電池的連接方式

電池可以通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接在一起，以增加電壓或安時(shí)容量。具有低內阻的電池是非常理想的特性，因為它們具有高效率和更長(cháng)的使用壽命。

電池第二部分——電池的連接

電池非常適合為手持設備供電，因為它們有多種不同的尺寸、類(lèi)型和端電壓值。但有時(shí)，單個(gè)電池往往無(wú)法提供足夠高的電壓或安時(shí)容量來(lái)為特定設備或電路供電。雖然電池以固定的極性提供穩定的電能來(lái)源，但將電池連接在一起，就像單個(gè)伏打電池一樣，可以讓我們?yōu)槿魏螒脛?chuàng )建更高的電壓或安時(shí)容量。

我們在第一部分教程中已經(jīng)看到，電池是一組連接的伏打電池，通過(guò)外部連接提供電能，并且我們將電池用作能量存儲設備。然而，電池容量的減少相當于從電池中提取的能量的增加，即從電池中取出的實(shí)際能量。

電池類(lèi)型

電池的容量根據其安時(shí)數來(lái)評定，即電池在特定時(shí)間內可以提供的電流量。

這是通過(guò)將存儲的化學(xué)能轉化為電能來(lái)實(shí)現的，當連接到外部電路時(shí)，內部化學(xué)反應會(huì )產(chǎn)生電能。

盡管電池以化學(xué)方式存儲能量，但它們的充電和放電過(guò)程非常相似。

雖然電池只不過(guò)是由內部串聯(lián)和/或并聯(lián)組合的伏打電池組成的，但每個(gè)電化學(xué)電池都由一個(gè)正極、一個(gè)負極和一個(gè)帶有隔膜的電解質(zhì)組成。

我們可能會(huì )將電池視為一個(gè)理想的電壓源，提供無(wú)限的電能，但實(shí)際電池具有內阻，RINT以歐姆（Ω）為單位測量，這會(huì )導致電池在使用過(guò)程中發(fā)熱，從而縮短其壽命和效率。

電池的內阻

在理想情況下，一個(gè)理想的電池將具有相同電壓和容量的相同電池，使其能夠存儲相對于其尺寸和重量的大量勢能，從而在使用壽命耗盡（放電）之前具有更長(cháng)的使用時(shí)間。

其端電壓將是恒定且線(xiàn)性的，在整個(gè)放電期間提供所有功率水平，覆蓋全范圍的溫度和環(huán)境條件。然而，實(shí)際上，電池單元的端電壓將隨著(zhù)存儲電荷量的減少而降低。

理想電池單元

我們可以將理想電池表示為具有零內阻的雙端口網(wǎng)絡(luò )，如圖所示。這個(gè)理想的電壓源在其端子上保持固定的電動(dòng)勢電壓（E），無(wú)論連接的負載電阻如何。

因此，當電阻負載（R）連接到其端子時(shí)，理想電壓源將始終提供等于I = E÷R（歐姆定律）的電流（I）。

然而，所有實(shí)際的電壓供應和電池都會(huì )有一些內阻，無(wú)論多么小，都會(huì )對其提供恒定電流的能力產(chǎn)生不利影響。對于電化學(xué)電池和電池，它們的內阻是電流通過(guò)電池電解質(zhì)在兩個(gè)電極之間流動(dòng)的阻力。

由于電池的電流必須通過(guò)內阻RINT流動(dòng)，因此它被定義為與理想電壓源E串聯(lián)的電阻，在許多方面類(lèi)似于戴維南等效串聯(lián)電路。

非理想電池單元

當電池單元開(kāi)路（即無(wú)負載且RL = ∞Ω）且不提供電流時(shí)，端子上的電壓將等于E。當負載電阻RL連接到電池單元的端子時(shí)，電池單元提供電流I，這會(huì )導致電池單元的內阻RINT上產(chǎn)生電壓降。

因此，這種內部電壓降意味著(zhù)電池或電池單元的端電壓VS將始終小于E，我們可以將其定義為：VS = E – (I x RINT)。因此，負載電流RL越大，RINT上的內部電壓降越大。

顯然，我們可以使用歐姆定律來(lái)找到電池或電池單元的內阻值，因為它等于：RINT = (E – VS)÷I。

請注意，電池或電池單元的內阻特性非常重要，因為它決定了其電壓調節以及可以提供給連接負載的電流和功率的最大速率。

電池連接示例1

一個(gè)電池的開(kāi)路無(wú)負載電壓為12伏，內阻為0.3Ω。計算電池在提供5安培和10安培外部負載時(shí)的端電壓VS。

1. 提供5安培負載。

VS = E – (I x RINT) = 12 – (5 x 0.3) = 10.5伏

2. 提供10安培負載。

VS = E – (I x RINT) = 12 – (10 x 0.3) = 9.0伏

然后我們可以看到，12伏電池提供的負載電流越大，其端電壓越低，因為電池電流由于內阻的影響而增加。例如，如果電池提供30安培的負載電流，其端電壓將降至VS = 3伏，依此類(lèi)推。

