Dwa jednakowe ogniwa pozwalają zbudować akumulator o dwukrotnie większej pojemności albo dwukrotnie wyższym napięciu. W obu przypadkach dysponujemy podobnym zapasem energii, a różnica ujawnia się w prądach, wymaganiach układowych wobec toru zasilania czy też możliwościach efektywnego wykorzystania zgromadzonego ładunku. Czy wyniki pomiarów odpowiadają tak prostemu rachunkowi? Sprawdzamy to na przykładzie ogniw Akyga Battery INR18650-40M.
Dla żadnego konstruktora nie jest tajemnicą, że w połączeniu szeregowym przez oba ogniwa płynie ten sam prąd, a ich napięcia się sumują. Pakiet 2S1P złożony z dwóch jednakowych ogniw o pojemności Q i napięciu U ma więc wypadkową pojemność Q oraz napięcie 2U. Z kolei połączenie równoległe, czyli 1S2P, zachowuje napięcie U, ale zwiększa pojemność do 2Q. Litery S i P w oznaczeniu konstrukcji pakietu określają odpowiednio liczbę sekcji szeregowych (Series) i ogniw połączonych równolegle (Parallel) w sekcji.
W idealnym przypadku energia ogniw sumuje się w obydwu opisanych konfiguracjach – to ważne, gdyż pojemność określona w amperogodzinach opisuje ilość ładunku i dlatego sama w sobie nie wystarcza do porównania akumulatorów o różnych napięciach. Co więcej, iloczyn pojemności (np. 4000 mAh) i napięcia znamionowego (np. 3,6 V) odczytanego z noty katalogowej jest jedynie zgrubnym oszacowaniem energii – podczas rozładowania, jak i ładowania wartości napięcia (a w realnych warunkach także prądu) cały czas się przecież zmieniają.
W rzeczywistości energię (w watogodzinach – Wh) oddaną przez akumulator podczas rozładowania wyznacza całka z iloczynu napięcia i prądu po czasie (wyrażonym w godzinach):
natomiast pojemność w Ah to w istocie całka z prądu po czasie, także wyrażonym w godzinach:
Tyle teorii – a jak w praktyce prezentują się osiągi pakietów litowo-jonowych?
Pomiary realnych ogniw i pakietów
Dział techniczny Akyga Battery zmierzył dwa pojedyncze ogniwa typu INR18650-40M (AKY2180), a następnie złożone z nich pakiety 1S2P i 2S1P. Pomiary były prowadzone na specjalistycznej aparaturze przeznaczonej do tego celu, stąd – oprócz wyników liczbowych – oprogramowanie sterujące testerem wygenerowało także pełne charakterystyki czasowe, które zamieszczamy poniżej.
Procedura rozpoczęła się od doładowania (częściowo rozładowanych) ogniw metodą CC/CV. Następnie, po krótkiej przerwie, następował cykl rozładowania akumulatora do danego progu odcięcia (2,5 V w przypadku ogniw, 5,0 V w przypadku pakietu 2S1P). Potem urządzenie wykonywało ponowny cykl ładowania.
Końcowe ładowanie pakietów przerwano po określonym czasie, więc uzyskane w tych etapach wartości pojemności i energii nie są miarodajne. Dlatego też w dalszej części artykułu porównujemy wyłącznie pełne cykle rozładowania stałym prądem (CC).
Podsumowanie wyników uzyskanych podczas wszystkich czterech testów można znaleźć w poniższej tabeli.
Sumy wyników pojemności i energii pojedynczych ogniw zarejestrowane podczas pełnego cyklu rozładowania wynoszą odpowiednio 7,82 Ah i 26,59 Wh. Pakiet równoległy oddał zatem o 1,15% więcej ładunku i o 1,09% więcej energii. Pakiet szeregowy uzyskał pojemność o 1,53% większą od średniej pojemności badanych ogniw, wynoszącej 3,91 Ah, przy około dwukrotnie większej energii (wynik 26,98 Wh przewyższa arytmetyczną sumę energii ogniw o 1,47%). Gwoli ścisłości należy dodać, że średnia pojemność służy tu jedynie jako punkt odniesienia, ponieważ w rzeczywistości ograniczeniem w przypadku połączenia szeregowego jest ogniwo, które pierwsze osiągnie próg zakończenia rozładowania.
Teoria na tle pomiarów
W rzeczywistym szeregu różnice pojemności, stanu naładowania i rezystancji wewnętrznej powodują, że jedno ogniwo może osiągnąć dolny próg napięcia wcześniej niż pozostałe, zawierające niewykorzystany jeszcze ładunek. Dlatego w połączeniach szeregowych zalecane jest kontrolowanie napięcia wszystkich ogniw: przykładowo sumaryczne napięcie pakietu równe 5,00 V nie dowodzi wcale, że każde z ogniw ma dokładnie 2,50 V. Balansowanie ogranicza rozbieżności stanu naładowania, choć nie dzieje się to za darmo – pasywny układ balansujący nie jest w stanie usunąć różnic pojemności, może jedynie rozproszyć nadmiar energii w rezystorach, co w oczywisty sposób powoduje marnowanie pewnej części energii.
Równoległe połączenie również nie gwarantuje równego podziału prądu, zależy on bowiem od napięć i rezystancji wewnętrznych ogniw, a nawet od rezystancji połączeń. Różnica napięć na ogniwach obecna przed połączeniem spowoduje przepływ prądów wyrównujących po wykonaniu pakietowania, zatem część energii zostanie zamieniona w ciepło. Pod obciążeniem straty I²R także występują w połączeniach wewnątrz pakietu.
Jak to zatem możliwe, że w przypadku prezentowanych pomiarów pojemności i energie pakietów są nieznacznie wyższe od wartości odniesienia wyznaczonych z pomiarów pojedynczych ogniw składowych? W grę może wchodzić wiele czynników (chociażby niepewność pomiarów czy wpływ temperatury poszczególnych ogniw), ale nie należy przypisywać pakietowaniu zdolności do „magicznego” zwiększania możliwości akumulatora ponad arytmetyczny model.
Podsumowanie
Zaprezentowane wyniki testów pokazały, że prosty, teoretyczny model łączenia ogniw faktycznie dobrze koreluje z rzeczywistymi wynikami uzyskanymi podczas pomiarów. Nie zawsze jednak wyniki będą aż tak zbieżne – nieuniknione różnice pomiędzy ogniwami, zwłaszcza w przypadku bardziej rozbudowanych pakietów, mogą ograniczać wykorzystanie zgromadzonego ładunku, przez co rzeczywista ilość dostępnej energii bądź pojemność pakietu może być nieco niższa niż wynikałoby to z obliczeń na podstawie parametrów pojedynczych ogniw i sposobu ich połączenia.
Sponsorem artykułu jest marka Akyga Battery
Akyga Battery to linia produktowa marki Akyga Components, oferująca praktyczne rozwiązania zasilania dla elektroniki użytkowej i przemysłowej. Baterie pierwotne oraz akumulatory Akyga projektowane są z myślą o stabilnej pracy i niezawodnym dostarczaniu energii w urządzeniach takich jak czujniki, piloty czy sprzęt przenośny. Więcej informacji można znaleźć na stronie: akygabattery.com
