Co znamená 4S2P nebo 10S4P? Sériové a paralelní zapojení článků

Na štítku baterie do vysavače stojí „4S1P“, u packů pro elektrokola se mluví o „10S4P“ nebo „13S4P“. Tyto zkratky popisují, kolik článků je v baterii a jak jsou spojené. Když zápisu rozumíte, spočítáte si napětí, kapacitu i energii baterie sami a snadno ověříte, jestli údaje na štítku dávají smysl.

Jak číst zápis xSyP

Zápis má dvě části:

• S (z anglického series, série) říká, kolik článků nebo skupin článků je zapojeno za sebou. Plus jednoho článku je spojen s mínusem dalšího.
• P (z anglického parallel, paralelně) říká, kolik článků je zapojeno vedle sebe v jedné skupině. Všechny plusy jsou spojené dohromady a všechny mínusy také.

Celkový počet článků je součin obou čísel. Baterie 4S2P má 4 × 2 = 8 článků, pack 10S4P jich má 40 a 13S4P 52. Paralelní skupina se v sériovém řetězci chová jako jeden „velký“ článek: 4S2P jsou tedy čtyři dvojice článků zapojené za sebou.

Sériové zapojení: sčítá se napětí

Když články spojíte do série, jejich napětí se sčítá, kapacita v mAh zůstává stejná jako u jednoho článku. Proud, který prochází řetězcem, je ve všech článcích stejný.

U Li-ion se počítá se třemi hodnotami napětí na článek:

• jmenovité napětí 3,6V (někteří výrobci uvádějí 3,7V, jde o totéž, liší se jen zaokrouhlení),
• nabíjecí napětí 4,20V, tedy napětí plně nabitého článku,
• koncové napětí vybíjení, u většiny článků 2,5V (u některých typů výrobce uvádí vyšší, například 2,65V).

Pro pack 4S tedy vychází jmenovité napětí 4 × 3,6V = 14,4V (nebo 4 × 3,7V = 14,8V) a po plném nabití 4 × 4,20V = 16,8V. Proto se baterie do robotických vysavačů prodávají s označením „14,4V / 14,8V“: obě čísla popisují stejnou baterii. Podrobněji o jednotlivých hodnotách napětí píšeme v článku /blog/napeti-li-ion-clanku-stav-nabiti/.

Paralelní zapojení: sčítá se kapacita a proud

U paralelního zapojení zůstává napětí stejné jako u jednoho článku, ale sčítá se kapacita. Dva články po 2600mAh vedle sebe dají 5200mAh. Zátěž se rozdělí mezi oba články, takže každý dodává zhruba polovinu proudu. Paralelní skupina proto snese vyšší odběr a články se méně zahřívají.

Vnitřní odpor se chová opačně než kapacita: v sérii se odpory článků sčítají, v paralelní skupině klesají. Dva stejné články vedle sebe mají přibližně poloviční odpor než jeden článek. Co vnitřní odpor prozrazuje o stavu článku, rozebíráme v článku /blog/vnitrni-odpor-li-ion-clanku/.

Jak spočítat napětí, kapacitu a energii packu

Stačí tři vzorce:

• napětí packu = počet S × napětí článku,
• kapacita packu = počet P × kapacita článku,
• energie ve Wh = jmenovité napětí packu (V) × kapacita packu (Ah).

Energie ve watthodinách je pro porovnání baterií užitečnější než samotné mAh. Baterie 14,4V 2600mAh a článek 3,6V 2600mAh mají stejnou kapacitu, ale baterie nese čtyřikrát víc energie. Více o vztahu Ah a Wh najdete v článku /blog/ah-a-wh-u-baterii-naradi/.

Příklady v tabulce

Pro výpočet bereme jmenovité napětí článku 3,6V. Kapacity článků jsou zvolené jako typické příklady, nejde o parametry konkrétního výrobku.

Baterie do vysavače 14,4V: 4S1P a 4S2P

Typická náhradní baterie do robotického vysavače má čtyři články 18650 v sérii. Na štítku jedné z našich baterií je přímo napsáno „4S1P“ a jmenovitá kapacita 2600mAh. Varianta 4S2P má stejné napětí, ale dvojnásobnou kapacitu a energii, a tedy i delší provoz na jedno nabití. Je ale větší a těžší, takže se musí vejít do šachty vysavače. Napětí obou verzí je stejné, rozhodující je proto kromě konektoru hlavně tvar a rozměr. Jak vybrat správný typ, popisujeme v článku /blog/nahradni-baterie-do-robotickeho-vysavace/.

