배터리를 함께 연결하기

 

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배터리를 함께 연결하기

배터리는 전압이나 암페어시 용량을 높이기 위해 직렬 또는 병렬 조합으로 함께 연결할 수 있으며 내부 저항이 낮은 배터리는 효율성이 높고 수명이 길어 매우 바람직한 특성입니다.

배터리 파트 2 – 배터리를 함께 연결하기

배터리는 다양한 크기, 유형 및 단자 전압 값으로 제공되므로 휴대용 장치에 전원을 공급하는 데 이상적입니다. 그러나 때로는 단일 배터리 자체가 특정 장치나 회로에 전력을 공급할 만큼 충분히 높은 전압이나 암페어 시간 용량을 제공할 수 없는 경우가 많습니다. 배터리는 고정된 극성에서 안정적인 전기 에너지 소스를 제공하는 반면, 개별 볼타 셀처럼 배터리를 서로 연결하면 어떤 응용 분야에든 훨씬 더 높은 전압 또는 암페어 시간 정격을 생성할 수 있습니다.

우리는 이전에 1부 튜토리얼에서 배터리가 전력을 공급하기 위해 외부 연결이 있는 연결된 볼타 전지 그룹이고 배터리를 에너지 저장 장치로 사용한다는 것을 보았습니다 . 그러나 배터리 용량의 감소는 배터리에서 끌어오는 에너지의 증가와 동일합니다. 즉, 배터리에서 빠져나가는 실제 에너지입니다.

 

배터리 용량은 Amp-hours 또는 배터리가 지정된 시간 동안 공급할 수 있는 암페어의 양에 따라 평가됩니다.

이는 외부 회로에 연결될 때 생성되는 내부 화학 반응의 결과로 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 수행됩니다.

 

그러나 배터리가 화학적으로 에너지를 저장하더라도 전기 ​​충전 및 방전 과정은 매우 유사합니다.

배터리는 내부적으로 직렬 및/또는 병렬 조합으로 연결된 볼타 셀의 집합체에 불과하지만, 각 전기화학 셀은 양극, 음극 및 분리막이 있는 전해질로 구성됩니다.

배터리는 끝없는 양의 전력을 공급하는 이상적인 전압원으로 생각할 수 있지만 실제 배터리에는 내부 저항 , 즉 옴( Ω ) 단위로 측정되는 RINT 가 있어 사용 중에 배터리가 과열되어 수명과 효율성이 저하될 수 있습니다. .

A 배터리 내부 저항

완벽한 세상에서 이상적인 배터리는 동일한 전압과 용량의 동일한 셀을 가지고 있어 크기와 무게에 비해 많은 양의 잠재적 에너지를 저장할 수 있어 고갈(방전)되기 전에 더 오랫동안 사용할 수 있습니다.

단자 전압은 전체 방전 기간 동안 전체 범위의 온도 및 환경 조건에 걸쳐 모든 전력 수준을 제공하는 일정하고 선형적입니다. 그러나 실제로는 저장된 전하량이 감소함에 따라 배터리 셀의 단자 전압도 감소합니다.

이상적인 배터리 셀

 

그림과 같이 내부 저항이 0인 2포트 네트워크로 이상적인 배터리를 표현할 수 있습니다. 이 이상적인 전압 소스는 연결된 부하 저항에 관계없이 단자 전체에 고정된 EMF 전압( E )을 유지합니다.

따라서 이상적인 전압 소스는 저항성 부하( R )가 단자에 연결될 때 항상 I = E¼R(옴의 법칙)과 동일한 전류( I ) 를 공급합니다 .

그러나 모든 실제 전압 공급 장치와 배터리에는 일정한 전류를 공급하는 능력에 부정적인 영향을 미치는 작은 내부 저항이 있더라도 어느 정도 내부 저항이 있습니다. 전기화학 전지 및 배터리의 경우 내부 저항은 두 전극 사이의 전지 전해질을 통과하는 전류 흐름에 대한 저항입니다.

셀 전류는 내부 저항을 통해 흘러야 하기 때문에 R INT는 테브낭의 등가 직렬 회로와 여러 면에서 유사한 이상적인 전압원 E와 직렬로 연결된 저항으로 정의됩니다.

비이상적인 배터리 셀

 

배터리 셀이 개방 회로(즉, 무부하 및 R L = Ω )이고 전류를 공급하지 않을 때 단자 양단의 전압은 E 와 같습니다 . 부하 저항 R L 이 셀 단자에 연결되면 셀은 셀의 내부 저항 R INT 양단에 전압 강하를 일으키는 전류 I를 공급합니다.

따라서 이 내부 전압 강하는 배터리 또는 셀의 단자 전압 VS가 항상 E보다 작음을 의미하며 이를 다음 과 같이 정의 할 수 있습니다. VS = E – (I x R INT ) . 따라서 부하 전류 R L 이 클수록 R INT 에 걸친 내부 전압 강하도 커집니다 .

