таким образом, дабы положительные выводы (плюсы +) всех аккумуляторных батарей подключались к плюсовому узлу зарядной или разрядной станции. В свою очередь, отрицательные выводы (минусы –) всех аккумуляторов в цепи должны быть подсоединены к минусовому узлу зарядной или разрядной станции.

Суммарный вольтаж (V) всех аккумуляторных батарей в цепи при правильном параллельном подключении будет равен 12V. Общая емкость (A/H) всех аккумуляторных батарей в цепи будет равна сумме емкостей этих же аккумуляторов.

То есть если говорить по простому, то при параллельном соединении у нас всегда плюсуется емкость аккумуляторов, а напряжение всегда остается 12 вольт.

Помните, чтобы купить аккумуляторы и заряжать или разряжать их параллельно, нужно понимать, что емкость их в цепи будет суммарной, а значит и время зарядки и разрядки тоже увеличится! Эта проблема более характерна для грузовых автомобилей, но и на легковых машинах попадаются случаи, когда установлено два аккумулятора. Ну и чего уж там говорить про резервное питание где в цепи может быть и больше аккумуляторов!

Последовательное соединение аккумуляторов.

Чтобы достичь эффекта последовательного подключения, все аккумуляторные батареи в цепочке соединяют по следующему принципу: плюс на минус. Затем к плюсовому узлу зарядной или разрядной станции нужно подключить положительный вывод (плюс +) самого первого аккумулятора в цепи. А к минусовому узлу зарядной или разрядной станции нужно подключить минусовой вывод (минус –) последнего аккумулятора в цепи.

В этом случае суммарный вольтаж (V) всех аккумуляторов в цепи при правильном последовательном соединении будет равен сумме вольтажа тех самых аккумуляторов. Емкость же (A/H) плюсоваться не будет.

Опять таки, если говорить по простому, то при последовательном соединении, у вас будет плюсоваться только напряжение аккумуляторов. А емкость плюсоваться не будет. То есть если у вас в последовательной цепи два или больше аккумуляторов, например на 60 Ач, то считайте, что емкость у вас будет приравнена к емкости одного аккумулятора на 60 Ач. Несправедливо, но это закон.

Поэтому если вы намерены купить зарядное устройство для автомобильного аккумулятора и вам надо заряжать аккумуляторы последовательно, удостоверьтесь что зарядное устройство подходит для такой задачи. Оно должно уметь заряжать аккумуляторы в цепи с суммарным вольтажом больше 12V (24V, 36V, 48V или 60V).

Еще учитывайте, что при любой схеме подключения, при разряде или заряде, вы НЕ получите реальную ожидаемую емкость. То есть всегда учитывайте потери.

А также рекомендуем для любой из схем подключения использовать одинаковые аккумуляторы. Чтобы и емкость их была одинаковой. И чтобы технологически эти аккумуляторы тоже были одинаковыми. А так же степень заряженности чтобы у аккумуляторов была примерно одинаковой. Во всех остальных случаях, когда в цепи стоят разные аккумуляторы или в разном состоянии, очень трудно спрогнозировать результат.

У нас можно купить зарядное устройство УЗ 1 20-12-60 20А, которое умеет заряжать аккумуляторы в цепи с суммарным вольтажом до 60V ЖМИ!

Особенности эксплуатации аккумуляторов при параллельном и последовательном соединении

Если необходимо получить напряжение блока аккумуляторов 24 Вольта, применяется последовательное соединение. Для последовательного соединения обязательно нужно использовать аккумуляторные батареи одинаковой ёмкости, одинаковой модели и желательно одной даты выпуска (с одинаковым датакодом).

При последовательном соединении необходимо раз в полгода проверять напряжение на каждой АКБ. Если напряжения равны или отличаются менее чем на 0,1 Вольта, например 12,80 и 12,86 Вольта, то это значит, что аккумуляторы сбалансированы и можно продолжать их дальнейшую эксплуатацию. Однако, даже в этом случае необходимо не реже одного раза в полгода проводить выравнивающий заряд для выравнивания напряжений на двухвольтовых банках аккумуляторов.

