Соединение аккумуляторов 18650: последовательно и параллельно

Что меняется при разных способах соединения

Главное отличие удобно запомнить так:

последовательно – складывается напряжение;

параллельно – складывается ёмкость.

Например, если один Li-ion аккумулятор имеет номинальное напряжение 3,7 В и ёмкость 3000 мА·ч, то два одинаковых элемента дадут разные результаты в зависимости от соединения.

Два аккумулятора последовательно

При последовательном соединении плюс одного аккумулятора соединяется с минусом следующего.

Получается конфигурация 2S.

Для двух элементов по 3,7 В:

3,7 В + 3,7 В = 7,4 В номинально.

Ёмкость при этом остаётся примерно 3000 мА·ч, если оба аккумулятора имеют такую ёмкость.

Максимальное напряжение полностью заряженной стандартной Li-ion сборки 2S будет около:

4,2 В × 2 = 8,4 В.

Три аккумулятора последовательно

Три элемента образуют конфигурацию 3S.

Для обычных Li-ion 18650:

• номинальное напряжение – около 11,1 В;
• максимальное напряжение после зарядки – около 12,6 В;
• ёмкость остаётся равной ёмкости одного элемента.

Такая сборка уже требует системы зарядки и защиты, рассчитанной именно на 3S.

Количество последовательно соединённых элементов всегда должно соответствовать характеристикам BMS и зарядного устройства.

Что происходит при параллельном соединении

При параллельном соединении плюсовые контакты аккумуляторов объединяются вместе, минусовые – также вместе.

Напряжение не увеличивается.

Если соединить два элемента по 3,7 В и 3000 мА·ч, получится батарея примерно:

3,7 В, 6000 мА·ч.

Три таких аккумулятора дадут около:

3,7 В, 9000 мА·ч.

Кроме увеличения ёмкости, несколько параллельных элементов способны делить между собой ток нагрузки.

Однако допустимый ток нельзя рассчитывать только по количеству аккумуляторов – нужно знать реальные характеристики каждого элемента.

Нельзя соединять параллельно аккумуляторы с сильно разным напряжением

Перед параллельным соединением измерьте напряжение каждого элемента.

Если один аккумулятор заряжен до 4,2 В, а другой находится, например, около 3,0 В, после соединения между ними может потечь большой выравнивающий ток.

Он ограничивается в основном внутренним сопротивлением элементов и соединений.

Какие аккумуляторы использовать в одной сборке

Для надёжной батареи лучше использовать одинаковые элементы:

• одного производителя и модели;
• одной химии;
• одинаковой номинальной ёмкости;
• близкого возраста;
• близкого количества циклов;
• с похожим внутренним сопротивлением.

Смешивать новый аккумулятор с сильно изношенным нежелательно.

Самый слабый элемент будет ограничивать возможности всей сборки.

Что означают 2S2P, 3S2P и другие обозначения

Буква S показывает количество последовательно соединённых групп.

Буква P – сколько элементов соединено параллельно внутри каждой группы.

Например:

2S2P

Всего используется четыре аккумулятора.

Сначала создаются две параллельные пары, затем эти пары соединяются последовательно.

Для элементов 3,7 В 3000 мА·ч получится приблизительно:

7,4 В и 6000 мА·ч.

3S2P

Используется шесть аккумуляторов.

Три группы соединяются последовательно, а в каждой группе находится по два элемента параллельно.

Результат:

11,1 В и 6000 мА·ч.

Ёмкость и энергия – не одно и то же

При последовательном соединении значение в мА·ч не увеличивается, но это не означает, что энергии в батарее стало столько же, сколько в одном элементе.

Энергию удобнее сравнивать в ватт-часах:

Вт·ч = напряжение × ёмкость в А·ч.

Один аккумулятор:

3,7 В × 3 А·ч = 11,1 Вт·ч.

Два последовательно:

7,4 В × 3 А·ч = 22,2 Вт·ч.

Два параллельно:

3,7 В × 6 А·ч = 22,2 Вт·ч.

То есть при использовании двух одинаковых аккумуляторов суммарная энергия примерно одинакова независимо от схемы соединения. Меняется соотношение напряжения и ёмкости.

Зачем нужна BMS

В многоэлементной Li-ion батарее недостаточно просто соединить аккумуляторы.

BMS может выполнять защиту от:

• перезаряда;
• чрезмерного разряда;
• перегрузки по току;
• короткого замыкания.

Для последовательных сборок также важно контролировать напряжение отдельных групп элементов.

Если батарея собрана как 3S, нужна BMS, рассчитанная именно на соответствующее количество последовательных групп и нужный ток.

BMS 1S, 2S и 3S не являются взаимозаменяемыми.

Балансировка последовательных групп

Даже одинаковые аккумуляторы немного отличаются друг от друга.

Во время циклов зарядки и разрядки одна группа может постепенно достигать верхнего или нижнего предела раньше остальных.

Поэтому в последовательных сборках применяют балансировку.

Она помогает удерживать напряжения отдельных групп ближе друг к другу и предотвращает ситуацию, когда общая батарея выглядит нормально, а один элемент уже выходит за допустимый диапазон.

Как соединять аккумуляторы физически

В серийных батарейных сборках элементы обычно соединяют никелевой лентой с помощью точечной сварки.

Такой способ позволяет сделать соединение быстро, не нагревая аккумулятор длительное время.

Пайка непосредственно к корпусу 18650 требует значительного нагрева и может повредить элемент, особенно если контакт прогревается долго.

Для макетирования и одиночных элементов удобнее использовать подходящие держатели.

Перед сборкой проверьте каждый аккумулятор отдельно

До соединения измерьте напряжение каждого элемента.

Для ответственной сборки желательно также проверить:

• фактическую ёмкость;
• внутреннее сопротивление;
• поведение под нагрузкой;
• отсутствие сильного нагрева;
• состояние изоляционной оболочки.

Не стоит сначала собирать батарею, а потом пытаться определить, какой из аккумуляторов был неисправен.

Простое правило выбора схемы

Если устройству требуется большее напряжение, увеличивают количество элементов последовательно – S.

Если требуется больше ёмкости при том же напряжении, добавляют элементы параллельно – P.

Если нужны оба параметра, используют комбинированную сборку – например 3S2P или 4S3P.

При этом схема BMS, зарядное устройство и нагрузка должны соответствовать напряжению и току уже всей батареи, а не одного аккумулятора.