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◆ 锂电并联靠谱吗?1P VS 2P 锂电池的概率分析:失效、误差、本质 ◆

 博大精深通古今 2016-09-11


◆ 锂电并联靠谱吗?1P vs 2P 锂电池的概率分析:失效、误差、本质 ◆

前置声明:心态阳光的人受尊重,请自重。

上回书说道,谈内阻不提暖凉,等于耍流氓。关于电池就那么点儿事儿,这回聊点儿什么呢?要不,说说锂电并联?

这个题目,其实一开始我是拒绝的,因为并联门前是非多,这个争议(其实也就模友争议,业界早成熟应用多年)的题目一直没敢碰——胆小,又懒得码字,真没敢碰。。。直到一些颇具社会心理学研究价值的坛友用力推了我一把,DUANG! DUANG! 在此表达无尽的谢意,感谢你们促成此文。

在正式开聊之前,请允许我武断地认为读者已经具备了高中文化程度,毕业证是自己考下来的而不是街边小广告上买的。。。。
我还认为您已经认同现代电子技术最基本的定理:
* ) 串联电压累加;并联电压相等。串联处处电流相等;并联支路电流累加成主路。
      如果这些最最最.....(此处略去一万个“最”)基本的公理不成立,也就不存在现代电子学了,您兜里的手机会瞬间化为沙尘。。。

假如,我是说假如,您具有如下特征的其中一条或多条,就不必继续往下看了。
*) 相信 "俩电池并联,一个会向另一个放电,造成一个过充另一个过放...." 之类水往高处流的超自然现象。
*) 信奉 “并是可以并,但是仅限放电,充电的时候一定要分开。” 之类风水迷信。
*) 不求甚解,思考对您而言不是乐趣而是负担。
*) 过于接地气:“爱谁谁,能用不就得了,费什么劲呐” 。
*) 甚至,豪迈派个人哲学 “少跟我扯什么分析计算,分析个P!计算个P!老子只信经验”

若有以上情形,壮士,请您果断关闭浏览器,放本贴一条生路吧,功德无量烧高香。

为便于阅读理解,本文尽量避免枯燥的数学运算,用通俗易懂的文字故事 + 图片、视频的方式阐述原理。

OK,托付完了,现在开始。
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人物介绍:(排名不分先后左右忠奸)
路人甲:
不明真相的围观群众,没头脑没主见,谣言倒是听了不少并深信不疑。纯种“杠头”一块。
小明同学:
模友,正宗倒霉蛋一枚,世界上最烂最烂的电池都被他碰到了。
楼主:
Himalaya,本文作者。“蝎子”、“蝎尾兄”、“高山兄”、”“那个晃着尾巴到处转悠的家伙”、“不懂装懂死要面子误导新手的无知货”......

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◆ 什么是 xS1P、xS2P ...... xSnP

干巴巴码一堆字儿,那不是咱的风格。我画了个图,示意电池组内部串联/并联的结构 。后面会反复用到这个图。以3S电池为例。

路人甲:就看你JJYY一大堆,还以为多么高深复杂呢,也就这么半瓶子醋逛荡。行啦,这么简单的结构谁都懂!你看,你2P并联的多用了一倍的电芯单体,那么出问题的概率肯定就比纯串联的1P结构大了一倍!
楼主:的确如此!在电芯质量相同的情况下,2P结构会用到2倍的单体,遇到缺陷单体的概率也是1P结构的二倍。但是!注意,但是!同样是遇到缺陷单体,带来的后果可是完全不同的。且听详解。

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◆ 内部2P并联的可靠性分析
其实电池组的结构很简单,一块电池在飞行中失效,无外乎这么几个部位。
*) 插头融化,开焊。—— 公共通路,与电池内部串并联无关,回去苦练焊功,或者干脆找厂家算账去。
*) 硅胶线破皮短路。—— 公共通路,与电池内部串并联无关,自己安装使用时注意点吧。
*) 内部PCB铜箔断裂。—— 公共通路,奸商只用了17μm的铜箔冒充70μm,顶你个肺。换个PCB配套供应商吧。
*) 电池单体失效。—— 单体质量问题、人品问题。也是本文讨论的内容。注意!电池从来不甘心孤独地自绝于人民,它一定要拉个垫背的——飞机。
      1P纯串联 vs 多P并联,飞机的命运完全两样:


