電池的連接方式

電池可以通過串聯(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(nèi)阻的電池是非常理想的特性，因?yàn)樗鼈兙哂懈咝屎透L(zhǎng)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(shè)備供電，因?yàn)樗鼈冇卸喾N不同的尺寸、類型和端電壓值。但有時(shí)，單個(gè)電池往往無法提供足夠高的電壓或安時(shí)容量來為特定設(shè)備或電路供電。雖然電池以固定的極性提供穩(wěn)定的電能來源，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?yīng)用創(chuàng)建更高的電壓或安時(shí)容量。

我們?cè)诘谝徊糠纸坛讨幸呀?jīng)看到，電池是一組連接的伏打電池，通過外部連接提供電能，并且我們將電池用作能量存儲(chǔ)設(shè)備。然而，電池容量的減少相當(dāng)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。

電池類型

電池的容量根據(jù)其安時(shí)數(shù)來評(píng)定，即電池在特定時(shí)間內(nèi)可以提供的電流量。

這是通過將存儲(chǔ)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)連接到外部電路時(shí)，內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電能。

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

雖然電池只不過是由內(nèi)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(fù)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，提供無限的電能，但實(shí)際電池具有內(nèi)阻，RINT以歐姆（Ω）為單位測(cè)量，這會(huì)導(dǎo)致電池在使用過程中發(fā)熱，從而縮短其壽命和效率。

電池的內(nèi)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(chǔ)相對(duì)于其尺寸和重量的大量勢(shì)能，從而在使用壽命耗盡（放電）之前具有更長(zhǎng)的使用時(shí)間。

其端電壓將是恒定且線性的，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存儲(chǔ)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(nèi)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(shì)電壓（E），無論連接的負(fù)載電阻如何。

因此，當(dāng)電阻負(fù)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(yīng)和電池都會(huì)有一些內(nèi)阻，無論多么小，都會(huì)對(duì)其提供恒定電流的能力產(chǎn)生不利影響。對(duì)于電化學(xué)電池和電池，它們的內(nèi)阻是電流通過電池電解質(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內(nèi)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，在許多方面類似于戴維南等效串聯(lián)電路。

非理想電池單元

當(dāng)電池單元開路（即無負(fù)載且RL = ∞Ω）且不提供電流時(shí)，端子上的電壓將等于E。當(dāng)負(fù)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(dǎo)致電池單元的內(nèi)阻RINT上產(chǎn)生電壓降。

因此，這種內(nèi)部電壓降意味著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(fù)載電流RL越大，RINT上的內(nèi)部電壓降越大。

顯然，我們可以使用歐姆定律來找到電池或電池單元的內(nèi)阻值，因?yàn)樗扔冢篟INT = (E – VS)÷I。

請(qǐng)注意，電池或電池單元的內(nèi)阻特性非常重要，因?yàn)樗鼪Q定了其電壓調(diào)節(jié)以及可以提供給連接負(fù)載的電流和功率的最大速率。

電池連接示例1

一個(gè)電池的開路無負(fù)載電壓為12伏，內(nèi)阻為0.3Ω。計(jì)算電池在提供5安培和10安培外部負(fù)載時(shí)的端電壓VS。

1. 提供5安培負(fù)載。

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

2. 提供10安培負(fù)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(fù)載電流越大，其端電壓越低，因?yàn)殡姵仉娏饔捎趦?nèi)阻的影響而增加。例如，如果電池提供30安培的負(fù)載電流，其端電壓將降至VS = 3伏，依此類推。

通過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(nèi)阻。

使用電壓表，可以測(cè)量開路無負(fù)載端電壓E以及給定負(fù)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(dāng)提供大電流時(shí)，具有低內(nèi)阻的電池是理想的，因?yàn)榈蛢?nèi)阻的電池效率更高，循環(huán)壽命更長(zhǎng)，并且使用更安全（內(nèi)部發(fā)熱更少）。因此，具有低內(nèi)阻的電池（或電池單元）意味著更高的效率。

