آموزش سری و موازی کردن باتری

در این مقاله قصد بیان تفاوت مدار سری و موازی و آموزش جامع بستن مدار سری و موازی در باتری را داریم.

نحوه عملکرد باتری

باتری ها با اتصال چندین سلول به صورت سری به ولتاژ عملیاتی مورد نظر می‌رسند. هر سلول پتانسیل ولتاژ خود را برای تولید در ولتاژ کل ترمینال اضافه می‌کند. اتصال موازی با جمع آمپر ساعت (Ah) به ظرفیت بالاتری می‌رسد.

بعضی از باتری ها ممکن است از ترکیبی از اتصالات سری و موازی تشکیل شده باشد. باتری های لپ تاپ معمولاً دارای چهار سلول 3.6 ولت لیتیوم یونی به صورت سری برای دستیابی به ولتاژ اسمی 14.4 ولت و دو موازی به صورت موازی برای افزایش ظرفیت از 2400 میلی آمپر به 4800 میلی آمپر است. چنین پیکربندی 4s2p نامیده می شود. به معنی چهار سلول به صورت سری و دو سلول به طور موازی. عایق بندی فویل بین سلول ها از ایجاد فلز رسانای پوست جلوگیری می کند.

بیشتر ساختار باتری ها به شکل اتصال سری و موازی هستند. مهم است که از یک نوع باتری با ولتاژ و ظرفیت برابر (Ah) استفاده کنید و هرگز اندازه های مختلف را با هم مخلوط نکنید. سلول ضعیف تر باعث عدم تعادل می شود. این امر به ویژه در پیکربندی سری بسیار مهم است زیرا باتری فقط به اندازه ضعیف ترین حلقه زنجیره قوی است.

تشبیه زنجیره ای است که در آن پیوندهای سلول های یک باتری را که به صورت سری متصل شده اند نشان می‌دهند (شکل 1).

شکل 1: مقایسه باتری با زنجیر.
پیوندهای زنجیره ای نشان دهنده سلول ها به صورت سری برای افزایش ولتاژ است. دو برابر شدن پیوند نشان دهنده اتصال موازی برای افزایش بارگذاری جریان است.

سلول ضعیف ممکن است فوراً خراب نشود. اما هنگام بارگیری سریعتر از سلول های قوی خسته می‌شود. در حالت شارژ، سلول ضعیف قبل از سلول‌های قوی پر می‌شود. زیرا فضای کمتری برای پر کردن وجود دارد و بیش از بقیه بیش از حد شارژ می‌شود. با تخلیه (دشارژ)، سلول ضعیف ابتدا تخلیه می‌شود و توسط سلول های قوی تر پر می شود. سلول ها در بسته های چند بسته ای باید مطابقت داشته باشند ، مخصوصاً وقتی در زیر بارهای سنگین استفاده می شوند.

پیشنهادی: عدم تطابق سلول، متعادل سازی سلول را مطالعه کنید. (در حال آماده سازی)

برنامه های تک سلولی

پیکربندی تک سلولی ساده ترین نوع بسته باتری است. سلول نیازی به همسان سازی ندارد و می تواند مدار محافظتی را روی یک سلول کوچک یونی Li-ion ساده نگه داشت. نمونه های معمولی تلفن های همراه و تبلت ها با یک سلول لیتیوم یونی 3.60 ولتی است. دیگر کاربردهای تک سلولی، ساعت دیواری است که به طور معمول از سلول قلیایی 1.5 ولت، ساعت مچی و پشتیبان حافظه استفاده می‌کند. بیشتر آن‌ها کابردهای بسیار کم مصرف دارند.

ولتاژ سلول اسمی برای یک باتری مبتنی بر نیکل 1.2 ولت، قلیایی 1.5 ولت است. اکسید نقره 1.6 ولت و سیلد اسید (سربی اسیدی) 2.0 ولت است. باتری های لیتیوم اولیه بین 3.0 ولت و 3.9 ولت هستند. یون لیتیوم 3.6 ولت است. لی فسفات 3.2 ولت و لی-تیتانات 2.4 ولت است.

اتصال سری

اگر در یک مدار، اجزا به صورت متوالی متصل شوند، مدار به عنوان مدار سری شناخته می‌شود. در یک مدار سری، جریان در اجزا یکسان است. همچنین ولتاژ مدار از مجموع ولتاژ در هر قطعه تشکیل می‌شود. اگر یک سیم باتری را به یک لامپ، سپس به یک لامپ دیگر و سپس به باتری وصل کنیم، گفته می شود که لامپ ها به صورت سری متصل شدند.