Со временем может произойти разбалансировка состояний заряда, т.е. появится значительная разница между напряжениями на каждой АКБ в последовательной цепи. При разбалансировке более 0,1 Вольта рекомендуется проводить балансировку, т.е. выравнивание уровня заряда. При разбалансировке более 0,2 Вольта — балансировка обязательна.

Проведение процедуры балансировки предотвратит перезаряд одного из аккумуляторов и недозаряд второго, что в итоге положительно скажется на их сроке службы.

Самый простой способ балансировки — проведение цикла выравнивающего заряда при повышенном напряжении заряда в течение 24 часов. Напряжение выравнивающего заряда для всех серий АКБ Delta составляет 2,4 Вольта на двухвольтовую банку или 14,4 Вольта для АКБ на 12 Вольт или 28,8 Вольт для АКБ на 24 Вольта. Напряжение выравнивающего заряда для других марок АКБ уточняйте у производителя.

Если выравнивающий заряд не помогает, то отбалансировать АКБ можно, например, при помощи зарядного устройства от сети 220 Вольт, проведя выравнивающий заряд обеих АКБ по отдельности. Если при повторной проверке разбалансировка снова будет более 0,1 Вольта, то нужно повторить подзаряд только АКБ с меньшим напряжением. Для автоматической балансировки существуют специальные устройства — балансиры.

Если необходимо увеличить емкость аккумуляторов 12 Вольт, применяется параллельное соединение. Для параллельного соединения рекомендуется использовать аккумуляторные батареи одинаковой ёмкости и одинаковой модели. Однако, возможно использование и разных моделей и даже разных емкостей, но при этом зарядные токи будут распределяться неравномерно, что может привести к сокращению срока службы АКБ.

При параллельном соединении важно подключать нагрузку «по диагонали», как это видно на рисунке выше. Такое подключение совместно с применением перемычек одинаковой длины позволит сбалансировать зарядные и разрядные токи каждого аккумулятора, что приведет к продлению срока службы АКБ.

Если нужно собрать батарею большой ёмкости на напряжение 24 Вольта, то применяется последовательно-параллельное соединение аккумуляторов. При этом нужно принять во внимание и рекомендации по последовательному соединению и по параллельному соединению АКБ.

• Как продлить жизнь гелевого аккумулятора?
• Всё про напряжение гелевой аккумуляторной батареи
• Другие информационные материалы по теме.

Последовательное, параллельное и смешанное соединение аккумуляторов: полное руководство

У любого аккумулятора, в зависимости от его типа, есть определенные паспортные значения: номинальное напряжение, максимальный ток, оптимальный ток, номинальная емкость. Отметим, что данные паспортные значения являются верными только при условии соблюдения рекомендованного производителем режима эксплуатации аккумулятора, и только для тех аккумуляторов, жизненный ресурс которых далек от исчерпания.

Однако бывает и так, что необходимо сразу добиться от аккумулятора большего, чем то, на что он способен по паспорту. Поэтому для увеличения емкости, рабочего тока или напряжения часто прибегают к последовательному, параллельному, а иногда и к смешанному (последовательно-параллельному) соединению аккумуляторов (элементов, ячеек).

Так, для литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов номинальным значением напряжения для одного элемента будет 3,7 В, для свинцово-кислотных аккумуляторов — 2,1 В, для никель-цинковых — 1,6 В, а для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных — 1,2 В.

Что же касается емкости и оптимального тока аккумулятора, то данные параметры зависят от многих конструктивных параметров: от площади электродов, от объема ячейки, от плотности электролита и т. д.

Если необходимо получить большее рабочее напряжение, то аккумуляторные ячейки соединяют последовательно, если требуются большая емкость и ток — параллельно, если же необходимо и емкость увеличить и напряжение повысить — применяют последовательно-параллельное соединение аккумуляторов.

