top of page
Search

การเชื่อมต่อเซลล์แบตเตอรี่แบบอนุกรมและแบบขนาน (Series and Parallel Battery Configurations)

Updated: Jul 8, 2021

แบตเตอรี่บรรจุแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการโดยการเชื่อมต่อเซลล์หลายเซลล์แบบอนุกรม เซลล์แต่ละเซลล์จะเพิ่มศักย์ไฟฟ้าเพื่อให้ได้มาซึ่งแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดที่ขั้วต่อ การเชื่อมต่อแบบขนานจะมีความจุที่สูงขึ้นโดยการเพิ่มแอมแปร์ - ชั่วโมง (Ah) ทั้งหมด

บางแบตเตอรี่แพ็คอาจประกอบด้วยการเชื่อมต่อกันแบบอนุกรมและการเชื่อมต่อแบบขนาน แบตเตอรี่แล็ปท็อปโดยทั่วไปจะมีเซลล์ Li-ion 3.6V สี่เซลล์ต่อกันแบบอนุกรมเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้า 14.4V และสองชุดต่อกันแบบขนานเพื่อเพิ่มความจุจาก 2,400mAh เป็น 4,800mAh การเชื่อมต่อดังกล่าวเรียกว่า 4s2p ซึ่งหมายถึงเซลล์สี่เซลล์ต่อกันแบบอนุกรมและสองชุดเซลล์ต่อกันในแบบขนาน ฉนวนฟอยล์ระหว่างเซลล์ป้องกันไม่ให้ผิวโลหะที่เป็นตัวนำไฟฟ้าเกิดการชอร์ต

ในการต่อเชื่อมนั้นสิ่งสำคัญคือต้องใช้เซลล์แบตเตอรี่ชนิดเดียวกันที่มีแรงดันไฟฟ้าและความจุเท่ากัน (Ah) ห้ามผสมต่างยี่ห้อและต่างขนาดกัน เซลล์ที่อ่อนแออาจทำให้เกิดความไม่สมดุลขึ้น สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการเชื่อมต่อแบบอนุกรมเนื่องจากแบตเตอรี่จะมีความแข็งแรงแค่พอ ๆ กับลิงค์ที่อ่อนที่สุดในสายโซ่เท่านั้น

เซลล์ที่อ่อนแออาจไม่ล้มเหลวในทันที แต่จะหมดเร็วกว่าเซลล์ที่แข็งแรงเมื่ออยู่ในโหลด ขณะชาร์จเซลล์ที่อ่อนแอจะเต็มก่อนเซลล์ที่แข็งแรงเพราะว่าบรรจุไฟฟ้าได้น้อยกว่า และมันจะเกิดการ over charge นานกว่าเซลล์อื่นๆ เมื่อคายประจุตอนใช้งาน เซลล์ที่อ่อนแอจะหมดประจุก่อนในขณะเซลล์ที่แข็งแรงยังมีประจุเหลือ เซลล์ที่อ่อนแออาจเกิด reverse polarity ได้และเสียหายถาวร เซลล์ในชุดแบตเตอรี่ต้องถูกจับคู่กันอย่างเหมาะสมโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออยู่ภายใต้โหลดสูง


การต่อแบบอนุกรม (Series Connection)

อุปกรณ์พกพาที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นให้เชื่อมต่อชุดแบตเตอรี่ที่มีสองเซลล์ขึ้นไปแบบอนุกรม รูปที่ 1 แสดงชุดแบตเตอรี่ที่มีเซลล์ Li-ion 3.6V สี่ชุดต่อกันแบบอนุกรม หรือที่เรียกว่า 4S เพื่อให้ค่าแรงดันไฟฟ้าปกติ 14.4V

รูปที่ 1: การเชื่อมต่อแบบอนุกรมของสี่เซลล์ (4s)


การเพิ่มเซลล์ในชุดจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้า โดยความจุไฟฟ้ายังคงเหมือนเดิม หากคุณต้องการแรงดันไฟฟ้าเป็นเลขคี่ เช่น 9.50 โวลต์ ท่านสามารถทำได้ด้วยการเชื่อมต่อแบบอนุกรมเซลล์แบตเตอรี่แบบตะกั่วกรด ห้าเซลล์ หากใช้เซลล์ NiMH หรือ NiCd ท่านต้องใช้จำนวน แปดเซลล์ หรือ Li-ion จำนวนสามเซลล์ แรงดันไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องตรงตามนั้นพอดี มันใช้ได้ตราบที่แรงดันไฟฟ้ารวมที่ได้สูงกว่าที่อุปกรณ์ระบุ แหล่งจ่ายไฟ 12V อาจใช้แทน 9.50V อุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ส่วนใหญ่สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าเกินได้ อย่างไรก็ตามต้องคำนึงถึงแรงดันไฟฟ้าที่จุดสิ้นสุดตอนคายประจุด้วย