تجهیزات قابل حمل که نیاز به ولتاژ بالاتر دارند از بسته های باتری با دو یا چند سلول متصل به صورت سری استفاده می‌کنند. در شکل زیر یک بسته باتری با چهار سلول 3.6 ولت لیتیوم یونی به صورت سری وجود دارد که با نام 4s نیز شناخته می شود. تا ولتاژ اسمی 14.4 ولت تولید کند. در مقایسه ، یک رشته باتری سیلد اسید (سربی اسیدی) شش سلولی با 2 ولت در سلول 12 ولت تولید می‌کند و چهار قلیایی با 1.5 ولت در سلول 6 ولت می دهد.

شکل 2: اتصال سری چهار سلول (4s).
افزودن سلول ها در یک رشته ولتاژ را افزایش می دهد. ظرفیت ثابت است.

اگر به یک ولتاژ فرد مثلاً 9.50 ولت نیاز دارید، باید پنج باتری سیلد اسید، هشت NiMH یا NiCd یا سه یون لیتیوم به صورت سری وصل کنید. ولتاژ نهایی باتری تا زمانی که از آنچه دستگاه تعیین می‌کند بیشتر باشد، لازم نیست دقیق باشد. منبع تغذیه 12 ولت ممکن است به جای 9.50 ولت کار کند. بیشتر دستگاههای باتری می توانند ولتاژ بیش از حد را تحمل کنند. ولتاژ پایان تخلیه باید رعایت شود.

باتری های ولتاژ بالا اندازه هادی را کوچک نگه می دارند. ابزار قدرت بی سیم با باتری های 12 ولت و 18 ولت کار می‌کنند. مدل های پیشرفته از 24 ولت و 36 ولت استفاده می‌کنند. بیشتر دوچرخه های الکترونیکی با لیتیوم یون 36 ولت عرضه می‌شوند. برخی دیگر 48 ولت هستند. صنعت اتومبیل قصد داشت با قرار دادن 18 سلول سیلد اسید، باتری استارتر را از 12 ولت (14 ولت) به 36 ولت، معروف به 42 ولت ، افزایش دهد. لجستیک برای تغییر اجزای الکتریکی و مشکلات قوس در سوئیچ های مکانیکی حرکت را از خط خارج کرد.

برخی از اتومبیل های هیبریدی ملایم با یون 48 ولت کار می‌کنند و از تبدیل DC-DC به 12 ولت برای سیستم الکتریکی استفاده می‌کنند. روشن کردن موتور اغلب توسط یک باتری 12 ولت سیلد اسید جداگانه انجام می‌شود. ماشین های هیبریدی اولیه با باتری 148 ولت کار می کردند. وسایل نقلیه الکتریکی به طور معمول 450-500 ولت هستند. چنین باتری ای به بیش از 100 سلول یون لیتیوم به صورت سری وصل شده نیاز دارد.

باتری های فشار قوی به خصوص هنگام کشیدن بارهای سنگین یا کار در دمای سرد به همسان سازی دقیق سلول نیاز دارند. با چندین سلول متصل در یک رشته ، احتمال خرابی یک سلول واقعی است و این باعث خرابی می‌شود. برای جلوگیری از این اتفاق، یک سوئیچ حالت جامد در برخی بسته های بزرگ، سلول خراب را دور می‌زند تا جریان مداوم را ادامه دهد، هر چند در ولتاژ رشته پایین تر.

همسان سازی سلول هنگام جایگزینی سلول معیوب در بسته قدیمی یک چالش است. ظرفیت سلول جدید بیشتر از سلول های دیگر است و باعث عدم تعادل می‌شود. ساخت و ساز جوشکاری شده به پیچیدگی تعمیرات می افزاید و به همین دلیل بسته های باتری معمولاً به عنوان واحد تعویض می‌شوند.

باتری های فشار قوی در وسایل نقلیه الکتریکی، که جایگزینی کامل در آن ها ممنوع است. بسته را به ماژول هایی تقسیم می‌کنند که هر کدام از آن‌ها از تعداد مشخصی سلول تشکیل شده است. اگر یک سلول خراب شود، فقط ماژول آسیب دیده جایگزین می شود. اگر ماژول جدید با سلول های جدید مجهز شود ممکن است عدم تعادل جزئی ایجاد شود.

