Схемы соединения аккумуляторов: параллельное и последовательное подключение, как сделать правильно

Объединенная группа аккумуляторов называется батареей элементов или просто гальванической батареей. Существуют два основных способа соединения элементов в батареи: последовательное и параллельное соединения.

В рамках данной статьи рассмотрим особенности последовательного и параллельного соединения аккумуляторов. Есть разные ситуации, когда может потребоваться увеличить общую емкость или поднять напряжение, прибегнув к параллельному или последовательному соединению нескольких аккумуляторов в батарею, и всегда нужно помнить о нюансах.

Параллельное соединение предполагает объединение положительных клемм аккумуляторов с общей плюсовой точкой схемы, а всех отрицательных — с общим минусом, т. е. все положительные выводы элементов присоединить к одному общему проводу, а все отрицательные выводы — к другому общему проводу. Концы общих проводов такой батареи присоединяются к внешней цепи — к приемнику.

Сущность последовательного способа соединения аккумуляторов, как это вытекает из самого его названия, заключается в том, что все взятые элементы соединяются между собою в одну последовательную цепочку, т. е. положительный полюс каждого элемента соединяется с отрицательным полюсом каждого последующего элемента.

В результате такого соединения получается одна общая батарея, у которой у одного крайнего элемента остается свободным отрицательный, а у второго — положительный выводы. При помощи их батарея и включается во внешнюю цепь — в приемник. Далее поговорим об этом более подробно.

Параллельное соединение аккумуляторов дает объединение емкостей, и при равном исходном напряжении на каждом из аккумуляторов, входящих в собираемую из них батарею, емкость составной батареи оказывается равной сумме емкостей этих аккумуляторов. При равных емкостях объединяемых аккумуляторов, для нахождения емкости батареи достаточно умножить количество составляющих батарею аккумуляторов на емкость одного аккумулятора в сборке.

Сколько бы элементов мы ни соединяли параллельно, общее их напряжение всегда будет равно напряжению одного элемента, но зато сила разрядного тока может быть увеличена во столько раз, сколько элементов будет входить в состав батареи, если только все элементы в батарее однотипные.

Соединяя аккумуляторы последовательно, получают батарею той же емкости, что и емкость одного из аккумуляторов, входящих в батарею, при условии, что емкости равны. При этом напряжение батареи будет равно сумме напряжений каждого из составляющих батарею аккумуляторов.

Ежели последовательно соединяются аккумуляторы равной емкости и равного на момент соединения напряжения, тогда напряжение батареи, полученной путем последовательного соединения, будет равно произведению напряжения одного аккумулятора и количества аккумуляторов, составляющих последовательную цепь.

При последовательном соединении элементов складываются и величины их внутренних сопротивлений. Поэтому от составленной батареи независимо от величины ее напряжения можно потреблять только такой же силы ток, на какой рассчитан один элемент, входящий в состав данной батареи. Это и понятно, так как при последовательном соединении через каждый элемент проходит тот ток, какой проходит и через всю батарею.

Таким образом, путем последовательного соединения элементов, увеличивая их общее количество, можно повысить напряжение батареи до любых пределов, но сила разрядного тока батареи останется такой же, как и у одного отдельного элемента, входящего в ее состав.

И при параллельном, и при последовательном соединении, общая энергия батареи оказывается равной сумме энергий всех аккумуляторов, составляющих батарею.

Итак, для чего же аккумуляторы объединяют в батареи? Все дело в том, что в любой схеме существуют потери, связанные с нагревом проводников. И при одном и том же сопротивлении проводника, если требуется передать определенную мощность, гораздо выгоднее передавать мощность при высоком напряжении, тогда ток потребуется меньший, и омические потери будут меньше.

По этой причине мощные источники бесперебойного питания используют батареи последовательно соединенных аккумуляторов на общее напряжение в несколько десятков вольт, а не параллельную цепь на 12 вольт. Чем выше напряжение источника, тем выше КПД преобразователя.

Когда нужен значительный ток, а одного имеющегося в наличии аккумулятора для поставленной цели не достаточно, увеличивают емкость батареи, прибегая к параллельному соединению нескольких аккумуляторов.

Не всегда экономически выгодно заменять аккумулятор на новый, обладающий большей емкостью, и иногда достаточно присоединить параллельно еще один, и повысить емкость источника до необходимой. Некоторые источники бесперебойного питания имеют отсеки для установки дополнительных аккумуляторов параллельно уже имеющемуся, с целью повысить энергетический ресурс преобразователя.

Что следует учитывать при объединении аккумуляторов в последовательную цепь? Аккумуляторы различной емкости (изготовленные по одной и той же технологии, например свинцово-кислотные) отличаются внутренним сопротивлением. Чем выше емкость, тем меньше внутреннее сопротивление, зависимость здесь почти обратно пропорциональная.

По этой причине, если последовательно соединить аккумуляторы разной емкости, и замкнуть цепь нагрузки или зарядную цепь, то ток по цепи пойдет везде одинаковый, а вот падения напряжений будут разными. И на каком-то из аккумуляторов батареи напряжение при зарядке окажется намного выше номинала, что опасно, а при разрядке — намного ниже нижнего предела, что вредно. Рассмотрим далее пример, покажем, чем это чревато.

