Увеличение напряжения при подключении аккумулятора

Последовательное и параллельное подключение аккумуляторов

При эксплуатации автономных источников тока часто встречаются ситуации, когда необходимо одновременно использовать несколько соединенных определенным образом элементов. Это требует наличия определенных знаний, касающихся особенностей протекания тока в цепях с несколькими источниками питания. В данной статье рассматриваются нюансы различных способов соединения аккумуляторов в сборные батареи.

Для чего соединяют аккумуляторы

Некоторые устройства с автономным электрическим питанием требуют таких значений тока и напряжения, которые трудно обеспечить имеющимися стандартными гальваническими источниками питания.

Как правило, это потребность в более мощном отдаваемом токе, увеличенном значении напряжения или емкости. Для решения этих задач требуется создавать различные конфигурации соединений источников тока, каждая из которых имеет свои особенности.

Варианты подключения аккумуляторов

Существует три схемы соединений АКБ в сборки с нужными параметрами:

1. Последовательное — складывается напряжение всех АКБ;
2. Параллельное – складывается емкость;
3. Комбинированное последовательно-параллельное – для повышения емкости и напряжения.

Все они имеют определенные особенности, которые необходимо знать для обеспечения безопасности и долговременной эксплуатации аккумуляторов и питаемых ими устройств.

Основным требованием при всех способах коммутации является исключение использования в сборке аккумуляторов, изготовленных по разным технологиям (например, нельзя соединять одновременно Li-ion и Ni-Mh).

Последовательное соединение аккумуляторов

Для обеспечения достаточного напряжения и приемлемого времени работы электроприборов часто используют аккумуляторные батареи, у которых аноды и катоды отдельных элементов (секций) последовательно соединяются между собой проводниками.

Анод и катод крайних источников питания получившейся сборной батареи являются ее общими плюсом и минусом. У АКБ из последовательно соединенных элементов результирующее напряжение равно сумме вольтажей использующихся источников тока. Результирующая емкость полученной батареи равна той, которую имеет самый слабый из присоединенных АКБ. При эксплуатации такой сборки через каждый элемент течет одинаковый ток (как при заряде, так и при разряде).

При последовательном соединении шести аккумуляторов, каждый из которых имеет вольтаж 1,2 вольта и емкость 1200 мАч будет получена сборка на 6х1,2=7,2 v с емкостью 1200 мАч.

Если в сборке будут использоваться элементы с разной емкостью, то у тех из них, которые имеют меньшую емкость, будет более высокое внутренне сопротивление по сравнению с другими. Падение напряжения на них будет больше, что приведет к быстрому разряду самого слабого элемента в процессе работы.

Более мощные аккумуляторы сборки при этом еще будут работоспособны и сборка будет эксплуатироваться дальше. Это приведет к сильному разряду самого слабого аккумулятора, что уменьшит его ресурс и емкость.

При заряде такой сборки самый слабый аккумулятор зарядиться раньше других элементов, но из-за того, что остальные еще не зарядились, через него будет продолжать течь зарядной ток, который приведет к перезаряду и перегреву. Это особенно опасно для АКБ, которые содержат соединения лития из-за их повышенной чувствительности к перезаряду и сильному разряду.

Важно! В конечном итоге, постоянно повторяющийся усиленный разряд и перезаряд слабого элемента сборки быстро приведут к его выходу из строя. Поэтому при последовательном соединении должны применяться элементы равной емкости. Этого можно достичь только при использовании источников питания, выпущенных одним и тем же производителем, желательно из одной партии.

Заряд каждого источника питания сборной батареи лучше производить по отдельности, или применять выравнивающий заряд с контролем напряжения (регулировкой тока) на каждом элементе.

Параллельное соединение аккумуляторов

В этом случае одним общим проводником соединяют все аноды, а другим – все катоды соединяемых аккумуляторов. Эта схема применяется тогда, когда необходима повышенная сила тока сборной батареи.

