البطاريات المتسلسلة مقابل البطاريات المتوازية: ما هي الاختلافات؟

"البطاريات المتسلسلة مقابل البطاريات المتوازية" هو مفهوم أساسي لأي شخص يقوم بتصميم أو تحسين أنظمة الطاقة المخصصة. وسواء كنت تقوم بتشغيل سيارة كهربائية أو مزرعة طاقة شمسية أو جهاز محمول، فإن فهم هذه التكوينات يضمن الأداء الأمثل والسلامة والفعالية من حيث التكلفة. 

التوصيل المتسلسل للبطاريات

في التوصيل المتسلسل، يتم توصيل الطرف الموجب لبطارية واحدة بالطرف السالب للبطارية التالية. وينتج عن هذا التكوين جهد إجمالي أعلى، وهو مجموع جهد كل بطارية على حدة، بينما تظل السعة (Ah) كما هي في البطارية الواحدة.

مزايا التوصيل المتسلسل

1. جهد أعلى لتطبيقات الطاقة العالية

   • تستفيد الأجهزة التي تتطلب جهدًا كهربائيًا أعلى، مثل السيارات الكهربائية (EVs) وأدوات الطاقة وتخزين الطاقة الشمسية، من التوصيل المتسلسل لأنه يسمح لها بالعمل بكفاءة دون سحب تيار مفرط.

2. انخفاض الحمل الحالي على الأسلاك والمكونات

   • من خلال زيادة الجهد بدلاً من التيار، يساعد التوصيل على التوالي في تقليل فقد الطاقة بسبب المقاومة في الأسلاك والمكونات، مما يحسن الكفاءة الكلية في نظام الطاقة.

3. الشحن الفعال في تطبيقات الجهد العالي

   • تم تحسين العديد من أنظمة الشحن، مثل شواحن السيارات الكهربائية وأنظمة إدارة البطاريات واسعة النطاق، لتناسب حزم البطاريات عالية الجهد، مما يجعل التكوينات المتسلسلة أكثر ملاءمة.

4. توزيع أفضل للطاقة في التطبيقات واسعة النطاق

   • تسمح التكوينات المتسلسلة بتوزيع متوازن للطاقة، مما يضمن مساهمة كل بطارية في النظام بالتساوي في إجمالي الطاقة الناتجة.

عيوب التوصيل المتسلسل

1. مشكلات اختلال توازن البطارية

   • بمرور الوقت، قد تتطور البطاريات الفردية مع مرور الوقت إلى اختلافات طفيفة في السعة، مما يتسبب في وصول بعضها إلى الشحن الكامل قبل غيرها. يمكن أن يؤدي هذا الخلل في التوازن إلى الشحن الزائد أو التفريغ العميق، مما قد يؤدي إلى تقصير عمر البطارية إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح باستخدام نظام إدارة البطارية.

2. تعطل النظام بالكامل في حالة تعطل إحدى البطاريات

   • في حال تعطلت إحدى البطاريات في السلسلة أو أصبحت مفصولة، فإن الدائرة بأكملها تنقطع، مما يتسبب في توقف النظام عن العمل ما لم تكن هناك دائرة تجاوز.

3. زيادة التعقيد في الشحن

   • يتطلب شحن حزمة بطارية متصلة على التوالي نظام شحن متوازن لمنع شحن الخلايا الفردية بشكل زائد أو ناقص، وهو ما قد يكون صعباً في إعدادات البطاريات الكبيرة.

4. مقاومة داخلية أعلى

   • تتراكم المقاومة الداخلية لكل بطارية في التوصيل المتسلسل، مما قد يؤدي إلى توليد حرارة أعلى وفقدان الطاقة إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح.

التوصيل المتوازي للبطاريات

في التكوين المتوازي، يتم توصيل الأطراف الموجبة لجميع البطاريات معاً، ويتم توصيل الأطراف السالبة أيضاً معاً. يحافظ هذا الإعداد على نفس جهد البطارية الواحدة ولكنه يزيد السعة (Ah) من خلال جمع سعات جميع البطاريات المتصلة.