Пусть в нашем распоряжении 10 аккумуляторов, номинальное напряжение каждого 12 вольт, 9 из них имеют емкость 20 ампер-часов, а один — 10 ампер-часов. Мы решили соединить их последовательно, и заряжать от зарядного устройства с контролем зарядного тока, выставили ток на 2 ампера. Зарядное устройство настроено так, что прекратит зарядку когда напряжение батареи пересечет отметку в 138 вольт, исходя из среднего значения в 13,8 вольт на каждый аккумулятор последовательной батареи. Что произойдет?

Для каждого аккумулятора производитель предоставляет зарядную характеристику, где можно увидеть, каким током и на протяжении какого времени нужно заряжать аккумулятор.

Очевидно, аккумулятор в 2 раза меньшей емкости при токе в 2 ампера примет столько же энергии, что и аккумуляторы большей емкости, но рост напряжения на нем будет идти примерно втрое быстрее. Так, уже через 3 часа маленький аккумулятор возьмет свое, в то же самое время большие аккумуляторы еще 6 часов должны будут заряжаться.

Но напряжение на маленьком аккумуляторе уже пошло через край, его бы нужно перевести в режим стабилизации напряжения, на наш зарядный прибор этого не делает. В конце концов система рекомбинации газов в аккумуляторе вдвое меньшей емкости не выдержит, клапаны сорвет, и аккумулятор начнет терять влагу, терять емкость, при этом большие аккумуляторы все еще будут недозаряжены.

Вывод: заряжать последовательно можно только аккумуляторы равной емкости, одной и той же технологии, одного и того же состояния разряда.

Теперь допустим, что мы разряжаем эту же последовательную цепь. Изначально на каждом аккумуляторе 13,8 вольт, а разрядный ток составляет 2 ампера. Защита от глубокого разряда разомкнет цепь при 72 вольтах, то есть предполагается не менее 7,2 вольт на аккумулятор. Через 4 часа маленький аккумулятор полностью разрядится, а на больших еще будет по 12 вольт, и защита от глубокого разряда не уследит подвоха. Маленький аккумулятор уже необратимо потеряет часть своей емкости.

Вот почему последовательно можно соединять лишь аккумуляторы равных емкостей, если не хотите их испортить. Лучше всего последовательно соединять аккумуляторы из одной партии, и проверить предварительно их емкости тестером АКБ, дабы убедиться, что емкости аккумуляторов, из которых вы собираетесь собрать последовательную батарею, почти равны.

А вот параллельно соединять аккумуляторы разной емкости допустимо. Разумеется, при условии равенства напряжений на их клеммах. При параллельном соединении емкости аккумуляторов не будут играть роли, поскольку внутренние сопротивления аккумуляторов окажутся подключены параллельно, и максимальный ток заряда или разряда будет у каждого аккумулятора свой, они будут работать синхронно.

Однако для клемм аккумуляторов и для каждого конкретного аккумулятора ограничения по току имеются, клеммы могут и не выдержать длительный ток, который в принципе способен дать аккумулятор, об этом важно не забывать. В технической документации к аккумулятору эти параметры указаны.

Если в момент соединения двух аккумуляторов, сильно различающихся по емкости, их напряжения отличаются значительно, неизбежна кратковременная перегрузка по току одного из аккумуляторов. Если напряжение выше у аккумулятора меньшей емкости, то перераспределение заряда в момент соединения вызовет кратковременный ток короткого замыкания в нем, и может быстро привести к его разрушению.

Если напряжение выше у аккумулятора большей емкости, то опять же под угрозой аккумулятор меньшей емкости, ибо он станет принимать заряд в режиме перегрузки. Поэтому лучше всего соединять параллельно аккумуляторы, предварительно выровняв напряжения на них, а уже следующим шагом объединять в батарею.

Надеемся, что наша статья была для вас полезной, и теперь вы знаете, как можно, а как нельзя соединять аккумуляторы и для каких целей это обычно делают.

Источник

Схемы соединения аккумуляторных батарей для электропитания

Аккумуляторные батареи (АКБ) в зависимости от их назначения собираются из определенного количества аккумулирующих энергию элементов. Схема соединения

аккумуляторных батарей при этом зависит от того, какая преследуется цель. Это может быть увеличение емкости батареи, повышение напряжения либо сочетание обеих этих параметрических характеристик устройства.

В основном батареи собирают последовательно-параллельно, а сами сборки служат для промежуточного или резервного хранения электроэнергии

Известны и повсеместно применяются 3 варианта соединения отдельных аккумуляторов в батарею: последовательное, параллельное и смешанное или комбинированное.

Повышение рабочего напряжения батареи

Аккумуляторы электрической энергии имеют различное рабочее напряжение. Варьироваться оно может в очень широком диапазоне: от 0,5 до 48 Вольт. В то же время, для обеспечения автономного питания приборов, запуска двигателей внутреннего сгорания, питания электроприводной техники требуется другой диапазон напряжений. Повысить рабочее напряжение автономного источника тока можно последовательным соединением нескольких аккумуляторов в батарею.

