Последовательное соединение аккумуляторов – особенности, альтернативные варианты, возможные ошибки

Отправим материал на почту

На пике строительно-ремонтных работ у моего шуруповерта сломался аккумулятор. Чтобы сэкономить и не покупать новый, решил собрать блок нужного номинала путем соединения отдельных элементов. В этом обзоре решил поделиться, как сделать последовательное соединение аккумуляторов, а также какие еще варианты тут можно применить, что при этом нужно учесть и какие ошибки могут возникнуть.

Варианты и особенности коммутации АКБ

Выделю следующие предпосылки того, зачем нужно объединять отдельные элементы питания и что это вообще может дать:

1. Сэкономить. Как в моем случае, порой легче объединить несколько отдельных АКБ в единый модуль, нежели покупать дорогостоящее устройство. Это тем более актуально, что в большинстве случаев запасных частей для шуруповерта практически не достать, и придется приобретать новый прибор.
2. Создать источник питания с заданным набором характеристик – напряжением, емкостью, мощностью.
3. Снизить, так называемые, омические потери электроцепи. Это тепловые потери проводника. Уменьшить его величину можно, повысив напряжение без увеличения мощности. Таким образом снизится сила тока и повысится КПД системы.

Отмечу 3 основных способа, чтобы соединить между собой 2 и большее число аккумуляторов на 12, 24 вольта или иного номинала, а также батарейки, для увеличения напряжения, емкости и мощности – это:

• Последовательно – суммирование номинала всех элементов питания.
• Параллельно – складывание емкости блоков.
• Комбинированно – метод позволяет сразу повысить и емкость, и напряжение в заданном соотношении.

Примечательно, что при любом варианте объединения, все элементы питания должны иметь одинаковое устройство. Например, нельзя совмещать батареи, изготовленные по технологиям Ni-Mh и Li-ion. Допустимы связки – только Li-ion- Li-ion или Ni-Mh- Ni-Mh.

Кстати, у тех, кто только начинает собирать подобные схемы и еще не сталкивался с последствиями неграмотной сборки, иногда возникает вопрос о том, можно ли параллельно соединить два и более аккумулятора с разной емкостью. Ответ однозначен – да.

Напротив, коммутировать элементы такого набора по последовательной схеме категорически нельзя. Так как участники цепи будут по-разному вырабатываться. С меньшей емкостью выйдет из строя быстрее – в результате возникнет сильный разряд. При зарядке, наоборот, он получит больший потенциал. Впоследствии это приведет к уменьшению его базовой емкости и порче.

Последовательное

Коммутация по последовательному варианту предполагает стыковку «+» предыдущего участника цепи к «-» последующего. В итоге на концевых проводниках напряжение будет равно сумме собранных элементов. Например, если я возьму в схему 5 батарей по 12 вольт, емкостью 300 Ач, то на выходе получу = 5 * 12 = 60 В. Однако значение емкости останется таким же, как и у каждого отдельно взятого элемента – 300 Ач.

Суммарный энергетический запас для цепи можно рассчитать так:

300 Ач * 12 В * 5 = 18000 Вт ч или 18 кВт ч.

В схеме последовательного соединения аккумуляторных батарей или даже обычных батареек для планируемого повышения напряжения выделяются следующие важные особенности:

• Использоваться должны элементы питания одного типа, устройства и технологии изготовления.
• Емкость всех участников цепи должна быть равной или хотя бы приблизительно одинаковой. Однако чем больше разница, тем быстрее экземпляры с меньшим показателем параметра будут выходить из строя.
• Максимально продлить период эксплуатации сборки может применение балансировки во время зарядки.
• При порче одного участника цепи перебирать придется всю сборку.

• Для зарядки лучше использовать устройство с возможностью контролировать степень подзарядки.
• Для коммутации потребуются проводники, способные выдержать тройную нагрузку.

На заметку! Собирать в схему при последовательном соединении можно АКБ разного номинала (зачастую применяются элементы от 0,5 до 48 В), но при этом важно, чтобы емкость у них была у всех одинаковой.

Параллельное

Способ позволяет увеличить емкость источника питания при неизменном значении напряжения. Применяется это, когда нужно продлить время работы какого-либо электро-потребителя. Суть его заключается в том, что однополюсные контакты всех элементов объединяются на один общий проводник.

То есть получится плюсовая жила, к которой подключены батареи соответствующими выходами «+», и одна минусовая – с подсоединенными выводами «-». Для примера – если я возьму те же самые 5 батарей по 12 В и 300 Ач, то после параллельной коммутации в результате получу:

Емкость в итоге = 300 * 5 = 1500 Ач.

