ما هي الاختلافات بين بطاريات السلسلة المكدسة وغيرها؟

التكوين الكهربائي والأداء

يكمن الاختلاف الأساسي في كيفية ترابط الخلايا وكيف يؤثر ذلك على إجمالي الخرج الكهربائي وإدارة حزمة البطارية.

1.1. الجهد والقدرة الانتاجية

في تكوين السلسلة المكدسة، يكون التوصيل الكهربائي الأساسي متسلسلًا. توصيل الخلايا في سلسلة يعني أن الطرف الموجب لخلية واحدة مرتبط بالطرف السالب للخلية التالية. وينتج عن هذا أن تكون الفولتية لكل خلية مضافة، بينما تظل السعة الإجمالية (بالأمبير-ساعة) مساوية لسعة خلية واحدة. على سبيل المثال، أربع خلايا 3.7 فولت، 2 أمبير في سلسلة مكدسة ستنتج حزمة 14.8 فولت، 2 أمبير.

في التكوين المتوازي النقي، يتم توصيل جميع الأطراف الموجبة معًا، ويتم توصيل جميع الأطراف السالبة معًا. هذا يحافظ على الجهد كما هو الحال في خلية واحدة ولكنه يضاعف السعة. نفس الخلايا الأربع المتوازية ستنتج حزمة 3.7 فولت، 8 أمبير.

يجمع نظام Hybrid المتوازي المتسلسل بين كلا الطريقتين لتحقيق الجهد والسعة المطلوبة. على سبيل المثال، يمكن توصيل زوجين من الخلايا المتوازية على التوالي، مما ينتج عنه 7.4 فولت و4 أمبير مع نفس الخلايا الأربع.

1.2. التعامل مع التيار والمقاومة الداخلية

يستفيد التكوين المتوازي من مقاومة داخلية أقل فعالية وتيار تفريغ أعلى. ونظرًا لمشاركة التيار عبر خلايا متعددة، يتم تقليل الحمل على كل خلية على حدة، وهو أمر مفيد للتطبيقات عالية التصريف.

يتمتع تكوين السلسلة المكدسة بمقاومة داخلية أعلى، حيث تتزايد مقاومة كل خلية. وهذا يعني أن الحزمة أقل ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب دفعات تيار عالية جدًا، حيث أن الجهد سوف ينخفض ​​بشكل ملحوظ تحت الحمل مقارنةً بحزمة متوازية من الخلايا المكافئة.

1.3. تعقيد نظام إدارة البطارية (BMS).

تقدم الاتصالات المتسلسلة، بما في ذلك السلاسل المكدسة، التحدي المتمثل في موازنة الخلايا. مع مرور الوقت، تؤدي الاختلافات الطفيفة في السعة والمقاومة الداخلية إلى شحن وتفريغ بعض الخلايا في سلسلة السلسلة بمعدلات مختلفة قليلاً. بدون وجود BMS لموازنة الفولتية بشكل فعال، يمكن أن تصبح بعض الخلايا مشحونة بشكل زائد أو مفرطة التفريغ، أو فشل سابق لأوانه أو مخاطر على السلامة. تكون التكوينات المتوازية ذاتية التوازن بطبيعتها، حيث يتم الاحتفاظ بالخلايا عند نفس جهد الجهد، مما يتطلب نظام إدارة المباني أقل تعقيدًا.

الهيكل الجسدي والتكامل

يشير الجانب "المكدس" من التصميم إلى التخطيط المادي، الذي يحمل العديد من الآثار المترتبة على المنتج النهائي.

2.1. عامل الشكل والكفاءة المكانية

غالبًا ما يتم اختيار ترتيب السلسلة المكدسة نظرًا لصغر حجمها. من خلال البناء عموديًا، تشغل الحزمة مساحة قاعدة أصغر، والتي يمكن أن تكون حاسمة في الأجهزة التي تكون فيها المساحة مقيدة في بعدين، كما هو الحال في أجهزة الكمبيوتر المحمولة الرفيعة، أو بعض الأدوات الكهربائية، أو داخل هيكل السيارة الكهربائية. يؤدي هذا إلى إنشاء ملف تعريف طويل وضيق.

