Akým spôsobom sú zapojené články v akumulátore

Zamysleli ste sa niekedy, ako je zapojená sústava článkov vo vnútri akumulátora? Jeden štandardný článok typu INR18650 má nominálne napätie približne 3,6V a kapacitu neprevyšujúcu 3,0Ah. Ako je teda možné, že akumulátory pre profesionálne náradie pracujú s napätím 10,8V alebo vyšším a kapacitou presahujúcou hranicu 3,0Ah? Odpoveď nájdeme nielen vo fyzike, ale aj v tomto článku. 😀

Jeden článok s nominálnym napätím 3,6V sám o sebe neposkytuje dostatočný výkon pre akumulátorové náradie. Napríklad skrutkovač s napätím 10,8V potrebuje tri sériovo spojené články, aby mal dostatok energie na efektívne zaskrutkovanie skrutky do tvrdého dreva. Pre ešte náročnejšie úlohy, ako je vŕtanie alebo dlhodobé používanie pri vyššom zaťažení, sa používajú akumulátory s 18V, ktoré vznikajú spojením piatich článkov v sérii alebo kombinovaným sériovo-paralelným zapojením pre vyššiu kapacitu.

Čo sa skrýva v akumulátore

Ak nájdeme na akumulátore označenie, môžeme z neho vyčítať rozličné údaje, okrem iných, aj spôsob zapojenia jednotlivých článkov. V článku „Ako sa vyznať v označovaní akumulátorov“ bol vysvetlený „kód“ (obr. 1):

• N₁ - je počet sériovo zapojených článkov
• N₅ - počet paralelne spojených článkov (nezobrazené, ak je hodnota 1)

Obr. 1. Označenie akumulátora

Z uvedeného príkladu je zrejmé, že akumulátor je zložený z dvoch paralelných vetiev, z ktorých každá má 5 článkov zapojených do série. Už zo samotného označenia vyplýva, že nominálne napätie akumulátora bude: 3,6V x 5 = 18V.

Vo všeobecnosti platí:

• ak je napätie akumulátora vyššie ako 3,6V, znamená to, že články sú zapojené do série, pretože jeden Li-ion článok má nominálne 3,6V
• ak má akumulátor kapacitu 4Ah alebo viac, vždy obsahuje paralelné zapojenie, keďže jeden článok má typicky 2–3Ah a vyššia kapacita sa dosahuje spojením viacerých článkov paralelne
• napríklad akumulátor s parametrami 18V a 5Ah je vždy sériovo-paralelný, teda obsahuje viac sérií článkov zapojených aj paralelne
• tento spôsob zapojenia je možné často odhadnúť už podľa fyzickej veľkosti akumulátora – čím väčšia kapacita alebo napätie, tým väčší počet článkov je vnútri a väčší je aj samotný akumulátor

Obr. 2. Akumulátor HERMAN 10,8V (A) a 18V (B)

Na obr. 2 A je zobrazený 10,8V akumulátor, ktorého kompaktné rozmery už na prvý pohľad naznačujú, že vnútri sa nachádzajú tri články typu 18650 zapojené sériovo. Naopak, akumulátor na obr. 2 B je zreteľne väčší a vzhľadom na jeho napätie 18V je zrejmé, že obsahuje viac ako päť článkov. To znamená, že jednotlivé články sú usporiadané sériovo aj paralelne, aby sa dosiahla požadovaná kapacita aj napätie.

Sériové zapojenie

Sériové zapojenie znamená, že články sú spojené „za sebou“, t.j. kladný pól jedného článku je prepojený so záporným pólom nasledujúceho článku. Výsledné napätie sa rovná súčtu napätí jednotlivých článkov, zatiaľ čo kapacita ostáva rovnaká.

Obr. 3 znázorňuje zapojenie štyroch článkov 3,6V do série, ktoré produkujú napätie 14,4V. Celkové napätie sa v takomto zapojení vypočíta ako súčet napätí jednotlivých článkov. Ak teda použijeme 4 články s nominálnym napätím 3,6V, celkové nominálne napätie sústavy bude 3,6 + 3,6 + 3,6 + 3,6 = 14,4V.