그러면 옴의 법칙을 사용하여 배터리 또는 셀의 내부 저항 값을 찾을 수 있습니다. R INT = (E – V S ) ¼I 입니다 .

 

셀이나 배터리의 내부 저항 특성은 전압 조절과 전류, 즉 전력이 연결된 부하에 전달될 수 있는 최대 속도를 결정하기 때문에 중요합니다.

배터리를 함께 연결하는 예 No1

배터리의 개방 단자 무부하 전압은 12V이고 내부 저항은 0.3Ω입니다. 5암페어에서 외부 부하를 공급하고 다시 10암페어에서 공급할 때 배터리의 단자 전압 VS 를 계산합니다.

1. 5암페어 부하를 공급합니다.

V S = E – (I x R INT ) = 12 – (5 x 0.3) = 10.5V

2. 10A 부하를 공급합니다.

V S = E – (I x R INT ) = 12 – (10 x 0.3) = 9.0V

그러면 12V 배터리에서 공급되는 부하 전류가 클수록 내부 저항의 영향으로 배터리 전류가 증가하므로 단자 전압이 낮아진다는 것을 알 수 있습니다. 예를 들어, 배터리가 30암페어의 부하 전류를 공급했다면. 단자 전압은 V S = 3V 등으로 감소합니다.

위의 방정식을 약간 재정리하면 이 방법을 사용하여 배터리의 내부 저항을 찾을 수도 있습니다.

전압계를 사용하여 개방 회로, 무부하 단자 전압 E 와 0이 아닌 전류 단자 전압 V S 를 주어진 부하 전류 I 에 대해 측정할 수 있습니다 .

위의 예 1.1에서:

이후: V S = E – (I x R INT )

R INT = (E – V S ) ¼ I = (12 – 10.5) ¼ 5 = 1.5 ¼ 5 = 0.3 Ω's

그러면 내부 저항이 낮은 배터리가 더 효율적이고, 수명이 길며, 사용하기에 더 안전하기 때문에(내부 발열이 적음), 큰 전류를 공급할 때는 내부 저항이 낮은 배터리를 사용하는 것이 바람직합니다. 따라서 내부 저항이 낮은 배터리(또는 셀)는 효율이 높다는 것을 의미합니다.

배터리를 직렬로 연결하기

볼타 전지의 조합을 배터리라고 부르기 때문에 배터리 를 직렬( + - - ) 또는 병렬( + - + , - - - ) 조합으로 연결하면 조합의 전압 및 전류 용량에 영향을 미칩니다. 개별 셀의 내부 저항에 대한 것입니다.

우리가 논의한 것처럼 배터리 또는 볼타 전지의 가장 확실한 양은 전압 과 내부 저항 입니다 . 배터리가 직렬로 연결되면 (종단 간) 총 전압은 각 개별 배터리의 모든 전압의 합과 같고 총 내부 저항은 그림과 같이 내부 저항의 합과 같습니다.

배터리를 직렬로 함께 연결

 

이전 예의 12V 배터리를 사용하면 4개의 배터리(또는 셀)가 직렬로 연결되어(하나의 전압 소스와 하나의 직렬 저항으로 표시됨) 전압이 합산됩니다(4 x 12V = 48V). 모든 직렬 조합에 동일한 전류( I )가 흐르기 때문에 전류는 하나의 배터리와 동일합니다 .

암페어 시간 단위의 배터리 용량( C )은 암페어 단위의 전류( I )와 관련이 있고 이는 직렬 회로에서 일정하므로 직렬 조합의 총 암페어 시간(Ah) 정격은 단일 배터리 1개와 동일합니다. .

그런 다음 직렬로 연결된 무한한 수의 배터리 또는 셀은 단일 셀과 동일한 단락 전류를 공급합니다. 분명히 주어진 부하 저항에 대해 직렬 배터리의 수를 늘리면 R L 은 거의 동일한 비율로 부하 전류를 증가시킵니다.

직렬로 연결된 저항이 총 저항이 증가하는 것처럼 배터리를 직렬로 연결하는 전체적인 효과는 등가 내부 저항을 증가시키기 때문에 내부 저항에도 마찬가지입니다. 그러면 R EQ = 4 x 0.3Ω = 1.2Ω

그러나 4개의 배터리가 단락되면 전류 흐름을 제한하는 유일한 저항은 배터리 조합의 내부 저항이 됩니다. 옴 법칙( I SC = E/R) 을 사용하여 최대 단락 전류는 다음과 같이 계산됩니다.