รถยนต์ mild hybrid บางรุ่นใช้ Li-ion 48V และใช้การแปลง DC-DC เป็น 12V สำหรับใช้ในระบบไฟฟ้า การสตาร์ทเครื่องยนต์มักจะทำโดยแบตเตอรี่ตะกั่วกรด 12V ที่แยกต่างหาก รถยนต์ไฮบริดยุคแรกใช้แบตเตอรี่ 148V โดยทั่วไปรถยนต์ไฟฟ้าจะใช้แรงดันไฟฟ้าที่ 450–500V แบตเตอรี่ดังกล่าวต้องการใช้เซลล์ Li-ion มากกว่า 100 เซลล์เชื่อมต่อแบบอนุกรม

แบตเตอรี่แรงดันสูงต้องการการจับคู่เซลล์อย่างระมัดระวังโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องใช้งานหนักหรือเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิเย็น ด้วยการเชื่อมต่อเซลล์หลายเซลล์ในแถวจึงมีความเป็นไปได้ที่เซลล์หนึ่งอาจล้มเหลว และอาจทำให้เกิดความล้มเหลวทั้งหมด เพื่อป้องกันไม่ให้สิ่งนี้เกิดขึ้นสวิตช์ solid state ในแบตเตอรี่แพ็คขนาดใหญ่บางแบบจะข้ามเซลล์ที่ล้มเหลวเพื่อให้กระแสไหลต่อเนื่องแม้ว่าจะมีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าที่กำหนดก็ตาม

การจับคู่เซลล์เป็นความท้าทายเมื่อมีการเปลี่ยนเซลล์ทดแทนเซลล์ที่ชำรุดในแบตเตอรี่แพ็คที่อายุมาก เซลล์ใหม่มีความจุไฟฟ้าสูงกว่าเซลล์อื่นๆจึงเป็นสาเหตุของความไม่สมดุลย์ การเชื่อมประสานระหว่างขั้วเซลล์เป็นงานที่ซับซ้อน มันจึงเป็นสาเหตุอีกอันหนึ่งที่ทำให้การเปลี่ยนเซลล์มักจะเปลี่ยนทั้งชุดแบตเตอรี่แพ็ค

แบตเตอรี่แรงดันสูงในรถยนต์ไฟฟ้า แบ่งแบตเตอรี่แพ็คเป็นโมดูล แต่ละโมดูลจะประกอบด้วยเซลล์แบตเตอรี่จำนวนหนึ่ง หากเซลล์ใดเซลล์หนึ่งเสีย โมดูลที่เกี่ยวข้องจะถูกเปลี่ยน ความไม่สมดุลย์ของเซลล์จะมีเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

รูปที่2 : แสดงชุดแบตเตอรี่ที่ "เซลล์ที่ 3" มีแรงดันไฟฟ้าเพียง 2.8V แทนที่จะเป็น 3.6V ตามปกติ ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำแบตเตอรี่นี้จะถึงจุดสิ้นสุดการคายประจุเร็วกว่าก้อนปกติ แรงดันไฟฟ้าลดลงและอุปกรณ์ไฟฟ้าจะปิดตัวเอง พร้อมข้อความ“ แบตเตอรี่ต่ำ”


การดักต่อไฟฟ้า (tapping) จากการเชื่อมต่อแบบอนุกรม

บางครั้งระบบมีความจำเป็นต้องใช้ไฟฟ้าที่มีแรงดันต่ำเพื่อทำงาน มีวิธีปฏิบัติทั่วไปในการแตะเข้าไปในชุดแบตเตอรี่อนุกรมของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า แบตเตอรีขนาด 24V ใช้สำหรับอุปกรณ์งานหนัก แต่อุปกรณ์ไฟฟ้าช่วย(auxiliary)อาจต้องใช้แหล่งจ่ายไฟ 12V สำหรับการทำงานเสริมและแรงดันไฟฟ้านี้สามารถใช้ได้อย่างสะดวกที่จุดครึ่งทางของชุดการต่ออนุกรม

การดักต่อไฟฟ้านั้นไม่แนะนำให้ทำเนื่องจากจะสร้างความไม่สมดุลของเซลล์เนื่องจากด้านหนึ่งของแบตเตอรีแบตเตอรีจะได้รับโหลดมากกว่าอีกด้านหนึ่ง ยกเว้นจะมีเครื่องชาร์จพิเศษที่สามารถแก้ไขความแตกต่างได้ ผลข้างเคียงของการ tapping คืออายุการใช้งานแบตเตอรี่สั้นลง

การ tapping เป็นเรื่องปกติสำหรับแบตเตอรี่ Li-ion และแบตเตอรี่นิกเกิล ผลลัพธ์จะคล้ายกับแบตเตอรี่ตะกั่วกรด นั่นคืออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลดลง

รถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริดมักใช้แบตเตอรี่แรงดันต่ำแยกต่างหากสำหรับป้อนให้ระบบ auxiliary


การต่อแบบขนาน (Parallel Connection)