Obr. 3. Sériové zapojenie

Obr. 4. Sériové zapojenie s chybným článkom

Všetkými článkami preteká rovnaký prúd, čo znamená, že porucha čo i len jedného článku môže negatívne ovplyvniť celý akumulátor. Obr. 4 znázorňuje zapojenie, v ktorom jeden článok má nominálne napätie iba 2,8V. Pri zníženom napätí sa takto zapojený akumulátor vybije podstatne skôr ako akumulátor s bezchybnými článkami. Nominálne napätie akumulátora bude 13,6V a celková kapacita bude 1000mAh, pretože prúd vo vetve je rovnaký a slabší článok obmedzí ostatné.

Najbežnejšie typy poškodenia:

• prerušený článok preruší celý obvod a akumulátor prestane fungovať
• skratovaný článok spôsobí pokles napätia a môže viesť k preťaženiu ostatných článkov

Z hľadiska bezpečnosti a životnosti je preto neprípustné kombinovať články s rozdielnym menovitým napätím. Celkovú kapacitu sústavy určuje najslabší článok.

Paralelné zapojenie

V paralelnom zapojení (obr. 5) sú články zapojené „vedľa seba“, to znamená, že všetky kladné póly článkov sú prepojené medzi sebou a rovnako všetky záporné póly. Takéto zapojenie zachováva rovnaké napätie, ale sčítava sa kapacita všetkých článkov.

Nominálne napätie sústavy akumulátora zostáva na úrovni 3,6V, ale kapacita je štvornásobná. Ak teda použijeme 4 články s kapacitou 2000mAh, výsledná kapacita sústavy bude 2000 + 2000 + 2000 + 2000 = 8000mAh.

Obr. 5. Paralelné zapojenie

Obr. 6. Paralelné zapojenie s chybným článkom

Článok, ktorý má v sústave vysoký odpor alebo sa rozpojí, je v paralelnom zapojení menej kritický ako v sériovom zapojení. Tento chybný článok však zníži celkovú zaťažiteľnosť. Môžeme to prirovnať k štvorvalcovému motoru, ktorý pracuje len na tri valce. Skratovaný článok je väčší problém, pretože chybný článok odčerpáva energiu z ostatných článkov a môže predstavovať riziko prehriatia či dokonca požiaru.

Väčšina takto poškodených článkov však nespôsobuje priamy skrat a prejavuje sa ako zvýšené samovybíjanie. Táto situácia je znázornená na obr. 6. Pri paralelnom zapojení všetky články zdieľajú rovnaké napätie, no prúd sa medzi ne rozdeľuje. V uvedenom príklade má akumulátor celkové nominálne napätie 3,6V a celkovú kapacitu 7000mAh.

Najbežnejšie typy poškodenia:

• prerušený článok – odpojí sa od systému, ale zvyšné články fungujú ďalej – systém má zníženú celkovú kapacitu, nie však napätie
• skratovaný článok – spotrebúva prúd z ostatných článkov – dochádza k prehrievaniu

Kombinované (sériovo-paralelné) zapojenie

Najčastejšie používaným riešením v praxi je kombinácia sériového a paralelného zapojenia (obr. 7), ktoré umožňuje dosiahnuť požadované napätie aj kapacitu. Kombinované zapojenie článkov teda umožňuje vytvárať akumulátory, ktoré majú súčasne vyššie napätie aj vyššiu kapacitu. Typickým príkladom je akumulátor s označením 4S2P, kde:

• 4S - štyri články zapojené v sérii → výsledné napätie je 4 × 3,6V = 14,4V
• 2P - dve paralelné vetvy → výsledná kapacita je 2 × 2000mAh = 4000mAh

Sériovo-paralelné usporiadanie článkov sa využíva v rôznych aplikáciách – od akumulátorového náradia až po akumulátory používané v elektrických bicykloch, kde je potrebné skombinovať vyššie napätie aj dostatočnú kapacitu.