Baterie nářadí 18V: pět článků v sérii

Platforma 18V odpovídá pěti Li-ion článkům v sérii: 5 × 3,6V = 18V. Plně nabitý pack má 5 × 4,20V = 21,0V. Odtud pochází značení „20V MAX“, které používají někteří výrobci nářadí: podle vysvětlení DeWALT je 20V maximální napětí bez zátěže, jmenovité napětí je 18V. Baterie 18V 3,0Ah tedy obsahuje 54Wh, baterie 18V 6,0Ah 108Wh. Při článcích 3000mAh by verze 6,0Ah potřebovala dvojnásobek článků v paralele (5S2P); vnitřní uspořádání konkrétních baterií ale výrobci nářadí obvykle neuvádějí.

Packy 36V a 48V: 10S a 13S

Větší packy, jaké se používají například u elektrokol a koloběžek, mají deset nebo třináct článků v sérii. Pack 10S má jmenovitě 36V a nabitý 42,0V. U 13S vychází 13 × 3,6V = 46,8V (při 3,7V na článek 48,1V), proto se mu říká „48V“; nabitý má 54,6V. Počet článků v paralele (4P, 5P a více) pak určuje kapacitu a proud, který pack dodá. Při stejných článcích má pack 13S4P o 30 % víc energie než 10S4P, protože má o tři články víc v každém řetězci.

Proč musí být v packu stejné články

V sériovém řetězci teče všemi články stejný proud, ale žádné dva články nejsou úplně stejné. Liší se kapacitou, vnitřním odporem i samovybíjením. Rozdíly jsou nejmenší u článků stejného typu, stejného výrobce a ze stejné výrobní šarže. Proto výrobci packů používají právě takové články a třídí je podle kapacity a vnitřního odporu.

Co se stane, když je v řetězci slabší článek:

• Při vybíjení se slabší článek vybije dřív než ostatní. Napětí packu přitom může vypadat v pořádku, protože ostatní články ho „drží“. Slabý článek tak klesne pod koncové napětí, což mu škodí.
• Při nabíjení se slabší článek nabije jako první a bez ochrany by se dál přebíjel a zahříval, zatímco ostatní ještě nabité nejsou.

Rozdíly se cyklováním zvětšují: slabý článek je víc namáhaný, rychleji stárne a celý pack má využitelnou kapacitu jen takovou, jakou má jeho nejslabší článek. Battery University (provozuje ji kanadská firma Cadex Electronics) uvádí pro průmyslové baterie toleranci kapacity článků v rámci ±2,5 %. Z téhož důvodu nemá smysl měnit v hotovém packu jen jeden článek: nový článek se ke starým, opotřebovaným nehodí.

Paralelní skupina se sice vyrovnává sama (články vedle sebe mají vždy stejné napětí), ale i tady platí, že článek s vyšším vnitřním odporem dodává menší proud a ostatní ho musí doplnit. Míchat staré a nové nebo různé typy článků se proto nedoporučuje ani v paralele.

BMS: elektronika, která hlídá každý článek

BMS (z anglického Battery Management System, systém řízení baterie) je elektronika uvnitř Li-ion packu. Jeho úkolem je udržet každý článek v bezpečném rozsahu. V principu dělá tyto věci:

• hlídá napětí každé sériové skupiny zvlášť a odpojí nabíjení, když kterákoli dosáhne horní meze, nebo vybíjení, když kterákoli klesne na dolní mez,
• hlídá proud a při zkratu nebo přetížení pack odpojí,
• u řady packů hlídá teplotu pomocí čidla,
• často také vyrovnává (balancuje) články: při nabíjení odvádí přebytečnou energii z článků s vyšším napětím, aby se řetězec nabíjel rovnoměrně.

Proto se u packu měří a hlídá každá sériová skupina, a ne jen celkové napětí. Celkových 16,8V u 4S může znamenat čtyři články po 4,20V, ale také tři články po 4,30V a jeden po 3,90V. BMS ale nedokáže napravit špatně sestavený pack z nesourodých článků: pouze ho odpojí dřív, takže baterie vydrží méně.

Shrnutí

• S = počet článků za sebou, určuje napětí: 4S = 14,4V, 5S = 18V, 10S = 36V, 13S = 46,8V (označované jako 48V).
• P = počet článků vedle sebe, určuje kapacitu a proudovou zatížitelnost: 2P má dvojnásobnou kapacitu než 1P.
• Energie ve Wh = jmenovité napětí × kapacita v Ah. Je to nejlepší údaj pro srovnání dvou baterií.
• V packu musí být stejné články ze stejné šarže, jinak nejslabší článek omezí celý pack a stárne nejrychleji.
• BMS hlídá napětí každé sériové skupiny, proud a teplotu a pack v případě potřeby odpojí.

Hotové náhradní baterie najdete v kategoriích Baterie do vysavačů (například Li-ion 14,4V/14,8V 2600mAh) a Náhradní AKU baterie. Samostatné články nabízíme v kategoriích Li-ion 18650 a Li-ion baterie 21700. Packy nesestavujeme ani neopravujeme, prodáváme hotové zboží. Pokud si nejste jistí, jaká baterie se hodí do vašeho zařízení, napište nám na obchod@baterie-roznov.cz nebo zavolejte na +420 735 346 075.