Последовательные и параллельные батареи: что меняется внутри блока и чего это вам будет стоить в дальнейшем

Одна и та же запасенная энергия, разделенная двумя разными способами

Соедините вместе два одинаковых блока питания 12 В, 100 Ач, и вы всегда будете получать одинаковые 2400 Вт-часов энергии. Что на самом деле решает последовательная и параллельная проводка?какэти ватты-часы будут переданы в зависимости от большего напряжения или от большего количества ампер-часов. Подключите два блока последовательно, и вы получите 24 В при 100 Ач. Подключите их параллельно, и вы получите 12 В при 200 Ач. Сумма энергии никогда не двигалась; имело значение только разделение напряжения-и-тока.

Именно на этой единственной идее начинается и заканчивается большая путаница вокруг разницы между последовательной и параллельной конфигурациями батарей для телефона или фонарика. Для всего, что имеет рабочий цикл, измеряемый сменами, а не минутами, интересной частью является не арифметика. Это то, что происходит во время третьей упаковки, сорокового цикла, и в одно утро клетка выходит из равновесия. Именно на этой основе построено данное руководство. Если вам сначала нужна математика необработанной энергии, нашКонверсия мАч-в-Втч по мотивам-мощностипокрывает его чисто.

Последовательное соединение: напряжение растет, ток остается неизменным

Последовательная цепочка – это соединение между--концами: положительная клемма одного блока к отрицательному другого, пока не будет достигнуто напряжение, ожидаемое контроллером вашего оборудования. Напряжения складываются; рейтинг ампер-часов не учитывается. Четыре блока 12 В, соединенные последовательно, дают вам банк 48 В, рассчитанный на все, что несет один блок.

Серия — это то, как вы достигаете напряжения платформы. Трансмиссия автомобиля для гольфа- – 48 В, контроллер троллинга – 36 В, инвертор – 24 В — ни один из них не работает на полную мощность; они работают от напряжения, и последовательное соединение батарей — единственный способ создать это напряжение из блоков с более низким-напряжением. Плюсы помимо достижения цели: при более высоком напряжении та же мощность потребляет пропорционально меньший ток, поэтому потери в кабеле уменьшаются, а проводники охлаждаются. Батарейный блок с последовательной-конфигурацией, работающий под большой нагрузкой, будет испытывать значительно меньший нагрев I²R, чем параллельный эквивалент, выполняющий ту же работу при четверти напряжения.

Есть жесткий потолок, о котором стоит упомянуть заранее. Как только последовательное напряжение превысит примерно 50 В, вы перейдете на территорию, где риск дуги и удара требует реальных мер предосторожности и изолированного инструмента; это перестает быть случайной работой на скамье. Ниже четырех блоков по 12 В запас прочности велик; над ним обращайтесь с веревкой с уважением, которого заслуживает система с напряжением 48 В-плюс. Эта линия 50 В не является домашним правилом. Это пороговое значение промышленной безопасности при низком-напряжении, которое используется для отделения рутинной работы постоянного тока от операций, требующих соблюдения процедур.

Параллельное штабелирование: емкость увеличивается, напряжение сохраняется

Параллельная проводка соединяет все положительные и все отрицательные стороны вместе, обычно приземляясь на общую шину, а не на шлейфовую цепь. Напряжение остается неизменным; стек amp-часов. Три блока 12 В, 100 Ач, подключенные параллельно, дают 12 В при 300 Ач и примерно в три раза увеличивают время работы при этом напряжении.

 

Две вещи делают параллельное подключение аккумуляторов привлекательным для оборудования, которое должно постоянно двигаться. Первый — это время работы: вы добавляете выносливость, не касаясь напряжения, на которое настроен ваш контроллер. Второе – это избыточность. Если одна упаковка выходит из строя, выжившие продолжают подавать нагрузку вместо того, чтобы размыкать всю цепь. Эта отказоустойчивость является тихой причиной, по которой параллельно-настроенные аккумуляторные батареи появляются везде, где незапланированная остановка обходится дорого.

