Способы соединения и защитные схемы литиевых аккумуляторов

Схемы соединения литиевых тяговых АКБ для складской техники

Из нескольких литиевых тяговых аккумуляторных блоков (АКБ) можно создать мощную систему с заданными параметрами напряжения и емкости. Такая конфигурация позволяет обеспечить энергией различную складскую технику: электропогрузчики, ричтраки и электротележки. В качестве базовых элементов чаще всего используются литий-железо-фосфатные (LFP) аккумуляторы с номинальным напряжением 3,2 В или никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC) элементы с напряжением 3,6–3,7 В.

За счет различных способов объединения элементов (последовательно, параллельно или последовательно-параллельно) можно получить системы в диапазоне от 24 до 96 В, используя, например, стандартные 12-вольтовые литиевые блоки.

Особенности последовательного соединения (Series)

Последовательная схема применяется, когда основной целью является увеличение общего напряжения системы при сохранении исходной емкости каждого блока.

Принцип работы: При последовательном соединении плюсовая клемма первого аккумулятора подключается к отрицательной клемме следующего. Таким образом, напряжения всех элементов суммируются. Например, для создания 12-вольтовой системы из LFP-ячеек по 3,2 В необходимо последовательно соединить 4 элемента (конфигурация 4S).

Технические изменения:

• Напряжение: Растет пропорционально количеству элементов.
• Емкость: Остается неизменной (равна емкости одного блока).
• Внутреннее сопротивление: Увеличивается.

Важные нюансы безопасности: При последовательном соединении критически важно, чтобы все используемые блоки были абсолютно идентичными по модели, производителю, степени износа и уровню заряда. Если один из элементов имеет более высокое внутреннее сопротивление или разряжен, происходит дисбаланс. Это может привести к преждевременному отключению батареи системой BMS (Battery Management System) или перегреву отдельных ячеек.

Особенности параллельного соединения (Parallel)

Параллельная связь используется для увеличения общей энергоемкости системы (в Ампер-часах, Ач) при сохранении исходного рабочего напряжения.

Принцип работы: При параллельном соединении положительные клеммы всех блоков соединяются между собой, а отрицательные — также вместе. Напряжение системы остается равным напряжению одного блока, а общая емкость увеличивается.

Технические изменения:

• Напряжение: Остается неизменным.
• Емкость: Растет пропорционально количеству блоков.
• Внутреннее сопротивление: Уменьшается, что позволяет системе отдавать больший ток.

Риски и предосторожности: Главная опасность параллельного соединения заключается в том, что при подключении аккумуляторов с разным уровнем заряда или разным внутренним сопротивлением между ними возникнет мощный ток саморазряда. Это может вызвать быстрый перегрев и термический разгон. Чтобы предотвратить это, все блоки должны иметь одинаковый заряд перед соединением. Также обязательно использование предохранителей, чувствительных к короткому замыканию.

Последовательно-параллельные схемы (S-P)

Комбинированная (последовательно-параллельная) схема позволяет получить тяговый источник питания с оптимальным балансом напряжения и емкости, сохраняя при этом компактные размеры батареи.

В такой конфигурации элементы сначала соединяются последовательно в цепочки (группы), которые затем объединяются параллельно.

• Пример: Конфигурация 4S2P означает, что из четырех последовательно соединенных ячеек (4S) сформированы две параллельные группы (2P). Это увеличивает и напряжение, и емкость системы в два раза по сравнению с одним блоком 4S.

Такие схемы широко применяются в складской технике для достижения высоких показателей мощности при сохранении допустимых габаритных размеров аккумуляторного отсека.

Схемы защиты и системы управления (BMS)

Литий-ионные и литий-железо-фосфатные аккумуляторы требуют обязательного контроля параметров работы для обеспечения безопасности эксплуатации. Защита может быть реализована на двух уровнях:

Встроенная аппаратная защита

Предотвращает физическое разрушение элементов из-за критических условий:

• Термический контроль: Предотвращает повреждение от перегрева.
• Устройство прерывания тока (CID): Блокирует цепь при превышении давления внутри ячейки. При критическом подъеме давления диск отходит от фольги, и газ выходит через специальные клапаны.

Внешняя электронная защита (BMS)

Плата BMS является мозгом системы и отвечает за мониторинг каждого блока в цепочке:

• Балансировка: Выравнивает напряжение на всех последовательно соединенных элементах.
• Мониторинг параметров: Реагирует на перезох, глубокий разряд и перегрев.
• Индикация: Передает сигналы о состоянии системы на контроллер техники или зарядное устройство.

При проектировании или сборке тяговых систем из отдельных литиевых блоков необходимо убедиться, что выбранная BMS поддерживает требуемое количество последовательных (S) и параллельных (P) соединений и обеспечивает необходимую силу тока для конкретной модели техники.