电池的连接方式

电池可以通过串联或并联的方式连接在一起，以增加电压或安时容量。具有低内阻的电池是非常理想的特性，因为它们具有高效率和更长的使用寿命。

本文引用地址：

电池第二部分——电池的连接

电池非常适合为手持设备供电，因为它们有多种不同的尺寸、类型和端电压值。但有时，单个电池往往无法提供足够高的电压或安时容量来为特定设备或电路供电。虽然电池以固定的极性提供稳定的电能来源，但将电池连接在一起，就像单个伏打电池一样，可以让我们为任何应用创建更高的电压或安时容量。

我们在第一部分教程中已经看到，电池是一组连接的伏打电池，通过外部连接提供电能，并且我们将电池用作能量存储设备。然而，电池容量的减少相当于从电池中提取的能量的增加，即从电池中取出的实际能量。

电池的容量根据其安时数来评定，即电池在特定时间内可以提供的电流量。

这是通过将存储的化学能转化为电能来实现的，当连接到外部电路时，内部化学反应会产生电能。

尽管电池以化学方式存储能量，但它们的充电和放电过程非常相似。

虽然电池只不过是由内部串联和/或并联组合的伏打电池组成的，但每个电化学电池都由一个正极、一个负极和一个带有隔膜的电解质组成。

我们可能会将电池视为一个理想的电压源，提供无限的电能，但实际电池具有内阻，RINT以欧姆（Ω）为单位测量，这会导致电池在使用过程中发热，从而缩短其寿命和效率。

电池的内阻

在理想情况下，一个理想的电池将具有相同电压和容量的相同电池，使其能够存储相对于其尺寸和重量的大量势能，从而在使用寿命耗尽（放电）之前具有更长的使用时间。

其端电压将是恒定且线性的，在整个放电期间提供所有功率水平，覆盖全范围的温度和环境条件。然而，实际上，电池单元的端电压将随着存储电荷量的减少而降低。

理想电池单元

我们可以将理想电池表示为具有零内阻的双端口网络，如图所示。这个理想的电压源在其端子上保持固定的电动势电压（E），无论连接的负载电阻如何。

因此，当电阻负载（R）连接到其端子时，理想电压源将始终提供等于I = E÷R（欧姆定律）的电流（I）。

然而，所有实际的电压供应和电池都会有一些内阻，无论多么小，都会对其提供恒定电流的能力产生不利影响。对于电化学电池和电池，它们的内阻是电流通过电池电解质在两个电极之间流动的阻力。

由于电池的电流必须通过内阻RINT流动，因此它被定义为与理想电压源E串联的电阻，在许多方面类似于戴维南等效串联电路。

非理想电池单元

当电池单元开路（即无负载且RL = ∞Ω）且不提供电流时，端子上的电压将等于E。当负载电阻RL连接到电池单元的端子时，电池单元提供电流I，这会导致电池单元的内阻RINT上产生电压降。

因此，这种内部电压降意味着电池或电池单元的端电压VS将始终小于E，我们可以将其定义为：VS = E – (I x RINT)。因此，负载电流RL越大，RINT上的内部电压降越大。

显然，我们可以使用欧姆定律来找到电池或电池单元的内阻值，因为它等于：RINT = (E – VS)÷I。

请注意，电池或电池单元的内阻特性非常重要，因为它决定了其电压调节以及可以提供给连接负载的电流和功率的最大速率。

电池连接示例1

一个电池的开路无负载电压为12伏，内阻为0.3Ω。计算电池在提供5安培和10安培外部负载时的端电压VS。

1. 提供5安培负载。

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

2. 提供10安培负载。

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

然后我们可以看到，12伏电池提供的负载电流越大，其端电压越低，因为电池电流由于内阻的影响而增加。例如，如果电池提供30安培的负载电流，其端电压将降至VS = 3伏，依此类推。

通过稍微重新排列上述方程，我们还可以使用此方法找到任何电池的内阻。

使用电压表，可以测量开路无负载端电压E以及给定负载电流I下的非零电流端电压VS。

从示例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，当提供大电流时，具有低内阻的电池是理想的，因为低内阻的电池效率更高，循环寿命更长，并且使用更安全（内部发热更少）。因此，具有低内阻的电池（或电池单元）意味着更高的效率。

电池串联连接

由于伏打电池的组合称为电池，将电池串联（+到-）或并联（+到+，-到-）连接在一起，由于单个电池的内阻，将对组合的电压和电流容量产生影响。

正如我们所讨论的，电池或伏打电池最明显的量是电压和内阻。当电池串联连接（端到端）时，总电压等于每个电池电压的总和，总内阻等于内阻的总和，如图所示。

电池串联连接

使用我们之前示例中的12伏电池，四个电池（或电池单元）串联连接（表示为一个电压源和一个串联电阻），因此电压相加（4 x 12V = 48V）。电流与一个电池相同，因为相同的电流（I）流过所有串联组合。

由于电池容量（C）以安时为单位与电流（I）相关，并且在串联电路中电流是恒定的，因此串联组合的总安时（Ah）额定值与单个电池相同。

然后，无限数量的电池或电池单元串联连接将提供与单个电池相同的短路电流。显然，对于给定的负载电阻RL，增加串联电池的数量将几乎以相同的比例增加负载电流。

内阻也是如此，因为将电池串联连接在一起的总体效果是增加等效内阻，就像串联电阻的总电阻增加一样。然后REQ = 4 x 0.3Ω = 1.2Ω

然而，如果四个电池短路，唯一限制电流流动的电阻将是电池组合的内阻。使用欧姆定律：ISC = E/R，最大短路电流计算为：

ISC = E÷REQ = 48V ÷ 1.2Ω = 40安培

这是一个大电流，将在每个电池上产生P = I2RINT瓦特的功率。因此：

P = I2RINT = 402 x 0.3 = 480瓦特

在每个电池内部，或整个串联组合为4 x 480 = 1920W或1.92kW，这将使每个电池非常热。

再次表明，电池或伏打电池的内阻越低，它在向负载提供电流时产生全输出电压的能力越好，内部发热效应越小。

电池并联连接

如果单个电池提供的负载电流导致端电压不可接受的下降，则可以将电池和电池单元并联连接。由于具有相同电动势（E）和内阻（RINT）的相同电池并联连接将提供负载电流IL的相等部分。