 

Цена этой выносливости текущая. Удвойте емкость, и вы удвоите потенциальный ток на шине. Именно этот дополнительный ток, а не напряжение и не количество ампер-часов на этикетке, является тем местом, где параллельные банки действительно становятся опасными, и это нить, которую мы берем двумя разделами ниже.

Параллельно--бок: напряжение, емкость, время работы и что на самом деле выходит из строя

Большинство стоек-за-боковыми столиками ограничиваются «последовательными=вольтами, параллельными=амперами-часами», поэтому вопрос о том, что лучше: последовательное или параллельное соединение батарей, продолжает получать поверхностный ответ. Для покупателя автопарка это необходимо, но недостаточно. Вот версия, которая показывает, как двигательный-силовой агрегат ведет себя в эксплуатации:

Вопрос, который постоянно возникает: дольше ли работают батареи при последовательном или параллельном соединении, имеет более четкий ответ, чем предлагает Интернет. Для одних и тех же батарей общая энергия одинакова, а последовательные батареи работают при меньшем токе, поэтому потери в проводке немного меньше. Но реальный срок службы в гораздо большей степени определяется балансировкой ячеек и поведением BMS, чем самой топологией соединения. Погоня за «более длительным-сроком службы» только за счет выбора проводки означает оптимизацию неправильной переменной, и именно поэтому вопрос о последовательном и параллельном блоках батарей BMS, а не вопрос о вольтах-против-ампер-часов, является тем, который имеет следующее значение.

Реальный предел количества блоков, которые вы можете подключить, - это не математические расчеты напряжения, а BMS.

Вот переменная, которую большинство поставщиков не увидят в технических характеристиках: количество последовательных и параллельных литиевых батарей устанавливается системой управления батареями, а не арифметикой сложения вольт и ампер-часов. Нашучебник о том, как BMS на самом деле управляет стаейрассматривает логику защиты, лежащую в основе этого.

Это утверждение верно, и именно здесь теория и практика расходятся. Что касается последовательной стороны, система BMS каждого блока должна переключаться и выдерживатьполное напряжение струнымежду его внутренними полевыми транзисторами во время неисправности, поэтому номинальное напряжение полевого транзистора, а не напряжение целевого банка, является реальным ограничением количества батарей LiFePO4, которые вы можете подключить последовательно. Многие блоки питания с напряжением 12 В- рассчитаны максимум на 4S и имеют номинальное напряжение около 51,2 В именно потому, что именно для этого предназначено коммутационное оборудование; Руководства по интеграции BMS производителя последовательны в том, что номинал полевого транзистора, а не номинальное напряжение, является ограничением привязки. С параллельной стороны ограничением является непрерывный ток, и он не складывается четко. При разумном проектировании совокупный непрерывный ток параллельной батареи снижается примерно до 90 % от суммарных номиналов BMS, поскольку ток никогда не распределяется идеально между реальными блоками с реальным внутренним-разбросом сопротивления. В грузовике с вылетом 80 В/500 Ач- те 10 %, которые мы намеренно оставляем на столе, представляют собой разницу между всеми струнами, работающими в пределах нескольких градусов друг от друга, и одной струной, спокойно несущей больше, чем ей положено.

Еще один признак отличает хорошо спроектированный аккумулятор от дешевого: хороший LiFePO4 BMS начинает балансировать элементы рано, в районе 3,35–3,40 В на элемент, а не на пике заряда. Конструкция, которая ждет, пока клетки не достигнут потолка, чтобы сбалансироваться, говорит о том, насколько плохо ее создатель разбирается в химии. Этот порог является лучшим показателем покупки, чем любая маркетинговая спецификация. Но сам по себе порог не скажет вам, будет ли сторонний пакет-удерживать баланс втвойрабочий цикл; полный контрольный список, который мы запускаем, когда квалифицируем входящий пакет ячеек, живет в нашем демонтажечто на самом деле отличает один литиевый аккумулятор для вилочных погрузчиков от другого.