پیشنهادی: نحوه تعمیر بسته باتری را مطالعه کنید. (در حال آماده سازی)

شکل 3 یک بسته باتری را نشان می‌دهد که در آن “سلول 3” فقط 2.8 ولت تولید می‌کند، بجای کل ولتاژ اسمی 3.6 ولت. با ولتاژ کارکرده فشرده، این باتری زودتر از یک بسته نرمال به نقطه پایان تخلیه می‌رسد. ولتاژ خراب می‌شود و دستگاه با پیام “باتری کم” خاموش میشود.

شکل 3: اتصال سری با سلول معیوب.
سلول 3 خطا ولتاژ را کاهش می دهد و تجهیزات را زودتر قطع می‌کند.

باتری های موجود در هواپیماهای بدون سرنشین و کنترل از راه دور برای سرگرمی هایی که نیاز به جریان بار بالا دارند، در صورت ضعیف بودن یک سلول در رشته، اغلب افت ولتاژ غیرمنتظره ای از خود نشان می‌دهند. ترسیم حداکثر جریان باعث فشار بر سلول های ضعیف می‌شود و منجر به خرابی احتمالی می‌شود. دیدن ولتاژ بعد از شارژ این ناهنجاری را تشخیص نمی‌دهد.

برای بررسی تعادل سلول یا بررسی ظرفیت با استفاده از آنالایزر باتری می‌توانید اینکار را انجام دهید..

ضربه زدن به رشته های سری

یک روش معمول وجود دارد که به رشته باتری سیلد اسید ضربه بزنید تا ولتاژ کمتری بدست آورید. تجهیزات سنگین که با یک باتری 24 ولت کار می‌کنند ممکن است برای یک عملیات کمکی به منبع تغذیه 12 ولت نیاز داشته باشند و این ولتاژ به راحتی در نقطه نیمه راه موجود است.

ضربه زدن توصیه نمی‌شود. زیرا عدم تعادل سلول را ایجاد می‌کند. باعث می‌شود یک طرف باتری بیشتر از طرف دیگر بارگیری کند. تا زمانی که اختلاف با یک شارژر ویژه اصلاح نشود، اثر جانبی آن عمر کاهش عمر باتری است.

به همین دلیل است:

هنگام شارژ کردن یک باتری سیلد اسید نامتعادل با یک شارژر معمولی، بخش کم بار تمایل به ایجاد سولفاته شدن دارد. زیرا سلول ها هرگز شارژ کامل دریافت نمی‌کنند. بخش ولتاژ بالای باتری که بار اضافی را دریافت نمی‌کند، بیش از حد شارژ می شود و این منجر به خوردگی و از بین رفتن آب در اثر گازگرفتگی می‌شود. لطفا توجه داشته باشید که شارژر کل رشته به ولتاژ متوسط نگاه می‌کند و بر این اساس شارژ را خاتمه می‌دهد.

ضربه زدن روی باتری های لیتیوم یون و نیکل نیز معمول است و نتایج مشابه سیلد اسید است: کاهش عمر چرخه. دستگاه های جدید برای ارائه ولتاژ صحیح از مبدل DC-DC استفاده می کنند. در عوض، وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی از یک باتری ولتاژ پایین جداگانه برای سیستم کمکی استفاده می کنند.

پیشنهادی: نحوه شارژ باتری سیلد لید اسید را مطالعه کنید.

اتصال موازی

اگر در مدار، اجزا به طور موازی به هم متصل شوند، مدار به عنوان مدار موازی شناخته می‌شود. در یک مدار موازی، ولتاژ هر جز یکسان خواهد بود و کل جریان اعمال شده مجموع جریان هر جز است. اگر یک لامپ به باتری متصل است و یک لامپ دیگر در یک حلقه جداگانه با لامپ اول متصل است، در نتیجه لامپ به صورت موازی متصل شده است.

در اینجا ولتاژ هر لامپ همان ولتاژ اعمال شده توسط باتری خواهد بود. جریان در هر لامپ تقسیم می‌شود. یعنی اگر 5A را به مدار بچسبانیم ، 5A جریانی است که از هر لامپ عبور می‌کند.

