Hogyan vannak összekapcsolva a cellák az akkumulátorban

Gondolkodott már azon, hogyan van összekapcsolva a cellák rendszere az akkumulátor belsejében? Egy szabványos INR18650 típusú cella névleges feszültsége körülbelül 3,6V, és kapacitása nem haladja meg a 3,0Ah-t. Hogyan lehetséges tehát, hogy a professzionális szerszámgépek akkumulátorai 10,8V vagy annál magasabb feszültséggel, valamint a 3,0Ah-s határt meghaladó kapacitással működnek? A választ nemcsak a fizikában találjuk meg, hanem ebben a cikkben is. 😀

Egyetlen, 3,6 V névleges feszültségű cella önmagában nem biztosít elegendő teljesítményt az akkumulátoros kéziszerszámok számára. Például egy 10,8V-os csavarozó három sorosan összekapcsolt cellára van utalva, hogy elegendő energiával rendelkezzen a csavar hatékony behajtásához kemény fába. Még igényesebb feladatokhoz, mint például a fúrás vagy a hosszabb távú használat nagyobb terhelés mellett, 18V-os akkumulátorokat alkalmaznak, amelyek öt cella soros összekapcsolásával vagy soros-párhuzamos kombinált kapcsolással jönnek létre a nagyobb kapacitás érdekében.

Mit rejt az akkumulátor

Ha az akkumulátoron jelölést találunk, különféle adatokat olvashatunk ki róla, többek között az egyes cellák kapcsolási módját is. A „Hogyan igazodjunk el az akkumulátorok jelöléseiben“ című cikkben magyarázatot kapott a „kód” (1. ábra):

• N₁ - a sorosan kapcsolt cellák száma
• N₅ - a párhuzamosan kapcsolt cellák száma (nem jelenik meg, ha az érték 1)

1. ábra. Akkumulátor jelölése

A fenti példából egyértelmű, hogy az akkumulátor két párhuzamos ágból áll, amelyek mindegyike 5 darab sorosan kapcsolt cellát tartalmaz. Már önmagában a jelölésből is következik, hogy az akkumulátor névleges feszültsége: 3,6V × 5 = 18V.

Általánosságban elmondható:

• ha az akkumulátor feszültsége meghaladja a 3,6V-ot, az azt jelenti, hogy a cellák sorosan vannak összekapcsolva, mivel egyetlen Li-ion cella névleges feszültsége 3,6V
• ha az akkumulátor kapacitása 4Ah vagy több, akkor mindig párhuzamos kapcsolást tartalmaz, mivel egy cella tipikusan 2–3Ah-s, és a nagyobb kapacitást több cella párhuzamos összekapcsolásával érik el
• például egy 18V-os és 5Ah-s akkumulátor mindig soros-párhuzamos kapcsolású, tehát több cellasorozatot tartalmaz, amelyek párhuzamosan is össze vannak kötve
• Ezt a kapcsolási módot gyakran már az akkumulátor fizikai mérete alapján meg lehet becsülni – minél nagyobb a kapacitás vagy a feszültség, annál több cella van benne, és annál nagyobb az akkumulátor is.

2. ábra. HERMAN 10,8V (A) és 18V (B) akkumulátor

A 2. ábra A részén egy 10,8V-os akkumulátor látható, amelynek kompakt méretei már első pillantásra arra utalnak, hogy belsejében három darab 18650-es cella van sorosan összekapcsolva. Ezzel szemben a 2. ábra B részén látható akkumulátor jelentősen nagyobb, és figyelembe véve a 18V-os feszültségét, nyilvánvaló, hogy több mint öt cellát tartalmaz. Ez azt jelenti, hogy az egyes cellák sorosan és párhuzamosan is el vannak rendezve, hogy elérjék a kívánt kapacitást és feszültséget.

Soros kapcsolás

A soros kapcsolás azt jelenti, hogy a cellák „egymás után” vannak összekapcsolva, azaz az egyik cella pozitív pólusa a következő cella negatív pólusához csatlakozik. Az eredő feszültség a cellák feszültségeinek összege, míg a kapacitás változatlan marad.

A 3. ábra négy darab, 3,6V-os cella soros kapcsolását szemlélteti, amelyek együttesen 14,4V feszültséget adnak. Az összfeszültség ilyen kapcsolás esetén a cellák feszültségének összegeként számítható ki. Ha tehát 4 darab, 3,6V-os névleges feszültségű cellát használunk, a rendszer teljes névleges feszültsége 3,6 + 3,6 + 3,6 + 3,6 = 14,4V lesz.