Последовательное соединение аккумуляторов и его особенности

С самого начала необходимо понимать, что для последовательно соединенных аккумуляторов — ток через каждый аккумулятор такой сборки (батареи) всегда будет равен току через всю сборку, причем независимо от того, разряжается в этот момент батарея или стоит на зарядке.

По этой причине строго рекомендуется соединять последовательно только однотипные аккумуляторы (или сборки) одинаковой емкости (реальной!).

Почему однотипные? Потому что минимальное (до которого можно разряжать) и максимальное (до которого можно заряжать) напряжения для каждой ячейки должны быть одинаковыми.

Теперь разберемся с вопросом, почему же необходимо чтобы соединяемые последовательно емкости также были одинаковыми.

Если соединить последовательно аккумуляторы разной емкости, то в процессе разрядки ячейка наименьшей емкости разрядится быстрее остальных, и может дойти до того, что наступит глубокий разряд одной из ячеек образующих сборку, тогда как остальные элементы еще могли бы безопасно разряжаться. Это нарушит работу всей батареи аккумуляторов, ее напряжение упадет, а емкость при этом просто не сможет быть адекватно реализована в нагрузке.

А в процессе зарядки такой неравномерной сборки будет происходить следующее: аккумуляторная ячейка наименьшей емкости уже зарядится до нужного напряжения, тогда как соседи большей емкости останутся недозаряженными.

Чтобы предотвратить подобное неприятное развитие событий (бывает так, что некоторые из ячеек даже в ходе правильной эксплуатации раньше других теряют свою исходную емкость), зарядное устройство (или сборку) оснащают выравнивающим контроллером заряда-разряда, защищающим ячейки от критических режимов.

Так или иначе, прежде чем соединять аккумуляторы в последовательную сборку, измерьте емкость каждого специальным прибором, который всем известен и широко доступен в продаже.

В ампер-часах (Ah) или в миллиампер-часах (mAh) емкость батареи, получившейся при последовательном соединении одинаковых аккумуляторов, будет равна емкости единичного элемента составляющих последовательную батарею.

Номинальный ток, как и емкость, будет равен номинальному току одной ячейки. Номинальное же напряжение (в вольтах) и энергия (в ватт-часах), будут равны сумме, соответственно, номинальных напряжений и ватт-часов, всех составляющих батарею ячеек.

Ампер-час — единица измерения количества электричества, применяемая главным образом в электрохимии. Один ампер-час равен количеству электричества, проходящему через проводник за один час при силе тока в один ампер, т. е. равен 3600 кулонам (3600 амперсекундам). В ампер-часах измеряется емкость аккумуляторов, а также электрическая энергия при постоянном напряжении.

Параллельное соединение аккумуляторов и его особенности

Параллельное соединение аккумуляторов применяют тогда, кода напряжение необходимо оставить таким как есть, но при этом увеличить общую емкость и соответственно номинальный ток сборки.

Параллельно соединять допускается ячейки с одинаковыми номинальными напряжениями, также очень желательно чтобы они были однотипными (дабы влияние условий эксплуатации на емкость и на токовые характеристики для всех ячеек было примерно одинаковым).

В момент соединения желательно также выровнять текущие напряжения, чтобы снизить выравнивающие токи, которые неизбежно возникнут в момент параллельного замыкания полюсных выводов ячеек.

Емкость получившейся сборки в ампер-часах, ее рабочий ток, а также запасенная энергия в ватт-часах будут равны сумме оных для каждой из ячеек образующих сборку.

Соединяя аккумуляторные элементы параллельно, важно помнить и о том, что результирующий ток саморазряда параллельной сборки окажется выше, чем сумма токов саморазряда, характерных для каждой ячейки в отдельности, поскольку какие-то из ячеек в сборке будут разряжаться быстрее, и более стойкие в плане саморазряда ячейки будут разряжаться не только сами через себя, но и через соседей, все время как-бы заряжая их.

Последовательно-параллельное или смешанное соединение аккумуляторов

Если вы разобрались с правилами и особенностями последовательного соединения аккумуляторных ячеек и поняли принцип суммирования емкости и тока при параллельном соединении, то для вас не составит труда соединить получившиеся последовательные сборки параллельно, либо параллельные сборки последовательно.