Напряжение = 12 вольт.

При этом предельный запас энергии будет таким же = 18 кВт ч.

Отмечу следующие особенности такой схемы:

• В цепочку параллельного соединения можно включать аккумуляторы и батарейки разной емкости.
• Подключенные АКБ не должны разряжаться ниже определенной глубины разряда.
• Эксплуатация источников питания должна соответствовать параметрам саморазряда.

В качестве примера применения АКБ с большой емкостью могу привести источники бесперебойного питания, рассчитанные на длительную работу при отключении электросетей.

Обратите внимание! То, что запрещено для последовательной схемы, разрешено для параллельной, и наоборот. Имею в виду – показатели емкости и напряжения. Так, запараллелить аккумуляторы различной емкости можно. Однако номинал у всех участников цепочки должен быть все же одинаков. В противном случае от источников с большим напряжением потечет ток к источникам с меньшим, что приведет к порче последних.

Комбинированное

Параллельно-последовательный способ сборки АКБ позволяет одновременно увеличивать и емкость, и напряжение. Для этого применяется 2 варианта:

1. Для начала последовательно объединяются элементы с целью увеличения напряжения. Затем из них собирается параллельная цепочка – чтобы увеличить емкость.
2. Здесь, наоборот, сперва собираются отдельные параллельные блоки для повышения емкости. Потом на их основе уже складываются последовательная связка – для повышения напряжения.

Для примера приведу такую версию сборки:

Сначала я объединяю в два модуля по 2 АКБ по 12 В и 300 Ач параллельно и получаю – источники 12 вольт на 600 Ач. Затем я соединяю их последовательно. В результате у меня будет модуль на 24 В и 600 Ач.

Совет! Применяя одновременно последовательную и параллельную схему соединения двух и большего количества батареек и аккумуляторов, не забывайте правильно подбирать провода. Ввиду возрастающих параметров тока, сечение должно быть увеличено. Также советую выбирать проводники с негорючей или самозатухающей изоляцией.

Ошибки

Выше я привел правила сборки элементов питания. Однако не могу не сказать об ошибках, которые здесь можно допустить, и их последствиях:

• Возникновение коротко замкнутого контура в параллельной связке. Это приводит к бурным процессам внутри банок. В результате произойдет разрушение внутренней среды, разбухание корпуса, вытекание электролита, возгорание или взрыв.
• Размыкание контура в последовательной цепочке. Из-за несоответствия полярности в момент включения прибора возникнет обратно направленный ток. Это приведет к быстрой порче АКБ.
• Непродолжительное замыкание. Ведет к уменьшению емкости и частичной утрате работоспособности электродов, хотя сама батарея останется еще целой.
• Длительное корочение. Последствия более серьезные – воспламенение изоляции и расплавление проводников, активная реакция внутри банок, разрыв корпуса, утечка электролита.

Видео-урок по соединению батарей параллельно и последовательно:

• Нагрев и расплавление провод. Происходит в результате недостаточного их сечения.

Чтобы избежать многих неприятностей при параллельном или последовательном подключении аккумуляторов и батареек, советую соблюдать следующие меры предосторожности:

1. Соблюдать правила и технику безопасности электромонтажных работ.
2. Выполнять соединения в соответствии с полярностью.
3. Не собирать батареи под нагрузкой.
4. Для работы использовать средства индивидуальной защиты – диэлектрические перчатки и инструмент.
5. Не прикасаться руками без защиты неизолированных токопроводящих частей.
6. Проводить работы только в отсутствии сырости и нормальной влажности воздуха.
7. Использовать исправные и правильно подобранные по нагрузке АКБ, провода и расходные материалы.
8. Перед подключением проверить правильность сборки по схеме.

Важно! Если вы не хотите испортить аккумуляторные батареи еще до начала использования, не доводите их до перегрева – для соединения их в параллельную или последовательную схему используйте точечную сварку, быструю пайку или механические способы.

Видео-тестирование связки АКБ с разной емкостью:

Коротко о главном

Объединять элементы питания в одну цепочку можно с целью экономии, создания источника нужных характеристик, а также для уменьшения омических потерь. При этом существует 3 варианта соединения:

Для того чтобы выбрать, как подключить аккумуляторы или батарейки – последовательно или параллельно, необходимо учесть особенности каждой схемы, а также возможные ошибки.

Напишите в комментариях, как думаете – можно ли для последовательного соединения использовать АКБ разной емкости?

Источник

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.

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

Источник