I SC = E ¼ R EQ = 48V ¼ 1.2Ω = 40 암페어

이는 큰 전류이며 각 배터리에 걸쳐 P = I 2 R INT 와트의 전력을 생성합니다. 따라서:

P = I 2 R INT = 40 2 x 0.3 = 480와트

각 배터리 내부 또는 전체 시리즈 조합의 경우 4 x 480 = 1920W 또는 1.92kW이므로 각 배터리가 매우 뜨거워집니다.

이는 배터리나 볼타셀의 내부 저항이 낮을수록 내부 발열 효과가 적은 부하에 전류를 공급할 때 최대 출력 전압을 생성하는 데 더 좋다는 것을 보여줍니다.

배터리를 병렬로 연결하기

단일 배터리에서 공급되는 부하 전류로 인해 단자 전압이 허용할 수 없을 정도로 떨어지면 배터리와 셀을 병렬로 연결할 수 있습니다. 병렬로 연결된 EMF( E ) 및 내부 저항( R INT ) 측면에서 동일한 배터리는 부하 전류 IL의 동일한 부분을 공급 하므로 .

배터리가 병렬로 연결되면 모든 양극 단자는 모든 음극 단자와 마찬가지로 전기적으로 함께 연결됩니다. 배터리 또는 셀을 병렬로 연결하는 것은 배터리의 전극과 전해질의 물리적 크기를 늘리는 것과 동일하며, 이는 총 암페어시(Ah) 전류 용량을 증가시킵니다.

즉, 총 암페어시 용량은 개별 배터리의 모든 용량( C )의 합입니다. 그러나 단자 전압은 각 개별 배터리 또는 셀의 전압과 동일하게 유지됩니다.

배터리를 병렬로 연결하기

 

병렬 연결된 배터리의 전압은 각 배터리의 전압(예: 12V)입니다. 배터리와 셀을 병렬로 연결하는 주요 효과는 단일 셀에 비해 내부 저항을 줄이는 것입니다. 그러면 등가 내부 저항은 병렬로 연결된 모든 개별 내부 저항의 결과 저항입니다.

그림과 같이 4개의 배터리를 병렬로 연결하면 병렬 저항이 전체 저항을 감소시키는 것과 마찬가지로 등가 내부 저항인 R EQ 도 감소합니다. 따라서 병렬로 연결된 4개의 배터리에 대한 등가 내부 저항은 각 개별 배터리 또는 셀의 1/4입니다.

이제 우리는 여전히 12V 배터리를 사용하고 있지만 단일 배터리에서 얻은 것보다 전류 용량이 4배 더 큽니다. 따라서 이전 예에서 I SC = 40A 이면 회로 부하에 비해 내부 저항이 무시할 수 있고 이상적인 전압 소스에 매우 가까운 성능을 갖는 12V, 160A 배터리를 효과적으로 갖게 됩니다.

병렬로 연결된 배터리는 동일한 유형이어야 하며 전압 및 내부 저항이 동일해야 한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 차이가 있으면 배터리 간의 내부 순환 전류가 발생하고 부하 전류 공유가 동일하지 않게 됩니다.

배터리를 조합하여 연결하기

따라서 배터리를 직렬 스트링 및 병렬 분기로 함께 연결할 수 있다면 배터리를 직렬 병렬 조합으로 함께 연결하여 단일 배터리에 비해 전압 및 전류 용량을 모두 늘릴 수 있어야 합니다.

배터리를 직렬 및 병렬 조합으로 그룹화하면 일반적으로 배터리 뱅크 라고 합니다 . " n "개의 배터리 로 구성된 배터리 뱅크는 전압을 높이기 위해 " s " 시리즈 로 배열하고 , 전류 용량을 늘리기 위해 " p " 병렬 분기로 배열할 수 있습니다. 단, 모든 배터리(또는 셀)는 동일해야 합니다.

직렬로 연결된 배터리는 내부 저항을 단일 배터리의 " s "배 증가시키는 반면, 배터리 뱅크의 전체 내부 저항은 단일 직렬 스트링의 1/ p 만큼 감소합니다. 이상적으로는 등가 내부 저항이 외부 또는 부하 저항 R L 과 일치해야 최대 전력 전달이 발생합니다.

특정 배터리 뱅크의 내부 저항은 (내부 저항 x 직렬 배터리 수) ¼ 병렬 분기 수로 표현됩니다. 다음 예를 고려하십시오.

배터리를 직렬 병렬로 연결하기

 

여기서는 12V의 동일한 개방 단자 전압 E 와 0.3Ω의 내부 저항을 갖는 배터리가 6개의 배터리로 구성된 직렬 스트링으로 함께 연결됩니다. 추가로 3개의 직렬 스트링이 병렬로 연결되어 4개의 병렬 분기를 형성합니다. 따라서 총 24개의 배터리가 6개의 직렬 및 4개의 병렬(6S4P) 조합으로 함께 연결됩니다.

