Соединение аккумуляторов. Виды и особенности

В ситуациях, когда мощности одного АКБ не хватает для полноценной работы подключенных к нему потребителей – используется прием объединения нескольких однотипных источников тока. Любое соединение аккумуляторов осуществляется по определенным схемам, позволяющим получить нужное значение суммарного тока и требуемую емкость.

Каким образом производится соединение аккумуляторов

Для получения требуемых эксплуатационных параметров, обеспечиваемых системой из нескольких аккумуляторов, применяются следующие схемы включения:

• Параллельная.
• Последовательная.
• Смешанная или комбинированная (последовательно-параллельная).

Каждая из перечисленных схем обеспечивает определенные преимущества, необходимость в которых возникает при эксплуатации различных потребителей. Так, первый способ соединения используется для увеличения емкости АКБ и тока в нагрузочной цепи при неизменном напряжении на клеммах батарей.

Параллельная схема

Соединение аккумуляторов по этой схеме сводится к объединению клемм положительной и отрицательной полярности нескольких АКБ. В результате такой операции удается получить более мощный источник тока, емкость которого увеличивается в N раз. N — соответствует числу аккумуляторов, включенных в параллель.

При выборе данной схемы обязательно учитывается ключевое требование, касающееся подбора рабочих характеристик отдельных АКБ. Оно состоит в том, что все включаемые в параллель АКБ должны иметь примерно одинаковые рабочие емкости.

При значительных различиях этого показателя возможно нарушение равновесного состояния батарей, объясняемого тем, что аккумулятор с более высокой емкостью, как правило, имеет меньшее сопротивление. В этом случае аккумулятор со сравнительно небольшим емкостным показателем и значительным по величине импедансом будет разряжаться через внутренние цепи низкоомного аккумулятора, нарушая общий баланс цепи.

В общем случае параллельное соединение аккумуляторов позволяет достичь следующих преимуществ:

• Увеличить нагрузочный ток, способный совершить в N раз большую работу при неизменном напряжении.
• Повысить емкость источника питания, существенно увеличив время его действия при фиксированной нагрузке.
• Реализовать возможность подключения к сборке мощных энергетических установок с большим потреблением по току.

При параллельном включении АКБ потребуется предусмотреть защиту от перегрузок, возможных при коротком замыкании внутренних цепей в одном из аккумуляторов.

Пример, расчет энергетических показателей сборки из 2-х АКБ с емкостью 200 А/час и с рабочим током около 1000 А. При их параллельном включении результирующий ток, например, в стартере может достигать 2000 А. При этом, емкость энергетической системы составит 400 А/час при неизменном 12-вольтовом напряжении.

Последовательное соединение аккумуляторов

При этом способе объединения аккумуляторов отрицательная клемма одного из них подсоединяется к плюсовому электроду второго. Минусовой вывод этого последнего присоединяется к положительной клемме третьего и т. д.

Питаемая от последовательной схемы полезная нагрузка (потребитель) подключается к плюсу первого и минусу последнего АКБ.

При таком варианте объединения батарей их электродвижущие силы складываются и дают в результате суммарную ЭДС, в несколько раз большую потенциала одного изделия. С увеличением числа включенных последовательно аккумуляторов результирующее напряжение на нагрузке пропорционально растет (то же самое следует сказать и о внутреннем сопротивлении всей последовательной цепочки из однотипных АКБ). Данный вариант включения традиционно применяется в ситуациях, когда требуется повысить напряжение, получаемое от системы, состоящей из нескольких источников тока.

Поскольку номинальное напряжение типового АКБ составляет 12 В – увеличить его удается только до строго фиксированных значений (24, 36, 48 В и т. д.). В этом случае, в отличие от параллельного соединения АКБ, жестких требований к их собственным емкостям не предъявляется. Желательно, чтобы они были равны по величине, но нарушение данного условия не считается критичным. Это объясняется тем, что в последовательной цепочке емкости распределятся равномерно. Единственное неудобство, вызванное нарушением такого равенства – ток в цепи будет ограничен величиной, характеризующей компонент с минимальным емкостным показателем.