对于1P纯串联电路而言,一点断开则全部电流为零。不用说,瞬间,“整个世界清静了”,Newton万有引力显灵,自由落体s=gt,h=gt2/2。。。。结局轰轰烈烈,现场惨绝人寰。


而2P的情形呢?一旦单侧一枚单体失效,电流不会断,会全部走对侧的单体。由这枚尚存的单体来承担全部电流。
结果就是,电池坏了一片,飞机却没掉下来,还在飞!

路人甲:扯吧你!剩下那个电芯岂不成了独木桥啦?它受得了吗?
楼主:好问题!本来只承担一半电流的单体,现在承担全部电流,它做得到吗?
最典型的多旋翼续航时间在20min左右,即1/3h,平均放电只有3C。坏掉一侧,电流全走另一侧,对它而言就是6C的放电电流,这对于动辄20~30C的电池实在轻松非常。

路人甲:扯吧你!暂时是没掉下来,可是它能扛住一时,还能扛住一世?
楼主:好问题!
    话说这片单体因为挨着个倒霉的邻居而独自承担了2倍于正常工况的电流,甚感不爽。但它没有气馁。不幸的遭遇激发了它潜藏已久的斗志:我撑,我撑,我撑了好几分钟了还让我继续撑下去吗?..... 我撑.... 嘿!下边的主人——小明同学——你没发现什么不对劲吗?.... 我撑.... 我撑不住啦..... 此时BB响检测到一节电芯电压低开始疯狂 “B...B....B....”,“智能电池”则会在OSD显示电池异常请立即降落。模友小明见状: “嗯?什么情况,怎么今天续航这么短?”于是果断操控着陆。下来一看,明白了,某片电压偏低,有惊无险。。。。

路人甲:要是小明把飞机悬停就去拉粑粑了呢?
楼主:!佩服小明的心理素质,鄙视他的肠胃素质。。。哦,刚才说哪儿了?对,一片电池电压偏低。“智能电池”的话,会检测到单体低压,并触发飞机自动下降;普通电池的话会“B....B....B....”个没完,眼看这片单体 3.5V -> 3.4V -> 3.2V -> 3.0V...... 电压加速下降,小明你拉完了没有啊!2.8V-> 2.5V-> 2.0V  !!!此时电池组整体电压明显下降,但电流通路仍然不断,飞控低压保护被触发,一边狂闪红灯一边开始自动下降。。。。
。。。。小明把剩下的半卷厕纸卷绕整齐,妥妥收好,叼着烟卷踱着方步回来一看:嗯?飞机什么时候自己下来了?

路人甲:要是小明拉半天没完腹泻不止被送医了呢?
楼主: 滚!
---------------- 朴素的分割线 ----------------
结论:
当空中不幸坏掉一片单体的时候:
1P纯串联:
自由落体轰击地球,全无半点挽回的余地。
2P/多P:
仍有很大机会返航,安全着陆。

路人甲:并联小P先别得意,不就是2P嘛,并联的两个单体如果同时失效的话,不就跟1P一样断路了吗?照样自由落体!
楼主:敢问这位英雄,是谁倒霉倒的这么桀骜不驯惊天地泣鬼神?

路人甲:那你甭管,反正有这种可能性。
楼主:也对!确实不能说绝对没可能,既然你抱定了必死的决心,那就让我们算算看如此倒霉地成功死掉的概率有多大。

假设小明同学的飞机使用常见的3S锂电,他超级倒霉,买到的电池所用电芯巨烂无比,每3片电芯单体就有一片有缺陷,1/3缺陷率。缺陷电芯表面看不出来,在升空后会挂掉。则.....