3. ábra. Soros kapcsolás

4. ábra. Soros kapcsolás hibás cellával

Minden cellán ugyanaz az áram halad át, ami azt jelenti, hogy akár csak egyetlen cella meghibásodása is negatívan befolyásolhatja az egész akkumulátort. A 4. ábra olyan kapcsolást ábrázol, amelyben az egyik cella névleges feszültsége csupán 2,8V. A csökkent feszültség miatt az így összekapcsolt akkumulátor lényegesen hamarabb lemerül, mint a hibátlan cellákkal rendelkező akkumulátor. Az akkumulátor névleges feszültsége 13,6V lesz, a teljes kapacitása pedig 1000mAh, mivel az áram az ágon belül azonos, és a gyengébb cella korlátozza a többit.

A leggyakoribb esetek meghibásodáskor:

• egy megszakadt cella megszakítja az egész áramkört, és az akkumulátor működésképtelenné válik
• egy zárlatos cella feszültségesést okoz, és túlterhelheti a többi cellát

A biztonság és az élettartam szempontjából ezért nem megengedett különböző névleges feszültségű cellák kombinálása. Az egész rendszer kapacitását a leggyengébb cella határozza meg.

Párhuzamos kapcsolás

Párhuzamos kapcsolás esetén (5. ábra) a cellák „egymás mellett” vannak összekötve, azaz minden cella pozitív pólusa össze van kapcsolva egymással, és ugyanígy a negatív pólusok is össze vannak kötve. Ilyen kapcsolásnál a feszültség változatlan marad, azonban az összes cella kapacitása összeadódik.

Az akkumulátor rendszerének névleges feszültsége továbbra is 3,6V marad, viszont a kapacitás négyszeresére nő. Ha tehát 4 darab, egyenként 2000mAh kapacitású cellát használunk, a rendszer végső kapacitása 2000 + 2000 + 2000 + 2000 = 8000mAh lesz.

5. ábra. Párhuzamos kapcsolás

6. ábra. Párhuzamos kapcsolás hibás cellával

Az a cella, amely a rendszerben magas belső ellenállással rendelkezik, vagy megszakad, párhuzamos kapcsolás esetén kevésbé kritikus, mint soros kapcsolásnál. Ez a hibás cella azonban csökkenti a teljes terhelhetőséget. Ezt egy négyhengeres motorhoz hasonlíthatjuk, amely csak három hengeren működik. A zárlatos cella nagyobb problémát jelent, mivel a hibás cella elszívja az energiát a többi cellától, és túlmelegedést, sőt akár tüzet is okozhat.

A legtöbb ilyen módon sérült cella azonban nem okoz közvetlen zárlatot, hanem fokozott önkisülés formájában jelentkezik. Ezt a helyzetet mutatja be a 6. ábra. Párhuzamos kapcsolás esetén minden cella ugyanazt a feszültséget osztja meg, de az áram eloszlik közöttük. A megadott példában az akkumulátor teljes névleges feszültsége 3,6V, és teljes kapacitása 7000mAh.

A leggyakoribb esetek meghibásodáskor:

• megszakadt cella – leválik a rendszerről, de a többi cella tovább működik – a rendszer teljes kapacitása csökken, de a feszültség nem
• zárlatos cella – áramot fogyaszt a többi cellától – túlmelegedéshez vezet

Kombinált (soros-párhuzamos) kapcsolás

A gyakorlatban leggyakrabban alkalmazott megoldás a soros és párhuzamos kapcsolás kombinációja (7. ábra), amely lehetővé teszi a kívánt feszültség és kapacitás elérését. A cellák kombinált kapcsolása tehát lehetőséget ad olyan akkumulátorok létrehozására, amelyek egyszerre rendelkeznek magasabb feszültséggel és nagyobb kapacitással. Tipikus példa erre a 4S2P jelöléssel ellátott akkumulátor, ahol:

• 4S - négy cella soros kapcsolása → az eredő feszültség 4 × 3,6V = 14,4V
• 2P - két párhuzamos ág → az eredő kapacitás 2 × 2000mAh = 4000mAh

A soros-párhuzamos cellaelrendezést különböző alkalmazásokban használják – az akkumulátoros szerszámoktól kezdve egészen az elektromos kerékpárok akkumulátoraiig, ahol magasabb feszültség és megfelelő kapacitás kombinációjára van szükség.

