Сечение и материал соединительных кабелей выбираются в зависимости от тока нагрузки будущего узла. Чем выше ток, тем больше должно быть сечение. Это особенно касается батарей, требующих высокого выходного тока (электроинструменты и т.д.) – кабели с малым сечением не только перегреваются, но и ограничивают максимальный ток.
Последовательное и параллельное соединение аккумуляторов
Элементы батареи не часто используются по отдельности. Их часто соединяют тем или иным способом для достижения новых свойств источника энергии.
В силу законов химии и физики один элемент батареи не всегда удовлетворяет требованиям потребителей к мощности. Способ обойти эту проблему – соединить батареи параллельно или последовательно.
Увеличение напряжения
Один аккумулятор вырабатывает напряжение, определяемое электрохимическими реакциями, происходящими в нем во время зарядки или разрядки. Для наиболее распространенных типов уровень выходного напряжения при полной зарядке составляет:
- Литий-ионный – 3,7 В.
- Никель-кадмиевые – 1,38 В.
- Свинцово-кислотные – 2,1 В.
- Никель-металлгидридные – 1,25 В.
Во многих случаях этого недостаточно для нормальной работы сети. Например, для нормальной работы мотоциклов требуется напряжение не менее 6 вольт, а для автомобилей – 12, а иногда и 24 вольта. Один элемент не сможет обеспечить такое напряжение, поэтому элементы соединяются последовательно, чтобы увеличить выходной уровень.
Увеличение емкости
Если не принимать во внимание влияние внешних факторов (температура и т.д.), то емкость одного элемента определяется следующим образом
- удельной емкостью (зависит от технологии производства);
- размерами аккумуляторного блока.
Часто бывает удобнее получить необходимую емкость из нескольких небольших и легких предметов, чем из одной большой банки. Например, целесообразно использовать банки стандартного размера. Для этого их следует соединить параллельно. Затем их емкости суммируются.
Схемы подключения
В зависимости от типа подключения клеммы аккумулятора соединяются по-разному.
Последовательное соединение
При последовательном подключении аккумуляторы соединяются последовательно с противоположными клеммами. Положительная клемма одной батареи подключается к отрицательной клемме другой батареиОтрицательная клемма одной батареи соединяется с отрицательной клеммой второй батареи, а отрицательная клемма – с положительной клеммой третьей батареи. Таким образом, можно соединить любое количество элементов для получения необходимого напряжения, которое снимается со свободных клемм крайних элементов. Емкость цепи будет равна емкости одной банки.
Параллельное соединение
При параллельном подключении положительные провода всех компонентов соединены вместе Соедините все положительные провода всех компонентов и все отрицательные провода. Питание берется с плюсовой и минусовой шины в удобном месте. Напряжение сборки будет напряжением одной банки (поэтому используйте однотипные элементы с одинаковым выходным напряжением), а емкость – суммой всех емкостей.
Комбинация
В случаях, когда необходимо увеличить и емкость, и напряжение, используется смешанная (комбинированная) сборка элементов. Сначала элементы соединяются параллельно для достижения требуемой емкости. Затем сборки соединяются последовательно для получения требуемого напряжения батареи.
1) Последовательное соединение батарей
При таком соединении отрицательный полюс первой батареи соединяется с положительным полюсом второй батареи, отрицательный полюс второй батареи – с положительным полюсом третьей батареи и так далее.
Емкость системы остается неизменной, но напряжение системы является суммой напряжения всех последовательно соединенных батарей.
У нас есть 4 батареи с емкостью 200 Ач и номинальным напряжением 12 В. Соединив их последовательно, мы получим номинальное напряжение 12В*4=48В и емкость 200Ач. При этом максимальное количество запасенной энергии определяется как сумма максимальных запасов энергии всех батарей – 200Ач*12В*4=9600Вт*ч=9,6кВт*ч, или же как максимальный запас энергии всех аккумуляторных батарей – 200Ач*48В=9600Вт*ч=9,6кВт*ч.
Эта схема переключения используется для повышения напряжения в системе.
2) Параллельное соединение батарей
При таком типе подключения положительные клеммы батарей соединяются вместе в чередующемся порядке. Отрицательные клеммы также подключаются поочередно.
При таком типе подключения напряжение в системе остается неизменным, а емкость аккумуляторной батареи равна сумме всех батарей, подключенных параллельно.
У нас есть те же 4 батареи с емкостью 200 Ач и номинальным напряжением 12 В. Соединив их параллельно, мы получим номинальное напряжение 12 В, а емкость составит 4*200Ач=800Ач. В этом случае максимальная запасенная энергия определяется как сумма максимальных запасов энергии всех батарей – 200Ач*12В*4=9600Вт*ч=9,6кВт*ч, или как максимальный запас энергии всего банка батарей – 800Ач*12В=9600Вт*ч=9,6кВт*ч.
Данная схема подключения используется для увеличения емкости (зарядного тока) системы.
Параллельное подключение батарей
Параллельное подключение батарей позволяет увеличить их емкость (и, следовательно, время автономной работы оборудования) без изменения напряжения постоянного тока. Это полезно, если несколько батарей подключены к источнику аварийного питания, работающему при напряжении 12 В. Например, у вас есть источник аварийного питания с цепью 12 В, и у вас есть 3 батареи, каждая из которых имеет емкость 100 Ач. В случае параллельного подключения мы получим U=12 В, E=3*100=300 Ач на клеммах ИБП.
