Параллельное соединение модулей батареи: диагональная схема, одинаковые кабели и шины вместо цепочки

Если модули батареи соединены цепочкой, а инвертор подключён к первому, ближний модуль работает тяжелее дальних: сопротивление перемычек перекашивает токи. На двух модулях с короткими перемычками разница мала, на трёх-четырёх и больших токах она заметна. Ниже — расчёт делителя тока на трёх модулях с условными цифрами и сравнение трёх схем: цепочки, диагонали и звезды к шине. Монтаж выполняет установщик.

Коротко: почему цепочка перекашивает токи

Параллельные модули должны делить ток поровну, потому что у каждого одинаковое напряжение. Но между модулем и инвертором стоят кабели и перемычки, и у каждого есть сопротивление. Чем дальше модуль от места подключения инвертора, тем больше сопротивление на его пути, и тем меньший ток он отдаёт или принимает. Ближний модуль работает тяжелее: больше греется, глубже циклируется и быстрее стареет. В итоге ёмкость системы используется неравномерно, а срабатывания токовой защиты наступают раньше.

Расчёт: три модуля, 150 А

Условия (условные цифры, в реальной системе значения другие):

• три одинаковых модуля, внутреннее сопротивление каждого — 20 мОм (о том, что показывает этот параметр, — в разборе «Внутреннее сопротивление LFP-батареи»);
• сопротивление одной перемычки между соседними модулями — 1 мОм на каждый полюс; для справки, около 1 мОм дают порядка двух метров медного кабеля 35 мм² вместе с обжимами и контактами;
• общий ток — 150 А, при идеальном делении по 50 А на модуль.

Схема 1: цепочка

Инвертор подключён к клеммам первого модуля, остальные соединены перемычками один за другим. Через перемычку между первым и вторым модулями течёт ток второго и третьего модулей, через перемычку между вторым и третьим — только ток третьего. Составим уравнения напряжения на петле каждого модуля. Единицы: мОм × А = мВ.

• Модуль 1: 20 × I1 = V.
• Модуль 2: 20 × I2 + 2 × (I2 + I3) = V (по две перемычки на петлю: плюс и минус).
• Модуль 3: 20 × I3 + 2 × (I2 + I3) + 2 × I3 = V.

Решив систему вместе с условием I1 + I2 + I3 = 150 А, получаем: I1 ≈ 57,6 А, I2 ≈ 48,4 А, I3 ≈ 44,0 А. Доли: 38,4 %, 32,3 % и 29,3 % вместо трети. Ближний модуль работает на 15 % выше среднего (57,6 вместо 50 А), дальний — на 12 % ниже. Заодно перемычка между первым и вторым модулями несёт около 92 А, а нагрев в перемычках растёт по формуле P = I² × R: на одной перемычке 1 мОм при 100 А это 10 Вт.

Схема 2: диагональное подключение

Идея: плюс инвертора подключают к первому модулю, а минус — к последнему. Тогда путь тока через любой модуль включает примерно одинаковое число перемычек: у крайних модулей плюс короткий, а минус длинный, и наоборот. Уравнения (по симметрии I1 = I3 = a, I2 = b):

• Крайний модуль: 22 × a + b = V.
• Средний модуль: 2 × a + 22 × b = V.

Приравняв, получаем b ≈ 0,95 × a. При общем токе 150 А: крайние модули около 50,8 А, средний около 48,4 А. Доли: 33,9 %, 32,3 %, 33,9 %. Разброс составляет порядка трёх процентов вместо пятнадцати. Среднему модулю достаётся чуть меньше, потому что в диагональной схеме у него путь не короче, чем у крайних, а сопротивления перемычек складываются из обеих сторон.

Схема 3: звезда к общей шине

Каждый модуль подключён собственным кабелем к общей шине или шинному боксу, а инвертор — к шине. Если кабели равной длины и сечения, а контакты затянуты одинаково, сопротивление пути у всех модулей одинаково, и ток делится равномерно. Остаточный разброс определяется уже не схемой, а различиями самих модулей: у реальных ячеек внутреннее сопротивление отличается на единицы процентов. Минусы схемы: расход кабеля выше и нужен бокс или шина подходящего номинала.