通過(guò)稍微重新排列上述方程，我們還可以使用此方法找到任何電池的內阻。

使用電壓表，可以測量開(kāi)路無(wú)負載端電壓E以及給定負載電流I下的非零電流端電壓VS。

從示例1.1中：

由于：VS = E – (I x RINT)

RINT = (E – VS)÷I = (12 – 10.5)÷5 = 1.5 ÷ 5 = 0.3 Ω

因此，當提供大電流時(shí)，具有低內阻的電池是理想的，因為低內阻的電池效率更高，循環(huán)壽命更長(cháng)，并且使用更安全（內部發(fā)熱更少）。因此，具有低內阻的電池（或電池單元）意味著(zhù)更高的效率。

電池串聯(lián)連接

由于伏打電池的組合稱(chēng)為電池，將電池串聯(lián)（+到-）或并聯(lián)（+到+，-到-）連接在一起，由于單個(gè)電池的內阻，將對組合的電壓和電流容量產(chǎn)生影響。

正如我們所討論的，電池或伏打電池最明顯的量是電壓和內阻。當電池串聯(lián)連接（端到端）時(shí)，總電壓等于每個(gè)電池電壓的總和，總內阻等于內阻的總和，如圖所示。

電池串聯(lián)連接

使用我們之前示例中的12伏電池，四個(gè)電池（或電池單元）串聯(lián)連接（表示為一個(gè)電壓源和一個(gè)串聯(lián)電阻），因此電壓相加（4 x 12V = 48V）。電流與一個(gè)電池相同，因為相同的電流（I）流過(guò)所有串聯(lián)組合。

由于電池容量（C）以安時(shí)為單位與電流（I）相關(guān)，并且在串聯(lián)電路中電流是恒定的，因此串聯(lián)組合的總安時(shí)（Ah）額定值與單個(gè)電池相同。

然后，無(wú)限數量的電池或電池單元串聯(lián)連接將提供與單個(gè)電池相同的短路電流。顯然，對于給定的負載電阻RL，增加串聯(lián)電池的數量將幾乎以相同的比例增加負載電流。

內阻也是如此，因為將電池串聯(lián)連接在一起的總體效果是增加等效內阻，就像串聯(lián)電阻的總電阻增加一樣。然后REQ = 4 x 0.3Ω = 1.2Ω

然而，如果四個(gè)電池短路，唯一限制電流流動(dòng)的電阻將是電池組合的內阻。使用歐姆定律：ISC = E/R，最大短路電流計算為：

ISC = E÷REQ = 48V ÷ 1.2Ω = 40安培

這是一個(gè)大電流，將在每個(gè)電池上產(chǎn)生P = I2RINT瓦特的功率。因此：

P = I2RINT = 402 x 0.3 = 480瓦特

在每個(gè)電池內部，或整個(gè)串聯(lián)組合為4 x 480 = 1920W或1.92kW，這將使每個(gè)電池非常熱。

再次表明，電池或伏打電池的內阻越低，它在向負載提供電流時(shí)產(chǎn)生全輸出電壓的能力越好，內部發(fā)熱效應越小。

電池并聯(lián)連接

如果單個(gè)電池提供的負載電流導致端電壓不可接受的下降，則可以將電池和電池單元并聯(lián)連接。由于具有相同電動(dòng)勢（E）和內阻（RINT）的相同電池并聯(lián)連接將提供負載電流IL的相等部分。

當電池并聯(lián)連接時(shí)，所有正極電氣連接在一起，所有負極也是如此。將電池或電池單元并聯(lián)連接相當于增加電池電極和電解質(zhì)的物理尺寸，從而增加總安時(shí)（Ah）電流容量。

即，總安時(shí)容量是所有單個(gè)電池容量（C）的總和。然而，端電壓與每個(gè)單個(gè)電池或電池單元的端電壓相同。

電池并聯(lián)連接

并聯(lián)連接的電池電壓為每個(gè)電池的電壓，示例中為12伏。將電池和電池單元并聯(lián)連接的主要效果是減少與單個(gè)電池相比的等效內阻。然后，等效內阻是所有并聯(lián)連接的單個(gè)內阻的結果。

如圖所示，四個(gè)電池并聯(lián)連接，等效內阻REQ減少，就像并聯(lián)電阻的總電阻減少一樣。因此，四個(gè)電池并聯(lián)的等效內阻是每個(gè)單個(gè)電池或電池單元內阻的1/4。

現在我們仍然有一個(gè)12伏電池，但其電流容量是單個(gè)電池的4倍。因此，從之前的示例中，如果ISC = 40A，那么我們實(shí)際上有一個(gè)12V，160A的電池，其內阻與電路負載相比可以忽略不計，性能非常接近理想電壓源。

需要注意的是，并聯(lián)連接的電池應具有相同的類(lèi)型，并且在電壓和內阻方面相同。任何差異都會(huì )導致電池之間的內部循環(huán)電流和負載電流分配不均。