7. ábra. Kombinált (soros/párhuzamos) kapcsolás

8. ábra. Cellák kapcsolása a HERMAN BL 18V (A) akkumulátorban, és az elektromos kerékpár akkumulátorában (B)

Ugyanakkor a párhuzamos kapcsolás révén ez a konfiguráció bizonyos tartalékot is biztosít – ha az egyik ág meghibásodik, a többi ág ideiglenesen képes működésben tartani az akkumulátort.

A technikában ezt az elvet redundanciának nevezik, azaz az elemek szándékos megkettőzését a nagyobb megbízhatóság és a meghibásodásokkal szembeni ellenállóképesség érdekében. Ha egy cella meghibásodik, a többi cella a párhuzamos ágakban részben át tudja venni annak feladatát. Ennek köszönhetően a meghibásodás nem feltétlenül vezet az akkumulátor működésképtelenné válásához, ami növeli annak általános megbízhatóságát és biztonságát.

A cellák valós kapcsolási módját különböző akkumulátorokban a 8. ábra szemlélteti.

Alapelvek cellák kombinálásakor

Amikor cellákat kapcsolunk össze egy akkumulátor rendszerbe, kulcsfontosságú az alábbi szabályok betartása:

• azonos kémiai összetétel: csak azonos kémiai összetételű cellák kombinálhatók
• feszültség: a rendszer összes cellájának azonos névleges feszültséggel kell rendelkeznie
• kapacitás: a rendszer összes cellájának azonos kapacitással kell rendelkeznie

Ezen kívül figyelembe kell venni:

• a cellák belső ellenállását – eltérő értékek kiegyensúlyozatlan energiaáramláshoz, valamint nagyobb túlterhelési vagy zárlati kockázathoz vezetnek
• a cellák műszaki állapotát – új és régi cellák kombinálása jelentősen csökkenti az akkumulátor teljesítményét és élettartamát

Más szóval – ideális esetben mindig azonos típusú cellákat kell használni.

Az egyes kapcsolások előnyei és hátrányai

A BMS (Battery Management System) olyan elektronika, amely vezérli és védi az akkumulátort:

• figyeli az egyes cellák feszültségét, áramát és hőmérsékletét
• véd a túltöltés, túlmerítés, zárlat vagy túlmelegedés ellen
• kiegyenlíti a cellák közötti feszültséget (balanszírozás), hogy az akkumulátor egyenletesen töltődjön és merüljön

A BMS-nek köszönhetően az akkumulátor biztonságosabb, hosszabb élettartamú és stabil teljesítményű lesz.

Zárszó

Az akkumulátor celláinak kapcsolási módja nem csupán technikai részlet – ez egy kulcsfontosságú elem, amely meghatározza az akkumulátor teljesítményét, kapacitását és biztonságát. Bár a felhasználó maga nem kapcsolja össze a cellákat az akkumulátorban, mégis hasznos tudni, mi rejlik annak belsejében.

A soros kapcsolást a magasabb feszültség elérésére használják, a párhuzamos kapcsolást a kapacitás növelésére, a kombinált kapcsolás pedig mindkettő előnyeit ötvözi. Minden megoldásnak megvannak a sajátosságai – soros kapcsolásnál egy cella meghibásodása az egész láncot leállíthatja, párhuzamos kapcsolásnál viszont a cellák egyenletes terhelését kell biztosítani. Bonyolultabb akkumulátorok esetében ezeket a feladatokat elektronika vezérli, amely felügyeli az egész rendszer biztonságos és megbízható működését.

Kulcsszavak: akkumulátorok, Li-ion akkumulátorok, akkumulátoros szerszámok, cellák az akkumulátorokban, akkumulátorok működési elve, cellakapcsolások az akkumulátorokban

Források:
A HERMAN cég belső műszaki és oktató dokumentációi
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

A HERMAN cegnél dolgozom közel 25 éve. Ez az első munkahelyem es ennél jobbat nem ismerek. Munkaruhában kezdtem, mint a szerszámok garanciális és garancia utánni javításait végző technikus, néhány évig a szerviz részleget vezettem, majd belekóstoltam a logisztikába, az informatikába, programozásba és részt veszek a minőségirányításban is. A megszerzett tapasztalatokat most a belső folyamatok és az ügyfélszolgálat folyamatos javítására és finomítására fordítom. Szeretem "kiszellőztetni a fejemet" a műhelyemben végzett kétkezi munka közben, vagy ha a kerékpárom nyergében ülök, és számtalan kilométert teszek meg Gömörben és környékén.