Szeregowe oraz równoległe łączenie chemicznych źródeł zasilania
| TechnikaPojedynczy akumulator lub ogniwo bateryjne bardzo często nie jest w stanie zaspokoić potrzeb energetycznych urządzenia, zarówno pod względem wartości nominalnej napięcia, jak i pojemności. W celu rozwiązania tego problemu wykonuje się równoległe lub szeregowe połączenie większej liczby ogniw. Konstrukcja ta wymaga jednak zastosowania specjalnych zabiegów, chroniących układ przed uszkodzeniem i zapewniających utrzymanie efektywności oraz zakładanych parametrów pracy.
Połączenie szeregowe pozwala zwiększyć nominalne napięcie źródła zasilania – jego wartość jest sumą napięć poszczególnych ogniw. Połączenie równoległe umożliwia osiągnięcie większej pojemności, będącej sumą pojemności poszczególnych elementów układu.
Możliwa jest również kombinacja połączenia szeregowego oraz równoległego w jednym pakiecie – tego typu rozwiązania stosuje się powszechnie m.in. w akumulatorach laptopów. Mają one zazwyczaj cztery elementy litowo-jonowe połączone szeregowo w celu osiągnięcia nominalnego napięcia zasilania 14,4 V (czterokrotność 3,6 V, czyli napięcia pojedynczego ogniwa), zaś każde z nich składa się z dwóch ogniw połączonych równolegle, zwiększając pojemność baterii z 2400 mAh (wartość nominalna pojedynczego ogniwa) do 4800 mAh. Konfigurację taką często określa się mianem 4s2p, co oznacza cztery ogniwa połączone szeregowo oraz dwa połączone równolegle. Zatem w sumie pakiet taki składa się z ośmiu ogniw.
Większość typów oraz konstrukcji baterii zezwala zarówno na ich łączenie szeregowe, jak i równoległe. Ważne jest przy tym, aby łączyć jedynie baterie tego samego typu i o takich samych parametrach pracy. Duża rozbieżność pomiędzy parametrami poszczególnych ogniw wchodzących w skład połączenia doprowadzić może do niezbalansowania urządzenia, a przez to znaczącego pogorszenia jego parametrów pracy. Jest to szczególnie ważne w przypadku połączenia szeregowego, gdzie uszkodzenie jednego elementu uniemożliwia dalszą pracę całości.
Również wciąż działające ogniwo o pogorszonych parametrach bardzo negatywnie wpływa na pracę całego pakietu. Prawdopodobnie ulegnie ono rozładowaniu dużo szybciej niż pozostałe elementy, będzie również bardziej podatne na zmiany starzeniowe. W procesie ładowania zapełni się szybciej niż inne ogniwa, dłużej pozostawać będzie zatem w stanie przeładowania. W przypadku łączenia większej liczby ogniw rekomenduje się stosowanie obwodów balansujących, pozwalających na obniżenie negatywnych efektów niedopasowania połączonych ze sobą baterii.
Pojedyncze ogniwo
Najprostszym sposobem wykorzystania baterii w systemie jest zastosowanie jedynie pojedynczego ogniwa. Rozwiązanie takie nie wymaga żadnych zabiegów dopasowujących, pozwala również maksymalnie uprościć obwód zabezpieczający (wciąż jednak wymagany w przypadku niektórych typów baterii, jak np. litowo-jonowych).
Typowe przykłady stosowania takich rozwiązań znaleźć można w telefonach komórkowych i tabletach, zasilanych często pojedynczym ogniwem litowo-jonowym o napięciu 3,6 V. Do innych powszechnych przypadków użycia zaliczyć można zegarki, zabawki czy wszelkiego typu drobną elektronikę użytkową.
Napięcie nominalne ogniwa niklowo-kadmowego wynosi ok. 1,2 V, baterii alkalicznej ok. 1,5 V, baterii Si-Ox 1,6 V, zaś ogniwa kwasowo-ołowiowego 2,0 V. Konstrukcje wykorzystujące lit mają zakres napięć od ok. 3,0 do ok. 3,9 V (ok. 3,6 V dla akumulatorów Li-Ion, 3,7 V dla Li-Po oraz 2,4 V dla LTO – litowo-tytanowych).
Połączenie szeregowe
Urządzenia i systemy wymagające wyższych napięć zasilania wymuszają konieczność korzystania z szeregowego połączenia dwóch lub więcej ogniw.
Na rysunku 1 przedstawiono przykład szeregowego połączenia czterech akumulatorów litowo-jonowych o napięciu 3,6 V każde, dającego w efekcie źródło zasilania o napięciu 14,4 V.