หากต้องการกระแสที่สูงขึ้นและเซลล์ขนาดใหญ่ไม่มีให้ใช้งานหรือไม่เหมาะสมกับข้อจำกัดของการออกแบบ เราสามารถใช้การเชื่อมต่อเซลล์แบบขนานได้ แบตเตอรี่ทุกชนิดส่วนใหญ่สามารถต่อกันแบบขนานได้โดยมีผลข้างเคียงเพียงเล็กน้อย รูปที่ 3 แสดงเซลล์จำนวนสี่เซลล์เชื่อมต่อกันแบบขนานในรูปการจัดเรียง 4P แรงดันไฟฟ้าปกติของชุดแบตเตอรี่ยังคงอยู่ที่ 3.60V แต่ความจุ (Ah) และเวลาใช้งานเพิ่มขึ้นสี่เท่า

รูปที่ 3 : การเชื่อมต่อแบบขนานของสี่เซลล์ (4p)


เซลล์ที่มีความต้านทานสูงหรือล้มเหลวในระบบการเชื่อมต่อแบบขนาน ก่อให้เกิดความเสียหายน้อยกว่าการต่อแบบอนุกรม แต่เซลล์ที่ล้มเหลวจะลดความสามารถในการรับโหลดทั้งหมด เปรียบเสมือนเครื่องยนต์ที่ทำงานเพียงสามสูบแทนที่จะทำงานได้ครบสี่สูบ ในทางกลับกันเซลล์ที่ชอร์ตนั้นร้ายแรงกว่าเนื่องจากเซลล์ที่ทำงานผิดพลาดดึงพลังงานจากเซลล์อื่นทำให้เกิดอันตรายจากไฟไหม้ ชุดแบตเตอรี่มักจะมีฟิวส์ที่ตัดการเชื่อมต่อเซลล์ที่ล้มเหลวออกจากวงจรขนานถ้าเซลล์นั้นเกิดการชอร์ตขึ้น รูปที่ 4 แสดงการเชื่อมต่อแบบขนานที่มีเซลล์หนึ่งเซลล์ล้มเหลว

รูปที่ 4 : แสดงการเชื่อมต่อแบบขนานที่มีเซลล์หนึ่งเซลล์ล้มเหลว


การต่อแบบอนุกรม/ขนาน (Series/parallel Connection)

การต่อแบบอนุกรม / ขนานที่แสดงในรูปที่ 5 ทำให้เกิดความยืดหยุ่นในการออกแบบเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าและกระแสที่ต้องการด้วยขนาดเซลล์มาตรฐาน กำลังไฟฟ้าทั้งหมดคือผลรวมของแรงดันไฟฟ้าคูณกระแสไฟฟ้า เซลล์ 3.6V (ปกติ) คูณด้วย 3,400mAh ให้กำลังไฟฟ้า 12.24Wh เซลล์แบบ 18650 ขนาด 3,400 mAh จำนวน 4 เซลล์สามารถต่อแบบอนุกรมและขนานตามรูปเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าปกติ 7.2V และกำลังไฟฟ้า 48.96 Wh หากรวมกัน 8 เซลล์จะให้พลังงาน 97.92Wh ซึ่งเป็นขีด จำกัด ที่อนุญาตสำหรับการนำขึ้นเครื่องบินหรือขนส่งโดยไม่มีวัตถุอันตราย Class 9 เซลล์เล็กๆช่วยให้ออกแบบแบตเตอรี่แพ็คได้อย่างยืดหยุ่น แต่จำเป็นต้องมีวงจรป้องกัน

รูปที่ 5 : การเชื่อมต่อแบบอนุกรม / ขนานของสี่เซลล์ (2s2p)


Li-ion สามารถนำมาต่อแบบอนุกรม / ขนาน ได้ แต่เซลล์ต้องมีวงจรตรวจสอบเพื่อให้แรงดันและกระแสอยู่ในเกณฑ์ที่กำหนด IC เฉพาะสำหรับการต่อเซลล์ Li-ion สามารถควบคุมเซลล์ได้ถึง 13 เซลล์ แพ็คขนาดใหญ่ต้องใช้วงจรเฉพาะที่กำหนดเองและใช้งานกับแบตเตอรี่ e-bike รถยนต์ไฮบริดและ Tesla Model S85 ที่ใช้เซลล์แบบ 18650 มากกว่า 7,000 เซลล์เพื่อสร้างแบตเตอรี่แพ็คที่ให้กำลังถึงขนาด 90kWh



เอกสารอ้างอิง

[1] Battery University, [Online]. Available: www.batteryuniversity.com

 

AEC Hybrid Plus ให้บริการตรวจเช็คแบตเตอรี่ไฮบริด (Hybrid battery testing) ซ่อมแบตเตอรี่ไฮบริด (Hybrid battery repair) ฟื้นฟูสภาพแบตเตอรี่ (Hybrid battery reconditioning) และเปลี่ยนชุดแบตเตอรี่ไฮบริด(Hybrid battery rebuild/replacement) ด้วยเครื่องมือที่ทันสมัย อะไหล่ที่มีคุณภาพ

และทีมงานที่เชี่ยวชาญ พร้อมใบรับประกัน

8,087 views0 comments

Comments


bottom of page