電池串聯(lián)連接

由于伏打電池的組合稱為電池，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(nèi)阻，將對(duì)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(nèi)阻。當(dāng)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(nèi)阻等于內(nèi)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?yàn)橄嗤碾娏鳎↖）流過所有串聯(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，無限數(shù)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(duì)于給定的負(fù)載電阻RL，增加串聯(lián)電池的數(shù)量將幾乎以相同的比例增加負(fù)載電流。

內(nèi)阻也是如此，因?yàn)閷㈦姵卮?lián)連接在一起的總體效果是增加等效內(nèi)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(nèi)阻。使用歐姆定律：ISC = E/R，最大短路電流計(jì)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(nèi)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(nèi)阻越低，它在向負(fù)載提供電流時(shí)產(chǎn)生全輸出電壓的能力越好，內(nèi)部發(fā)熱效應(yīng)越小。

電池并聯(lián)連接

如果單個(gè)電池提供的負(fù)載電流導(dǎo)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(shì)（E）和內(nèi)阻（RINT）的相同電池并聯(lián)連接將提供負(fù)載電流IL的相等部分。

當(dāng)電池并聯(lián)連接時(shí)，所有正極電氣連接在一起，所有負(fù)極也是如此。將電池或電池單元并聯(lián)連接相當(dāng)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(nèi)阻。然后，等效內(nèi)阻是所有并聯(lián)連接的單個(gè)內(nèi)阻的結(jié)果。

如圖所示，四個(gè)電池并聯(lián)連接，等效內(nèi)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(nèi)阻是每個(gè)單個(gè)電池或電池單元內(nèi)阻的1/4。

現(xiàn)在我們?nèi)匀挥幸粋€(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(nèi)阻與電路負(fù)載相比可以忽略不計(jì)，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(yīng)具有相同的類型，并且在電壓和內(nèi)阻方面相同。任何差異都會(huì)導(dǎo)致電池之間的內(nèi)部循環(huán)電流和負(fù)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?qū)⑺鼈兇?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(nèi)阻增加為單個(gè)電池的“s”倍，而電池組的總體內(nèi)阻減少為單個(gè)串聯(lián)電池串的1/p。理想情況下，等效內(nèi)阻應(yīng)與外部或負(fù)載電阻RL匹配，以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

給定電池組的內(nèi)阻由以下表達(dá)式給出：（內(nèi)阻 x 串聯(lián)電池?cái)?shù)）÷ 并聯(lián)分支數(shù)?？紤]以下示例。

電池串聯(lián)-并聯(lián)連接

這里，具有相同開路端電壓E為12伏和內(nèi)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(nèi)阻額定值計(jì)算如下：

1. 電池組端電壓E

E = 12 x 6 = 72伏

2. 電池組等效內(nèi)阻REQ

REQ = (0.3 x 6)÷4 = 0.45Ω

因此，此電池組示例的開路端電壓為72伏，組合內(nèi)阻為0.45Ω。

顯然，最大短路電流計(jì)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(fù)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(fù)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(hào)在接地參考電平上下波動(dòng)。例如，基于運(yùn)算放大器的電路可能需要從12伏正極和12伏負(fù)極雙電壓電源（±12V）供電，相對(duì)于中心抽頭接地（0V），允許輸出信號(hào)在其正負(fù)軌之間擺動(dòng)。

理想情況下，三端雙電壓電源應(yīng)使用相同類型的電池為正負(fù)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(duì)于接地，而下部電池為負(fù)電源軌提供-12伏電壓，相對(duì)于接地。

請(qǐng)注意，正負(fù)電壓共享一個(gè)共同的零伏接地。

教程總結(jié)

電池是現(xiàn)代生活中不可或缺的一部分，廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用中。它們方便、可靠且相對(duì)便宜，為從手機(jī)和筆記本電腦到汽車和家庭的所有設(shè)備提供可靠的能源來源。

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(duì)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(duì)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限電流。但所有電池都具有一定值的內(nèi)阻，無論多么小，都會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的熱損失。請(qǐng)注意，相同類型和額定值的電池在電氣上可能并不總是相同。它們?cè)陔妷汉蛢?nèi)阻方面可能存在細(xì)微差異。

電池的內(nèi)阻得名于它是一個(gè)位于內(nèi)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(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。通過并聯(lián)更多電池可以減少電池組的內(nèi)阻。

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