Последовательное соединение аккумуляторов: секреты и нюансы
Многие владельцы электромобилей, солнечных батарей и другого энергоемкого оборудования задумываются о том, как эффективно соединить несколько аккумуляторов. Последовательное соединение позволяет значительно повысить напряжение при сохранении емкости. Давайте разберемся в тонкостях этого метода и научимся грамотно применять его на практике.
Суть последовательного соединения аккумуляторов
Последовательное соединение аккумуляторов подразумевает электрическое соединение положительного вывода одного аккумулятора с отрицательным выводом другого при помощи соединительных проводов или перемычек. В отличие от параллельного соединения, где объединяются выводы одинаковой полярности, здесь происходит чередование плюса и минуса в цепочке.
При таком соединении ключевые параметры аккумуляторов меняются следующим образом:
- Напряжение всей цепочки равно сумме напряжений отдельных аккумуляторов . Например, при последовательном подключении двух АКБ по 12В получится 24В.
- Емкость считается как у одного аккумулятора и формально не меняется. Например, если соединить последовательно два аккумулятора по 100 Ач, то емкость будет 100 Ач.
- Максимально доступная энергоемкость равна суммарной энергоемкости всех АКБ в цепи. Она может быть рассчитана как произведение напряжения цепочки на емкость одного аккумулятора.
Таким образом, при последовательном соединении удается существенно повысить напряжение системы аккумуляторов, сохранив при этом то же количество запасаемой энергии. Это идеальное решение, когда нужны компактные источники питания с высоким напряжением.
Подбор аккумуляторов для последовательного соединения
Поскольку отдельные аккумуляторы в цепочке соединяются напрямую друг с другом, крайне важно использовать АКБ со схожими характеристиками и одинаковым уровнем заряда. В противном случае возможна быстрая разбалансировка системы. Рассмотрим основные моменты, на которые нужно обращать внимание.
Емкость и модель
Лучше всего использовать аккумуляторы одной модели и емкости от одного производителя. Это гарантирует идентичные характеристики отдельных банок при эксплуатации и заряде:
- одинаковое внутреннее сопротивление;
- близкие значения саморазряда;
- совместимость с температурными режимами заряда.
Однако возможно и последовательное соединение АКБ различных емкостей и даже марок. Главное — контролировать напряжение и температуру каждого аккумулятора в отдельности, особенно на начальном этапе эксплуатации.
Уровень заряда
Перед соединением обязательно нужно убедиться, что все аккумуляторы имеют близкий уровень заряда. Для этого замеряется напряжение на клеммах каждой банки в отдельности:
- 12В АКБ - 12,8-13,0 В;
- 6В АКБ - 6,4-6,5 В.
Если напряжения отличаются сильнее чем на 0,1В, следует предварительно выровнять заряд соответствующих банок. Это позволит избежать перекосов при последующей совместной эксплуатации аккумуляторов.
Грамотный подбор элементов питания - залог долгосрочной бесперебойной работы всей системы последовательно соединенных аккумуляторов. На первый взгляд кажущиеся незначительными различия в характеристиках со временем могут привести к рассогласованию батарей и выходу всей системы из строя.
Особенности эксплуатации и обслуживания
Даже при тщательном подборе и начальной балансировке со временем возможна разбалансировка отдельных аккумуляторов в последовательно соединенной цепочке. Чтобы избежать этого и обеспечить максимальный срок службы всей системы, требуется регулярное техническое обслуживание.
Контроль напряжения
Последовательное соединение аккумуляторов предполагает обязательную периодическую проверку напряжений на отдельных банках, особенно после интенсивных циклов заряда-разряда. Рекомендуемая периодичность - каждые 3-6 месяцев. Допустимое отклонение напряжений от среднего значения цепочки не должно превышать 0,1 В.
| No п/п | Напряжение |
| 1 | 12,79 В |
| 2 | 12,82 В |
| 3 | 12,80 В |
Если разница между крайними значениям превышает 0,2 В, требуется балансировка с использованием специализированного оборудования.
Ручная и автоматическая балансировка
Для решения проблем с разбалансировкой напряжений в батарее последовательно соединенных аккумуляторов используются два метода:
- Ручная балансировка выравнивающим зарядом каждого аккумулятора;
- Автоматическая балансировка с помощью специальных устройств-балансировщиков, подключаемых к каждой банке.
В первом случае заряжают только "недозаряженные" АКБ. Во втором - лишний заряд автоматически перераспределяется с "перезаряженных" банок на остальные аккумуляторы цепочки.
Автоматические балансиры стоят дороже, но обеспечивают непрерывную компенсацию разбалансировки на всех режимах (заряд, разряд, хранение).
Расчет оптимальных параметров системы
Чтобы получить от системы последовательно соединенных аккумуляторов максимум пользы, нужно правильно определить ее ключевые параметры еще на этапе проектирования, исходя из потребностей конкретного применения.
Шаг 1. Выбор напряжения
Во-первых, необходимо определить суммарное напряжение системы, исходя из номинального напряжения питания используемой нагрузки (потребителя). К примеру, для зарядки электрокара оно составляет 72-100 В в зависимости от модели.
Шаг 2. Расчет количества АКБ
Далее вычисляется требуемое число батарей в последовательной цепочке. Его можно найти, разделив желаемое напряжение системы на номинальное напряжение одного аккумулятора.
Например, для получения 84 В из банок по 12В потребуется 84/12 = 7 штук АКБ.
Округление результата в большую сторону обеспечит небольшой запас по напряжению.
Шаг 3. Выбор емкости и сечения проводов
На этом этапе выбирается емкость аккумуляторов исходя из требуемого времени автономной работы при заданной средней мощности нагрузки с учетом КПД инвертора.
Параллельно определяется сечение соединительных проводов, чтобы обеспечить безопасное прохождение максимальных зарядных и разрядных токов без перегрева.
Шаг 4. Учет потерь на проводах
Поскольку токи в системе последовательно соединенных АКБ могут достигать сотен ампер, на соединительных проводах неизбежны потери напряжения. Этот параметр также необходимо закладывать в расчеты.
Для минимизации потерь следует:
- использовать провода большего сечения;
- укорачивать длину соединительных проводников;
- располагать батареи компактно.
Как правило, потери составляют 1-3% от напряжения системы. Эту величину нужно добавить к расчетному напряжению на предыдущих этапах.
Шаг 5. Моделирование и примеры расчета
Для проверки правильности выбранных параметров целесообразно создать математическую модель системы и провести имитационное моделирование различных режимов эксплуатации.
Это позволит учесть различные нюансы и зависимости, а также подобрать оптимальные характеристики аккумуляторов, проводов и других элементов схемы.
Далее приведен пример расчета параметров системы АКБ для питания сварочного инвертора.
Шаг 6. Практическая сборка и тестирование
Перед вводом в эксплуатацию систему аккумуляторов необходимо собрать по выбранной схеме и провести тестовые испытания в различных режимах.
Это позволит выявить слабые места, оптимизировать элементы конструкции, а также убедиться в правильности теоретических расчетов.