مزايا التوصيل المتوازي

1. زيادة سعة البطارية لوقت تشغيل أطول

   • نظرًا لأن السعة (آه) مضافة، يمكن أن توفر حزمة البطارية المتوازية طاقة تدوم لفترة أطول، مما يجعلها مثالية للأجهزة التي تتطلب عمرًا أطول للبطارية، مثل أنظمة الطاقة الاحتياطية (UPS) وتخزين الطاقة الشمسية والإلكترونيات المحمولة.

2. تحسين التكرار والموثوقية في النظام

   • على عكس التوصيل المتسلسل، إذا تعطلت إحدى البطاريات في التكوين المتوازي، يمكن للنظام أن يستمر في العمل بسحب الطاقة من البطاريات التشغيلية المتبقية. وهذا يعزز الموثوقية في التطبيقات الحرجة مثل الأجهزة الطبية والنسخ الاحتياطية للطاقة في حالات الطوارئ.

3. سحب تيار أقل لكل بطارية

   • وبما أن التيار الكلي موزع بين عدة بطاريات، فإن كل بطارية على حدة تتعرض لسحب تيار أقل، مما يقلل من توليد الحرارة والضغط على الخلايا، مما يطيل عمر البطارية.

4. عملية شحن أبسط

   • يكون شحن إعداد البطارية المتوازية أسهل وأكثر أمانًا بشكل عام، حيث يظل الجهد الكهربائي كما هو في الخلية الواحدة. يمكن استخدام أجهزة الشحن القياسية دون الحاجة إلى دوائر موازنة معقدة مثل تلك المطلوبة في التكوينات المتسلسلة.

عيوب التوصيل المتوازي

1. مخرجات الجهد المحدود

   • نظرًا لأن التوصيلات المتوازية لا تزيد من الجهد، فإن التطبيقات التي تتطلب إمدادات طاقة عالية الجهد قد لا تكون مناسبة للإعداد المتوازي الخالص بدون دارات إضافية.

2. التوزيع غير المتساوي للتيار بين البطاريات

   • إذا كانت البطاريات ذات مقاومات داخلية مختلفة أو كانت في مستويات شحن مختلفة، فقد تتقاسم الحمل بشكل غير متساوٍ، مما يؤدي إلى تفريغ بعض البطاريات أو شحنها بشكل أسرع من غيرها، مما قد يسبب تدهورًا مبكرًا.

3. احتمالية حدوث مشكلات في التيار الزائد

   • إذا تعرضت إحدى البطاريات في الإعداد المتوازي لدائرة كهربائية قصيرة، فقد يتسبب ذلك في سحب تيار عالٍ من البطاريات الأخرى، مما قد يؤدي إلى تلف النظام بأكمله ما لم تكن هناك صمامات أو دوائر حماية مناسبة.

4. المزيد من الأسلاك ومتطلبات المساحة

   • بينما تعمل التكوينات المتوازية على تحسين عمر البطارية، إلا أنها تتطلب المزيد من التوصيلات والمساحة المادية بسبب الحاجة إلى بطاريات إضافية لتحقيق السعة المطلوبة.

الاختلافات بين البطاريات على التوالي مقابل البطاريات على التوازي

عند الاختيار بين التكوينات المتسلسلة والمتوازية للبطاريات، من الضروري فهم كيفية تأثيرها على الجهد والتيار والسعة والكفاءة والأداء والسلامة. فيما يلي مقارنة مفصلة للاختلافات الرئيسية:

1. ناتج الجهد

• اتصال السلسلة:

  • يزداد الجهد كلما تم توصيل البطاريات على التوالي.
  • الجهد الكلي هو مجموع فولتية كل خلية على حدة.
  • الصيغة: Vtotal=V1+V2+V3+V3+...+Vn​
  • مثال: ينتج عن توصيل أربع بطاريات ليثيوم أيون بجهد 3.7 فولت على التوالي حزمة بجهد 14.8 فولت.
  • الأفضل لـ: التطبيقات التي تتطلب جهداً كهربائياً أعلى مثل السيارات الكهربائية (EVs) والأدوات الكهربائية والمعدات الصناعية.

