Jakým způsobem jsou zapojeny články v akumulátoru

Zamysleli jste se někdy, jak je zapojena soustava článků uvnitř akumulátoru? Jeden standardní článek typu INR18650 má nominální napětí přibližně 3,6V a kapacitu nepřevyšující 3,0Ah. Jak je tedy možné, že akumulátory pro profesionální nářadí pracují s napětím 10,8V nebo vyšším a kapacitou přesahující hranici 3,0Ah? Odpověď najdeme nejen ve fyzice, ale také v tomto článku. 😀

Jeden článek s nominálním napětím 3,6V sám o sobě neposkytuje dostatečný výkon pro akumulátorové nářadí. Například šroubovák s napětím 10,8V potřebuje tři sériově spojené články, aby měl dostatek energie pro efektivní zašroubování šroubu do tvrdého dřeva. Pro ještě náročnější úkoly, jako je vrtání nebo dlouhodobé používání při vyšším zatížení, se používají akumulátory s 18V, které vznikají spojením pěti článků v sérii nebo kombinovaným sériově-paralelním zapojením pro vyšší kapacitu.

Co se skrývá v akumulátoru

Najdeme-li na akumulátoru označení, můžeme z něj vyčítat rozličné údaje, mimo jiné, i způsob zapojení jednotlivých článků. V článku „Jak se vyznat v označování akumulátorů“ byl vysvětlen „kód“ (obr. 1):

• N₁ - je počet sériově zapojených článků
• N₅ - počet paralelně spojených článků (nezobrazeno, je-li hodnota 1)

Obr. 1. Označení akumulátoru

Z uvedeného příkladu je zřejmé, že akumulátor je složen ze dvou paralelních větví, z nichž každá má 5 článků zapojených do série. Již ze samotného označení vyplývá, že nominální napětí akumulátoru bude: 3,6V x 5 = 18V.

Obecně platí:

• pokud je napětí akumulátoru vyšší než 3,6V, znamená to, že články jsou zapojeny do série, protože jeden Li-ion článek má nominální napětí 3,6V
• pokud má akumulátor kapacitu 4Ah nebo více, vždy obsahuje paralelní zapojení, protože jeden článek má typicky 2–3Ah a vyšší kapacita se dosahuje spojením více článků paralelně
• například akumulátor s parametry 18V a 5Ah je vždy sériově-paralelní, tedy obsahuje více sérií článků zapojených i paralelně
• tento způsob zapojení lze často odhadnout již podle fyzické velikosti akumulátoru – čím větší kapacita nebo napětí, tím větší počet článků je uvnitř a větší je i samotný akumulátor

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

Na obr. 2 A je zobrazen 10,8V akumulátor, jehož kompaktní rozměry již na první pohled naznačují, že uvnitř se nacházejí tři články typu 18650 zapojené sériově. Naopak akumulátor na obr. 1 2 B je zřetelně větší a vzhledem k jeho napětí 18V je zřejmé, že obsahuje více než pět článků. To znamená, že jednotlivé články jsou uspořádány sériově i paralelně, aby bylo dosaženo požadované kapacity i napětí.

Sériové zapojení

Sériové zapojení znamená, že články jsou spojeny „za sebou“, tj. kladný pól jednoho článku je propojen se záporným pólem následujícího článku. Výsledné napětí se rovná součtu napětí jednotlivých článků, zatímco kapacita zůstává stejná.

Obr. 3 znázorňuje zapojení čtyř článků 3,6V do série, které produkují napětí 14,4V. Celkové napětí se v takovém zapojení vypočítá jako součet napětí jednotlivých článků. Pokud tedy použijeme 4 články s nominálním napětím 3,6V, celkové nominální napětí soustavy bude 3,6 + 3,6 + 3,6 + 3,6 = 14,4V.

Obr. 3. Sériové zapojení

Obr. 4. Sériové zapojení s chybným článkem

Všemi články protéká stejný proud, což znamená, že porucha byť jen jednoho článku může negativně ovlivnit celý akumulátor. Obr. 4 znázorňuje zapojení, ve kterém jeden článek má nominální napětí pouze 2,8V. Při sníženém napětí se takto zapojený akumulátor vybije podstatně dříve než akumulátor s bezvadnými články. Nominální napětí akumulátoru bude 13,6V a celková kapacita bude 1000mAh , protože proud ve větvi je stejný a slabší článek omezí ostatní.

Nejběžnější typy poškození:

• přerušený článek přeruší celý obvod a akumulátor přestane fungovat
• zkratovaný článek způsobí pokles napětí a může vést k přetížení ostatních článků

Z hlediska bezpečnosti a životnosti je proto nepřípustné kombinovat články s rozdílným jmenovitým napětím. Celkovou kapacitu soustavy určuje nejslabší článek.

Paralelní zapojení

V paralelním zapojení (obr. 5) jsou články zapojeny „vedle sebe“, to znamená, že všechny kladné póly článků jsou propojeny mezi sebou a rovněž všechny záporné póly. Takové zapojení zachovává stejné napětí, ale sčítá se kapacita všech článků.

Nominální napětí soustavy akumulátoru zůstává na úrovni 3,6V, ale kapacita je čtyřnásobná. Pokud tedy použijeme 4 články s kapacitou 2000mAh, výsledná kapacita soustavy bude 2000 + 2000 + 2000 + 2000 = 8000mAh.

