Последовательное и параллельное соединение аккумуляторов: как меняются напряжение, ёмкость и ток

При последовательном соединении аккумуляторов их напряжения складываются, а ёмкость в ампер-часах остаётся равной ёмкости одного элемента или блока. При параллельном соединении напряжение остаётся прежним, а суммарная ёмкость увеличивается.

В промышленной аккумуляторной системе важно учитывать не только арифметику, но и состояние элементов, внутреннее сопротивление, качество соединений и параметры зарядного оборудования.

Что такое последовательное соединение аккумуляторов

Последовательное соединение — это схема, при которой положительный вывод одного аккумулятора соединяется с отрицательным выводом следующего.

Через все элементы такой цепи проходит один и тот же ток.

Как меняется напряжение

При последовательном соединении напряжения складываются:

Uобщ = U1 + U2 + … + Un

Например, четыре одинаковых аккумулятора по 12 В образуют цепь с номинальным напряжением 48 В.

Как меняется ёмкость

Ёмкость в ампер-часах при последовательном соединении одинаковых аккумуляторов не складывается.

Например, четыре аккумулятора 12 В 100 А·ч, соединённые последовательно, образуют батарею 48 В 100 А·ч.

Что происходит с током

Через все элементы последовательной цепи проходит одинаковый ток. Поэтому слабый или деградировавший аккумулятор может ограничивать работу всей батареи.

Что такое параллельное соединение аккумуляторов

При параллельном соединении положительные выводы аккумуляторов соединяются между собой, а отрицательные — между собой.

Как меняется напряжение

Напряжение остаётся равным напряжению одного аккумулятора.

Два аккумулятора по 12 В, соединённые параллельно, по-прежнему образуют систему 12 В.

Как меняется ёмкость

Ёмкости одинаковых аккумуляторов складываются:

Cобщ = C1 + C2 + … + Cn

Два аккумулятора 12 В 100 А·ч образуют параллельную систему 12 В 200 А·ч.

Как распределяется ток

Общий ток нагрузки распределяется между параллельными ветвями. В идеальной системе с одинаковыми аккумуляторами распределение близко к равномерному, но на практике оно зависит от внутреннего сопротивления, длины соединителей и качества контактов.

Поэтому нельзя считать, что ток всегда делится строго поровну.

Что особенно важно при параллельных ветвях

В промышленной системе параллельные ветви должны иметь максимально близкие электрические условия: одинаковую конфигурацию, сопоставимое состояние аккумуляторов и симметричные по сопротивлению соединения. Различия в длине и сечении кабелей, контактном сопротивлении или состоянии отдельных блоков способны вызвать устойчивый перекос токов.

Для каждой ветви также предусматривают коммутацию и защиту в соответствии с проектом, требованиями изготовителя и нормами конкретной установки. Параллельное соединение нельзя рассматривать как простое механическое объединение выводов.

Последовательное и параллельное соединение: сравнение

Что такое последовательно-параллельное соединение

Такая схема сочетает оба принципа. Сначала аккумуляторы объединяют в последовательные цепочки для получения нужного напряжения, затем одинаковые цепочки соединяют параллельно для увеличения общей ёмкости.

Например, две цепочки по четыре аккумулятора 12 В 100 А·ч дадут:

•       одна цепочка — 48 В 100 А·ч;
•       две цепочки параллельно — 48 В 200 А·ч.

Параллельно следует соединять цепочки с одинаковым номинальным напряжением и сопоставимыми характеристиками.

Почему нельзя путать ампер-часы и энергию

Ёмкость в ампер-часах не показывает полный запас энергии без учёта напряжения.

Ориентировочно:

E = U × C

Например:

•       12 В × 100 А·ч ≈ 1200 Вт·ч;
•       48 В × 100 А·ч ≈ 4800 Вт·ч.

Фактически доступная энергия зависит также от тока разряда, температуры, конечного напряжения и состояния батареи.

Можно ли соединять аккумуляторы разной ёмкости

Для промышленной системы без инженерного расчёта этого делать не следует. При подборе также важно учитывать, как номинальная ёмкость связана с режимом разряда — отдельно это разобрано в материале о C10, C5, C3 и C1.