• التوصيل المتوازي:

  • يظل الجهد هو نفسه لخلية واحدة بغض النظر عن عدد البطاريات المتصلة.
  • الصيغة: Vtotal=V بطارية واحدة​
  • مثال: لا يزال توصيل أربع بطاريات 3.7 فولت على التوازي ينتج عنه خرج 3.7 فولت.
  • الأفضل لـ: التطبيقات التي تتطلب سعة عالية ووقت تشغيل أطول، مثل بنوك الطاقة وتخزين الطاقة الشمسية والأجهزة الطبية.

2. السعة الحالية (الأمبيرية)

• اتصال السلسلة:

  • يظل التيار كما هو في بطارية واحدة.
  • الصيغة: الإجمالي = بطارية واحدة​
  • مثال: إذا كانت كل بطارية توفر 2 أمبير في الساعة، تظل السعة الإجمالية 2 أمبير في الساعة في التوصيل المتسلسل.
  • القيود: نظرًا لعدم زيادة التيار الكلي، قد تتطلب التطبيقات عالية الطاقة أسلاكًا أكثر سمكًا أو تصميمات دوائر أكثر كفاءة للتعامل مع الطلب على الطاقة.

• التوصيل المتوازي:

  • تزداد السعة الكلية للتيار، حيث يتم جمع سعات جميع البطاريات المتصلة معًا.
  • الصيغة: الإجمالي=I1+I2+I3+I3+...+...+In​
  • مثال: إذا تم توصيل أربع بطاريات بسعة 2 أمبير في الساعة على التوازي، تصبح السعة الإجمالية 8 أمبير في الساعة، مما يسمح بتشغيل أطول.
  • الأفضل لـ الأجهزة التي تتطلب وقت تشغيل طويل دون زيادة الجهد، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمول والأجهزة اللوحية وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة.

3. سعة البطارية (آه) ووقت التشغيل

• اتصال السلسلة:

  • تظل السعة الإجمالية (آه) هي نفسها سعة البطارية الواحدة.
  • الصيغة: المجموع الكلي = بطارية واحدة​
  • التأثير: لا يزيد وقت تشغيل النظام بشكل كبير، ما لم يتم استخدام تحويل الجهد (مثل استخدام محول DC-DC) لتحسين الكفاءة.

• التوصيل المتوازي:

  • تزداد سعة البطارية (آه)، مما يعني إطالة عمر البطارية قبل الحاجة إلى إعادة شحنها.
  • الصيغة: Ctotal=C1+C2+C3+C3+...+Cn​
  • التأثير: السعة الأعلى تعني وقت تشغيل أطول، وهو أمر مفيد بشكل خاص لأنظمة الطاقة الاحتياطية والمعدات الطبية وأجهزة الاتصالات.

4. المقاومة الداخلية والكفاءة

• اتصال السلسلة:

  • تتراكم المقاومة الداخلية، مما قد يقلل من الكفاءة ويولد المزيد من الحرارة.
  • تؤدي المقاومة العالية إلى فقدان الطاقة أثناء نقل الطاقة، خاصة في تطبيقات الجهد العالي.
  • يمكن تحسين الكفاءة من خلال أنظمة إدارة البطاريات (BMS) ودوائر المعادلة المناسبة.

• التوصيل المتوازي:

  • تنخفض المقاومة الداخلية، مما يجعل توصيل الطاقة أكثر كفاءة مع توليد حرارة أقل.
  • يتم فقدان طاقة أقل، وهو أمر مفيد للأنظمة عالية الكفاءة مثل تخزين الطاقة الشمسية.
  • يتطلب دوائر شحن متوازنة لتجنب التوزيع غير المتساوي للتيار.

5. خصائص الشحن

• اتصال السلسلة:

  • يتطلب شاحن متوازن لضمان شحن كل البطاريات بالتساوي.
  • إذا أصبحت إحدى البطاريات مشحونة بشكل زائد أو ناقص الشحن، فقد تتحلل بشكل أسرع، مما يقلل من عمر الحزمة الإجمالي.
  • هناك حاجة إلى نظام إدارة بطارية أكثر تعقيداً لمراقبة الشحن وتنظيمه.

• التوصيل المتوازي:

  • أسهل في الشحن لأن جميع البطاريات تشترك في الجهد نفسه.
  • ومع ذلك، قد تحدث اختلالات في التيار إذا كانت للبطاريات مقاومات داخلية مختلفة.
  • إذا كانت إحدى البطاريات أضعف، فقد تعوضها البطاريات الأخرى، مما يؤدي إلى تآكل غير متساوٍ.