총 배터리 뱅크 단자 전압 및 내부 저항 정격은 다음과 같이 계산됩니다.

1. 배터리 뱅크 단자 전압, E

E = 12 x 6 = 72볼트

2. 배터리 뱅크 등가 내부 저항, R EQ

R EQ = (0.3 x 6) ¼4 = 0.45Ω

따라서 이 배터리 뱅크 예는 72V의 개방 회로 단자 전압과 0.45Ω의 결합 내부 저항을 갖습니다.

그러면 최대 단락 전류는 다음과 같이 계산됩니다.

I SC = E ¼ R EQ = 72V ¼ 0.45Ω = 160 암페어

이중 전압 배터리 전원 공급 장치

하나의 단일 전압 공급 장치를 생성하기 위해 개별 배터리를 직렬, 병렬 조합으로 함께 연결하는 것 외에도 배터리를 함께 연결하여 일반적으로 이중 전압 전원 공급 장치 또는 이중 극성 전원 공급 장치 라고 부르는 것을 생성할 수도 있습니다 .

배터리에는 양극 및 음극 단자가 있으므로 듀얼 밸런스 전원 공급 장치에 사용하기에 이상적입니다. 이중 전압 전원 공급 장치에는 일반적으로 전압 값은 동일하지만 극성이 반대인 양극 및 음극 전원이 있으며, 두 전압 사이의 중간에 제로 접지점이 있습니다.

이는 신호가 접지 기준 레벨 위와 아래로 변동하는 전자 회로에 일반적으로 사용됩니다. 예를 들어, 연산 증폭기 기반 회로는 출력 신호가 양극과 음극 사이에서 스윙할 수 있도록 중앙 탭 접지(0V)에 대해 12V 양극 및 12V 음극 이중 전압 공급 장치(±12V)에서 전원을 공급해야 할 수 있습니다. 네거티브 레일.

이상적으로 3단자 이중 전압 전원 공급 장치는 그림과 같이 양극 및 음극 공급 레일에 전원을 공급하기 위해 동일한 유형의 배터리를 사용해야 합니다.

이중 전압 전원 공급 장치

 

여기서 상단 배터리는 접지에 대해 +12V의 양극 전력 레일을 공급하고, 하단 배터리는 접지에 대해 -12V의 음극 전력 레일을 공급합니다.

양의 전압과 음의 전압 모두 0V의 공통 접지를 공유합니다.

튜토리얼 요약

배터리는 현대 생활의 필수적인 부분이며 다양한 용도로 사용됩니다. 편리하고 신뢰할 수 있으며 상대적으로 저렴하여 휴대전화와 노트북부터 자동차와 집에 이르기까지 모든 종류의 장치에 안정적인 에너지원을 제공합니다.

여기서는 배터리를 함께 연결하거나 심지어 볼타 셀을 직렬, 병렬 또는 두 가지 조합으로 연결하면 단 하나의 단일 배터리나 셀 자체에 비해 전압, 용량 및 전류 출력이 증가한다는 것을 확인했습니다 .

직렬로 함께 연결된 배터리의 경우( + 에서 – ), 각 배터리의 단자 전압이 합쳐져 총 회로 전압이 생성됩니다. 직렬 전류 및 암페어 시간 용량은 단일 배터리의 용량과 동일합니다.

배터리가 병렬로 연결된 경우( + 에서 + , – 에서 - ) 전압은 변하지 않으며 단일 배터리 전압과 동일합니다. 그러나 병렬로 총 전류 및 그에 따른 암페어시 용량은 개별 배터리 용량의 합입니다.

우리는 배터리와 셀을 고정 전압에서 무제한의 전류를 공급하는 이상적인 전압원으로 생각할 수 있습니다. 그러나 모든 배터리에는 아무리 작은 내부 저항 값이라도 있어서 배터리 자체 내에서 열 손실이 발생합니다. 유형과 정격이 동일한 배터리가 항상 전기적으로 동일하지는 않을 수 있습니다. 전압과 내부 저항에 약간의 차이가 있을 수 있습니다.

배터리 내부 저항은 내부에 위치한 저항 값이므로 배터리 자체의 특성이라는 사실에서 그 이름을 얻었습니다. 이 저항은 외부 회로에 전류를 공급할 때 배터리 내에서 발생하는 화학 반응의 함수입니다. 더 많은 배터리를 병렬로 연결하면 배터리 뱅크의 내부 저항을 줄일 수 있습니다.

그런 다음 배터리(또는 셀)의 내부 저항은 최대 전류를 결정하므로 단자 전압이 크게 떨어지지 않고 배터리가 과열되지 않고 부하에 공급될 수 있는 전력이 결정됩니다. 따라서 내부 저항이 낮은 배터리는 효율성이 높고 수명이 길어 매우 바람직한 특성입니다.