Теоретически, чтобы уменьшить ток саморазряда, казалось бы, лучше параллельно соединить несколько заготовленных заранее правильно собранных последовательных цепочек одинаковой емкости без параллельных замыканий соседних звеньев. Однако на практике проще соединить друг с другом несколько параллельных сборок.

В итоге принцип формирования сборки следующий: если в смешанном соединении количество последовательных элементов (в одной цепочке последовательно соединенных аккумуляторов) превышает количество параллельных элементов (то есть превышает количество цепочек), то параллельно объединяют цепочки.

Если же в смешанном соединении количество параллельных элементов превышает количество элементов в цепочке, то последовательно соединяют параллельные сборки, предварительно убедившись в том, что их емкости равны.

При смешанном соединении аккумуляторов важно учитывать соотношение количества элементов в последовательных и параллельных цепочках. Это позволяет оптимизировать общую емкость и напряжение сборки. При равенстве количества последовательных и параллельных элементов, сборка может быть выполнена любым удобным способом, но всегда с учетом равенства емкостей отдельных элементов или групп.

Пример расчет сборки:

Предположим, у нас есть 12 аккумуляторов, и мы хотим создать сборку с максимально возможной емкостью. Если мы соединим их все последовательно, мы получим суммарное напряжение, равное сумме напряжений всех аккумуляторов, но емкость будет равна емкости одного аккумулятора. Если же мы соединим их все параллельно, напряжение сборки будет равно напряжению одного аккумулятора, но емкость увеличится в 12 раз.

Для оптимального сочетания напряжения и емкости можно использовать смешанное соединение. Например, можно создать 4 цепочки по 3 аккумулятора в каждой, соединенные последовательно, и затем соединить эти цепочки параллельно. Таким образом, напряжение сборки будет в 3 раза выше напряжения одного аккумулятора, а емкость — в 4 раза больше.

Важно помнить, что при смешанном соединении необходимо строго соблюдать равенство емкостей всех параллельно соединенных групп, чтобы избежать перераспределения тока, которое может привести к перегреву и выходу из строя отдельных аккумуляторов. Кроме того, следует регулярно проверять состояние каждого аккумулятора в сборке и при необходимости производить их замену и балансировку.

Примеры применения различных типов соединений аккумуляторов в электротехнических устройствах

• Фонарики и портативные электронные устройства: часто используют последовательное соединение для увеличения напряжения, необходимого для их работы.
• Электроинструменты: некоторые инструменты требуют более высокого напряжения для повышения мощности, что достигается за счет последовательного соединения аккумуляторов.

• Аккумуляторы для солнечных панелей: для увеличения общей емкости и поддержания стабильного напряжения используют параллельное соединение.
• Электромобили: для обеспечения необходимой емкости и тока, позволяющего увеличить дальность пробега, аккумуляторы соединяются параллельно.

• Переносные электроинструменты: для достижения оптимального баланса между напряжением и емкостью, часто используют смешанное соединение.
• Бесперебойные источники питания (БИП): смешанное соединение позволяет достичь необходимых параметров напряжения и тока для поддержания работы оборудования при отключении основного источника питания.

Последовательное соединение аккумуляторов используется для увеличения рабочего напряжения сборки, в то время как параллельное соединение применяется для увеличения общей емкости и номинального тока. Смешанное соединение, комбинирующее оба этих метода, позволяет одновременно увеличить и напряжение, и емкость.

Однако при любом типе соединения важно использовать аккумуляторы с одинаковыми характеристиками, чтобы избежать неравномерной зарядки или разрядки ячеек, что может привести к снижению эффективности и срока службы батареи.

Также необходимо учитывать меры предосторожности и использовать соответствующие устройства для контроля и балансировки заряда, чтобы обеспечить безопасность и долговечность аккумуляторной сборки.

Правильное соединение аккумуляторов требует внимательности и знания основ электротехники, а также понимания специфических требований к эксплуатации различных типов аккумуляторов.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: