4.2/5 - (4 امتیاز)

S-2005 : آموزش سری و موازی کردن باتری

Serial and parallel battery configurations

فهرست مطالب

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

نحوه عملکرد باتری

باتری ها با اتصال چندین سلول به صورت سری به ولتاژ نامی مورد نظر می‌رسند. هر سلول از باتری، ولتاژی تولید می کند و در نهایت، ولتاژ کل در دو سر ترمینال خروجی باتری ظاهر می‌شود. در صورت اتصال موازی باتری‌ها، آمپر ساعت (Ah) آنها با یکدیگر جمع شده و به ظرفیت بالاتری خواهیم رسید.

بعضی از باتری‌ها ممکن است از ترکیبی از اتصالات سری و موازی تشکیل شده باشد. به عنوان مثال، باتری‌های لپ‌تاپ معمولاً حاوی چهار سلول 3.6 ولت لیتیوم-یونی می‌باشند که برای دستیابی به ولتاژ نامی 14.4 ولت به صورت سری بسته شده‌اند. برای افزایش ظرفیت از 2400 میلی آمپر-ساعت به 4800 میلی آمپر-ساعت می‌توان از ترکیب موازی دو پیکربندی سری شده استفاده نمود. چنین پیکربندی 4s2p نامیده می‌شود. به معنی چهار سلول به صورت سری و دو سلول به طور موازی. در این میان، عایق بندی بین سلول‌ها از ایجاد اتصال کوتاه جلوگیری می‌کند.

بطور مشابه، در اکثر تجهیزاتی که با باتری کار می‌کنند، ساختار باتری‌های بکار رفته در آن به شکل اتصالات سری و موازی هستند. مهم است که از یک نوع باتری با ولتاژ و ظرفیت برابر (Ah) استفاده شود و ظرفیت‌های مختلف با هم مخلوط نشوند. در غیر اینصورت، سلول ضعیف تر باعث عدم تعادل در شارژ‌پذیری و جریان‌دهی خواهد ‌شد. این امر به ویژه در پیکربندی سری بسیار مهم است؛ زیرا هر سلول فقط به اندازه ضعیف ترین حلقه زنجیره قوی است.

شکل ۱ تشبیه زنجیره سلول‌های یک باتری را که به صورت سری متصل شده‌اند نشان می‌دهد.

شکل ۱- مقایسه باتری با زنجیر

به بیان ساده‌تر، پیوندهای زنجیر نشان دهنده سلول‌های سری شده برای افزایش ولتاژ است. دو برابر شدن پیوند نشان دهنده اتصال موازی برای افزایش جریان‌دهی سلول‌ها می‌باشد.

سلول ضعیف ممکن است فوراً خراب نشود؛ اما هنگام جریان‌دهی سریعتر از سلول‌های سالم تخلیه می‌شود. در حالت شارژ نیز سلول ضعیف قبل از سلول‌های سالم پر می‌شود. زیرا ظرفیت کمتری برای پر شدن وجود دارد و پیش از بقیه سلول‌ها، دچار شارژ بیش از حد می‌شود. با تخلیه (دشارژ)، سلول ضعیف ابتدا تخلیه می‌شود و سپس توسط سلول های سالم پر می‌شود. بنابراین، سلول ها در پیکربندی سری و موازی، مخصوصاً وقتی زیر بارهای سنگین استفاده می‌شوند، باید با یکدیگر مطابقت داشته باشند.

پیکربندی تک سلولی

پیکربندی تک سلولی، ساده‌ترین نوع استفاده از باتری است. سلول نیازی به همسان سازی ندارد و علاوه بر آن، می‌توان مدار محافظی را برای یک سلول کوچک یونی Li-ion ساده طراحی کرد. نمونه‌های معمولی تلفن های همراه و تبلت‌ها با یک سلول لیتیوم یونی 3.60 ولتی کار می‌کنند. دیگر کاربردهای پیکربندی تک سلولی، ساعت مچی و ساعت دیواری است که به طور معمول در آنها از سلول قلیایی 1.5 ولت استفاده می‌شود. اکثر این تجهیزات کاربردهای بسیار کم مصرف دارند.

ولتاژ نامی هر سلول برای یک باتری مبتنی بر نیکل 1.2 ولت، برای باتری قلیایی 1.5 ولت، برای اکسید نقره 1.6 ولت و برای سیلد اسید (سرب-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 به یکدیگر متصل شوند، مدار به عنوان مدار سری شناخته می‌شود. در یک مدار سری، جریان در اجزاء یکسان است. همچنین ولتاژ معادل مدار از مجموع ولتاژ هر قطعه تشکیل دهنده آن حاصل می‌شود. اگر یک سر باتری را به یک لامپ، سپس به یک لامپ دیگر و سپس به سر دیگر باتری وصل کنیم، گفته می شود که لامپ ها به صورت سری متصل شده‌اند.

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

شکل ۲- اتصال سری چهار سلول (4s).

افزودن سلول ها در یک رشته سری، ولتاژ را افزایش می دهد. ظرفیت ثابت است.

اگر به یک ولتاژ خاص مثلاً 9.50 ولت نیاز دارید، باید پنج سلول از باتری سیلد اسید، هشت NiMH یا NiCd یا سه یون لیتیوم به صورت سری وصل کنید. در صورتیکه از سوی دستگاه مصرف کننده محدودیتی وجود نداشته باشد، ولتاژ نهایی باتری می‌تواند اندکی بیشتر باشد و لازم نیست خیلی دقیق باشد. به عنوان مثال، منبع تغذیه 12 ولت ممکن است به جای 9.50 ولت کار کند. بیشتر دستگاههایی که در تغذیه خود از باتری استفاده می‌کنند، می توانند ولتاژ بیش از حد را تحمل کنند و فقط ولتاژ قطع (پایان تخلیه) باید رعایت شود.

بی‌سیم‌ها با باتری‌های 12 ولت و 18 ولت کار می‌کنند. مدل های پیشرفته تر 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 خودرو را از 12 ولت (14 ولت) به 36 ولت، معروف به 42 ولت، افزایش دهد؛ ولی در نهایت، عملیات لجستیک برای تغییر اجزای الکتریکی و مشکلات قوس در سوئیچ های الکترومکانیکی این تغییر را رد کرد.

برخی از اتومبیل های هیبریدی با ولتاژ 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 بطور 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 شده نیاز دارد.

باتری‌های فشار قوی به خصوص هنگام راه‌اندازی بارهای سنگین یا کار در دمای سرد به همسان سازی دقیق سلول نیاز دارند. با چند سلول متصل در یک پیکربندی سری، احتمال خرابی یک سلول زیاد است و این باعث خرابی باتری می‌شود. برای جلوگیری از این اتفاق، در برخی از تجهیزات، یک سوئیچ حالت جامد، سلول خراب را دور می‌زند تا جریان‌دهی بطور پیوسته ادامه یابد.

در دستگاهها و تجهیزات قدیمی، همسان سازی سلول هنگام جایگزینی سلول معیوب یک چالش است. بالا بودن ظرفیت سلول جدید نسبت به سلول های دیگر باعث عدم تعادل می‌شود. از طرفی، بسته بندی مهر و موم شده باتری‌ها به پیچیدگی تعمیرات می افزاید و به همین دلیل باتری‌ها معمولاً به صورت واحد باتری تعویض می‌شوند؛ نه واحد سلول.

جایگزینی بخشی از باتری‌های فشار قوی که در وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می‌شوند، با باتری نو ممنوع است. در وسایل نقلیه الکتریکی، مجموعه باتری را به ماژول هایی تقسیم می‌کنند. هر کدام از این ماژول‌ها از تعداد مشخصی سلول تشکیل شده‌اند. اگر یک سلول خراب شود، ماژول آسیب دیده تعویض می‌شود و اگر ماژول جدید با ماژول‌های دیگر همگن نباشد، ممکن است باعث ایجاد عدم تعادل شود .

شکل ۳ یک مجموعه باتری را نشان می‌دهد که در آن “سلول ۳” بجای اینکه ولتاژ اسمی 3.6 ولت را تولید کند، فقط 2.8 ولت تولید می‌کند. در چنین شرایطی، این مجموعه باتری زودتر از یک مجموعه نرمال به نقطه پایان تخلیه می‌رسد. ولتاژ کل کاهش می‌یابد و دستگاه با پیام “باتری کم” خاموش خواهد شد.

شکل ۳- اتصال سری با سلول معیوب.

سلول ۳ ولتاژ کل مجموعه باتری را کاهش می‌دهد و تجهیزات را زودتر قطع می‌کند.

باتری‌های موجود در هواپیماهای بدون سرنشین و کنترل از راه دور که برای سرگرمی استفاده می‌شوند، نیاز به جریان‌دهی بالا دارند. بنابراین باتری آنها، در صورت ضعیف بودن یک سلول در پیکربندی سری، اغلب افت ولتاژ غیرمنتظره ای از خود نشان می‌دهند. جریان‌کشی زیاد باعث فشار بر سلول های ضعیف می‌شود و احتمالاً منجر به خرابی باتری خواهد شد؛ به گونه‌ای که حتی با اندازه‌گیری ولتاژ باتری‌ها پس از شارژ کامل، این مسئله قابل تشخیص نمی‌باشد.

برای بررسی تعادل سلول یا بررسی ظرفیت می‌توان از آنالایزر باتری بهره‌برداری نمود.

ضربه زدن به رشته‌های سری

یک مَثَل معمول وجود دارد که به رشته باتری سیلد اسید ضربه بزنید تا ولتاژ کمتری بدست آورید.

ضربه زدن به باتری‌ها هرگز توصیه نمی‌شود. زیرا موجب عدم تعادل سلول‌ها می‌شود. ضربه زدن به باتری باعث می‌شود یک طرف باتری بیشتر از طرف دیگر جریان‌کشی داشته باشد و تا زمانی که این مسئله با یک شارژر ویژه اصلاح نشود، اثر جانبی آن کاهش عمر باتری است.

به همین دلیل است:

هنگام شارژ کردن یک باتری سیلد اسید نامتعادل با یک شارژر معمولی، آن سلول‌هایی که جریان کمتری را دریافت می‌کنند، تمایل به سولفاته شدن دارند. زیرا سلول ها هرگز شارژ کامل نخواهند شد. و این در حالیست که سلول‌هایی که دارای ولتاژ بالاتری هستند و جریانی را دریافت نمی‌کنند، بیش از حد شارژ شده و این امر منجر به خوردگی و از بین رفتن آب در ماده الکترولیت می‌شود. توجه داشته باشید که مدار شارژر باتری به ولتاژ متوسط سلول‌ها نگاه می‌کند و بر این اساس باتری به شارژ کامل می‌رسد.

ضربه زدن روی باتری های لیتیوم یون و نیکل نیز معمول است و نتایج حاصله مشابه باتری‌های سیلد اسید است: کاهش عمر باتری.

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

اتصال موازی

اگر در یک مدار، دو سر هر المان نظیر به نظیر به یکدیگر متصل شوند، مدار به عنوان مدار موازی شناخته می‌شود. در یک مدار موازی، ولتاژ هر جزء یکسان بوده و مجموع جریان هر جزء برابر با کل جریان اعمال شده خواهد بود. در شکل زیر، یک لامپ به باتری متصل است و دو سر لامپ دیگر به سرهای لامپ اول متصل است، در نتیجه لامپ‌ها به صورت موازی به یکدیگر متصل شده اند.

شکل ۴- اتصال موازی چهار سلول (4p).

با موازی کردن سلولها، ظرفیت (Ah) و زمان شارژدهی افزایش می‌یابد؛ در حالی که ولتاژ ثابت می‌ماند.