当电池并联连接时，所有正极电气连接在一起，所有负极也是如此。将电池或电池单元并联连接相当于增加电池电极和电解质的物理尺寸，从而增加总安时（Ah）电流容量。

即，总安时容量是所有单个电池容量（C）的总和。然而，端电压与每个单个电池或电池单元的端电压相同。

电池并联连接

并联连接的电池电压为每个电池的电压，示例中为12伏。将电池和电池单元并联连接的主要效果是减少与单个电池相比的等效内阻。然后，等效内阻是所有并联连接的单个内阻的结果。

如图所示，四个电池并联连接，等效内阻REQ减少，就像并联电阻的总电阻减少一样。因此，四个电池并联的等效内阻是每个单个电池或电池单元内阻的1/4。

现在我们仍然有一个12伏电池，但其电流容量是单个电池的4倍。因此，从之前的示例中，如果ISC = 40A，那么我们实际上有一个12V，160A的电池，其内阻与电路负载相比可以忽略不计，性能非常接近理想电压源。

需要注意的是，并联连接的电池应具有相同的类型，并且在电压和内阻方面相同。任何差异都会导致电池之间的内部循环电流和负载电流分配不均。

电池组合连接

因此，如果我们可以将电池串联和并联连接在一起，那么我们也必须能够将它们串联-并联组合连接在一起，以增加电压和电流容量，与单个电池相比。

将电池串联和并联组合在一起通常称为电池组。一个由“n”个电池组成的电池组可以排列为“s”个串联以增加电压，以及“p”个并联分支以增加电流容量。然而，所有电池（或电池单元）必须相同。

串联连接的电池将内阻增加为单个电池的“s”倍，而电池组的总体内阻减少为单个串联电池串的1/p。理想情况下，等效内阻应与外部或负载电阻RL匹配，以实现最大功率传输。

给定电池组的内阻由以下表达式给出：（内阻 x 串联电池数）÷ 并联分支数。考虑以下示例。

电池串联-并联连接

这里，具有相同开路端电压E为12伏和内阻为0.3Ω的电池串联连接为六个电池的串联串。另外三个串联串并联连接，形成4个并联分支。因此，总共有24个电池以六串联和四并联（6S4P）组合连接在一起。

电池组的总端电压和内阻额定值计算如下：

1. 电池组端电压E

E = 12 x 6 = 72伏

2. 电池组等效内阻REQ

REQ = (0.3 x 6)÷4 = 0.45Ω

因此，此电池组示例的开路端电压为72伏，组合内阻为0.45Ω。

显然，最大短路电流计算为：

ISC = E÷REQ = 72V ÷ 0.45Ω = 160安培

双电压电池电源

除了将单个电池串联、并联或两者组合连接在一起以创建一个单一电压电源外，我们还可以将电池连接在一起以创建通常称为双电压电源或双极性电源的电源。

由于电池具有正极和负极，它们非常适合用于双平衡电源。双电压电源通常具有正负电源，电压值相等但极性相反，此外还有一个位于两个电压之间的零接地点。

它们通常用于电子电路，其中信号在接地参考电平上下波动。例如，基于运算放大器的电路可能需要从12伏正极和12伏负极双电压电源（±12V）供电，相对于中心抽头接地（0V），允许输出信号在其正负轨之间摆动。

理想情况下，三端双电压电源应使用相同类型的电池为正负电源轨供电，如图所示。

双电压电源

这里，上部电池为正电源轨提供+12伏电压，相对于接地，而下部电池为负电源轨提供-12伏电压，相对于接地。

请注意，正负电压共享一个共同的零伏接地。

教程总结

电池是现代生活中不可或缺的一部分，广泛应用于各种应用中。它们方便、可靠且相对便宜，为从手机和笔记本电脑到汽车和家庭的所有设备提供可靠的能源来源。

我们已经看到，将电池甚至伏打电池串联、并联或两者组合连接在一起，可以增加电压、容量和电流输出，与单个电池或电池单元相比。

对于串联连接的电池（+到-），每个电池的端电压相加以创建总电路电压。串联电流和安时容量与单个电池相同。

对于并联连接的电池（+到+，-到-），电压不变，与单个电池电压相同。然而，在并联中，总电流以及因此的安时容量是单个电池容量的总和。

我们可能会将电池和电池单元视为理想的电压源，提供固定电压下的无限电流。但所有电池都具有一定值的内阻，无论多么小，都会导致电池内部的热损失。请注意，相同类型和额定值的电池在电气上可能并不总是相同。它们在电压和内阻方面可能存在细微差异。

电池的内阻得名于它是一个位于内部的电阻值，因此是电池本身的特性。这种电阻是电池在向外部电路提供电流时内部化学反应的结果。通过并联更多电池可以减少电池组的内阻。

因此，电池（或电池单元）的内阻决定了在不显著降低端电压且不导致电池过热的情况下可以提供给负载的最大电流和功率。因此，具有低内阻的电池是非常理想的特性，具有更高的效率和更长的使用寿命。