W przypadku konieczności zasilania układu napięciem o nietypowej wartości, jak np. 9,5 V, korzystać można ze źródła o jednym ze standardowych poziomów napięć, pod warunkiem że jest ono wyższe od wymaganej wartości zasilania. Przykładowe urządzenie wymagające zasilania napięciem 9,5 V bez problemów można by zatem zasilić zestawem trzech szeregowo połączonych baterii Li-Ion o napięciu nominalnym 10,8 V. Większość urządzeń elektrycznych z łatwością poradzi sobie z nieco większym napięciem, nie można jednak przekroczyć dozwolonej wartości maksymalnej, podanej zwykle w specyfikacji produktu.
Akumulatory wysokonapięciowe wymagają bardzo uważnego zrównoważenia poszczególnych ogniw, w szczególności jeśli przeznaczone są do pracy z dużymi obciążeniami lub w niskich temperaturach. W zestawach składających się z wielu ogniw prawdopodobieństwo uszkodzenia któregoś z nich jest bardzo duże. Aby ochronić układ przed całkowitym uszkodzeniem, stosuje się zazwyczaj przełączniki półprzewodnikowe pozwalające odłączyć uszkodzony element z obwodu.
Bardzo trudne zadanie stanowi również wymiana uszkodzonego ogniwa – nowy moduł charakteryzować się będzie zazwyczaj znacznie lepszymi parametrami pracy niż pozostałe, zdegradowane już w pewnym stopniu przez procesy starzeniowe. Z tego powodu zestawy ogniw stanowią często jeden zintegrowany moduł, możliwy do wymiany jedynie w całości.
W bardzo kosztownych i rozbudowanych systemach, takich jak np. pojazdy elektryczne, główny akumulator podzielony jest często na mniejsze moduły, składające się z pewnej liczby ogniw i możliwe do wymiany w całości. Również zwiększa to niezrównoważenie zestawu, najczęściej problem ten jest jednak neutralizowany przez odpowiednie obwody równoważące.
Na rysunku 3 przedstawiono przykład układu, w którym jedno z ogniw charakteryzuje się wyraźnie niższym napięciem nominalnym – na przykład z powodu przedwczesnych zmian starzeniowych. Tego typu zestaw będzie znacznie mniej efektywny, powodując znaczące skrócenie czasu pracy urządzenia zasilanego bateryjnie.
Metody równoważenia ogniw
Równoważenie pakietu ogniw polega na zrównaniu poziomu ich naładowania, do czego wykorzystuje się specjalnie zaprojektowany w tym celu obwód (balanser). Wśród metod równoważenia wyróżnić można aktywne oraz pasywne.
Metoda pasywna opiera się na wykorzystaniu rezystorów odprowadzających nadmiar ładunku z ogniw charakteryzujących się zbyt dużym poziomem naładowania w porównaniu do pozostałych elementów pakietu. W wersji najbardziej rozbudowanej każde z ogniw połączone jest z rezystorem za pomocą cyfrowo sterowanego klucza. Układ sterujący, taki jak mikrokontroler czy FPGA, sprawdza napięcie na zaciskach każdego z ogniw i w przypadku wykrycia zbyt wysokiej wartości otwiera klucz, powodując uwolnienie ładunku aż do momentu wyrównania poziomu naładowania. Wadą tej metody jest duża złożoność oraz niska sprawność – nadwyżka energii zgromadzona w ogniwach tracona jest w postaci ciepła wydzielającego się na rezystorze.
W metodzie aktywnej nadmiarowy ładunek przenoszony jest do innych, mniej naładowanych ogniw. Realizuje się to zazwyczaj poprzez wykorzystanie kluczy tranzystorowych oraz odpowiedniego połączenia poszczególnych ogniw ze sobą. Rozwiązanie to znacząco ogranicza straty energii, przez co wydłuża żywotność całego pakietu ogniw.
Połączenie równoległe
W przypadku konieczności uzyskania większej pojemności niż oferowana przez pojedyncze ogniwo możliwe jest równoległe połączenie kilku ogniw ze sobą. Większość rodzajów ogniw dobrze znosi tego typu konstrukcję, wykazując brak lub jedynie niewielkie efekty uboczne. Na rysunku 3 przedstawiono przykład czterech połączonych w ten sposób elementów. Napięcie nominalne całości pozostaje takie samo jak napięcie pojedynczego ogniwa (3,6 V), czterokrotnie rośnie jednak całkowita pojemność.
Przy tego typu rozwiązaniu najgroźniejszą sytuacją staje się zwarcie jednego z ogniw. Powoduje to powstanie bardzo dużego prądu rozładowania i szybkie odprowadzenie ładunku ze wszystkich ogniw. Zdarzenie takie niesie ze sobą bardzo duże ryzyko pożaru. Powszechnie stosowanym zabezpieczeniem przed tego typu sytuacją jest wbudowanie w strukturę pakietu zestawu bezpieczników odizolowujących uszkodzone ogniwo.