При последовательном соединении аккумулятор меньшей ёмкости может раньше достигнуть предельного состояния при разряде. При параллельном соединении разные аккумуляторы могут принимать и отдавать разный ток.

Это повышает риск разбаланса и усложняет диагностику.

Можно ли соединять новые и старые аккумуляторы

Новый и заметно изношенный аккумуляторы могут существенно отличаться по фактической ёмкости и внутреннему сопротивлению.

В результате они будут по-разному вести себя при заряде и разряде. Поэтому частичная замена элементов должна выполняться только после оценки всей батарейной цепи.

Что такое разбаланс аккумуляторной батареи

Разбаланс — состояние, при котором элементы или ветви одной системы заметно отличаются по напряжению, степени заряда, температуре или внутреннему сопротивлению.

Признаками могут быть:

•       разное напряжение элементов;
•       неодинаковая температура;
•       один элемент быстрее проседает под нагрузкой;
•       параллельные ветви принимают разный ток.

В последовательной цепи слабый элемент способен ограничивать характеристики всей батареи.

Почему важны соединения и перемычки

Любое соединение имеет электрическое сопротивление. Ослабленный или загрязнённый контакт может создавать дополнительное падение напряжения и локальный нагрев.

Для параллельных ветвей особенно важно, чтобы сопротивление соединений было максимально близким. Иначе ток между ветвями будет распределяться неравномерно.

Как рассчитать батарейную систему

Определите напряжение

Сначала необходимо знать рабочее напряжение нагрузки.

Определите время автономии

Оно определяет необходимую доступную ёмкость системы.

Определите ток нагрузки

Нужно учитывать как постоянный ток, так и кратковременные пиковые нагрузки.

Выберите модель аккумулятора

Расчёт следует выполнять по разрядным характеристикам конкретной серии. Разобраться в обозначениях паспортов и таблиц поможет статья «Как читать технический паспорт промышленного аккумулятора».

Проверьте зарядное оборудование

Зарядное устройство должно соответствовать итоговому напряжению, ёмкости и технологии батареи.

Где такие схемы встречаются на практике

В системах ЦОД и ИБП часто используются последовательные цепочки 12-вольтовых блоков, чтобы получить требуемое напряжение DC-шины. Для коротких высокомощных разрядов одним из вариантов являются AGM-батареи grid | Xtreme VR.

В стационарной энергетике распространены батареи из большого количества 2-вольтовых элементов. Например, серия grid | power VL (OPzS) позволяет формировать высоковольтные последовательные цепочки для систем постоянного тока. Конкретное число элементов определяется напряжением системы, допустимым диапазоном оборудования и расчётным режимом разряда.

Частые вопросы

Что увеличивается при последовательном соединении?

Суммируется напряжение. Ёмкость одинаковых аккумуляторов в ампер-часах остаётся прежней.

Что увеличивается при параллельном соединении?

Суммарная ёмкость. Напряжение остаётся равным напряжению одного аккумулятора.

Можно ли соединять разные аккумуляторы?

Для промышленной системы это требует инженерной оценки. Различия в ёмкости, возрасте и внутреннем сопротивлении могут привести к разбалансу.

Что лучше: последовательное или параллельное соединение?

Это не конкурирующие варианты. Последовательное соединение используют для получения нужного напряжения, параллельное — для увеличения ёмкости и возможностей системы.

Вывод

При последовательном соединении аккумуляторов увеличивается напряжение, а ёмкость в ампер-часах остаётся неизменной. При параллельном соединении напряжение не меняется, а ёмкости складываются.

Но промышленную батарейную систему нельзя рассчитывать только по вольтам и ампер-часам. Необходимо учитывать ток нагрузки, внутреннее сопротивление, состояние аккумуляторов, соединения, время автономии и параметры зарядного оборудования. Для систем HOPPECKE конфигурацию батареи следует подбирать по характеристикам конкретной серии и требованиям объекта.