Соединение аккумуляторов по этой схеме имеет особенность, связанную с подсчетом общей емкости получившейся сборки. При ее определении результат получается путем сложения величин, обратных емкостному показателю каждой из составляющих. Формула для расчета системы из N отдельных аккумуляторов приводится ниже:

1/C=1/C1+1/C2+…+1/CN, где «С» – это суммарная емкость всей сборки.

Из приведенного соотношения следует, что конечное значение всей емкости системы из N аккумуляторов окажется меньшим, чем тот же показатель для отдельного изделия. Эта особенность обязательно учитывается при сборке источников питания на напряжения 24, 36 или 48 В.

Комбинированная схема соединения АКБ

Данный вариант включения аккумуляторов предполагает использование возможностей обеих способов (последовательного и параллельного). При его реализации удается увеличить суммарный ток в питающих цепях, лишь незначительно уменьшив емкость всей системы в целом. При выборе комбинированной схемы отдельные АКБ включаются таким образом, что суммарное напряжение получается отличным от типовых значений (оно не кратно 12 В).

Так, для установки сборки из аккумуляторов в цепи электропитания ветровых генераторов, например, используется напряжение 42 В, получаемое по «смешанной» схеме. Эта величина необходима для того, чтобы упростить схему преобразования постоянного потенциала в переменные 220 В, которые затем поступают от генератора к потребителю.

Уникальность этого способа объединения аккумуляторов сказывается в следующих его особенностях:

• При создании смешанной системы из элементов питания они могут сочетаться в различных комбинациях.
• Самый простой вариант – параллельное соединение сборок из 2-х последовательно включенных батарей.
• Еще одно из возможных включений – организация нескольких последовательных ветвей из параллельно подсоединенных АКБ.

Смешанное соединение аккумуляторов чаще всего применяется в случаях, когда имеющиеся одиночные приборы не гарантируют получения необходимого тока и напряжения. На приведенной схеме в каждой параллельной группе батареи включены по два АКБ, соединенные последовательно.

Особенности функционирования аккумуляторных сборок из нескольких АКБ

К специфике работы отдельных ячеек в составе системы из N параллельно включенных аккумуляторов, относят:

• По своим техническим показателям каждая такая составляющая, как правило, отличается от подобных ей изделий.
• Даже при выборе аккумулятора от одного производителя и из одной партии некоторые АКБ оказываются нагруженными больше, чем другие.
• Для выравнивания их характеристик в ряде случаев для каждого АКБ предусматривается индивидуальный блок зарядки и потребления тока.
• Благодаря его применению удается сбалансировать основные параметры сборки, обеспечивая нужные характеристики системного источника питания.
• Такой «индивидуальный» блок способен поддерживать ток зарядки на нужном уровне, что снизит вероятность перераспределения плотностей при восстановлении емкости системы.

При использовании схемы последовательного соединения аккумуляторов дело обстоит несколько сложнее. При эксплуатации такой сборки возможны следующие ситуации:

• Случайное короткое замыкание одной из ячеек приведет к опасному снижению напряжения на выходе системы из N аккумуляторов.
• Если при работе сборки в одной из составляющих произойдет обрыв цепи питания – общее напряжение исчезнет совсем.
• Оба случая приводят к частичному или полному отказу системы (требуемые мощность и емкость не будут достигаться).

Параллельное соединение аккумуляторов с точки зрения частичной потери емкости выглядит более предпочтительным. В этом случае при замыкании одной из ячеек общая емкость несколько уменьшится, что приведет к перераспределению нагрузки на другие элементы системы. При коротком замыкании в одном из параллельно включенных аккумуляторов последствия могут оказаться еще опаснее, чем при последовательной схеме. В этом случае все остальные аккумуляторы окажутся нагруженными на элемент, в котором произошло КЗ, что может привести к их быстрой разрядке. В определенных условиях не исключается полный выход из строя некоторых компонентов цепочки.

Особенности функционирования комбинированной системы также потребуют тщательной проработки схемы включения. Практика показала, что для обеспечения равенства токов в каждой параллельной ветке, состоящей из последовательно включенных АКБ, должны выполняться определенные требования. Согласно им, для получения равновесия, электродвижущие силы, действующие в каждом звене цепочки и их внутренние сопротивления должны быть одинаковыми.

Похожие темы:

• Электрические цепи. Виды и составные части. Режимы работы
• Последовательное и параллельное соединение. Применение и схемы