Схемы и формулы при последовательном соединении батарей

При последовательном соединении коммутируются разнополярные клеммы аккумулятора. Плюсовой вывод предыдущего устройства соединяется с минусовым выводом последующего. Суммарное рабочее напряжение батареи при таком способе будет равно сумме рабочих напряжений коммутированных источников тока. Это значит, что для получения АКБ с рабочим напряжением 12 В необходимо последовательно соединить 4 трехвольтных источника либо 10 аккумуляторов с рабочим напряжением 1,2 В. Емкость скомплектованной последовательным соединением источников не изменяется и остается равной емкости каждого включенного в схему аккумулятора.

Очевидным и наглядным примером такого способа комплектации батареи могут служить автомобильные АКБ. В них отдельные источники, именуемые банками, объединены в общем корпусе и последовательно соединены свинцовыми шинами. Выбор в качестве материала для соединительных шин свинца объясняется просто: аккумуляторные электроды также изготавливаются из свинца. Шины, интегрированные в коммуникационную схему, соединяются с электродами на молекулярном уровне, а не механически. Это позволят избежать возникновения электрохимических коррозионных процессов.

Увеличение емкости источника питания

Нередки технические условия, когда от источника питания при сохранении рабочего напряжения требуется повышенная емкость. В таких случаях для комплектования батареи применяется параллельное соединение аккумуляторов. Такой способ коммутирования позволяет в разы, а в особо ответственных случаях – в десятки раз увеличить суммарную емкость питающего устройства.

Параллельное соединение батарей с формулами

Параллельное соединение осуществляется путем коммутации однополюсных выводов источников тока: плюсовой и минусовой выводы предыдущего аккумулятора соединяются с одноименными выводами последующего. Суммарная электрическая емкость скомпонованной таким способом коммутации батареи будет равна сумме электрических емкостей входящих в схему отдельных источников. Это значит, что при соединении трех аккумуляторных батарей с номинальной емкостью 60 А*ч получится устройство, имеющее электрическую емкость 180 А*ч.

В качестве примера подключения аккумуляторных батарей параллельной коммутацией можно привести источники бесперебойного либо аварийного питания приборов и аппаратуры. Параллельно подключаются АКБ большегрузных автомобилей и тяжелой специальной техники с большим объемом двигателя. Большой распространение параллельная коммутация получила на флоте: здесь параллельно соединенные устройства питания применяются для запуска вспомогательных дизелей, работы освещения, систем связи и жизнеобеспечения в аварийных ситуациях.

Повышение напряжения с одновременным увеличением емкости АКБ

Ярким примером смешанного или комбинированного соединения аккумуляторов в комплекс с необходимыми показателями рабочего напряжения и электрической емкости служат источники питания машин с электрическим приводом.

ВАЖНО! При увеличении емкости аккумуляторных батарей увеличиваются и токи. Правильно подбирайте сечения проводов! Используйте негорючие или самозатухающие провода.

Тяговые аккумуляторные батареи для обеспечения работы приводных и управляющих двигателей электроприводных машин и механизмов комплектуются именно по такой схеме. Достаточно подробно о способах соединения АКБ изложено в этом видео:

Комбинированное соединение подразумевает использование в коммутационной схеме одновременно последовательного и параллельного способов подключения. Возможны два варианта:

1. Сначала методом последовательного соединения источников подготавливаются батареи с требуемым рабочим напряжением. На втором этапе параллельно коммутируется необходимое количество подготовленных сборок для обеспечения потребной электрической емкости.

2. Во втором варианте параллельной коммутацией предварительно набираются батареи с требуемой емкостью. После этого устройства соединяются последовательно до достижения необходимого рабочего напряжения.

Схема последовательно-параллельного соединения аккумуляторных батарей наиболее часто применяемая, так как современные батареи для автономного энергообеспечения домов имеют номинальное напряжение 3,4 В

Комплектование АКБ комбинированным способом позволяет формировать источники питания, напряжение и электрическая емкость которых ограничивается только занимаемым ими рабочим пространством.

Особенности комплектования батарей аккумуляторов

Все три способа соединения отдельных источников питания в комплекс подчиняются не сложным, но важным для эффективной и долгосрочной эксплуатации правилам.

Последовательно-параллельная схема подключения на примере литий-ионных батарей

Пролонгированная работа батареи и ее экономическая целесообразность может быть обеспечена при соблюдении следующих правил:

• электрическая емкость включаемых в комплекс источников не должна отличаться на величину, превышающую 5% от номинальной;
• рабочие напряжения отдельных элементов батареи должны находиться в разумном соотношении;
• эксплуатационное техническое состояние включаемых в комплекс автономного питания элементов должно быть максимально сбалансированным;
• сечение коммутационных линий и шин должно быть рассчитано с учетом токовых нагрузок как внутри батареи, так и во внешних электрических цепях.

Ассортимент предлагаемых рынком источников питания при грамотном подходе позволяет создавать аккумуляторные батареи со всеми необходимыми для надежного использования характеристиками.

Источник