Пример проверки на двух модулях в цепочке: уравнения 20 × I1 = 22 × I2, при суммарном токе 150 А получаем 78,6 А и 71,4 А, то есть отклонение около 5 % от среднего. При коротких перемычках и малых токах разница ещё меньше, и такая схема приемлема.

Таблица: схема, разброс токов и когда допустима

Цифры в таблице — результат условного расчёта с равными модулями, а не измерение. У реальной системы картину дополнят различие модулей, температура и состояние контактов.

Равная длина и сечение — не мелочь

Все схемы исходят из того, что кабели и перемычки одинаковы. Если один кабель длиннее другого на метр, а сечение меньше, вы получаете ту же неравномерность, что и в цепочке. Поэтому при монтаже кабели к каждому модулю режут одинаковыми, берут один тип и сечение, а лишнюю длину не заматывают в кольцо: лишний кабель либо укладывают восьмёркой, либо оставляют той же длины, что и остальные. Как подбирать сечение по току и допустимому падению напряжения, описано в разборе «Сечение кабеля от батареи к инвертору».

Момент затяжки и контроль нагрева

Сопротивление контакта — часть сопротивления пути. Плохо затянутая клемма добавляет миллиомы, которые легко превышают сопротивление самой перемычки, и тогда расчёты выше теряют смысл: модуль за слабой клеммой отдаёт меньше, а сама клемма греется. Затяжка выполняется динамометрическим ключом с моментом из инструкции, а нагрев проверяется после запуска под нагрузкой и затем при обслуживании. Подробно о нагреве клемм и моменте затяжки — в материале «Нагрев клемм батареи и момент затяжки».

Защита: на каждый модуль или общая

Вопрос, нужен ли предохранитель или автомат на каждый модуль или достаточно одной общей защиты, решает инструкция изготовителя. Общая защита проще и дешевле, но при коротком замыкании внутри одного модуля остальные модули подпитывают место повреждения, и защита должна быть рассчитана на их суммарный ток. Защита на каждый модуль ограничивает этот ток и позволяет отключить только повреждённый модуль, но требует больше аппаратов и места. Выбор класса и номинала подробно описан в разборе «Защита батареи: предохранитель класса T и DC-автомат». Самостоятельно менять предусмотренную изготовителем схему защиты нельзя.

Сколько модулей допускает BMS

У каждого изготовителя есть предел: сколько модулей разрешено включать параллельно в одну систему и какого типа. Он указан в документации на конкретную модель и определяется архитектурой связи BMS, а не только электрической схемой. Превышать его, даже если «электрически получится», нельзя: BMS перестанет корректно видеть систему, и защита по току и температуре будет работать неверно. Когда вообще стоит добавлять второй и следующие модули, разобрано в материале «Наращивание накопителя: когда добавлять второй модуль».

Частые вопросы

Нужна ли диагональная схема при двух модулях?

Обычно нет. При двух модулях и коротких перемычках разница между модулями составляет несколько процентов. Диагональ становится важной при трёх-четырёх модулях и больших токах.

Всегда ли шина лучше диагонали?

Не всегда. Шина даёт равные пути, но требует отдельного бокса и больше кабеля. Если инструкция изготовителя предусматривает диагональное подключение и разница мала, шина не нужна.

Можно ли соединять модули разной ёмкости или возраста?

Только если изготовитель это допускает. У модулей разного возраста отличаются внутреннее сопротивление и ёмкость, поэтому токи делятся неравномерно, и схемой это не исправить.

Как проверить, что токи делятся ровно?

По данным мониторинга: токи и температуры модулей должны быть близки друг к другу в одинаковых режимах. Заметно более горячий модуль — повод проверить контакты и схему соединения.

Короткий вывод

Цепочка перекашивает токи: в нашем условном расчёте на трёх модулях ближний работал на 15 % выше среднего, дальний — на 12 % ниже. Диагональная схема снижает разброс примерно до трёх процентов, а звезда к шине с кабелями равной длины делает его минимальным. На двух модулях и коротких перемычках разница мала, поэтому усложнять схему не нужно; при трёх-четырёх модулях и больших токах она важна. Любую схему выполняет установщик по инструкции изготовителя.