Общая емкость (отдаваемый ток) полученной сборки равна сумме емкостей (проходящих токов) соединенных источников питания. Ее напряжение будет равно вольтажу элемента с самой большой электродвижущей силой, и оно будет одинаково на всех источниках полученной батареи.

При параллельном соединении шести АКБ, каждый из которых имеет напряжение 1,2 вольта и емкость 1200 мАч будет получена сборка на 1,2v с емкостью 6*1200=7200 мАч.

Внимание! При параллельном соединении нескольких одинаковых источников, имеющих разное напряжение, происходит перетекание тока из источника с большим напряжением в элемент с меньшим вольтажом.

Это разрушительно сказывается на тех из них, которые имеют меньшую емкость. Из-за перетекания токов запрещается параллельно соединять одноразовые батарейки, в которых оно приводит к заряду элементов с меньшим напряжением, их перегреву, вытеканию электролита или даже взрыву.

В случае параллельного соединения источника с большим напряжением малой емкости к элементу большей емкости, но с меньшим напряжением происходит электрическое замыкание слабого АКБ через меньшее внутреннее сопротивление сильного. Из-за этого в слабом источнике протекает сильный ток, который приводит к его постепенному разрушению.

В случае высокого вольтажа на аккумуляторе большей емкости происходит форсированный заряд слабого элемента, что также сказывается на нем губительно. Исходя из этого, перед сборкой батареи рекомендуется выравнивать напряжения каждого ее элемента до одинакового значения.

Важно! Для исключения разрушающего воздействия перетекания токов при параллельном соединении аккумуляторов должны использоваться элементы питания, одинаковые по напряжению.

Последовательно-параллельное соединение аккумуляторов

Если учитывать правила соединения аккумуляторов в последовательные и параллельные сборки, то можно создавать сложные комбинированные варианты с одновременным использованием обоих способов. Это позволяет увеличивать результирующую емкость и напряжение, что особенно необходимо в системах автономного энергообеспечения, электромобилях и других устройствах с большим потреблением электрического тока.

Сборка комбинированной батареи может осуществляться двумя способами:

1. Составляется нужное количество последовательно соединенных сборок с необходимым напряжением, а затем они объединяются в единую батарею с помощью параллельной коммутации.
2. Создаются батареи с параллельно соединенными аккумуляторами необходимой емкости, которые затем последовательно коммутируются до набора нужного вольтажа.

Важно! Необходимо понимать, что даже при соблюдении всех правил соединения, невозможно подобрать элементы питания с абсолютно идентичными характеристиками. Это неизбежно приведет к разбалансировке значений емкостей и напряжений, что со временем будет приводить к повышенному износу более слабых аккумуляторов.

Меры предосторожности при подключении

При всех способах соединения аккумуляторов необходимо соблюдать ряд мер предосторожности:

• соблюдать меры безопасности по эксплуатации электроустановок для исключения поражения электрическим током (главное — не создавать цепи прохождения тока через тело человека):
• соблюдать полярность подключения;
• не создавать коротких замыканий;
• при сборке батарей отключать от них нагрузку;
• подсоединение зарядного устройства к АКБ осуществлять тогда, когда оно отключено от сети;
• работы проводить в соответствующей изолирующей одежде и обуви, без металлических предметов, которые могут упасть и замкнуть контакты;
• не касаться руками клемм АКБ, в особенности двумя руками на разных полюсах (это очень опасно на мощных батареях с высоким напряжением);
• использовать специальный инструмент с изолированными частями;
• не проводить работы при плохом состоянии здоровья;
• учитывать токи, проходящие через сборную батарею и нагрузку и использовать подходящие по сечению проводники;
• при соединении элементов в одну батарею обеспечивать надежный и изолированный от внешних воздействий контакт;
• обеспечивать надежную защиту сборных батарей от коротких замыканий и попадания влаги;
• использовать аккумуляторы с одинаковыми характеристиками и степенью износа;
• внимательно проверять собранную батарею на наличие ошибок коммутации.