Obr. 5. Paralelní zapojení

Obr. 6. Paralelní zapojení s chybným článkem

Článek, který má v soustavě vysoký odpor nebo se rozpojí, je v paralelním zapojení méně kritický než v sériovém zapojení. Tento chybný článek však sníží celkovou zatížitelnost. Můžeme to přirovnat ke čtyřválcovému motoru, který pracuje jen na tři válce. Zkratovaný článek je větší problém, protože vadný článek odčerpává energii z ostatních článků a může představovat riziko přehřátí či dokonce požáru.

Většina takto poškozených článků však nezpůsobuje přímý zkrat a projevuje se jako zvýšené samovybíjení. Tato situace je znázorněna na obr. 6. Při paralelním zapojení všechny články sdílejí stejné napětí, ale proud se mezi ně rozděluje. V uvedeném příkladu má akumulátor celkové nominální napětí 3,6V a celkovou kapacitu 7000mAh.

Nejběžnější typy poškození:

• přerušený článek – odpojí se od systému, ale zbývající články fungují dál – systém má sníženou celkovou kapacitu, ne však napětí
• zkratovaný článek – spotřebovává proud z ostatních článků – dochází k přehřívání

Kombinované (sériově-paralelní) zapojení

Nejčastěji používaným řešením v praxi je kombinace sériového a paralelního zapojení (obr. 7), které umožňuje dosáhnout požadovaného napětí i kapacity. Kombinované zapojení článků tedy umožňuje vytvářet akumulátory, které mají současně vyšší napětí i vyšší kapacitu. Typickým příkladem je akumulátor s označením 4S2P, kde:

• 4S - čtyři články zapojené v sérii → výsledné napětí je 4 × 3,6V = 14,4V
• 2P - dvě paralelní větve → výsledná kapacita je 2 × 2000mAh = 4000mAh

Sériově-paralelní uspořádání článků se využívá v různých aplikacích – od akumulátorového nářadí až po akumulátory používané v elektrických kolech, kde je třeba zkombinovat vyšší napětí i dostatečnou kapacitu.

Obr. 7. Kombinované (sériově/paralelní) zapojení

Obr. 8. Zapojení článků v akumulátoru HERMAN BL 18V (A), a v akumulátoru pro elektrické kolo (B)

Zároveň díky paralelnímu zapojení přináší taková konfigurace částečnou rezervu – pokud jedna větev selže, ostatní dokáží akumulátor dočasně udržet v chodu.

V technice se tento princip označuje jako redundance, tedy záměrné zdvojení prvků pro vyšší spolehlivost a odolnost vůči poruše. Pokud selže jeden článek, zbývající články v ostatních paralelních větvích dokáží částečně převzít jeho úlohu. Díky tomu při poruše nemusí dojít k selhání akumulátoru, což zvyšuje jeho celkovou spolehlivost a bezpečnost.

Reálný způsob zapojení článků v různých akumulátorech je znázorněn na obr. 8.

Zásady při kombinování článků

Při spojování článků do jedné bateriové soustavy je klíčové dodržet tato pravidla:

• shodné chemické složení: kombinovat se smějí jen články stejného chemického složení
• napětí: všechny články v soustavě musí mít stejné nominální napětí
• kapacita: všechny články v soustavě musí mít stejnou kapacitu

Kromě toho je třeba brát v úvahu také:

• vnitřní odpor článků – různé hodnoty vedou k nevyváženému proudění energie a vyššímu riziku přetížení či zkratu
• stav opotřebení – kombinování nových a starších článků výrazně snižuje celkový výkon a životnost baterie

Jinými slovy – ideální je použít vždy stejné typy článků.

Výhody a nevýhody jednotlivých zapojení

BMS (Battery Management System) je elektronika, která řídí a chrání akumulátor:

• sleduje napětí, proud a teplotu jednotlivých článků
• chrání před přebitím, podbitím, zkratem nebo přehřátím
• vyrovnává napětí mezi články (balancování), aby se akumulátor rovnoměrně nabíjel a vybíjel

Díky BMS je akumulátor bezpečnější, má delší životnost a stabilní výkon.

Závěr

Způsob zapojení akumulátorových článků není jen technický detail – jedná se o klíčový prvek, který určuje výkon, kapacitu a bezpečnost akumulátoru. Přestože si uživatel články v akumulátoru sám nezapojuje, je užitečné vědět, co se skrývá v jeho nitru.

Sériové zapojení se používá k dosažení vyššího napětí, paralelní ke zvýšení kapacity a kombinované spojuje výhody obou. Každé řešení má svá specifika – při sériovém zapojení může porucha jednoho článku zastavit celý řetězec, paralelní naopak vyžaduje rovnoměrné zatížení článků. U složitějších akumulátorů tyto úkoly řídí elektronika, která dohlíží na bezpečný a spolehlivý provoz celého systému.

Klíčová slova: akumulátorové baterie, Li-ion baterie, akumulátorové nářadí, články v akumulátorech, princip fungování akumulátorů, zapojení článků akumulátorů

Zdroje:
Interní technické a školicí materiály společnosti 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

Práce ve firmě je mým prvním zaměstnáním a již téměř 25 let nic lepšího neznám. Začínal jsem v montérkách jako technik pro záruční a pozáruční opravy HERMAN nářadí, několik let jsem řídil úsek servisu, pak jsem se zakousl do logistiky, IT, programování a také se zabývám manažmentem kvality. Nabyté zkušenosti uplatňuji v současnosti při neustálém vylepšování a zdokonalování interních procesů a služeb pro zákazníka. Hlavu si rád „pročistím“ při manuální práci ve své dílně nebo v sedle kola hltáním nesčetných kilometrů u nás na Gemeru a okolí.