در مدار موازی، سلول‌هایی که مقاومت داخلی بالایی دارند یا اتصالشان باز می شود، نسبت به پیکربندی سری از اهمیت کمتری برخوردار است. اما در هر صورت، مانند موتوری که به جای هر چهار سیلندر فقط روی سه سیلندر کار می‌کند، سلول خراب ظرفیت باتری را کاهش می‌دهد. پدیده دیگری که بسیار جدی‌تر است، وجود اتصال کوتاه در سلول‌ها است. زیرا سلول معیوب انرژی را از سلول های دیگر تخلیه کرده و باعث ایجاد آتش سوزی می‌شود.

شکل ۵- موازی / اتصال با یک سلول معیوب.

یک سلول ضعیف ولتاژ را تحت تأثیر قرار نمی دهد اما به دلیل کاهش ظرفیت، به لحاظ زمانی شارژدهی کمتری خواهد داشت. سلول اتصال کوتاه شده می تواند گرمای بیش از حد ایجاد کند و به آتش سوزی تبدیل شود. در باتری‌های با ظرفیت بالا، وجود فیوز بین سلول‌ها از جریان‌کشی بیش از حد جلوگیری می‌کند.

اتصال سری–موازی

پیکربندی سری-موازی همانند تصویر نشان داده شده در شکل 6 ، انعطاف پذیری بسیار خوبی در طراحی باتری محسوب می‌شود. با این طراحی ویژه، ولتاژ و جریان مورد نظر هر سلول (توان مورد نیاز هر سلول) قابل ارائه می‌باشد. طبق تعریف، توان هر سلول برابر است حاصلضرب ولتاژ در ظرفیت نامی آن سلول. به عنوان مثال، یک سلول 3.6 ولتی (نامی) در 3،400 میلی آمپر ساعت، 24/12 وات ساعت انرژی 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 نامی و مجموعاً 48.96 وات ساعت داشته باشند. ترکیبی با 8 سلول تولید 97.92 وات ساعت، حد مجاز حمل هواپیمایی یا حمل مواد بدون خطر کلاس 9 است. با استفاده از سلول‌های کوچکتر، انعطاف پذیری بیشتری در طراحی خواهیم داشت، اما یک مدار محافظ نیاز خواهد داشت.

شکل ۶- اتصال سری / موازی چهار سلول (2s2p).

این پیکربندی حداکثر انعطاف پذیری را در طراحی به همراه دارد. موازی کردن سلول‌ها به مدیریت ولتاژ کمک می‌کند.

Li-ion به خوبی به پیکربندی‌های سری/موازی پاسخ می‌دهد. اما سلول ها برای ماندن در محدوده ولتاژ و جریان نامی، نیاز به نظارت و محافظت دارند. تاکنون مدارهای مجتمع الکترونیکی (IC) زیادی برای ترکیبات مختلف تا 13سلول یون لیتیوم طراحی شده‌اند. پیکربندی‌های بزرگتر مانند باتری‌ دوچرخه‌های الکترونیکی، اتومبیل‌های هیبریدی و… به مدارهای سفارشی احتیاج دارند. به عنوان مثال خودرو تسلا مدل 85 برای ساخت پیکربندی 90 کیلووات ساعت، به بیش از 7000 سلول 18650 نیاز دارد.

اصطلاحات برای توصیف اتصالات سری و موازی

در ساخت باتری‌های سیلد لید اسید، ابتدا تعداد سلول‌های سری را مشخص می‌کنند، سپس تعداد سلول‌هایی که به صورت موازی قرار می‌گیرند، محاسبه می‌شود.

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

در باتری‌های لیتیوم یون (Li-ion)، ابتدا سلول‌های موازی ساخته می‌شوند، سپس واحدهای موازی تکمیل شده به صورت سری قرار می گیرند. Li-ion یک سیستم مبتنی بر ولتاژ است که از خود، سازگاری بسیار خوبی برای موازی کردن سلول‌ها نشان می‌دهد. ترکیب چندین سلول به صورت موازی و سپس افزودن واحدها به صورت سری، موجب می‌شود ولتاژ نهایی باتری قابل کنترل بوده و پیچیدگی چندانی نداشته باشد.

