Последовательное и параллельное подключение батарей: Техническое руководство и руководство по покупке, 2026 г.

Что на самом деле идет не так, так это не проводка

Проводка – это самая простая часть. Переход от положительного к отрицательному повышает напряжение, от положительного к положительному — мощность, и любой электрик на вашем этаже сможет правильно выполнить любую схему с первой попытки. Что делает решение о последовательном или параллельном подключении батареи важным для движущей мощности, так это то, что оба пути могут обеспечить одни и те же киловатт-часы на бумаге, и разница между ними не проявляется во время ввода в эксплуатацию. Это проявляется где-то на втором или третьем году в виде необъяснимой потери полезного времени работы, блока, который стареет быстрее, чем его братья и сестры, или BMS, которая начинает отключаться в рамках рабочего цикла, с которым она прекрасно справлялась, когда парк был новым.

Эта задержка и есть вся проблема. К моменту появления симптомов топология уже вварена в оборудование, кабели перерезаны, зарядные устройства куплены, а стоимость отмены решения — модернизация всего парка-. Поэтому полезный вопрос не в том, какая конфигурация увеличивает напряжение, а какая — емкость. Это то, какую конфигурацию вашего оборудования, график смен и возможности технического обслуживания можно сохранить после трех тысяч циклов.

Пять измерений, которые меняются, и только пять

Прежде чем перейти к чему-то полезному, стоит сжать стандартное объяснение в нечто такое, что вы сможете один раз просмотреть и перестать перечитывать. Все изменения, возникающие при последовательном и параллельном подключении батарей, можно разделить на пять измерений.

Общая доступная энергия в любом случае одинакова для одного и того же количества блоков, поэтому одна арифметика никогда не подскажет вам, что делать. В последних двух строках действительно принимается решение, и именно эти две строки потребитель-сталкивается с сравнениями серий батарей и параллельной проводки, как правило,-отмахивается мимо них. Остальное решают количество ячеек и химический состав: платформа LiFePO4 с напряжением 48 В включает пятнадцать-шестнадцать ячеек последовательно, и это стоит знать, прежде чем вы начнете рассуждать о том, сколько блоков находится вокруг этой цепочки. Если вы все еще ремонтируете саму платформу напряжения, целевые значения напряжения и мощности, указанные в специальном пакете, являются первоначальным решением.

Почему более высокое напряжение обычно выигрывает в движущей силе

Для погрузочно-разгрузочных работ и промышленного транспорта ответ,-взвешенный по ряду, чаще всего верен, и причина заключается в потере проводимости, а не в чем-либо, связанном с аккумулятором.

Приведенная ниже арифметика получена на основе двух соотношений, а не измерена на испытательном стенде, поэтому допущения имеют значение: она принимает ток и подаваемую мощность как фиксированные величины, сопротивление проводника и оконечной нагрузки рассматривается как постоянное и игнорирует влияние температуры второго-порядка на сопротивление. Исходя из этого, мощность, являющаяся произведением напряжения и тока, означает, что потребляемая мощность 9,6 кВт при напряжении 48 В потребляет примерно 200 А, а те же 9,6 кВт при напряжении 24 В — примерно 400 А. Потери проводимости зависят от квадрата тока, поэтому удвоение тока при той же передаваемой мощности примерно в четыре раза увеличивает потери в каждом проводнике, наконечнике, контакторе и держателе предохранителя между аккумулятором и двигателем. Переместите ту же нагрузку с платформы 48 В на платформу с напряжением 80 В, и ток упадет примерно на 40 процентов, что сократит потери в проводнике примерно на две-трети. Эта энергия не исчезает. На клеммах он становится теплом, а именно здесь находится сопротивление соединения и оно растет с течением времени.