Зарядка тоже ведет себя по-другому и наказывает самое слабое звено

Разница в последовательной и параллельной зарядке аккумулятора является причиной многих тихих повреждений. В последовательной цепочке зарядное устройство видит одно напряжение для всей батареи, поэтому самая сильная ячейка достигает полной зарядки первой, и балансировка цепочки должна сбрасывать ее, пока самая слабая ячейка все еще догоняет; если пропустить правильную балансировку, вы будете систематически перегружать один конец струны в каждом цикле. В параллельном банке риск инвертируется. Подключайте блоки, которые не имеют одинакового напряжения покоя, и более высокий из них сбрасывает ток в более низкий в тот момент, когда вы замыкаете соединение, еще до того, как зарядное устройство будет задействовано. Решение с обеих сторон непривлекательное: перед подключением приведите все блоки в одинаковое состояние заряда и используйте зарядное устройство, соответствующее истинному напряжению системы. Это шаг, который большинство неудачников, к которым нас вызывали, пропустили.

Что идет не так в масштабе флота и почему редко случается, что ячейка

На уровне одной-стаи ничего из этого не кусается. Виды сбоев, которые имеют значение, проявляются, когда вы увеличиваете количество пакетов в парке, и они почти никогда не связаны с химией клеток; это решения по конфигурации, которые вас догоняют.

Сядьте на параллельный автобус. Главный риск заключается не в том, что провод слишком тонкий для нормальной нагрузки, а в том, что происходит, когда BMS одного блока выходит из строя из-за короткого замыкания. В этот момент можно попросить единственный кабель, питающий этот пакет, нестикомбинированныйток всех остальных пакетов в шине. Шесть упаковок каждая на ток 100 А, одна закорочена, а один проводник выдерживает ток до 500 А, на который он никогда не был рассчитан. Хуже того, если его сопротивление удерживает ток чуть ниже порога срабатывания каждого уцелевшего блока, ни один из других блоков BMS не вмешивается, и провод просто перегорает.

Это единственная причина, по которой существует индивидуальное предохранение-строки, и это то, что фраза «просто проложите более тяжелый кабель» ошибочна. Когда мы запускаем параллельный банк, распределение тока между строками почти никогда не прекращается-даже в первый день; несколько процентов разброса между струнами является нормальным, и именно этот разброс определяет, какой проводник будет наиболее уязвим, если BMS оторвется. Какой размер защиты на каждую-строку на самом деле должен быть, зависит от количества пакетов, характеристик срабатывания BMS и схемы шины, и это единственное число, которое мы предпочли бы сопоставить с вашей реальной однолинейной-линейной диаграммой, чем гадать в статье.

У серии есть своя ловушка: проблема с самой слабой-ячейкой. Строка серии ведет себя как цепочка, и сначала одна ячейка с недостаточной-производительностью достигает своих пределов. Потяните элемент ниже примерно 2,8 В хотя бы один раз, и вы нанесете необратимый ущерб; в соответствии с опубликованными ограничениями по применению литиевых элементов достаточно одного случая чрезмерной-разрядки. Это именно тот механизм, который наши инженеры разработали на уровне упаковки, гдеБалансировка ячеек не позволяет самому слабому звену установить потолок для всей цепочки 80 В.. Связанное с этим, но столь же дорогостоящее: добавление новой упаковки в устаревшую параллельную банку. Более старый пакет с более высоким-сопротивлением заставляет нового брать на себя большую часть работы и постоянно подвергает его нагрузке; вы не получаете среднее из двух, вы получаете более новый пакет, деградирующий по сравнению со старым.

