Всё о параллельном, последовательном и смешанном подключении аккумуляторов.

---

Введение

Чтобы обеспечить автономную работу множества устройств, аккумуляторы являются жизненно важными в современном мире. Аккумуляторы обеспечивают энергию для мобильных и стационарных устройств, для которых прямое подключение к электросети невозможно или неудобно, от смартфонов и ноутбуков до электромобилей и возобновляемых источников энергии.

Основные понятия

Аккумулятор и его параметры

Аккумулятор, или аккумуляторная батарея, представляет собой устройство, предназначенное для накопления и хранения электрической энергии с возможностью её многократного использования. Основные параметры аккумуляторов включают напряжение, емкость и внутреннее сопротивление.

Напряжение

Напряжение аккумулятора определяется разностью электрических потенциалов между его положительным (катод) и отрицательным (анод) выводами. Это значение измеряется в вольтах (В) и указывает, сколько энергии аккумулятор может предоставить в единицу времени. Напряжение зависит от типа используемых химических веществ и конструкции аккумулятора. Например, стандартное номинальное напряжение одного элемента литий-ионного аккумулятора составляет около $3.7 В$, в то время как для никель-металлогидридных (NiMH) аккумуляторов оно составляет около $1.2 В$.

Емкость (мАч)

Емкость аккумулятора измеряется в миллиампер-часах (мАч) и указывает, сколько тока может предоставить аккумулятор за определенный промежуток времени. Например, аккумулятор с емкостью $2000 мАч$ может теоретически обеспечить ток $2000 мА$ в течение одного часа, или $1000 мА$ в течение двух часов, и так далее. Емкость является важным параметром, определяющим продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление аккумулятора представляет собой сопротивление току внутри самого аккумулятора. Оно зависит от материалов, используемых для создания аккумулятора, его конструкции и состояния (например, износа или температуры). Внутреннее сопротивление влияет на эффективность аккумулятора и его способность предоставлять ток. Высокое внутреннее сопротивление может привести к значительному падению напряжения под нагрузкой и потере энергии в виде тепла, что уменьшает общую производительность аккумулятора.

Взаимосвязь параметров

Поскольку эти параметры связаны друг с другом, их совокупность определяет, насколько пригоден аккумулятор для конкретного предназначения. Например, мобильные устройства нуждаются в высокой емкости при сравнительно низком напряжении и низком внутреннем сопротивлении. Для обеспечения высокой мощности и продолжительной работы аккумуляторов электромобилей необходимы высокая емкость и напряжение, а также минимальное внутреннее сопротивление.

Последовательное подключение аккумуляторов

Последовательное соединение применяется, когда нужно увеличить общее напряжение системы. При этом способе аккумуляторы соединяются цепочкой: положительный полюс первого подключается к отрицательному полюсу второго, положительный полюс второго — к отрицательному третьего, и так далее. В результате общее напряжение становится равным сумме напряжений всех аккумуляторов в цепочке. Емкость системы при этом остается равной емкости одного аккумулятора. Этот метод критически требует использования абсолютно одинаковых аккумуляторов, иначе возможен перезаряд одних и недозаряд других, что сокращает срок службы и создает риски.

Как подключаются аккумуляторы последовательно?

Для последовательного подключения аккумуляторов следуйте следующим шагам:

1. Возьмите первый аккумулятор и соедините его положительный вывод (+) с отрицательным выводом (-) второго аккумулятора.
2. Затем соедините положительный вывод (+) второго аккумулятора с отрицательным выводом (-) третьего аккумулятора.
3. Продолжайте это соединение до последнего аккумулятора в цепи.
4. Оставшиеся свободные положительный вывод первого аккумулятора и отрицательный вывод последнего аккумулятора образуют общие выводы всей аккумуляторной цепи.

Схема последовательного подключения

Калькулятор последовательно подключенных аккумуляторов

Пример последовательного расчета

Если у нас есть шесть аккумуляторов с номинальным напряжением $1.2 В $каждый и емкостью $1 Ач$, то общее напряжение при последовательном подключении будет:

$1.2 В+1.2 В+1.2 В+1.2 В+1.2 В+1.2 В=7.2 В$

Общая емкость при этом остается равной емкости одного аккумулятора, то есть $1 Ач$.

Параллельное подключение аккумуляторов

Параллельное соединение используется для увеличения общей емкости и силы тока системы при сохранении напряжения. При этом все положительные полюса аккумуляторов соединяются вместе в одну точку, а все отрицательные полюса — в другую точку. Напряжение всей сборки остается таким же, как у одного аккумулятора, а общая емкость складывается из емкостей всех подключенных аккумуляторов. Как и в последовательном соединении, здесь также крайне важно использовать аккумуляторы одинаковой модели, напряжения и состояния заряда, чтобы избежать перетекания тока между ними и возможного перегрева или повреждения.

Как подключаются аккумуляторы параллельно?

Для параллельного подключения аккумуляторов следуйте следующим шагам:

1. Соедините все положительные выводы (+) аккумуляторов вместе.
2. Соедините все отрицательные выводы (-) аккумуляторов вместе.
3. В итоге у вас будет один общий положительный вывод и один общий отрицательный вывод для всей системы.

Схема параллельного подключения

Калькулятор параллельного подключенных аккумуляторов

Пример расчета параллельного подключения

Если у нас есть шесть аккумуляторов с номинальным напряжением $1.2 В$ каждый и емкостью $1 Ач$, общее напряжение при параллельном подключении будет:

$1.2 В$

А общая емкость при этом будет:

$1 Ач+1 Ач+1 Ач+1 Ач+1 Ач+1 Ач =6 Ач$

Смешанное подключение аккумуляторов

Последовательно-параллельное (смешанное) соединение сочетает оба предыдущих метода для достижения одновременно более высокого напряжения и большей емкости. Сначала создаются группы аккумуляторов, соединенных параллельно (чтобы увеличить емкость внутри группы). Затем эти готовые параллельные группы соединяются между собой последовательно (чтобы сложить их напряжения). Этот метод требует тщательного планирования и балансировки, и все аккумуляторы в системе должны быть максимально идентичны.

Как комбинируются последовательное и параллельное подключения?

Для комбинирования последовательного и параллельного подключений:

1. Группировка аккумуляторов: сначала аккумуляторы объединяются в группы, соединенные последовательно для увеличения напряжения.
2. Соединение групп параллельно: затем несколько таких групп соединяются параллельно для увеличения емкости.

Схема смешанного подключения

Пример смешанного расчета

Давайте представим смешанное подключение для 12 аккумуляторов по $1 Ач$ каждый, где будут 6 групп. Каждая группа будет состоять из двух аккумуляторов, которые будут соединены параллельно, а затем каждая из этих групп будет последовательно соединена с следующими двумя группами.

Расчет для одной группы из двух аккумуляторов, подключенных параллельно:

• Напряжение группы: $U_{группы}​=1.2В$
• Емкость группы: $C_{группы}=1Ач+1Ач=2Ач$

Расчет для всей батареи из 6 групп, подключенных последовательно:

• Общее напряжение батареи: $U_{общ}=U_{группы}\cdot 6=1.2В\cdot 6=7.2В$
• Общая емкость батареи: $C_{общ}​=C_{группы}=2Ач$ (так как при последовательном подключении емкость не изменяется)

При смешанном подключении из 6 групп, где в каждой группе 2 аккумулятора подключены параллельно, мы получаем батарею на $7.2 В$ и $2 Ач$.