Последовательное и параллельное подключение батарей

В ИБП, телекоммуникационных стойках и тяговых системах часто требуется напряжение 24-48 В и предсказуемая автономность, поэтому одной батареи бывает недостаточно. Проблему решают, объединяя 12-вольтовые аккумуляторы в блок. Выбор схемы соединения, последовательной, параллельной или смешанной. Параллельно-последовательное последовательно задает рабочее напряжение, доступный запас энергии, токовые нагрузки и тепловой режим, а значит, и ресурс. Ошибки в конфигурации приводят к перекосам напряжений, выравнивающим токам и ускоренному износу, а корректно спроектированный блок обеспечивает стабильность и безопасность.

В этой статье мы расскажем, чем отличаются схемы, когда какую выбирать, как правильно заряжать батареи в цепи и на что обратить внимание при монтаже и эксплуатации.

Последовательное соединение аккумуляторных батарей

Это способ собрать из нескольких одинаковых аккумуляторов единую цепь с более высоким напряжением. Он нужен, когда оборудование (ИБП, инвертор, телеком-стойка, тяговый привод) рассчитано, например, на напряжение 24/36/48/80 В. Так удается снизить рабочие токи, уменьшить нагрев проводки и повысить стабильность работы.

Схема: «плюс» первой батареи соединяют с «минусом» второй, далее по цепочке. Свободные «минус» крайний слева и «плюс» крайний справа — выводы всей сборки.

Что получается на выходе? Напряжение суммируется (4×12 В — 48 В). Ёмкость в ампер-часах остается как у одной батареи той же модели (4×12 В 100 А·ч — 48 В 100 А·ч), электроэнергия в ватт-часах растет за счет увеличения напряжения.

Суммируется ли ёмкость аккумуляторов при последовательном соединении? Нет. В последовательной цепи через все батареи течет один и тот же ток, поэтому А·ч не складываются. Сборка ограничена ёмкостью самого слабого АКБ. Суммируется только напряжение, а вместе с ним — электроэнергия (Вт·ч).

Аккумуляторная батарея

Ventura FT

Перейти в каталог

Преимущества последовательного соединения аккумуляторных батарей:

• Меньше токи при той же мощности — ниже потери на проводах, проще кабельные сечения и коммутация.
• Можно получить стандартные шины 24/36/48/96 В для тяги, инверторов и ИБП.
• Проще управлять большими мощностями.

Минусы и риски:

• Ресурс и отдаваемый ток ограничит аккумуляторная батарея с меньшей фактической емкостью или большим внутренним сопротивлением.
• Разброс параметров ведет к перезаряду слабой батареи на разряде и перезаряду на заряде.
• Отказ одной аккумуляторной батареи может вывести из строя всю цепь.
• Требуются зарядные устройства с более высоким выходным напряжением и алгоритмом под конкретный тип (AGM, GEL, FLA, Li-ion и т.д.).

Принцип последовательного соединения аккумуляторов и что происходит внутри?

В последовательной цепи один и тот же ток проходит через все батареи. Напряжение каждого аккумулятора распределяется в соответствии с внутренним сопротивлением/состоянием. Если одна батарея «проседает» (выше сопротивление, ниже емкость), на нее падает большая доля напряжения — именно она первой достигает предельных состояний. Это ускоряет деградацию и ведет к «разбегу» параметров всей цепи.

Что происходит в последовательной цепи из разных ячеек

Если в серию поставить элементы разного типа, емкости, возраста или износа:

• На разряде слабая батарея раньше остальных уйдет в глубокий разряд. В свинцово-кислотных это — сульфатация и потеря емкости. В литиевых — сработает защита BMS (если она есть), либо возможен разворот полярности у ячеек без защиты.
• На заряде слабая батарея раньше наберет «свое» напряжение и фактически будет перезаряжаться (газовыделение у классических свинцово-кислотных аккумуляторов с жидким электролитом, риск перегрева у герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов с загущенным электролитом), в то время как остальные АКБ в серии остаются заряженными не на 100%.
• Чем больше разброс, тем быстрее растут перекосы. В результате серия теряет ресурс гораздо раньше, чем это предписано паспортом.

Соответственно, последовательные цепи собирают только из одинаковых аккумуляторных батарей одного производителя, серии, емкости и примерно одной даты производства

Зачем соединять ячейки последовательно?

Такая цепь используется в следующих целях:

• Достичь стандартного системного напряжения оборудования. Телеком и ИБП часто работают от 48 В, промышленная тяга — 24/36/48 В и выше.
• Снизить токи при той же мощности. Меньше ток — меньше падение напряжения на кабелях и нагрев клемм — компактнее коммутация и выше КПД.
• Согласовать с зарядным устройством/инвертором, рассчитанным под конкретное напряжение.

Параллельное соединение аккумуляторных батарей

Этот способ применяют, когда нужно увеличить запас энергии и доступный ток, не меняя рабочего напряжения системы. Типичные случаи — 12/24-вольтовые инверторы и ИБП, бортовые сети телеком- и охранных систем, где напряжение задано, а автономности не хватает.

Когда требуется больше автономии на 12/24 В, используют несколько одинаковых батарей одной серии параллельно — так делают с резервными AGM (например, GP/GPL), а для длительных циклов — с гелевыми VTG или стационарными OPzV из каталога Ventura.

GP (General Purpose)

Базовая линейка универсальных необслуживаемых аккумуляторных батарей общего применения.

Подробнее

GP

GPL (General Purpose Longlife)

Широкая линейка универсальных необслуживаемых аккумуляторных батарей общего применения.

Подробнее

GPL

VTG XT (Ventura TRUE GEL X-TRA)

Линейка необслуживаемых аккумуляторных батарей с высоким циклическим ресурсом, изготовленных по технологии TRUE GEL.