التكوينات الأخرى، مثل السلسلة جنبًا إلى جنب أو الكتلة المتوازية، تؤدي عادةً إلى ملف تعريف أكثر اتساعًا وأكثر انبساطًا. قد يكون هذا مفضلاً في تطبيقات مثل صواني البطاريات الموجودة أسفل الأرضية في المركبات الكهربائية أو في وحدات التخزين الثابتة الكبيرة حيث يمثل الارتفاع عائقًا أكبر من البصمة.

2.2. الإدارة الحرارية

الآثار الحرارية للتكديس كبيرة. في حزمة السلسلة المكدسة، تكون الخلايا على اتصال حراري وثيق مع بعضها البعض. يمكن أن يكون هذا عيبًا، حيث يمكن للحرارة من خلية واحدة أن تنتشر بسهولة إلى الخلايا المجاورة لها، مما قد يؤدي إلى إنشاء مسار حراري هارب. يتطلب التبريد الفعال في كثير من الأحيان وجود فجوات أو قنوات حرارية مخصصة بين الخلايا، مما قد يؤدي إلى إبطال فائدة توفير المساحة.

في الترتيب جنبًا إلى جنب، غالبًا ما يكون من الأسهل دمج زعانف التبريد أو قنوات الهواء أو ألواح التبريد السائلة بين الخلايا، حيث توجد مساحة سطحية يمكن الوصول إليها بشكل أكبر للتبادل الحراري. وهذا يمكن أن يؤدي إلى درجات حرارة تشغيل أكثر استقرارًا وعمرًا أطول للخلية.

2.3. الاستقرار الميكانيكي والصلابة

يمكن أن تكون حزمة السلسلة المكدسة المصممة جيدًا عبارة عن بنية صلبة جدًا، حيث يمكن ضغط الخلايا معًا داخل مبيت صلب. يمكن أن يكون هذا مفيدًا في البيئات ذات الاهتزازات الكبيرة.

ومع ذلك، يجب تصميم الهيكل بعناية للتعامل مع الوزن والقوى المعنية. يمكن أن يكون الترتيب المتوازي البسيط للخلايا في طبقة واحدة أبسط ميكانيكيًا وأقل عرضة للمشكلات المتعلقة بوزن الخلايا العلوية التي تؤثر على الخلايا السفلية.

الملاءمة الخاصة بالتطبيق

يتم تحديد الاختيار بين هذه التكوينات في النهاية من خلال متطلبات تطبيق الاستخدام النهائي.

3.1. تطبيقات مدمجة وعالية الجهد

بطاريات سلسلة مكدسة يتم اختيارها عادةً للتطبيقات التي تتطلب جهد تشغيل عاليًا وعامل شكل مضغوط. تشمل الأمثلة حزم البطاريات الموجودة في المكانس الكهربائية اللاسلكية والطائرات بدون طيار وبعض أدوات الطاقة الاحترافية حيث يكون المحرك مصممًا للجهد العالي (على سبيل المثال، 36 فولت، 54 فولت، 80 فولت) ويكون مقبض الجهاز أو جسمه طويلًا وضيقًا.

3.2. تطبيقات ذات قدرة عالية ومنخفضة الجهد

تعد التكوينات المتوازية النقية مثالية للتطبيقات التي يكون فيها وقت التشغيل أكثر أهمية من الجهد الكهربي، وحيث يلزم توصيل تيار مرتفع. تشمل الأمثلة مشغلات التوصيل المحمولة، وبعض بنوك الطاقة الكبيرة، وأنظمة النسخ الاحتياطي ذات الجهد المنخفض للاتصالات.

3.3. الطاقة المتوازنة واحتياجات الطاقة

تمثل الهجينة المتسلسلة والمتوازية البنية الشائعة للتطبيقات التي تتطلب توازنًا في الجهد والسعة والطاقة. تستخدم جميع بطاريات السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة المنزلية تقريبًا هذه الطريقة. فهو يسمح للمهندسين بتصميم حزمة لجهد معين (على سبيل المثال، 400 فولت للسيارة) مع استخدام مجموعات متوازية لتحقيق السعة المطلوبة والقدرة الحالية، كل ذلك ضمن تخطيط مادي مخصص الشكل.