6. اعتبارات السلامة

• اتصال السلسلة:

  • إذا تعطلت بطارية واحدة أو تدهورت حالتها فقد يؤثر ذلك على الحزمة بأكملها، مما يؤدي إلى عدم استقرار محتمل للجهد.
  • يمكن أن تزيد الفولتية العالية من خطر التعرض لصدمة كهربائية أو هروب حراري إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح.
  • يحتاج إلى نظام إدارة البطارية للحماية من الشحن الزائد، والسخونة الزائدة، واختلال توازن الجهد.

• التوصيل المتوازي:

  • لا تؤدي البطارية الفاشلة في الإعداد المتوازي إلى تعطيل النظام بأكمله، مما يزيد من الموثوقية الإجمالية.
  • خطر التيار الزائد إذا انقطع التيار عن إحدى البطاريات، مما يتطلب صمامات أو دوائر تحديد التيار لمنع حدوث تلف.
  • هناك حاجة إلى مساحة أكبر للأسلاك الإضافية ودوائر الحماية.

7. التطبيقات الشائعة

ما التكوين الذي يجب أن تختاره؟

اختر السلسلة إذا:
✅ تحتاج إلى جهد أعلى (على سبيل المثال، أنظمة 24 فولت، 48 فولت).
✅ يتطلب تطبيقك إخراج طاقة عالية مع تيار أقل.
✅ أنت تستخدم محركات تيار مستمر أو معدات صناعية أو حزم بطاريات عالية الجهد.

اختر متوازي إذا:
✅ تحتاج إلى عمر أطول للبطارية و سعة عالية.
✅ تريد تشغيل أكثر موثوقية، حتى في حالة تعطل إحدى البطاريات.
✅ يتضمن تطبيقك تخزين الطاقة الشمسية أو الطاقة الاحتياطية أو الأجهزة المحمولة.

اختر سلسلة متوازية متسلسلة - متوازية إذا:
✅ تحتاج إلى جهد كهربائي أعلى وسعة أكبر.
✅ يتطلب نظامك طاقة متوازنة وكفاءة وقت تشغيل متوازنة.
✅ أنت تبني حلول البطاريات المخصصة لتطبيقات مثل الدراجات النارية الكهربائية، أو أنظمة الطاقة الهجينة، أو النسخ الاحتياطي للشبكة.

الأسئلة الشائعة الشائعة

1. هل يمكنني مزج أنواع مختلفة من البطاريات على التوالي أو على التوازي؟

   لا يوصى بخلط أنواع أو سعات أو أعمار مختلفة من البطاريات، حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى اختلال التوازن وانخفاض الأداء ومخاطر محتملة على السلامة.

2. ماذا يحدث إذا تعطلت إحدى البطاريات في تكوين متسلسل؟

   يمكن أن يؤدي تعطل البطارية الفاشلة إلى تعطيل الدائرة بالكامل، مما يؤدي إلى انخفاض الأداء أو تعطل الجهاز بالكامل.

3. هل موازنة البطارية ضرورية للتكوينات المتوازية؟

   في حين أن التكوينات المتوازية تتوازن بشكل طبيعي إلى حد ما، إلا أن الاختلافات الكبيرة في فولتية الخلايا أو قدراتها يمكن أن تسبب مشاكل، مما يجعل المراقبة مهمة.

4. كيف تؤثر درجة الحرارة على تكوينات البطاريات المتسلسلة والمتوازية؟

   يمكن لدرجات الحرارة القصوى أن تؤثر على أداء البطارية وعمرها الافتراضي في كلا التكوينين. من الضروري تشغيل البطاريات ضمن نطاقات درجات الحرارة المحددة لها.

5. هل يمكنني إضافة المزيد من البطاريات إلى بطاريات متسلسلة أو متوازية موجودة؟

   يجب أن تتم إضافة البطاريات إلى إعداد موجود بحذر، مع ضمان التوافق من حيث النوع والسعة والعمر لمنع حدوث خلل في التوازن والضرر المحتمل.