Практические последствия непривлекательны и дороги. Более тяжелые проводники стоят дороже, весят больше, и их труднее проложить через батарейный отсек, размером со свинцово-кислотный кирпич. Контакторы, переключающие более высокий ток, изнашиваются быстрее. А провал напряжения при пиковой нагрузке напрямую влияет на производительность: на погрузчике с противовесом значительное падение напряжения во время подъема тяжелого груза приводит к более медленному подъему, что оператор ощущает, когда грузовик чувствует усталость задолго до того, как что-либо регистрируется как неисправность. Это основная причина, по которой последовательное, а не параллельное подключение аккумуляторов для вилочных погрузчиков и систем AGV имеет тенденцию разрешаться в сторону последовательной стороны при равной энергии. Именно поэтомуПлатформы на 48 В и 80 В, стоящие за нашими аккумуляторами для электропогрузчиковпостроены на длинных последовательных струнах, а не на широких параллельных банках.

Конечно, есть предел. Последовательные цепочки ограничены тем, на что рассчитаны контроллер, контакторы и система изоляции оборудования, режимом безопасности, который применяется выше определенных напряжений постоянного тока, а также тем фактом, что одна цепочка означает одну точку отказа. Это приводит к вопросу, на который никто в этом пространстве не дает прямого ответа.

Вопрос, на который никто не отвечает: сколько пакетов можно использовать параллельно?

Спросите поставщика, и вы обычно получите число — четыре, иногда восемь, без каких-либо объяснений. Это число выполняет две задачи одновременно: частично это инженерный предел, частично гарантийный предел. Если относиться к этому как к физике, когда это политика, или как к политике, когда это физика, то в результате флоты в конечном итоге получают банки, которые никогда не будут работать.

Начните с устранения путаницы, которая возникает почти в каждой статье на эту тему. Цифры, широко используемые поставщиками элементов в качестве критериев сопряжения: разница напряжения в пределах 10 мВ, разница внутреннего сопротивления в пределах 5 мОм, разница емкости в пределах 20 мАч, описываютсортировка клеток на производственной линиипри выборе, какие ячейки входят в одну упаковку. Они не являются полевым порогом для соединения двух готовых блоков, и готовый блок никогда не будет располагаться на расстоянии менее 10 мВ от другого после недели эксплуатации. Применение производственных допусков к задаче ввода в эксплуатацию является причиной того, что некоторые автопарки ошибочно приходят к выводу, что параллелизация невозможна.

Предел поля вообще не является константой. Он рассчитывается, и расчет достаточно короткий, чтобы его можно было выполнить в буфере обмена.

Пусковой ток в момент подключения равен разности напряжений между входящей цепочкой и шиной, деленной на общее сопротивление шлейфа. Поскольку общее сопротивление падает по мере добавления большего количества строк, наихудший случай становится хуже с каждым добавленным пакетом, поэтому рейтинги необходимо сверять с наихудшим случаем, а не со случаем с двумя-пакетами (Орион БМС).

С цифрами для двух блоков 48 В, 300 Ач: предположим, что внутреннее сопротивление примерно 15 мОм на блок и 5 мОм на кабелях и клеммах, что дает около 35 мОм вокруг контура. Если бы ограничением привязки был контактор, скажем, пусковой ток 300 А, допустимая разница напряжений составила бы около 10 В, что является бесполезным разрешительным ответом. Ограничением привязки почти всегда является аккумулятор: ограничение взаимной зарядки составляет 0,2C или 60 А для аккумулятора емкостью 300 Ач, и допустимая разница падает примерно до 2 В. Обратите внимание, что 0,2°C — это консервативная отправная точка, а не константа, точно так же, как 15 мОм — это оценка комнатной-температуры. Значение, которое вам действительно следует использовать, основано на максимальной скорости заряда, указанной производителем элемента при рабочей температуре вашего аккумулятора, и оно меняется при изменении размера аккумулятора, длины кабеля или контактора.

Это дает вам нечто более полезное, чем порог. В следующий раз, когда поставщик назовет вам параллельный предел, вы можете спросить, какое из этих двух ограничений привело к его возникновению, и какое внутреннее сопротивление, номинал контактора и потолок скорости заряда- они предположили. Число, полученное в результате приведенных выше вычислений, можно защитить. Число, которое нельзя связать ни с одним из ограничений, — это граница гарантии в костюме инженера.