برعکس باتری‌های یون لیتیوم، در باتری‌های نیکل کادمیوم (NiCd) بیشتر رایج است که ابتدا سلول‌های سری ساخته شوند و پس از آن، سلول‌های دیگر به صورت موازی با آن قرار داده شوند.

تجهیزات ایمنی در سری و اتصال موازی

مقاومتهای ضریب دمای مثبت (PTC) و دستگاه های قطع شارژ (CID) باتری را از فشار بیش از حد محافظت می کنند. اگرچه وجود این المانها در باتری‌های 2 یا 3 سلولی کوچکتر با پیکربندی سری و موازی برای ایمنی توصیه می شود، اما این تجهیزات اغلب در باتری های چند سلولی با ظرفیت بالاتر، حذف می‌شوند. همانطور که انتظار می رود PTC و CID مانع جریان‌کشی بیش از حد سلول شده و فشار داخلی سلول را کاهش می دهند.

اما ممکن است بعضی از سلولها دچار خرابی زودرس شوند. حال در صورتیکه جریانی که از دوسر باتری کشیده می‌شود زیاد باشد، این امر موجب جریان‌کشی اضافی سلولهای دیگر (از جمله سلول‌های خراب) خواهد شد. در چنین شرایطی، اضافه جریان می تواند منجر به فرار حرارتی سلول، قبل از فعال شدن تجهیزات ایمنی شود.

بعضی از سلولها PTC و CID داخلی دارند. این تجهیزات حفاظتی را می توان به صورت خارجی نیز به باتری 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

قطب باتری‌ها را تمیز نگه دارید. یک پیکربندی چهار سلول دارای هشت قطب است و هر قطب مقاومتی ایجاد می کند (سلول به نگهدارنده و نگهدارنده به سلول بعدی) که در صورت جریان‌کشی از باتری، این نقاط با افت ولتاژ مواجه خواهند شد.

هرگز باتری‌های با مارک یا ظرفیت متفاوت را بصورت سری یا موازی ترکیب نکنید. در صورت خرابی، همه باتریها را تعویض کنید و از باتری‌های همنام و مشابه استفاده کنید. به یاد داشته باشید یک باتری معیوب، ضعیف ترین حلقه زنجیر به شمار می‌آید.

جهت قطب باتری‌ها را مشاهده کنید. معکوس گذاشتن جهت باتری در پیکربندی سری، بجای اینکه به ولتاژ نهایی اضافه کند، آن را کم می کند.

برای جلوگیری از نشت و خوردگی، باتری ها را از دستگاه خارج کنید. این امر به ویژه در باتری‌های کربن-روی بسیار مهم است.

باتری‌ها را در جعبه فلزی نگهداری نکنید. برای جلوگیری از اتصال کوتاه، باتری‌ها را در کیسه های پلاستیکی کوچک قرار دهید. باتری‌ها را در جیب خود حمل نکنید.

باتری ها را از کودکان خردسال دور نگه دارید. جریان باتری علاوه بر خطر خفگی، در صورت بلعیدن می‌تواند دیواره معده را زخم کند. همچنین روکش باتری می تواند پاره شود و باعث مسمومیت شود.

(به BU-703 مراجعه کنید: نکات بهداشتی 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 (قابل شارژ)

هنگام شارژ باتری‌ها، به قطب‌های آن دقت کنید. قطبیت معکوس می تواند باعث اتصال کوتاه و منجر به یک وضعیت خطرناک شود.

باتری‌های کاملاً شارژ شده را از شارژر خارج کنید. ممکن است دستگاه شارژر، در صورت شارژ کامل باتری‌ها، شارژ قطره ای صحیح را اعمال نکند و سلول بیش از حد گرم شود.

باتری‌ها را فقط در دمای اتاق شارژ کنید.

منبع: باتری یونیورسیتی