К чему могут привести ошибки при соединении АКБ

Для исключения ошибок при соединении аккумуляторов желательно использовать специальные разъемы, исключающие ошибки при коммутации, например, переходники T-Plug. При неправильном подключении аккумуляторов в одной сборке могут быть допущены ошибки, которые могут привести к очень тяжелым последствиям:

• при параллельном соединении образуется короткозамкнутый контур, в результате чего в аккумуляторах будет происходить бурная химическая реакция, которая очень быстро приведет к вытеканию электролита, деформации корпуса, возгоранию или даже взрыву;
• при последовательном соединении с неправильной полярностью контур разомкнут, но при подключении нагрузки может появиться обратный ток через неверно подключенный элемент, что выведет его из строя;
• при длительном коротком замыкании одного или нескольких аккумуляторов неизбежно возгорание изоляции, расплавление проводников, бурная реакция внутри АКБ, вытекание электролита, деформация корпуса, возгорание или взрыв;
• при краткосрочном коротком замыкании контактов батарея останется работоспособной, но может произойти ухудшение состояния электродов внутри батареи, уменьшение емкости;
• при использовании проводников, не рассчитанных на рабочие токи, они будут перегреваться, оплавится их изоляция, что может привести к короткому замыканию и вытекающим отсюда последствиям.

Остались вопросы или есть что добавить? Тогда напишите нам об этом в комментариях, это позволит сделает материал более полным и точным.

Источник

Схемы соединения аккумуляторов, учитываем все тонкости и нюансы

Итак, казалось бы, что проще соединять между собой аккумуляторы, ведь существуют всего два способа: это параллельный и последовательный, но на самом деле даже в таком, казалось бы, простом деле есть свои тонкости, не учтя которые можно даже новые аккумуляторы вывести из строя. В этой статье я расскажу, как соединить аккумуляторы по всем правилам. Итак, начнем.

Параллельное соединение

И начнем с параллельного соединения. При параллельном соединении происходит соединение всех плюсовых клемм в один плюс, а всех минусовых клемм в один минус.

При таком способе соединения вне зависимости от того, какое количество будет соединено суммарное напряжение, будет равняться напряжению одного элемента. Но при этом сила разрядного тока пропорционально возрастет во столько раз, сколько элементов мы объединим в цепочку при условии, что соединяемые аккумуляторы однотипные.

Последовательное соединение

При такой сборке общая емкость остается равной емкости одного элемента цепочки, а вот напряжение возрастает и будет равно суммарному напряжению всех соединенных элементов.

При этом сила тока от сформированной батареи таким образом будет равняться силе тока одного элемента.

С какой целью аккумуляторы объединяют в батареи

Давайте пару слов скажем о причинах таких манипуляций. Все потому, что наши системы далеки от идеала, и в них присутствуют потери на нагрев проводников. И гораздо выгоднее передавать мощность при более высоком напряжении, например, при 220 Вольтах, чем при 12 Вольтах. Ведь при более высоком напряжении протекающий ток меньше и следовательно потери тоже меньше.

Именно поэтому достаточно мощные ИБП собираются из аккумуляторов, соединенных в последовательную цепочку рассчитанных на 12 Вольт. В этом случае верно утверждение: чем более высокий показатель напряжения источника, тем более высоким КПД он обладает.

Если же нужно увеличение тока отдачи, то гораздо выгоднее поставить в параллель еще один аккумулятор (для увеличения суммарной емкости источника), чем покупать новый аккумулятор повышенной емкости.

Нюансы, которые нужно учитывать при объединении аккумуляторов

Теперь давайте разберемся в тонкостях и правилах соединения аккумуляторов.

Для всех аккумуляторов верно утверждение, что чем больше емкость самого аккумулятора, тем меньше его внутреннее сопротивление и в данном случае зависимость тут почти обратно пропорциональная.