За арифметикой стоят еще два ограничения. Циркуляционный ток, то есть ток, протекающий между аккумуляторами, а не к нагрузке, обусловленный различиями в состоянии заряда, температуре, внутреннем сопротивлении и возрасте, может в серьезных случаях превышать номинальные характеристики защитных устройств, рассчитанных только на ток нагрузки, а короткое замыкание на стороне постоянного тока- в широкой группе подается сразу каждой цепочкой. А широкая параллельная система требует многоуровневого управления: BMS на уровне ячейки- внутри каждого пакета, координирующий уровень над ним и контролирующая функция, решающая, какие цепочки участвуют. Ни то, ни другое невозможно модернизировать, если банк уже ведет себя плохо.

Одно исправление к стандартной структуре, поскольку оно меняет математические расчеты: распараллеливание не увеличивает надежность в арифметическом смысле. Полезная емкость ограничена тем, какая из цепочек первой достигнет предела заряда или разряда, поэтому каждая единица несоответствия напрямую зависит от эффективной емкости системы. Четыре упаковки параллельно дают вам меньше, чем четыре упаковки полезной энергии, и с возрастом этот разрыв увеличивается.

Поведение, лежащее в основе всего этого, скорее измеримо, чем загадочно. Циркуляционный ток горячей-замены в параллельной литиевой системе был смоделирован с помощью методов нейронной-сети и подтвержден экспериментально в пределах примерно шести процентов измеренных значений (МДПИЭлектроника), а динамика -распределения тока в параллельно-подключенных пакетах подробно охарактеризована в контрольной литературе (Препринт arXiv 2211.04961). Также обратите внимание, что только последовательная-часть системы требует активной балансировки. Непосредственно параллельные ячейки выравниваются за счет собственного соединения, поэтомуповедение балансировки ячееки межструнный циркулирующий ток – это две отдельные проблемы, которые обсуждаются как одна.

Чего приведенный выше расчет не может вам дать, так это значения сопротивления, которые нужно в него вложить. Внутреннее сопротивление зависит от формата элемента, возраста и температуры. В таблице данных указано значение свежего-элемента при температуре 25 градусов. Мы храним измеренные кривые сопротивления для форматов, которые мы создаем, и сопоставление их с конкретным рабочим циклом — это та часть процесса, которая происходит в разговоре, а не в буфере обмена.

Когда одна струна превосходит любую параллельную конструкцию

Мы будем спорить с более широким банком чаще, чем ожидают клиенты, поэтому стоит зафиксировать эту позицию.

Предпочтением по умолчанию при проектировании аккумуляторных систем является одна строка серии, где это позволяет приложение. Это самая дешевая-конфигурация, самая простая в управлении и устраняющая всю категорию межстрочных проблем, описанных выше. Использование нескольких параллельных цепочек оправдано в узких обстоятельствах: когда резервирование является жестким требованием, поскольку нельзя допустить остановку оборудования; когда необходима возможность горячей-замены, например, при бесперебойных или непрерывно-обслуживаемых операциях; и когда единственные ячейки, доступные в требуемом формате, предварительно -собраны в строки, которые невозможно распараллелить на уровне ячеек.

Исключением, которое чаще всего неправильно оценивают, является первое. Избыточность часто предполагается, а не указывается. Руководитель автопарка считает, что остановка грузовика в середине-смены недопустима, и приходит к выводу, что требуется сокращение штатов. Но параллельный банк обеспечивает избыточность только в том случае, если система может обнаружить неисправную цепочку, изолировать ее и продолжать работать с пониженной производительностью, что является требованием управления, а не проводным соединением. Параллельное подключение блоков проводов без такой возможности означает сложность параллельного-тяжелого промышленного ряда по сравнению с параллельным подключением батарей и отсутствием доступности. За пределами этих случаев широкий банк обычно является обходным путем ограничения упаковки, а не выбором дизайна, и это следует признать таковым.