路人甲:扯吧你!谁家电芯能那么烂啊。
楼主:应用题没做过啊? “假设”不懂吗?
路人甲:。。。。干嘛那么凶嘛。。。。

纯串联3S1P的情形:

既然每3坏1,那没希望了,3S1P肯定有一个坏电芯。串联结构,其中任意一片坏掉就会断路,自由落体。即
P3s1p_fall = 100%

串并联3S2P的情形:
因为2P结构,只有成对并联的2片电芯同时坏掉才会断电自由落体。
共6片电芯,按概率,6片电芯必有2片有缺陷。见下图,这两片烂电芯随机出现在6片电芯的任意位置。出现在哪儿呢?共有15种可能性,其中只有3种会导致立即断电坠机,用红色标出。其它情况都可以保证电流通路不断。


所以,3S2P电池发生自由落体的概率是:
P3s2p_fall = 3/15 = 20%
即:用同样品质的电芯,3S2P 突然断电坠机率只有 3S1P的20%,即五分之一。
当然,现实中的电芯远远不会烂成这样,但可靠性差异的比例不变。

这概率比例的计算,实际上就是简单的排列组合题。下式中,分子是必然导致坠机的成对2P的数量,正好是S串联数;分母是一等差数列的和,穷举坏电芯出现位置的各种可能。
P = S/[(2S-1)+(2S-2)+.....+1],

用同样的方法,不难得到:
2S2P vs 2S1P : 2/6 = 33.3%
3S2P vs 3S1P : 3/15 = 20%
4S2P vs 4S1P : 4/28 = 14.3%
5S2P vs 5S1P : 5/45 = 11.1%
6S2P vs 6S1P : 6/66 = 9.1%
.....
12S2P vs 12S1P : 12/276 = 4.3%,即:用同样品质的电芯,12S2P 突然断电坠机率只有 12S1P的4.3%,即23分之一。

看出规律了吧,越高串联S数的,并联带来的安全性提升越明显。因而越是高电压(高串联S)、越是对安全性要求高的场合,越是要用并联供电。
以上只讨论了2P的情形,3P、4P等因为在航模领域不是特别常见,暂不作详细分析。

经以上分析,我们不难观察到如下规律:
1) 纯串联的1P锂电池,是“自古华山一条道”,更是“一兵倒下,全军覆没”,毫无挽救的余地。
2) 并联2P/多P因为提供了多条电流通路,安全性更高。
3) 串联数S越多,出故障的概率越高,越需要多P并联提高可靠性。
       TESLA的96S电池用了高达74P的根本原因就在于此。那一大群电池坏上一两个没多大影响。
4) 越多P并联,电流支路越多,可靠性越高。

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路人甲:扯吧你!光是可靠性高有什么用。他们都说2P的电池电芯数量翻倍,配对难度大多了,容易赶上失配的!
楼主:然后呢?赶上失配的结果会怎样呢?
路人甲:不均衡当然不好啦,会加速衰减老化。他们都是这么说的。
小明:就是,就是!我上次拉粑粑时那个3S2P虽然自动降落没炸机,但是电池都微微有点鼓起来了,你看,2P就是不好吧
楼主:你个忘恩负义的玩意儿!上次要是换1P的话早就摔个稀巴烂了。
小明:那你怎么解释2P电芯失配几率大?
楼主:我要说并联能自动改善配对精度,你信吗?
路人甲:扯吧你!.....
楼主:我就知道你得来这句!你先闭嘴,听我好好扯扯:
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◆ 2P并联的误差分析
话说小明同学上次因为潜心拉粑粑而没听到BB响报警,错过了零损失着陆的机会,结果飞机虽然正常着陆,电池却有一片鼓了起来。他果断又买了一些想继续飞。这次他换了一个牌子。但是,它的令人赞叹的人品啊。。。这次买到的电池电芯配对不良,每3片电芯单体就有一片容量偏小10%,那就是5000mAh 和 4500mAh的差别啊。

路人甲:扯吧你!谁家电芯能那么烂啊。
楼主: 你丫别逼我动粗啊。。。。

3S1P的情形:
共3片电芯,其中有1片容量偏小10%,则配对误差为
Ecap_match = (100%-90%) / 100% = 10%

3S2P的情形:
共6片电芯,按概率,其中必有2片容量偏小10%,它们跟正常电芯混合有这么几种情况:

这两片烂电芯随机出现在6片电芯的任意位置。出现在哪儿呢?共有15种可能性。

可以看到,只有红色标注的3/15种组合,2片偏小的电芯并到一起,并联后容量仍然偏小10%
所有其他情况,12/15种,容量偏小的电芯都会跟一个正常电芯并联,并联后容量误差减半,为5%
即:用同样品质的电芯,2P结构有80%概率大幅度改善配对状况,误差减半!有20%概率配对状况与1P持平;比1P更差的概率为零!