Итак, если мы возьмем изделия различной емкости, но выполненные по идентичной технологии, и соединим их в последовательную цепочку, (а после этого замкнем цепочку), то ток в этой цепи будет течь одинаковый. А вот падение напряжения будет на каждом элементе различными.

И вполне вероятно, что на одном из элементов цепи во время зарядки напряжение будет существенно выше номинала, что крайне нежелательно, а при разрядке существенно меньше нижнего предела, что так же нежелательно для аккумулятора. Для лучшего понимания давайте рассмотрим такой пример:

Представим, что аккумуляторная батарея состоит из 10 элементов на номинальное напряжение в 12 Вольт. И 9 из 10 будут иметь емкость в 20 А*ч, а один в 10 А*ч.

И давайте соединим нашу батарею последовательным образом и поставим заряжаться устройством током в 2 Ампера. При этом ЗУ отрегулировано таким образом, что при достижении напряжения в 138 U произойдет отключение зарядного устройства (отталкиваясь от среднего значения в 13,8 U на отдельный аккумулятор в цепи). Так что произойдет во время зарядки?

А вот что. Вполне логично, что аккумулятор маленькой емкостью будет заряжаться так же как и остальные аккумуляторы, вот только напряжение на его обкладках будет увеличиваться в три раза быстрее, чем у остальных элементов.

И когда аккумулятор с емкостью в 10 А*ч уже будет полностью заряжен и его уже необходимо переводить в режим стабилизации напряжения, этого не случится. А все потому, что оставшиеся элементы составной аккумуляторной батареи необходимо заряжать несколько часов.

В течении этого времени напряжение на малом аккумуляторе превысит предел и система рекомбинации газов просто напросто не выдержит. Будут сорваны клапаны, что приведет к потере влаги, уменьшению емкости.

Из этого следует, что заряжать последовательно соединенные аккумуляторы допустимо, только если их емкости одинаковы, выполнены по единой технологии и находятся в одинаковой стадии разряда.

Теперь давайте рассмотрим такую ситуацию. Будем разряжать эту же аккумуляторную батарею, у которой на каждом элементе напряжение имеет величину в 13,8 Вольт, при этом разрядный ток равен 2 Амперам.

Защита от глубокого разряда сработает когда элементы разрядятся до суммарного напряжения в 72 U ( на одном элементе 7,2 U). Но в нашей цепи есть малый аккумулятор, и при данном разрядном токе он полностью разрядится спустя 4 часа, а на остальных аккумуляторах еще будет 12U. Защита от разряда будет молчать, а малый аккумулятор неизбежно потеряет свою изначальную емкость.

Поэтому в последовательную цепь лучше всего соединять аккумуляторы из одной партии и перед соединением обязательно проверить их емкости тестером АКБ.

Теперь давайте поговорим о параллельном соединении

В параллель соединять аккумуляторы различной емкости вполне можно. Ведь при таком виде соединения емкость не играет никакой роли, ведь максимальный ток разряда и заряда для каждого элемента свой. В этом случае гораздо важнее, чтобы при соединении напряжение всех элементов было одинаково.

Ведь если во время соединения двух аккумуляторов, существенно различающихся по емкости, будут различны и напряжения, то неизбежно возникнет кратковременная перегрузка по току одного аккумулятора.

Если высоким напряжением будет обладать аккумулятор с меньшей емкостью, то при соединении внутри него будет протекать ток короткого замыкания, что может разрушить элемент.

Если же повышенным напряжением будет обладать аккумулятор большой емкостью, то пострадает все равно аккумулятор с маленькой емкостью, так как в этом случае он будет принимать заряд в режиме перегрузки.

Поэтому главным правилом при параллельном соединении является предварительное выравнивание их напряжений.

Если статья оказалась познавательной или полезной, то оцените ее лайком и спасибо за ваше внимание!

Источник