W przeciwieństwie do łączenia szeregowego, w połączeniu równoległym uszkodzenie jednego z ogniw polegające na jego rozwarciu nie skutkuje całkowitym uszkodzeniem pakietu, zmniejsza jedynie jego pojemność. Na rysunku 4 pokazano sytuację częściowego uszkodzenia jednego z ogniw, co przekłada się na stosowne obniżenie pojemności całego pakietu.
Połączenie szeregowo-równoległe
W wielu przypadkach dla uzyskania wymaganych parametrów źródła zasilania konieczne jest wykonanie połączenia szeregowo-równoległego, co pozwala na jednoczesne osiągnięcie zarówno wyższego napięcia, jak i większej pojemności niż wartości oferowane przez pojedyncze ogniwo. Przykład takiego rozwiązania pokazany został na rysunku 5.
Ogniwa litowo-jonowe bardzo dobrze nadają się do połączeń, zarówno szeregowych, jak i równoległych, wymagają jednak uważnego monitorowania parametrów pracy akumulatorów oraz stosowania odpowiednich obwodów zabezpieczających. Na rynku znaleźć można gotowe moduły przeznaczone do zarządzania pracą do kilkunastu połączonych ze sobą ogniw. W przypadku konstrukcji większych pakietów konieczne jest opracowanie własnego projektu. W wielu współczesnych urządzeniach, takich jak pojazdy elektryczne, źródło zasilania składać się może nawet z kilkunastu tysięcy połączonych ze sobą ogniw.
Oznaczenia pakietów akumulatorów
Zgodnie ze standardami przyjętymi przez producentów źródeł zasilania, konstrukcję pakietu akumulatorów opisuje się za pomocą dwóch liczb oznaczających liczbę ogniw połączonych szeregowo oraz równolegle. Przykładem może być wyrażenie 4s2p – oznacza to, że pakiet zbudowany jest w sumie z 8 ogniw, czyli czterech par połączonych szeregowo.
Układy zabezpieczające
Nieodłączną częścią pakietu akumulatorów jest układ zabezpieczający, zdolny do rozłączenia obwodu w przypadku wykrycia zbyt wysokiej temperatury lub zbyt wysokiego natężenia prądu w obwodzie. Aktywacja zabezpieczeń chroni urządzenie przed uszkodzeniem, zaś jego użytkowników przed potencjalnym niebezpieczeństwem, wynikającym m.in. z ryzyka powstania pożaru.
Jednym z podstawowych elementów zabezpieczających jest termistor PTC. Termistor o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC) włączany jest w obwód szeregowo. Wraz ze wzrostem natężenia prądu zwiększa się temperatura termistora, przez to zaś również jego rezystancja. Wzrost rezystancji ogranicza przepływ prądu, co chroni źródło zasilania przed przeciążeniem. Jest to jeden z najprostszych, najtańszych oraz najczęściej stosowanych sposobów ochrony akumulatorów litowo-jonowych. Niektóre ogniwa litowo-jonowe mają tego rodzaju zabezpieczenie wbudowane przez producenta.
Innym z popularnych sposobów odłączania źródła zasilania od obciążenia jest wykorzystanie tranzystorów MOSFET. Są one zazwyczaj podłączone i sterowane przez układy kontrolujące pracę akumulatorów. Układ taki monitoruje parametry pracy zasilania (napięcie na ogniwach, natężenie prądu zasilania, temperaturę) i w przypadku wykrycia jakiejkolwiek nieprawidłowości wystawia sygnał otwierający tranzystory MOSFET. Prąd zasilania może być dwukierunkowy (ładowanie lub rozładowywanie akumulatorów), zatem układy MOSFET umieszcza się w konfiguracji back-to-back, tak jak pokazano na rysunku 6.
Podsumowanie
Nieodłączną częścią każdego urządzenia mobilnego jest źródło zasilania, będące najczęściej akumulatorem. Pojedyncze ogniwo bateryjne nie zawsze jest w stanie sprostać wymaganiom energetycznym układu, często konieczne jest zatem połączenie kilku ogniw w jeden pakiet. Łączenie ogniw pozwala zwiększyć pojemność oraz napięcie nominalne pakietu. W przypadku większej ich liczby konieczne jest zastosowanie odpowiednich układów balansujących oraz zabezpieczających, należy również zadbać o jak najlepsze dopasowanie łączonych elementów – muszą być to ogniwa tego samego typu, o możliwie najdokładniej identycznych parametrach. Na rynku dostępne są gotowe moduły zarządzające pracą pakietów, polecane do określonych typów ogniw. W przypadku konstrukcji rozbudowanych zestawów składających się z dużej liczby podzespołów konieczne jest opracowanie własnego obwodu zabezpieczającego, sterującego pracą pakietu oraz równoważącego parametry poszczególnych ogniw.
Damian Tomaszewski