Obr. 7. Kombinované (sériovo/paralelné) zapojenie

Obr. 8. Zapojenie článkov v akumulátore HERMAN BL 18V (A), a v akumulátore pre elektrický bicykel (B)

Zároveň vďaka paralelnému zapojeniu prináša takáto konfigurácia čiastočnú rezervu – ak jedna vetva zlyhá, ostatné dokážu akumulátor dočasne udržať v chode.

V technike sa tento princíp označuje ako redundancia, teda zámerné zdvojenie prvkov pre vyššiu spoľahlivosť a odolnosť voči poruche. Ak zlyhá jeden článok, zvyšné články v ostatných paralelných vetvách dokážu čiastočne prevziať jeho úlohu. Vďaka tomu pri poruche nemusí dôjsť k zlyhaniu akumulátora, čo zvyšuje jeho celkovú spoľahlivosť a bezpečnosť.

Reálny spôsob zapojenia článkov v rôznych akumulátoroch je znázornený na obr. 8.

Zásady pri kombinovaní článkov

Pri spájaní článkov do jednej batériovej sústavy je kľúčové dodržať tieto pravidlá:

• zhodné chemické zloženie: kombinovať sa smú len články rovnakého chemického zloženia
• napätie: všetky články v sústave musia mať rovnaké nominálne napätie
• kapacita: všetky články v sústave musia mať rovnakú kapacitu

Okrem toho treba brať do úvahy aj:

• vnútorný odpor článkov – rôzne hodnoty vedú k nevyváženému prúdeniu energie a vyššiemu riziku preťaženia či skratu
• stav opotrebenia – kombinovanie nových a starších článkov výrazne znižuje celkový výkon a životnosť batérie

Inými slovami – ideálne je použiť vždy rovnaké typy článkov.

Výhody a nevýhody jednotlivých zapojení

BMS (Battery Management System) je elektronika, ktorá riadi a chráni akumulátor:

• sleduje napätie, prúd a teplotu jednotlivých článkov
• chráni pred prebitím, podbitím, skratom alebo prehriatím
• vyrovnáva napätia medzi článkami (balancovanie), aby sa akumulátor rovnomerne nabíjal a vybíjal

Vďaka BMS je akumulátor bezpečnejší, má dlhšiu životnosť a stabilný výkon.

Záver

Spôsob zapojenia akumulátorových článkov nie je len technický detail – ide o kľúčový prvok, ktorý určuje výkon, kapacitu a bezpečnosť akumulátora. Hoci si používateľ články v akumulátore sám nezapája, je užitočné vedieť, čo sa skrýva v jeho vnútri.

Sériové zapojenie sa používa na dosiahnutie vyššieho napätia, paralelné na zvýšenie kapacity a kombinované spája výhody oboch. Každé riešenie má svoje špecifiká – pri sériovom zapojení môže porucha jedného článku zastaviť celý reťazec, paralelné naopak vyžaduje rovnomerné zaťaženie článkov. Pri zložitejších akumulátoroch tieto úlohy riadi elektronika, ktorá dohliada na bezpečnú a spoľahlivú prevádzku celého systému.

Kľúčové slová: akumulátorové batérie, Li-ion batérie, akumulátorové náradie, články v akumulátoroch, princíp fungovania akumulátorov, zapojenie článkov akumulátorov

Zdroje:
Interné technické a školiace materiály spoločnosti HERMAN
https://www.youtube.com/watch?v=ONmyxtp-p54
https://blog.seidel-philipp.de/diy-build-a-longrange-lithium-ion-battery/#google_vignette
https://youtu.be/-swoFnETsac

Mgr. Peter Halaj

Práca vo firme je mojím prvým zamestnaním a už takmer 25 rokov nič lepšie nepoznám. Začínal som v montérkach ako technik pre záručné a pozáručné opravy HERMAN náradia, niekoľko rokov som riadil úsek servisu, potom som sa zahryzol do logistiky, IT, programovania a venujem sa aj manažérstvu kvality. Nadobudnuté skúsenosti uplatňujem v súčasnosti pri neustálom vylepšovaní a zdokonaľovaní interných procesov a služieb pre zákazníka. Hlavu si rád „prečistím“ pri manuálnej práci vo svojej dielni alebo v sedle bicykla hltaním nespočetných kilometrov u nás na Gemeri a okolí.