更多P并联(P≥3)时,这一自动改善配对的效应会更加明显!
内阻的配对也是同理,略过。
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路人甲:卧槽!不会吧!怎么你的理论跟别人说的完全相反啊??你不是在忽悠我,“误导”我吧?
楼主:你谁啊?咱别太把自己当根葱行吗, 一个路人而已,忽悠你干嘛。我又不要你的自行车。。。。
路人甲:信息量太大,太毁三观,头晕。你容我消化消化好好想想。
楼主:慢慢想吧,我接着说。小明!该你表演了。

话说小明的人品是一次比一次差,这次又买了一些电池,烂的离谱啦。每3片电芯当中有1片容量偏小-10%,还有一片容量偏大+10%,只有1片正常。。。那就是5000mAh、4500mAh、5500mAh。虽说加量不加价,但配对精度是烂到家了。
这实际上更接近实际情况,误差分布不会一边倒,应是有正有负的,否则就真是遇到顶你个肺的JS了。

3S1P的情形:
共3片电芯,其中有1片容量-10%,1片容量+10%,则电池组的总体配对误差为
Ecap_match = (110%-90%) / 100% = 20%,(即 ±10%)

3S2P的情形:
共6片电芯,按概率其中就有2片容量-10%,有2片容量+10%,这4片缺陷电芯随机出现在6片电芯的任意位置。出现在哪儿呢?共有15x6=90种排列组合。


可以看出,因为出现了正负误差,情况比之前复杂多了,有这么几种情形:
12/90=13.3%的概率,正负偏差单体相遇,误差完全正负抵消,整组电池变成一块完美配对的电池。图中以绿色框标示。
48/90=53.3%的概率,3S里面有一对完全抵消了误差,另两对误差减小为5%。总体配对误差10%。图中以蓝色框标示。
24/90=26.7%的概率,3S里面有一对误差仍10%,另两对误差减小为5%。总体配对误差15%。图中以黄色框标示。
6/90=6.7%的概率:黑色框:偏大者和偏小者分别凑成对,配对误差与1P情形持平,总体配对误差20%。
0/90=0%的概率,配对误差比1P更差。

总体而言,可以发现,用同样品质的电芯:
*) 2P结构有93.3%概率不同程度改善配对状况,甚至完全消除;
*) 仅有6.7%概率配对状况与1P持平;
*) 0%概率比1P更差;

*) 误差完全正负相抵得到完美匹配的概率2倍于与1P持平的概率。

多P并联,其实质就是取平均,这一过程由数学规律支配,使得并联后的容量必然地趋向于正态分布的中央点(当然,容量n倍)。
并联的越多,这一趋势越显著。
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以上嘚吧老半天,都是用最简单的3S2P来举例。实际上对于更多S更多P的情形,并联起到的提高安全性化解配对误差的效果更加显著! 因分析计算过于复杂您也没耐心看就不详细展开了。TESLA的96S74P不是没道理的,有数学规律在里面起着决定性作用!!

◆ 外部2P并联的可靠性分析

刚才讨论的内部并联,其方法论基础是通过增加支路来化解“自古华山一条道”的危险。
那么,电池组外部并联呢?在方法论层面上是一致的,但具体实现途径有所不同:
内部并联:
共有S+1(串联数)个节点(node),所以S数越高,节点越多,风险增高;P(并联数)越多,支路越多。因而越安全。
外部并联:
它更类似于UPS、Server、Power Distribution 等领域普遍采用的“冗余”设计。不管电池组内部是几S,把它作为一个整体元件来对待,外部并联都只有2个节点。相对1P的可靠性改善与内部S数无关,为P(并联的电池组数)倍。
例如,刚才分析结果显示,相比3S1P而言,内部并联的3S2P把安全性提升到5倍。而两块3S1P外部并联只能将安全性提升到2倍。
(不计引线、插头等电池之外的其它因素)