Существует также тихая стоимость, которую редко учитывают. Каждое дополнительное оконечное соединение увеличивает сопротивление, а банк, построенный из множества пакетов, быстро умножает количество окончаний: одно только расположение четырех-ячеек представляет собой восемь контактных интерфейсов, каждый из которых вносит свой вклад в сопротивление и каждый является кандидатом на деградацию (Батарея Университет БУ-302). Масштабируйте эту логику до банка из шестнадцати-пакетов, и бюджет на подключение перестанет быть ошибкой округления. Наша собственная внутренняя цель для законченного блока питания мотива- – общее сопротивление менее 50 мОм с отдельными соединениями в диапазоне от 0,5 до 2 мОм, а широкие параллельные блоки делают достижение этой цели все труднее.

Проблема-второго года

Все вышеизложенное предполагает, что пакеты согласованы. Они есть при доставке. Та часть, которую почти никто не записывает, — это то, что происходит после этого.

Упаковки, которые выходят из хорошо управляемой-производственной линии с жесткими допусками, разваливаются в процессе эксплуатации, и примерно года реальной эксплуатации достаточно, чтобы распространение стало оперативным. Температура окружающей среды зависит от того, где припаркован грузовик. Рабочие циклы различаются в зависимости от того, какой оператор какой автомобиль рисует. Возможность зарядки зависит от смены. В результате получается батарея, струны которой больше не находятся в одинаковом состоянии заряда и не имеют одинакового внутреннего сопротивления, соединенного цепью с очень низким-сопротивлением, что является именно тем условием, которое обеспечивает устойчивый взаимный заряд между батареями.

Режим отказа, который это вызывает, достаточно нелогичен, чтобы сказать прямо: в несовпадающем параллельном блоке сильные пакеты деградируют быстрее всего. Они несут большую часть тока нагрузки, поскольку их сопротивление ниже, они поглощают циркулирующий ток, когда другие проседают, и накапливают пропускную способность со скоростью, которой никогда не достигают слабые блоки. Пакет, на который вы бы сделали ставку, выходит из строя первым, и поскольку банк продолжает поставлять полезную мощность, ничто не сообщает о проблеме, пока емкость уже не иссякнет.

Именно поэтому фраза «просто добавьте новый пакет в банк» — самая распространенная ошибка, которую мы видим. Новая упаковка, введенная в банк, который дрейфовал восемнадцать месяцев, не является повышением мощности. Это большая разность потенциалов на пути с очень низким-сопротивлением, и она учитывается при расчете пускового тока, приведенном выше, прежде чем кто-либо коснется контактора. Если необходимо повторно подключить блок, сначала доведите его до соответствующего напряжения разомкнутой-цепи в состоянии покоя и примените ту же самую дисциплину, независимо от того, является ли это новым блоком или ранее изолированной цепочкой, возвращающейся в сеть. Наблюдая засигнал о конце--жизни в стареющей упаковкеимеют большее значение в параллельном банке, чем в одной строке, именно потому, что банк их скрывает.

Компоновка и теплоизоляция: ограничения, стоящие за схемой

Топология, выбранная на бумаге, становится физическим объектом, а физические объекты имеют температурные градиенты.

В агрегатах с воздушным-охлаждением используются либо последовательные, либо параллельные вентиляционные пути, и эта терминология противоречит словарю электротехники, описывая нечто совершенно отдельное. В последовательном потоке воздуха воздух входит в одну сторону и выходит из другой, перенося тепло, полученное от ранних модулей, к более поздним и создавая распределение температуры по всей упаковке. Параллельный путь воздушного потока направляет воздух между модулями, поэтому он поднимается более равномерно и плотнее удерживает распределение. Модули в середине корпуса накапливают тепло; модули по краям сбрасывают его. Поскольку внутреннее сопротивление и емкость изменяются в зависимости от температуры, неравномерная тепловая схема приводит к той самой несогласованности, которой пыталась избежать ваша электрическая конструкция. В этом причинаархитектура управления температурным режимомпринадлежит разговору о топологии, а не после него.

Далее следуют два правила компоновки. Каждая параллельная ветвь без исключения должна иметь идентичную последовательную конфигурацию, поскольку асимметричные ветви гарантируют циркуляцию тока еще до ввода блока в эксплуатацию. Длина кабелей между параллельными пакетами и общей шиной должна быть одинаковой, чтобы сопротивление пути не означало молчаливое обозначение одного блока как «рабочей лошадки». И то и другое дешево исправить во время проектирования, и их практически невозможно исправить впоследствии.