Последовательно--параллельно: как на самом деле создаются платформы на 48 В и 80 В

При последовательно--параллельной конфигурации батарей для оборудования с напряжением 48 В или 80 В редко используется одна топология; он объединяет их, и да, вы можете соединять батареи последовательно и параллельно, если вы делаете это так, как задумано. Последовательные цепочки подключаются так, чтобы подавать напряжение на платформу, затем эти цепочки соединяются параллельно для достижения емкости. Шестнадцать блоков на 12 В превращаются в четыре цепочки последовательностей на 48 В, которые затем соединяются параллельно в одну 48-вольтовую группу высокой-мощности, питающую большой инвертор или трансмиссию. Именно здесь значение «максимум 4S4P» в таблице данных имеет свое значение: оно говорит вам, что соответствующий диапазон состоит из четырех последовательных и четырех из этих цепочек параллельно, потолка напряжения и потолка мощности в одном числе. Например, конверт 4S4P, построенный из блоков 12 В, 200 Ач, позволяет платформе 48 В увеличить емкость примерно до 800 Ач, не выходя за пределы квалификационной зоны производителя-, что является реальным путем расширения, который операторы автопарка используют для увеличения времени работы в две смены.

Ограничение 4S4P вызывает справедливый вопрос: зачем останавливаться на достигнутом, если физика позволяет больше? Частично ответ технический. По мере того, как счет растет, становится все труднее поддерживать равномерное распределение текущих потоков во многих параллельных цепочках, и более крупные банки повышают ставки в сценарии мертвой-короткой позиции, описанном выше. Остальное — ответственность; производитель определяет конверт, за которым он может стоять. И помимо этого, честный совет будет прямолинейным: не развертывайте-создавайте его. Помимо 4S4P, вам необходимо проверить параллельное распределение тока и поведение при отказах, которые общая группа технического обслуживания не имеет возможности проверить, и это должно выполняться в виде квалифицированной индивидуальной конфигурации, а не импровизированной на месте. Когда мы выходим за пределы этого диапазона, проверка-распределения тока — это первое, что мы проводим на стенде перед отправкой отдельной упаковки. В частности, для оборудования на 48 В стоит ознакомиться с компромиссными решениями по напряжению, зарядному устройству и монтажу-, лежащими в основе этого выбора, прежде чем принять решение; В нашем руководстве по покупке платформы 48 В они изложены.

Выбор конфигурации для промышленной движущей силы

Удалите электрические схемы, и решение будет сводиться к тому, чего требует ваше оборудование, в следующем порядке:

• Платформа напряжения первая.Это диктует диспетчер. Грузовику на 48 В нужна батарея на 48 В; вы строите его с помощью последовательной строки, точки.
   
• Затем мощность для продолжительности смены.Как только напряжение фиксируется, параллельные цепочки отрабатывают время работы, чтобы отработать полную или две смены с возможностью зарядки.
   
• Затем отказоустойчивость.Если остановившееся устройство останавливает линию, стоит сознательно предусмотреть избыточность параллельной конфигурации.
   
• Дальше схема защиты.Это то, что не сводится к эмпирическому правилу. Совпадающие пакеты и ранняя балансировка — это ставки за столом; предохранители-цепей, снижение номинальных значений тока и координация BMS, которые поддерживают работу блока 80 В в реальных условиях неисправности, рассчитываются в соответствии с конкретной-конструкцией одной линии, о которой следует поговорить до того, как аккумуляторы будут помещены в грузовик, а не после.

Сравнение последовательных и параллельных конфигураций аккумуляторов для промышленного парка перестает быть абстрактным, как только вы привязываете его к реальному рабочему циклу. Работа грузовика в три-смены-и работа на буксире GSE-выходного дня дают разные ответы, исходя из одной и той же физики. Правильное сопоставление на уровне пакета и BMS — это большая часть того, что отличает преобразование автопарка, которое работает спокойно, от преобразования, которое генерирует телефонные звонки в 2 часа ночи. Это то, что мы делаем в качестве сборки, а не догадок: компания Polinovel настроила блоки питания Motive-в соответствии со стандартами CE, IEC, UL, UN38.3 и MSDS для 100+ OEM-производителей в 80+ странах с контролем качества от ячейки-до-пакета на каждом устройстве. Если вы подбираете последовательно--параллельный аккумуляторный блок для определенной платформы напряжения и рабочего цикла,начните с реальных-требований вашего оборудования вместе с нашей командой инженерова не из общей таблицы данных.

Часто задаваемые вопросы