در صورت نیاز به جریان‌های بالاتر و عدم وجود سلول‌های بزرگتر یا متناسب نبودن محدودیت طراحی، می‌توان یک یا چند سلول را به طور موازی متصل کرد. اکثر ساختار باتری ها امکان تنظیمات موازی با عوارض جانبی کمی را دارند. شکل 4 چهار سلول را که به صورت موازی و با آرایش P4 به هم متصل شده اند را نشان می‌دهد. ولتاژ اسمی بسته نشان داده شده در 3.60 ولت باقی می ماند، اما ظرفیت (Ah) و زمان اجرا چهار برابر افزایش می‌یابد.

شکل 4: اتصال موازی چهار سلول (4p).
با سلولهای موازی ، ظرفیت در Ah و زمان اجرا افزایش می‌یابد در حالی که ولتاژ ثابت می‌ماند.

سلولی که مقاومت بالایی ایجاد می‌کند یا باز می شود در مدار موازی نسبت به پیکربندی سری از اهمیت کمتری برخوردار است. اما سلول خراب از قابلیت بار کلی می‌کاهد. این مانند موتور است که به جای هر چهار سیلندر فقط روی سه سیلندر کار می‌کند. از طرف دیگر، یک اتصال کوتاه برق جدی تر است. زیرا سلول معیوب انرژی را از سلول های دیگر تخلیه می‌کند و باعث ایجاد آتش سوزی می‌شود.

شکل 5: موازی / اتصال با یک سلول معیوب.
یک سلول ضعیف ولتاژ را تحت تأثیر قرار نمی دهد اما به دلیل کاهش ظرفیت، زمان کمتری را کار می‌کند. یک سلول کوتاه می تواند گرمای بیش از حد ایجاد کند و به یک خطر آتش سوزی تبدیل شود. در بسته های بزرگتر ، یک فیوز با جداسازی سلول از جریان زیاد جلوگیری می‌کند.

اتصال سری-موازی

پیکربندی سری-موازی نشان داده شده در شکل 6 انعطاف پذیری طراحی را فراهم می‌کند. با اندازه استاندارد سلول به ولتاژ و جریان مورد نظر دست می‌یابد. کل توان مجموع ولتاژ بار جریان است. یک سلول 3.6 ولتی (اسمی) در 3،400 میلی آمپر ساعت ضرب در 24/12 وات ساعت تولید می‌کند. چهار سلول انرژی 18650 با ظرفیت 3400 میلی آمپر ساعت می‌توانند بصورت سری و موازی متصل شوند. همانطور که نشان داده می‌شود 7.2 ولت اسمی و مجموعاً 48.96 وات ساعت داشته باشند. ترکیبی با 8 سلول تولید 97.92 وات ساعت، حد مجاز حمل هواپیما یا حمل بدون مواد خطرناک کلاس 9 است. سلول باریک امکان طراحی بسته انعطاف پذیر را فراهم می کند اما به یک مدار محافظ نیاز است.

شکل 6: اتصال سری / موازی چهار سلول (2s2p).
این پیکربندی حداکثر انعطاف پذیری طراحی را فراهم می‌کند. موازی سازی سلول ها به مدیریت ولتاژ کمک می‌کند.

Li-ion بخوبی به پیکربندی های سری / موازی واکنش می‌دهد. اما سلول ها برای ماندن در حد ولتاژ و جریان به نظارت نیاز دارند. مدارهای مجتمع (IC) برای ترکیبات مختلف سلول برای نظارت بر 13 سلول یون لیتیوم در دسترس است. بسته های بزرگتر به مدارهای سفارشی احتیاج دارند و این مربوط به باتری های دوچرخه الکترونیکی، اتومبیل های هیبریدی و تسلا مدل 85 است که بیش از 7000 سلول 18650 را برای تشکیل بسته 90 کیلووات ساعت نیاز دارد.

اصطلاحات برای توصیف سری و اتصال موازی

صنعت باتری ابتدا تعداد سلول های سری را مشخص می‌کند. سپس تعداد سلول هایی که به صورت موازی قرار می‌گیرند، را مشخص می‌کند.تعیین می کند.

به عنوان مثال 2s2p است (2 تا سلول سری و 2 تا سلول موازی)

در باتری لیتیوم یون (Li-ion)، رشته های موازی همیشه اول ساخته می‌شوند. سپس واحدهای موازی تکمیل شده به صورت سری قرار می گیرند. Li-ion یک سیستم مبتنی بر ولتاژ است که خود را به خوبی برای تشکیل موازی وفق می‌دهد. ترکیب چندین سلول به صورت موازی و سپس افزودن واحدهایی به صورت سری پیچیدگی را از نظر کنترل ولتاژ برای محافظت از بسته کاهش می‌دهد.

