串联和并联ECTIVE电池配置

串联和并联电池配置

了解如何安排电池以增加电压或获得更高的容量。

电池通过将几个电芯串联起来达到所需的工作电压；每个电池加上其电压电势以得出总端电压。通过将总安培小时 (Ah) 相加，并联连接可获得更高的容量。

一些电池组可能包含串联和并联连接的组合。笔记本电脑电池通常有四个串联的 3.6V 锂离子电池以达到 14.4V 的标称电压，并有两个并联以将容量从 2,400mAh 提高到 4,800mAh。这种配置称为 4s2p，意思是四个串联的电池和两个并联的电池。电池之间的绝缘箔可防止导电金属表层引起短路。

大多数电池化学物质适合于串联和并联连接。使用具有相同电压和容量 (Ah) 的相同类型的电池非常重要，切勿混用不同品牌和尺寸的电池。较弱的电池会导致不平衡。这在串联配置中尤为重要，因为电池的强度取决于链中最薄弱的环节。一个类比是一条链，其中的链接代表串联连接的电池单元（图 1）。

图 1：比较电池和链条。 链节表示串联的电池以增加电压，加倍链接表示并联连接以增加电流负载。

弱电池可能不会立即失效，但在负载时会比强电池更快耗尽。充电时，低电池会先于强电池充满，因为要填充的电池较少，而且它比其他电池保持过充电的时间更长。放电时，弱细胞首先清空，然后被更强的兄弟锤击。多包电池必须匹配，尤其是在重负载下使用时。（参见 BU-803a：电池不匹配、平衡）。

单细胞应用

单电芯配置是最简单的电池组；电池不需要匹配，小锂离子电池上的保护电路可以保持简单。典型示例是带有一个 3.60V 锂离子电池的手机和平板电脑。单节电池的其他用途是挂钟（通常使用 1.5V 碱性电池）、手表和内存备份，其中大部分是非常低功耗的应用。

镍基电池的标称电池电压为1.2V，碱性电池为1.5V；氧化银为1.6V，铅酸为2.0V。一次锂电池的电压范围在 3.0V 到 3.9V 之间。锂离子为3.6V；磷酸锂为3.2V，钛酸锂为2.4V。

锂锰和其他锂基系统通常使用 3.7V 或更高的电池电压。这与化学无关，而是促进更高的瓦时 (Wh)，这可以通过更高的电压实现。争论的焦点是低内部电池电阻使负载下的电压保持在高水平。出于操作目的，这些电池作为 3.6V 候选电池。（参见 BU-303 电压混淆）

串联

需要更高电压的便携式设备使用两个或多个串联连接的电池组。图 2 显示了具有四个串联的 3.6V 锂离子电池（也称为 4S）的电池组，可产生 14.4V 标称电压。相比之下，每节 2V 的六节铅酸电池串将产生 12V，每节 1.5V 的四节碱性电池将产生 6V。
 

图 2：四个电池 (4s) 的串联 连接。 在串中添加电池会增加电压；容量保持不变。^{由 Cadex 提供}
 

如果您需要奇数电压，例如 9.50 伏，请串联连接五个铅酸电池、八个镍氢电池或镍镉电池或三个锂离子电池。结束电池电压不需要精确，只要它高于设备指定的电压即可。12V 电源可以代替 9.50V 工作。大多数电池供电的设备都可以承受一定的过电压；但是，必须遵守放电终止电压。

高压电池使导体尺寸较小。无绳电动工具使用 12V 和 18V 电池；高端型号使用 24V 和 36V。大多数电动自行车配备 36V 锂离子电池，有些是 48V。汽车行业希望通过串联放置 18 个铅酸电池，将启动器电池从 12V (14V) 增加到 36V，更广为人知的是 42V。更换电子元件的后勤工作和机械开关上的电弧问题阻碍了这一举措。

一些轻度混合动力汽车使用 48V 锂离子电池运行，并使用 DC-DC 转换为电气系统的 12V。启动发动机通常由一个单独的 12V 铅酸电池完成。早期的 混合动力汽车  使用 148V 电池； 电动汽车的电压 通常为 450–500V。这种电池需要 100 多个串联的锂离子电池。

高压电池需要仔细的 电池匹配，尤其是在承受重负载或在低温下运行时。当多个电池连接成一串时，一个电池发生故障的可能性是真实存在的，这将导致故障。为了防止这种情况发生，一些大型电池组中的固态开关绕过故障电池以允许持续的电流流动，尽管在较低的串电压下。

在更换老化电池组中的故障电池时，电池匹配是一项挑战。新电池的容量高于其他电池，导致不平衡。焊接结构增加了维修的复杂性，这就是为什么电池组通常作为一个整体更换的原因。

电动汽车中的高压电池无法完全更换，将电池组分成模块，每个模块由特定数量的电池组成。如果一个电池发生故障，则仅更换受影响的模块。如果新模块装有新电池，可能会出现轻微的不平衡。（参见 BU-910：如何修理电池组。）

图 3 显示了一个电池组，其中“电池 3”仅产生 2.8V 而不是标称的 3.6V。由于工作电压降低，该电池比普通电池组更快达到放电终止点。电压骤降​​，设备关闭并显示“电池电量低”消息。