路人甲:扯吧你!纸上谈兵,天花乱坠。我只认“便宜没好货”。一块一万mAh的就是比2块5000mAh的贵,所以买贵的一定没错。
楼主:壕!咱做朋友吧。。。。。
路人甲:他们说2P的电池都是为了降低成本!DJI之流的奸商才那么干呢,你看太平洋上那个揭发贴没?
楼主:看了看了,我认为他真是勇敢!视名誉如粪土奋不顾身展示最真实的自己。。。。
路人甲:那你倒是说说哪个成本高。
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◆ 成本对比
以3S电池为例,我什么也不说,只提几个问题:
*) 你觉得,同样多的材料,分3片穿上衣服,或者分成6片穿上一样大只略薄一点的衣服,哪个更费工时? 哪个更费材料(铝塑膜、极耳镍片铝片)?
*) 你觉得,给3片 vs 6片 电芯注液、密封、裁边、成型、裁剪极耳....哪个更费工时?
*) 你觉得,给3片 vs 6片 电芯充电、分容、检测内阻....哪个更费工时? 哪个更占场地?哪个使用更多的设备?
*) 你觉得,给3片 vs 6片 电芯贴胶、放隔膜、包Kapton胶带,隔离海绵....等等这些组装工作,哪个更费工时? 更费材料?
*) 你觉得,3片电芯6个焊点 vs 6片电芯12个焊点,每个都需要对准槽位、穿过PCB、弯折成型,焊接....哪个更费焊接工时,更费焊料?
还用继续说吗?

路人甲:如此说来,难道2P反而成本更高? 那为什么大容量的电池1P比2P更贵呢?
楼主:我不是电池业者,猜测有这么几点原因,按照重要性先后排序:
1) 量少。
2) 量少。
3) 量少。
4) 有你这样的壕。
5) 技术原因,如下:

◆ 大容量动力电之不得不多P
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航模电池基本都是细长的造型,其后果就是,端部出极耳的宽度受限!大容量高C率电池放电电流相当大,只能加宽/增厚极耳来承受大电流,别无他法(未来常温超导普及了另说,现在没戏。)! 宽度受限,只能增加厚度了。一块一万mAh20C的电池应可承受200A持续电流。好了,现在出门右转,打开你家电表箱看看里面区区30A的导线是什么尺寸,再结合平方率P=I2R想想200A什么概念。。。。

言归正传。5000mAh20C的极耳已经很厚了。再厚就是铜板铝板了。

路人甲:铜板就铜板呗,哥是壕,不在乎这点金属料钱
楼主:有钱人的世界我不懂,可是您任性也得有个边吧,总拗不过物理规律吧。这是软包电池耶,就得哪儿哪儿都是软的才行。
路人甲:扯吧你!谁不知道硬的东西才结实,够硬才够爷们
楼主:您是够爷们了,一个冲击,一个磕碰,那硬邦邦的铜板就直挺挺插进电池里面去了。。。。后果不难想象吧。
还有,这硬邦邦的铜板你让厂子怎么往PCB上焊,正极出极耳是铝板,那铝板点焊转镍片也得是厚镍板才行。
另外,软金属片可以随意弯折;而厚金属板呢? 你弯折一个试试看,折痕处会疲劳皲裂,电阻成倍上升!
路人甲:疲软居然也有好处。。。。
楼主:当然了,软硬自如,能屈能伸,这才是真爷们。。。。对不起,刚才说哪儿了?走神了。。。哦对了,话说用铜板铝板行不通,怎么办呢? 分成俩单体呗,每个就可以用目前的软铜片铝片镍片了。结构安全了,电流承受力也通过分散并联解决了。
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路人甲:矮油,就你能!说的天花乱坠,可是好多好多的老大哥都说2P的电池不好!
楼主:锂电普及才几年啊?理解有误不足为奇。还有那啥,炼仙丹的道士炼丹一辈子最后死于汞中毒。。。。(向老大哥们致敬!请勿曲解
路人甲:我文化浅,说不过你。可是你算老几啊,我哥们是电池厂的,他说了,2P就是不如1P!!
楼主:哦,电池厂的啊,NB!请代我问候他,顺便关心一下他们老板给他上三险一金了没,劳动合同签了吗,化学品劳保有没有,中了 毒算工伤不,加班费什么时候给结了。。。。
路人甲:。。。。。。。。