電池組合連接

因此，如果我們可以將電池串聯(lián)和并聯(lián)連接在一起，那么我們也必須能夠將它們串聯(lián)-并聯(lián)組合連接在一起，以增加電壓和電流容量，與單個(gè)電池相比。

將電池串聯(lián)和并聯(lián)組合在一起通常稱(chēng)為電池組。一個(gè)由“n”個(gè)電池組成的電池組可以排列為“s”個(gè)串聯(lián)以增加電壓，以及“p”個(gè)并聯(lián)分支以增加電流容量。然而，所有電池（或電池單元）必須相同。

串聯(lián)連接的電池將內阻增加為單個(gè)電池的“s”倍，而電池組的總體內阻減少為單個(gè)串聯(lián)電池串的1/p。理想情況下，等效內阻應與外部或負載電阻RL匹配，以實(shí)現最大功率傳輸。

給定電池組的內阻由以下表達式給出：（內阻 x 串聯(lián)電池數）÷ 并聯(lián)分支數?？紤]以下示例。

電池串聯(lián)-并聯(lián)連接

這里，具有相同開(kāi)路端電壓E為12伏和內阻為0.3Ω的電池串聯(lián)連接為六個(gè)電池的串聯(lián)串。另外三個(gè)串聯(lián)串并聯(lián)連接，形成4個(gè)并聯(lián)分支。因此，總共有24個(gè)電池以六串聯(lián)和四并聯(lián)（6S4P）組合連接在一起。

電池組的總端電壓和內阻額定值計算如下：

1. 電池組端電壓E

E = 12 x 6 = 72伏

2. 電池組等效內阻REQ

REQ = (0.3 x 6)÷4 = 0.45Ω

因此，此電池組示例的開(kāi)路端電壓為72伏，組合內阻為0.45Ω。

顯然，最大短路電流計算為：

ISC = E÷REQ = 72V ÷ 0.45Ω = 160安培

雙電壓電池電源

除了將單個(gè)電池串聯(lián)、并聯(lián)或兩者組合連接在一起以創(chuàng )建一個(gè)單一電壓電源外，我們還可以將電池連接在一起以創(chuàng )建通常稱(chēng)為雙電壓電源或雙極性電源的電源。

由于電池具有正極和負極，它們非常適合用于雙平衡電源。雙電壓電源通常具有正負電源，電壓值相等但極性相反，此外還有一個(gè)位于兩個(gè)電壓之間的零接地點(diǎn)。

它們通常用于電子電路，其中信號在接地參考電平上下波動(dòng)。例如，基于運算放大器的電路可能需要從12伏正極和12伏負極雙電壓電源（±12V）供電，相對于中心抽頭接地（0V），允許輸出信號在其正負軌之間擺動(dòng)。

理想情況下，三端雙電壓電源應使用相同類(lèi)型的電池為正負電源軌供電，如圖所示。

雙電壓電源

這里，上部電池為正電源軌提供+12伏電壓，相對于接地，而下部電池為負電源軌提供-12伏電壓，相對于接地。

請注意，正負電壓共享一個(gè)共同的零伏接地。

教程總結

電池是現代生活中不可或缺的一部分，廣泛應用于各種應用中。它們方便、可靠且相對便宜，為從手機和筆記本電腦到汽車(chē)和家庭的所有設備提供可靠的能源來(lái)源。

我們已經(jīng)看到，將電池甚至伏打電池串聯(lián)、并聯(lián)或兩者組合連接在一起，可以增加電壓、容量和電流輸出，與單個(gè)電池或電池單元相比。

對于串聯(lián)連接的電池（+到-），每個(gè)電池的端電壓相加以創(chuàng )建總電路電壓。串聯(lián)電流和安時(shí)容量與單個(gè)電池相同。

對于并聯(lián)連接的電池（+到+，-到-），電壓不變，與單個(gè)電池電壓相同。然而，在并聯(lián)中，總電流以及因此的安時(shí)容量是單個(gè)電池容量的總和。

我們可能會(huì )將電池和電池單元視為理想的電壓源，提供固定電壓下的無(wú)限電流。但所有電池都具有一定值的內阻，無(wú)論多么小，都會(huì )導致電池內部的熱損失。請注意，相同類(lèi)型和額定值的電池在電氣上可能并不總是相同。它們在電壓和內阻方面可能存在細微差異。

電池的內阻得名于它是一個(gè)位于內部的電阻值，因此是電池本身的特性。這種電阻是電池在向外部電路提供電流時(shí)內部化學(xué)反應的結果。通過(guò)并聯(lián)更多電池可以減少電池組的內阻。

因此，電池（或電池單元）的內阻決定了在不顯著(zhù)降低端電壓且不導致電池過(guò)熱的情況下可以提供給負載的最大電流和功率。因此，具有低內阻的電池是非常理想的特性，具有更高的效率和更長(cháng)的使用壽命。