图 3： 与故障电池的串联连接。 故障电池 3 会降低电压并过早切断设备。^{由 Cadex 提供}
 

如果一串电池中的一个电池电量不足，无人机中的电池和需要高负载电流的爱好者的遥控器通常会出现意外的电压降。汲取最大电流会给脆弱的细胞带来压力，从而可能导致崩溃。充电后读取电压并不能识别这种异常；检查电池平衡或使用 电池分析仪检查容量 。

进入系列字符串

通常的做法是接入铅酸阵列的串联串以获得较低的电压。在 24V 电池组上运行的重型设备可能需要 12V 电源进行辅助操作，并且该电压可在中途点方便地获得。

不建议轻敲，因为它会造成电池不平衡，因为电池组的一侧比另一侧负载更多。除非这种差异可以通过特殊的充电器来纠正，否则副作用是电池寿命会缩短。原因如下：

当使用常规充电器为不平衡的铅酸电池组充电时，充电不足的部分往往会发生 硫酸化 ，因为电池从未充满电。未承受额外负载的电池高压部分往往会过度充电，这会导致 腐蚀 并因放气而失水。请注意，为整个串充电的充电器会查看平均电压并相应地终止充电。

Tapping 在锂离子和镍基电池上也很常见，结果与铅酸电池相似：循环寿命缩短。（参见 BU-803a：电池匹配和平衡。）较新的设备使用 DC-DC 转换器来提供正确的电压。或者，电动汽车和混合动力汽车为辅助系统使用单独的低压电池。

并联

如果需要更高的电流，而更大的电池不可用或不符合设计限制，则可以并联一个或多个电池。大多数电池化学物质允许并联配置且副作用很小。图 4 显示了以 P4 排列并联连接的四个电池。图示电池组的标称电压保持在 3.60V，但容量 (Ah) 和运行时间增加了四倍。

图 4：四个电池的并联连接 (4p)。 使用并联电池时，Ah 容量和运行时间会增加，而电压保持不变。 由 Cadex 提供

出现高电阻或开路的电池在并联电路中不如在串联配置中重要，但故障电池会降低总负载能力。这就像一台发动机只在三个汽缸上点火，而不是在所有四个汽缸上点火。另一方面，短路更为严重，因为故障电池会从其他电池中耗尽能量，从而引起火灾。大多数所谓的电短路都是轻微的，表现为自放电升高。

反向极化或枝晶生长可能导致完全短路。大型电池组通常包含一个保险丝，如果发生短路，该保险丝可将故障电池与并联电路断开。图 5 说明了具有一个故障电池的并联配置。

图 5：与一个故障电池并联/连接。 弱电池不会影响电压，但会因容量降低而缩短运行时间。电池短路会导致过热并引发火灾。在较大的电池组上，保险丝通过隔离电池来防止高电流。 由 Cadex 提供

串联/并联

图 6 中所示的串联/并联配置可实现设计灵活性，并以标准电池尺寸实现所需的电压和电流额定值。总功率是电压乘以电流之和；一个 3.6V（标称）电池乘以 3,400mAh 产生 12.24Wh。四个 3,400mAh 的 18650 能量电池可以串联和并联连接，如图所示，标称电压为 7.2V，总电量为 48.96Wh。8 节电池的组合将产生 97.92Wh，这是在飞机上携带或在没有第 9 类有害物质的情况下运输的允许限制。（参见 BU-704a：空运锂基电池）纤薄的电池允许灵活的包装设计，但  需要保护电路。

图 6：四个电池的串联/并联连接 (2s2p)。 这种配置提供了最大的设计灵活性。并联电池有助于电压管理。 由 Cadex 提供

锂离子电池非常适合串联/并联配置，但电池需要监控以保持在电压和电流限制内。 适用于各种电池组合的集成电路 (IC) 可用于监控多达 13 节锂离子电池。更大的电池组需要定制电路，这适用于电动自行车电池、混合动力汽车和 Tesla Model 85，它消耗超过 7000 个 18650 电池来构成 90kWh 电池组。

描述串联和并联连接的术语

电池行业首先指定串联电池的数量，然后是并联放置的电池数量。一个例子是 2s2p。对于锂离子电池，总是首先制造并联串；然后将完成的并联单元串联放置。锂离子是一种基于电压的系统，非常适合并联形成。将几个电池组合成并联，然后串联添加这些单元可以降低电池组保护的电压控制方面的复杂性 。

先构建串联串，然后将它们并联放置可能更常见于 NiCd 电池组，以满足在电荷顶部平衡电荷的化学穿梭机制。“2s2p”很常见；已发布的白皮书提到串行串并联时的 2p2s。

串并联安全装置

正温度系数开关 (PTC) 和充电中断设备 (CID) 可保护电池免受过流和过压的影响。虽然建议在具有串联和并联配置的较小 2 节或 3 节电池组中确保安全，但在较大的多节电池（例如用于电动工具的电池）中通常会省略这些保护装置。PTC 和 CID 按预期工作以在过电流和内部电池压力下切换电池；然而，关闭以级联格式发生。虽然一些电池可能会提前离线，但负载电流会导致剩余电池上的电流过大。这种过载情况可能会在其余安全设备激活之前导致热失控。

有些电池内置PCT和CID；这些保护装置也可以追加。设计工程师必须意识到任何安全装置都可能发生故障。此外，PTC 会产生一个小的内部电阻，从而降低负载电流。（另请参阅 BU-304b：使锂离子安全）