 一切电池的并联本质

一件东西,要想究其本质,拆开看看吧。这里有一个航模锂电的拆解视频。层叠结构的。
(只看图像即可,请关闭声音,或进入充耳不闻模式,屏蔽其自相矛盾的解说。)

st=1_9_1_1&nr=1[/media]

LiPo生产过程,加深理解。



结构看明白了吧,一大堆正极铝箔接在一起;一大堆负极铜箔接在一起;正负金属箔一对一。哪位大侠解释一下这里面不是并联是什么联? 谁能保证里面的每一片容量都一样大?特性完全一致?连金属箔褶皱都完全一致?涂布都一样厚?电解液都一样多?这么多片片,有人给它们一一作了检测分容了吗?每片测内阻了吗?有人办得到吗?



路人甲: 妈呀!这么多P啊,2P都被视为洪水猛兽,这么多P可怎么办啊!
楼主:办什么办!正因为是多P并联,所以什么也不用办,它们自然工作的踏踏实实

想完全避免多P并联的电池?明确讲,做不到!电池厂已经做好了nP,包成一整片。然后就你觉得这是一个完整的**元件了。实际上呢?这是一个厂内并联好的模组,早已经nP过了,我们还纠结什么呢? 纯属庸人自扰。

路人甲:你说谁是庸人?你敢骂人!你再说一个试试。。。
楼主: 。。。。我们每个人都是庸人。另外注意绷着点别露了老底。。。

结论:每一片电芯的实质都是1SnP。你改变不了。

如果电芯内有10片极板(每片是一对金属箔+之间的反应物),他们是怎么并联的?

路人甲:就是10P喽。
楼主:对了N分之一。你可以理解为:
*) 这是10片并联在一起,10P,每片都对等。
*) 这是9片并联好了之后,再并一片。容量比9:1相并联!
*) 这是8片对2片,8+2.
*) 5+2+3
*) 3+1+4+2
....
....
再看简化的结构剖面示意图(百度图片)。

这仅仅是示意图,简化到了3片。如果每一片的容量是100mAh,你可以认为:
*) 这是3片100mAh并联。
*) 这是上面2片100mAh并联成200mAh,之后200mAh与下面的100mAh并联。
*) 这是上面1片100mAh 与下面预先并联成200mAh的2片.... 再并联。
....... 随你怎么认为。

结论:什么容量不容量,随便并!(有前提!后面讲。)
每个动力锂电里面都是一大堆成对极板(单体中的单体)并联而成的。纯正1SnP,你无从选择。

继而,你拿起一片极板,手起刀落,剪去一半面积,这片极板会怎样?

路人甲: 当然容量减半喽。
楼主:为什么容量减半?
路人甲: 因为...因为.... 对啊,因为什么啊?

楼主:你剪掉一半面积,就是去掉了内部相并联的一半电池! 就像一块2P5000mAh 拆成 2块1P2500mAh,一样一样的。
开窍没?一块电池里面的一片电芯里面的一对极板,内部仍然无限可分!实质上也是在并联,而且是无限并联。你可以认为它是两个一半容量的半张极板并联;或者3张1/3极板并联;或者3/4张与1/4张并联...或者5/7与2/7并联.... 随你怎么切.... 或者一万块的万分之一小极板并联。。。

路人甲:行了行了,再切下去就微积分了
楼主:正解! 你一不小心说出了电池的本质!加十分!