Подробнее

VTG XT

OPzV

Линейка необслуживаемых аккумуляторных батарей OPzV.

Подробнее

OP zV

При параллельном соединении напряжение остается прежним, зато емкость (А·ч) и допустимый разрядный/пусковой ток суммируются. Это позволяет дольше работать без подзаряда и устойчивее переносить кратковременные пики нагрузки (пуск компрессора, насос).

Важно понимать, что ток между параллельными ветками не делится сам по себе поровну. На него влияют внутреннее сопротивление батарей и сопротивление проводки. Поэтому используют идентичные батареи одной модели и возраста, перед соединением аккумуляторов выравнивают напряжение покоя, подключают к общим шинам симметрично одинаковыми по длине и сечению кабелями, обязательно ставят отдельный предохранитель/DC-автомат на каждую ветку. Это снижает риск выравнивающих бросков тока, перегрева и ускоренного износа одной из веток.

Схема: «плюс» к «плюсу», «минус» к «минусу». Обычно объединяют через общие шины/клеммные блоки. Что получается на выходе:

• Напряжение не меняется: 2×12 В — 12 В.
• Емкость (А·ч) и максимальный ток суммируются: 2×12 В 100 А·ч — 12 В 200 А·ч.
• Электроэнергия (Вт·ч) растет пропорционально числу параллельных веток (за счет увеличения емкости).

Преимущества такой цепи:

• Дольше автономия при том же напряжении.
• Можно масштабировать емкость ступенчато, добавляя параллельные ветки.
• Ниже ток на одну батарею — снижается ее тепловая нагрузка.

Минусы и риски:

• Токи между ветками распределяются неравномерно из-за различий в сопротивлениях проводов и самих аккумуляторных батарей, что влечет за собой ускоренный износ слабой ветки.
• При соединении аккумуляторов с разным напряжением покоя возможен рывок выравнивающего тока (искрение, перегрев).
• Требуются предохранители/DC-автоматы на каждую ветку и симметричное подключение к шинам, иначе одна ветка будет перегружаться.

На практике стремятся ограничивать число параллельных веток. Чем их меньше, тем легче обеспечить равномерность токов и контроль состояния.

Параллельно-последовательное (смешанное) соединение

В реальных проектах чаще собирают несколько одинаковых последовательных цепей (для нужного напряжения), а затем делают их параллельными (для нужной емкости). Ключевые принципы параллельно-последовательной цепи:

• Сначала серия, потом параллель. Сборка из одинаковых батарей одной модели, емкости, возраста и состояния.
• Полная симметрия. Идентичные длины и сечения кабелей от каждой цепи до общих шин. Подключение «звездой», а не «елочкой».
• Защита каждой линии. Предохранитель/автомат на плюсе каждой параллельной цепи, чтобы локализовать аварию.

Что происходит при зарядке и разрядке

При последовательном соединении во время заряда источник тока видит сумму напряжений. Ток через все батареи проходит одинаковый. Без контроля отдельных звеньев часть батарей будет заряжаться не до конца/перезаряжаться. На практике важно использовать зарядные устройства с датчиком температуры и, по возможности, мониторингом середины цепи или балансиром. Для герметичных гелевых батарей недопустимы повышенные выравнивающие напряжения, у AGM — допускаются только по инструкции производителя.

При разряде ток одинаков, напряжение распределяется неравномерно. Нужен контроль минимального напряжения всей цепи и, желательно, каждого звена/секции, чтобы исключить глубокий переразряд слабой батареи.

В параллельном соединении при заряде ток делится между ветками. Чтобы избежать бросков выравнивающего тока, не соединяют напрямую батареи с разным напряжением покоя. Сначала доводят их по напряжению/заряду до близких значений, затем подключают параллельно.

При разряде токи веток зависят от сопротивления путей. Правильная «звезда» и одинаковые кабели помогают выровнять нагрузку. На каждую ветку — свой предохранитель.

Важные особенности

Чтобы цепь работала предсказуемо без потери ресурса, достаточно придерживаться следующих правил:

• В одной сборке — только идентичные АКБ по типу, модели, емкости, возрасту и состоянию. Не допускается смешивание AGM, GEL, FLA, Li-ion и т.п.
• Предварительная подготовка. Перед параллельным соединением — выровнять напряжение и заряд.
• Симметрия проводки. Равные длины и сечения кабелей до общих шин, подключение «звездой».
• Предохранитель или DC-автомат на каждую параллельную цепь, маркировка полярности, защита от коротких замыканий.
• Чистые клеммы, правильный момент затяжки, антикоррозионная защита.
• Все батареи в сборке должны работать в одинаковом температурном режиме. Следует избегать локальных перегревов.
• Использовать зарядные устройства с возможностью выставить профиль под выбранный тип АКБ.
• Регулярная проверка напряжений покоя, внутреннего сопротивления/проводимости, температуры, при возможности — контроль середины цепи и балансировка.
• Ограничение параллельных веток. Чем меньше параллельных линий, тем проще обеспечить равномерность токов и контроль. В практике ИБП/телекома обычно стремятся укладываться в несколько одинаковых цепей вместо веера из множества разнородных.
• Работы необходимо выполнять на отключенных, защищенных цепях, в средствах индивидуальной защиты, без искрения., а также соблюдать требования производителя.

Под конкретную задачу оптимально выбирать серийные решения. Для 48 В шкафов — AGM front-terminal FT, для высоких разрядных токов в ИБП — HR/HRL, для долгих циклов и повышенной стойкости — TRUE GEL VTG или OPzV, для тяги — FFT (FLA) и другие тяговые серии. Актуальные модели с указанием всех характеристик представлены в каталоге. Так проще сразу сопоставить напряжение, емкость, габариты и режим работы с требованиями вашей системы.