Комбинированное подключение на примере ИБП ELTENA Monolith E1000LT
Время автономной работы источника бесперебойного питания (время работы от батарей) при заданной нагрузке зависит исключительно от емкости батарей, подключенных к ИБП. Увеличение времени автономной работы при постоянной нагрузке возможно только за счет увеличения емкости батарей, т.е. путем параллельного подключения дополнительных батарей (блоков) с напряжением U=24В (две батареи, соединенные последовательно) к имеющемуся комплекту, при этом очень важно, чтобы общая емкость полученного комплекта не превышала максимальную емкость, рекомендованную для данного ИБП.
Важно иметь в виду следующее:
– При последовательном соединении сумма напряжений всех батарей равна общему (в данном случае двух батарей, соответственно, 24 В), а общая емкость линии двух последовательно соединенных батарей равна емкости одной, каждой, батареи (в данном случае – 45 Ач).
– При параллельном соединении линий (комплектов) напряжение одной линии и общей равны (в данном примере – 24 В), а сумма емкостей всех линий равна общей (в данном случае – Е=45*3=135 Ач).
В случае Monolith E1000LT рекомендуемая емкость батареи составляет до 150 Ач. Соответственно, для увеличения времени автономной работы к уже работающим батареям емкостью 45 Ач можно добавить две линии из двух параллельно соединенных батарей емкостью 45 Ач. Это дает комплект батарей U=24 В, E=135 Ач.
Мы рекомендуем вам обратиться к нашим инженерам для выбора подходящего ИБП или комплекта батарей, выбирая тип, емкость и способ их подключения в цепь. Мы подберем оптимальную конфигурацию ИБП + батареи, рассчитаем время автономной работы оборудования и предложим лучшую цену на источники бесперебойного питания!
Рекомендации по конфигурации батарей
- При последовательном и параллельном подключении батарей все батареи должны быть одного типа, возраста и производителя. При последовательном подключении емкость батарей должна быть одинаковой; при параллельном подключении можно комбинировать батареи с разной емкостью.
- Если при последовательном соединении одна батарея выходит из строя, необходимо заменить все батареи в аккумуляторном блоке. Если одна батарея выходит из строя после параллельного соединения, она удаляется, а оставшиеся батареи используются до окончания срока службы. Затем батареи заменяются.
Во избежание преждевременного старения следует избегать нагрева батарей. Повышение температуры более чем на 20°C на каждые 6°C сокращает срок службы вдвое. Устанавливайте батареи в хорошо проветриваемом, прохладном месте, оставляя между ними зазоры для предотвращения накопления тепла.
- Не увеличивайте емкость батарей, используя батареи, установленные в другом помещении. Батареи, установленные в разных местах, будут работать при разных температурах окружающей среды и не будут разряжаться и заряжаться равномерно. Это еще больше увеличит разницу температур и приведет к преждевременному старению и выходу батареи из строя. Если батареи заряжаются или разряжаются большим током, может произойти неконтролируемое повышение температуры и взрыв.
- При длительной зарядке или разрядке батарей током 200 А при напряжении 12 В (100 А при 24 В) выделяется значительное количество тепла. Для его отвода необходимо использовать принудительную вентиляцию. Для этого в воздухозаборнике батарейного отсека следует установить пожарный вентилятор. Приточный вентилятор снижает риск воспламенения водорода, выделяемого батареями. (Некоторые стандарты требуют принудительной вентиляции в любое время, когда батареи подключены к зарядному устройству мощностью более 2 кВт, т.е. 167 А при 12 В или 83 А при 24 В).
- Регулятор напряжения любого зарядного устройства большой мощности должен быть оснащен температурным датчиком, который снижает зарядное напряжение, когда батареи нагреваются.
- Аккумуляторы большой емкости с высокими токами зарядки и разрядки устанавливаются только в жилых отсеках в герметичных баках с вентиляцией, выходящей наружу.
Методы параллельного соединения
Существует несколько методов параллельного соединения батарей
Способ 1
Устройство подключается к положительной и отрицательной клемме крайнего аккумулятора.
Обычно батареи соединяются с помощью медного кабеля сечением 35 мм2 с удельным сопротивлением около 0,0006 Ом на метр. Таким образом, сопротивление 20-сантиметрового кабеля между батареями составит 0,00012 Ом. Это очень мало, но если мы добавим 0,0002 Ом на каждое соединение (клемма на кабеле, клемма на батарее и т.д.), сопротивление возрастет до 0,0015 Ом.
Если нагрузка равномерно распределена между батареями, каждая из четырех батарей будет отдавать 25 А при потребляемом токе 100 А. Однако в рассматриваемой цепи наибольший ток обеспечивает нижняя батарея, а ток каждой последующей батареи постепенно уменьшается.
Это происходит потому, что ток от нижней батареи не встречает сопротивления, отличного от сопротивления кабеля, идущего к нагрузке. Ток от второй батареи снизу дополнительно проходит через два соединительных кабеля, от второй батареи снизу – через четыре, а от верхней батареи – через шесть. Таким образом, вклад верхней батареи в общий ток намного меньше, чем вклад нижней батареи.
При зарядке происходит то же самое – нижний аккумулятор заряжается большим током, чем верхний. Условия его эксплуатации тяжелее, и он быстрее выходит из строя.
Расчеты показывают, что при внутреннем сопротивлении батареи 0,02 Ом, сопротивлении клемм 0,0015 Ом и нагрузке 100 А между батареями распределяется следующий ток:
Нижний аккумулятор – 35,9 ампер.
Вторая снизу – 26,2 ампера.
Третья батарея снизу – 20,4 ампера.
Ток верхней батареи составляет 17,8 ампера.