            所以,还在纠结电芯要不要并联的兄弟们,你们最好能买到单个分子电化学反应的锂电池,否则纯正的不并联真心做不到。
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◆ 不同容量并联

想通了上面所述事实,自然也就不再纠结 “容量不同的3S2200 和 3S2600,能并联吗?”之类的问题。只要配方/结构相同 [决定了放电C率(即Ri*Ah常数的变形)],10Ah大块头跟100mAh小蚕豆并联也未尝不可。

想通了上面所述事实,自然也就明白了如下这些问题:
*)同样长x宽的电池,为什么2000mAh 的 比1000mAh的厚度大一倍? —— 因为里面相并联的极板多一倍。比如20片--> 40片。
*) 为什么同一系列的电池,2200mAh的内阻有6mΩ,4400mAh的内阻3mΩ? —— 因为4400mAh实质就是2200mAh x2内部并联,内阻当然减半。
*)为什么3S5200mAh 跟 6S2600mAh 一样大一样重?—— 你把三块砖都剁成两半,然后码成六层。每层就小了一半,但体积不变。(此处不计6 cell 多用的铝塑膜厚度。 )
*) 为什么普通电池用极板卷绕结构,而动力电池用极板层叠结构?—— 大电流需要更多更短的电流通路。
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◆ 普遍的,大规模的,匪夷所思的概念颠倒。

原理说的差不多了,现在让我们来做几个习题看看理解的怎么样:

这样串联可以吗?—— No,绝对不行。那个小瘦子必然最先放光电量,继续放电的话就是反向充电,鼓胀、冒烟接踵而至。常识了,不必多言。


这样并联可以吗?—— 没问题!只要电池的C率(Ri*Ah常数的另种表达)接近就没问题。因为它:
*) 只要任何一个单体有电,就不会有任何一个单体过放。
*) 只要任何一个单体未满,就不会有任何一个单体过充。
原因再简单不过:并联电路电压相同,古老的公理。

所以,并联电池不需要分容,不需要配对!毁三观吗?这是事实!

路人甲:那DJI Inspire1 的那个6S2P那么多人骂它,不就是因为12片电芯匹配起来困难吗?
楼主:为什么要做匹配? 恰恰是因为串联!不是并联!并联在这里纯属躺枪,它起到的作用恰恰是改善串联的种种弊端。
路人甲:这么看起来,貌似反而是串联更难伺候。
楼主:有戏!你要开窍。
我说个事,不知你想过没有:这些年,手机啊Pad啊充电宝啊,锂电的用量数十倍于十年前笔记本的时代,但发生事故的新闻似乎反而比笔记本的时代少了,或者最多持平(回忆一下SONY电池召回门....)。究其原因,除了技术进步功不可没之外,一个重要原因就是,手机、Pad、充电宝他们全都是 1S 供电!避免了串联,就躲开了太多太多的麻烦甚至危险。

不论是理论上还是实践中,锂电串联带来的麻烦远多于并联:
*) 因为串联,轻微的不匹配也会使容量最小的单体每次都经历最深度的放电,它总是第一个英年早逝。
*) 因为串联,容量最小的单体每次都最先充满,甚而过充。即使在平衡充条件下,同样的充电电流对小容量单体也意味着更大的C率。串联是欺负弱者的赤裸裸的丛林法则;而并联呢,大家不管胖瘦,一律平起平坐,充电放电电流自动按能力均分。
*) 因为串联,为了避免上面的情况,不得不做平衡口、保护板、检测电路...,增加电池组复杂度和造价;而并联呢,无需平衡,也无法平衡,因为他们互相直连,想“不平衡”都做不到。
*) 因为串联,充电器不得不做成“平衡充”,对每片电芯监测、旁路放电,以确保所有的单体都截止在4.2V。并联的话完全不需要这般啰嗦,直接捅上去4.2V限流电源就完事。