Температура также меняет цифры, которые, как вы думали, у вас есть. Клиент-, занимающийся доставкой продуктов питания в Мексике, хранит наши контейнеры для поддонов LiFePO4 в холодильнике при температуре около -18 градусов, и пакеты сохраняют производительность без заметного падения. Но распределение тока между параллельными цепочками при этой температуре не ведет себя так, как при 25 градусах, потому что внутреннее сопротивление возрастает, а вместе с ним увеличивается и разброс сопротивления между пакетами. Значение 15 мОм, использованное в предыдущих расчетах, соответствует комнатной- температуре. В морозильном коридоре все оптимистично, и допустимая разница напряжений при подключении соответственно ужесточается. Банк, который приемлемо распределяет ток на складе с смешанной температурой, может плохо распределять его на холодильном складе.

Три проработанные конфигурации

Ниже приведены три закономерности, которые мы видим чаще всего, и то, как последовательное и параллельное подключение батареи решаются в каждой из них.

Схема для всех трех одинакова: сначала нужно достичь целевого показателя энергопотребления за счет формата элемента и последовательного напряжения, а параллельные цепочки рассматривать как что-то, принятое по конкретной эксплуатационной причине, а не как путь по умолчанию для увеличения количества ампер-часов. Если геометрия отсека делает это невозможным, ограничение следует назвать ограничением в спецификации, а не незаметно включать его в проект. Это также самый быстрый способ узнать,Диапазон движущей силы батареиможет достичь цели без специальной сборки.

Указание поставщику

Как только направление топологии будет ясно, отправляемая вами спецификация определяет, получите ли вы блок, разработанный для вашего рабочего цикла, или элемент каталога с вашим напряжением на этикетке. Шесть входов имеют значение:

• Номинальное напряжение оборудования и допустимое окно напряжения контроллера, а не только номинальное значение.
• Пиковое потребление тока во время самой тяжелой операции в цикле и ее продолжительность
• Размеры аккумуляторного отсека и максимально допустимый вес упаковки
• График смен и доступные периоды оплаты, в том числе ожидается ли возможность взимания платы за возможность
• Диапазон рабочих температур с явным указанием условий хранения в холоде-или на открытом воздухе.
• Может ли оборудование выдержать полную остановку, что определяет, является ли резервирование реальным требованием или предположением.

Вопросы, которые вы задаете в ответ, стоят больше, чем отправляемая вами спецификация, потому что каждый из них фильтрует разных поставщиков. Вопрос о том, на чем основан указанный лимит параллельности, отделяет поставщиков, которые его рассчитали, от тех, кто унаследовал его из таблицы данных. Если вы спросите, какое внутреннее сопротивление и номинал контактора учтены в этом расчете, вы узнаете, смотрел ли кто-нибудь на ваше оборудование, а не на общий случай. Задать вопрос о том, как взаимодействуют струны, существует ли координирующий уровень над BMS уровня-уровня пакета или просто несколько пакетов используют одну шину, и надеяться, что это самый быстрый способ выяснить, построил ли поставщик многострунные системы или только продал их. А запрос документированной процедуры повторного внедрения изолированного пакета покажет вам, приходилось ли им когда-либо поддерживать его в полевых условиях, потому что эта процедура пишется только после того, как в первый раз что-то идет не так.

Мы задаем себе те же четыре вопроса, прежде чем цитировать любую-систему с несколькими упаковками, и кривые сопротивления и процедура повторного внедрения, упомянутые ранее, - это то, что дает этот процесс. Правильное последовательное и параллельное подключение батареи для конкретного рабочего цикла — вот где эта работа происходит, и именно это и естьиндивидуальная конфигурация пакетаэто для.

Часто задаваемые вопросы

Если вы определяете размер системы с несколькими-комплектами для определенного парка автомобилей и хотите, чтобы конфигурация была проверена перед ее принятием,поговорите с нашей командой инженеров.