配置决定了电池的增益：将电池串联会增加总电压，而将它们并联则会增加安时 (Ah) 容量。三个 2 V 电池串联可产生约 6 V 电压，而三个相同的 2 V、10 Ah 电池并联后电压保持约 2 V，但可提供 30 Ah 的容量。在实际的实验室组装中，电池匹配、接触电阻和平衡决定了测量性能与这些理想值的接近程度。
串联增加电压；并联增加容量。串联容量实际上受限于最弱的电池，而并联组在电池匹配良好的情况下共享电流并叠加其 Ah 额定值。
串联连接如何改变电池性能
串联电池增加电压
串联连接将一个电池的正极连接到下一个电池的负极。电池电压随之相加：
- 三个 2 V 电池串联：约 6 V
- 四个 3.7 V 电池串联：约 14.8 V 标称电压
确切的工作电压会随电池化学性质、荷电状态、负载和温度而变化。
串联不增加容量
对于串联的相同电池，电池组的 Ah 容量大约等于单个电池的容量。
例如，四个 3.7 V、10 Ah 的电池串联后产生约：
- 14.8 V
- 10 Ah
- 148 Wh 标称能量
串联组可以提供更高的电压，但它不会提供四倍的 Ah 容量。
最弱的电池限制了串联组
在实际的串联组中，可用容量受限于充电时最先达到上限电压或放电时最先达到下限电压的电池。
因此，容量较低、内阻较高或荷电状态不同的电池会降低整个串联组的可用能量。
并联连接如何改变电池性能
并联电池增加容量
并联连接将正极连接在一起，负极连接在一起。电压保持与单个电池大致相同，而容量则相加：
- 三个 2 V、10 Ah 电池并联：约 2 V，30 Ah
- 两个 3.7 V、5 Ah 电池并联：约 3.7 V，10 Ah
并联电池还可以共享负载电流，这使得该布置在需要更高电流能力时非常有用。
并联连接降低有效电阻
对于匹配良好的电池，将电池并联可以降低组的有效内阻，因为电流分布在多个导电路径中。
这可以改善负载下的电压稳定性并增加可用功率，尽管不相等的电池电阻可能导致电流分配不均。
串并联组合兼具两种效果
电池模块通常使用串并联结构，记为 P × S 或 S × P。
例如，使用 10 Ah 电池的 5P95S 布置可提供约：
- 五个电池并联：每个并联组 50 Ah
- 九十五组串联：电压等于 95 个电池电压之和
- 对于标称电压约为 3.2 V 的 LFP 电池：约 304 V 和 50 Ah
并联数量决定容量和电流共享能力；串联数量决定电压。
这对实验室组装意味着什么
首先确定电气目标
所需的系统电压决定了串联的电池或组的数量。所需的 Ah 容量和电流能力决定了并联放置多少个电池。
这种分离使得设计更容易评估：
- 串联数量：控制电压
- 并联数量：控制 Ah 容量和电流共享
- 电池化学性质：决定标称电压、工作限制和充电要求
连接前匹配电池
用于同一串并联组的电池应在以下方面进行严格匹配：
- 容量
- 初始电压
- 荷电状态
- 内阻
- 温度行为
均匀的电极涂层、一致的压实密度、可靠的端子连接和可重复的密封有助于减少电池之间的差异。
单独测量每个电池
实验室测试系统应在组装前对电池进行表征，而不是仅依赖标称规格。
有用的测量包括：
- 受控充放电过程中的容量
- 开路或初始电压
- 内阻
- 温度响应
- 循环行为
单独测试可以识别出可能成为串联组限制因素或导致并联组电流分配不均的电池。
控制物理和电气接触质量
组装夹具、压力机、压接机和连接硬件应保持一致的机械压力和低电阻电气接触。
不良或不一致的接触可能会引入电阻，这些电阻会被错误地归因于电池本身，从而扭曲功率、效率、发热和容量的测量结果。
为什么能量和功率也会改变
标称能量大约是相加的
电池能量可估算为：
[ \text{能量 (Wh)} \approx \text{电压 (V)} \times \text{容量 (Ah)} ]
无论电池是串联还是并联，添加相同数量的相同电池都会产生大致相同的标称总能量。布置方式决定了该能量是以更高电压还是更高容量的形式出现。
实际可用能量取决于电压限制、电阻、温度、平衡以及最先限制运行的电池。
串联有利于高压系统
串联布置允许系统在不要求给定功率水平下产生极高电流的情况下达到目标电压。
因为：
[ \text{功率 (W)} = \text{电压 (V)} \times \text{电流 (A)} ]
在绝缘、开关、测量和安全系统针对该电压设计的前提下，更高的电压可以降低相同功率所需的电流。
并联有利于更高的电流能力
并联组增加了 Ah 容量，并允许电流在电池之间共享。这可以减少负载下每个单独电池的电压降和发热。
然而，只有当电池和互连件具有足够相似的电阻和电气状况时，电流共享才是可靠的。
理解权衡
串联组需要平衡和监控
串联电池不会自动保持在相同的荷电状态。在充电过程中，电压最高或 SoC 最高的电池可能最先达到上限；在放电过程中，最弱的电池可能最先达到下限。
如果没有适当的监控和平衡，充电器或负载必须提前停止，从而导致其他电池中仍有可用能量未被利用。
并联组可能会经历不均匀的电流分配
并联电池在电气上连接到公共电压，但它们可能不会平均分配电流。内阻、温度、荷电状态或连接电阻的差异可能导致一个电池比另一个电池承载更多的电流。
因此，电池应使用受控的低电阻互连件进行匹配和连接。
电池越多，复杂性越高
更大的串并联组需要更多的连接、更多的测量点以及更多的组装缺陷可能性。
更高电压的模块还需要适当的绝缘、故障检测、继电器控制、热监控和安全测试程序。
不要将标称值用作工作限制
电池的标称电压是一个方便的额定值，而不是其完整的充放电范围。实验室协议必须使用为所选化学性质和电池设计指定的电压、电流、温度和截止限制。
对于多节锂离子系统，电池管理系统通常需要单独的电池电压和温度传感、电流测量、荷电状态跟踪、故障报警和适当的保护控制。
为您的目标做出正确的选择
根据电气要求以及电池和测试设备的限制来选择配置。
- 如果您的主要重点是更高的系统电压：将匹配的电池或并联组串联起来，然后监控每个串联电池或组的电压和荷电状态不平衡情况。
- 如果您的主要重点是更高的容量或电流能力：将匹配的电池并联，使用低电阻互连件以促进均匀的电流共享。
- 如果您的主要重点是确定的电压和容量：使用串并联设计，串联数量设置电压，并联数量设置 Ah 容量。
- 如果您的主要重点是可靠的实验室数据：单独表征电池，控制组装压力和接触电阻，并在受控的热和电气条件下测试完成的模块。
串联决定电压，并联决定容量，而严谨的电池匹配决定了组装后的电池是否能安全且可预测地运行。
总结表：
| 配置 | 电压 | 容量 (Ah) | 影响 |
|---|---|---|---|
| 串联 | 相加（例如：3×2V = 6V） | 与单个电池相同 | 更高电压，受最弱电池限制 |
| 并联 | 与单个电池相同 | 相加（例如：3×10Ah = 30Ah） | 更高容量，降低电阻，需要平衡电池 |
| 串并联 | 串联设置电压 | 并联设置容量 | 定制的电压和容量，需要监控和平衡 |
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