因此,我们不是要避免并联,反而是要尽量避免串联。可惜,单片锂电电压太低,我们不得不串联,尽管它有那么多缺点。这就是现实世界。


◆ 关于内阻

路人甲(还在头晕中):对了,终于想起来那个词儿了:内阻!据说那玩意不配对的话会带来很大麻烦。
楼主:同样工艺下,容量加倍则内阻减半(原因如前所述,内部并联)。并联时,在同样放电电流下,内阻小的那个(同时也是容量大的)自动承担更多电流。
路人甲:凭什么呀!他们又没有头脑。
楼主:凭欧姆老大爷的那个Law!(西文中,“定律”和“法律”是同一个词!)。看下图,容量加倍->内阻减半->电流2倍于邻居。这一切都被上帝(物理规律)安排好了,我们无需操心。大小不同的电芯并联没问题。对于大电流场合,比如航模,相并联的电芯容量无所谓,只需C数接近。而小电流场合甚至连这点限制也不需要。

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◆ 总结
*) 并联是一切化学电池的本质结构,无法避免,也无需避免。
*) 并联比串联更安全、更简单、更省事、更低成本、对电芯品质有更大宽容度。
*) 电池串联带来的麻烦众多,但为了得到高电压,在发现超高化学电势的材料之前,不得已而为之。


路人甲:还是晕。那啥,受不了了,我得回去缓缓。你来两句结束语,大伙都散了吧。Come on, Man! 。
楼主:
*) 知其然,知其所以然。
*) 做有主见的人,跟盲从势不两立。
*) 串并联概有优劣乎? 习之,则优劣立显;不习,则优者亦劣,劣者亦优。甚而指优为劣,优劣莫辨,疑窦丛生。

最后,前面说了那么多,我想说,都在放P(好大一个P啊)!那些完全不重要!选择1P纯串联 还是 选择2P或多P串并联,完全是你自己的喜好决定,通俗说法就是 —— 爱咋咋地。这不是一个技术问题,而在于维护心理健康。没么比这个更重要了,大家都听说了,头两天又有精神病砍人事件。。。。
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后置声明:
*) 分析计算过程可能不严谨,甚至错误。如果发现请一定要果断为学生我指出不妥之处,您也不忍心眼睁睁看我丢人现眼对吧。
*) 欢迎提出您自己的分析计算方法来一起讨论。
*) 仅仅根据自己的“感觉”或所谓“经验”就忙着扣帽子的,请免开尊口。拿出你的理论!
*) 谈笑有鸿儒,往来无白丁。您是鸿儒,不是白丁,请珍惜自己的声誉。
*) 消化道两端颠倒的(不论先天缺陷还是后天造成),请免开尊X(Sorry,我也不知该如何称呼那个器官,但真心很同情您)。

希望能帮到您。

****************** 2015-06-01 补充一些图片 ******************

为什么业界以天文数字(每年几亿、十几亿件的规模)广泛使用了几十年的技术到了航模领域就成了争议对象了呢 ?
(部分图片来自网络,所有权归原创者)

按照规模由小到大的顺序:

1) 正品小米充电宝,1S4P。
正极。在一起!在一起!在一起......


负极。在一起!在一起!在一起......


2) 原装ThinkPad笔记本电池,3S2P。
整体。


正极。在一起。


负极,以及下一个2P的正极,都在一起。


3) DeWalt、Stanley 电动工具电池。
为什么有人认为大电流的就不能并联?





4) DJI Phantom2电池,3S2P。来自本坛坛友 “zhaoxintc”,感谢!



5) DJI Inspire1电池,6S2P。


6) 我的使用五年多的、P事木有的、仍在正常服役的、自组的 18P 6S 存储两度电的外场包。




7) TESLA 电池,整车其中的一块电池板,6S 74P。


这张图正好同时出现了正极和负极的焊接特写,74P 在一起!在一起!在一起......


对于飞行中突然某片电芯出问题的坠机(无输出)概率,楼主只考虑了电芯断路一种情况,这种情况多见于断极耳、焊锡熔化。

断极耳本人遇到过,但未试过电芯内部断路,被我玩死过的电芯继续使用也就是进入反向冲电,它在整个电池组中相当于变成了一个电阻存在,并不会完全开路,但会拖低电池组电压。

3s1p出现这种情况只要电调低压保护设置为【软关断】或【关闭】还是可以迫降的。


因为死电芯而断路的概率感觉很小啊,所以个人认为采用2p结构不一定是为了安全性,也可能是为了匹配电池仓尺寸,1p找不到合适的

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