ابتدا ساختن رشته های سری و سپس قرار دادن آن‌ها به صورت موازی ممکن است در بسته های نیکل کادمیوم (NiCd) بیشتر رایج باشد تا سازوکار شیمیایی شاتل متعادل کننده بار در بالای شارژ باشد. “2s2p” معمول است. کاغذهای سفیدی صادر شده‌اند که به موازات یک رشته سریال به 2p2 اشاره می کنند.

دستگاه های ایمنی در سری و اتصال موازی

کلیدهای ضریب دمای مثبت (PTC) و دستگاه های قطع شارژ (CID) باتری را از فشار بیش از حد و فشار بیش از حد محافظت می کنند. اگرچه در بسته های 2 یا 3 سلولی کوچکتر با پیکربندی سریال و موازی برای ایمنی توصیه می شود ، اما این دستگاه های محافظ اغلب در باتری های چند سلول بزرگتر ، مانند باتری های ابزار قدرت ، حذف می شوند. PTC و CID همانطور که انتظار می رود سلول را روی جریان بیش از حد و فشار داخلی سلول تغییر می دهد کار می کنند. با این حال خاموش کردن در قالب آبشار رخ می دهد. در حالی که ممکن است بعضی از سلولها زود هنگام آفلاین شوند ، جریان بار باعث جریان اضافی سلولهای باقیمانده می شود. چنین شرایط اضافه بار می تواند منجر به فرار حرارتی قبل از فعال شدن دستگاه های ایمنی باقیمانده شود.

بعضی از سلولها PCT و CID داخلی دارند. این وسایل محافظتی را می توان به صورت عطفی نیز اضافه کرد. مهندس طراح باید از هر وسیله ایمنی در معرض خرابی آگاه باشد. علاوه بر این ، PTC مقاومت داخلی کمی ایجاد می کند که جریان بار را کاهش می دهد. (همچنین به BU-304b مراجعه کنید: ایمن سازی یون لیتیوم)

دستورالعمل های ساده برای استفاده از باتری های اصلی خانگی

مخاطبین باتری را تمیز نگه دارید. یک پیکربندی چهار سلول دارای هشت مخاطب است و هر مخاطب مقاومت ایجاد می کند (سلول به نگهدارنده و نگهدارنده به سلول بعدی).
هرگز باتری را مخلوط نکنید. در صورت ضعف ، همه سلولها را جایگزین کنید. عملکرد کلی فقط به عنوان ضعیف ترین حلقه زنجیره ای خوب است.
قطبیت را مشاهده کنید. سلول معکوس بیشتر از اینکه به ولتاژ سلول اضافه شود ، کم می شود.
برای جلوگیری از نشت و خوردگی ، باتری ها را از دستگاه خارج کنید. این امر به ویژه در سلولهای اولیه کربن روی بسیار مهم است.
سلولهای شل را در جعبه فلزی ذخیره نکنید. برای جلوگیری از اتصال کوتاه برق ، سلولهای جداگانه را در کیسه های پلاستیکی کوچک قرار دهید. سلول های شل را در جیب خود حمل نکنید.
باتری ها را از کودکان خردسال دور نگه دارید. جریان باتری علاوه بر خطر خفگی ، در صورت بلعیدن می تواند دیواره معده را زخم کند. باتری همچنین می تواند پاره شود و باعث مسمومیت شود. (به BU-703 مراجعه کنید: نکات بهداشتی با باتری.)
باتری های غیر قابل شارژ را دوباره شارژ نکنید. تجمع هیدروژن می تواند منجر به انفجار شود. شارژ آزمایشی را فقط تحت نظارت انجام دهید.

دستورالعمل های ساده برای استفاده از باتری های ثانویه

هنگام شارژ سلول ثانویه قطبیت را مشاهده کنید. قطبیت معکوس می تواند باعث کوتاه شدن برق شود و منجر به یک وضعیت خطرناک شود.
باتری های کاملاً شارژ شده را از شارژر خارج کنید. شارژر مصرف کننده ممکن است در صورت شارژ کامل شارژ قطره ای صحیح را اعمال نکند و سلول بیش از حد گرم شود.
فقط در دمای اتاق شارژ کنید.

منابع

باتری یونیورسیتی