Batterie-Blöcke verschalten - Aber wie?
Wie verschaltet man mehrere Batterie-Blöcke und welche Probleme treten auf?
Es ist ein häufiges Streitthema unter den DIY-Heimwerkern. Welche Spannung und Größe soll die Batterie haben und was tun, wenn man die vorhandene Batterie erweitern möchte? Soll eine Parallel- oder Reihenschaltung angewandt werden? Beide Verfahren unterscheiden sich nicht nur in der Umsetzung, sondern auch im Ergebnis. Wir erklären in diesem Beitrag, welche Variante für Ihr Vorhaben in Frage kommt.
Möglichkeiten der Batterie-Verschaltung
Batterie-Blöcke können grundsätzlich in Reihe und parallel geschaltet werden. Beide Varianten haben Ihre Vorzüge, aber auch Nachteile. Eine Reihenschaltung kommt grundsätzlich nur infrage, wenn alle Blöcke exakt die gleiche Spannung und Kapazität haben, vom selben Hersteller und Typ sind und möglichst aus der gleichen Produktions-Charge kommen. Aber auch wenn das erfüllt ist, sollten noch einige Punkte beachtet werden. Dies klären wir im Folgenden auf.
Parallelschaltung von Blöcken
- Gesamtspannung = Blockspannung
- Gesamtstrom = Blockstrom x Anzahl
In einer Parallelschaltung erhöht sich der insgesamt zur Verfügung stehende Strom, währen die Spannung gleich bleibt.
Die Kapazität in Ah erhöht sich um den Faktor der angeschlossenen Blöcke. Damit erhöht sich auch die verfügbare potenzielle Arbeit (kWh) gleichermaßen.
Reihenschaltung von Blöcken
- Gesamtspannung = Blockspannung x Anzahl
- Gesamtstrom = Blockstrom
In einer Reihenschaltung erhöht sich die Spannung des gesamten Systems, während der zur Verfügung stehende Strom gleich bleibt.
Die Kapazität in Ah erhöht sich nicht. Durch die Erhöhung der Spannung erhöht sich auch die verfügbare potenzielle Arbeit (kWh) gleichermaßen.
Arbeitsweise eines BMS (Batterie-Management-System)
Jeder Batterieblock besteht aus mehreren Batterie-Zellen ist für gewöhnlich mit einem BMS ausgestattet, dass die Aufgabe hat, die Ladung der Batterie zu überwachen und ggf. zu steuern. Dabei überwacht das BMS die Spannung jeder einzelnen Zelle und greift ein, wenn die sich die Spannung einer Zelle außerhalb des zulässigen Bereichs bewegt. Ist beispielsweise die Zell-Spannung zu niedrig oder zu hoch, schaltet das BMS die Entladung oder die Aufladung ab. Diese Funktion schützt die Zellen vor Unter- oder Überspannung, da die Zellen sonst dauerhaften Schaden nehmen können. Gleichzeitig hat das BMS die Aufgabe, die Ladung zwischen den verschiedenen Zellen auszugleichen, da manche Zellen produktionsbedingt eine etwas höhere Kapazität haben als andere. Diesen Vorgang nennt man Balancing und ist ein wichtiger Teil beim Batterie-Management.
Reihenschaltung mehrerer Batterie-Blöcke
Probleme bei Reihenschaltung ohne Balancer
Mit der Reihenschaltung addiert man die Spannung jedes einzelnen Batterie-Blocks. Wie die Zellen in einem Batterie-Block unterschiedlich sind, unterscheiden sich auch die einzelnen Batterie-Blöcke in Ihrer Kapazität. Dies führt bei längerem Betrieb dazu, dass die Ladungen der verschiedenen Blöcke auseinander driften und sich voneinander entfernen. Da ein Balancing immer nur innerhalb eines Batterie-Blocks stattfindet, aber nicht zwischen den verschiedenen Batterie-Blöcken selbst, wird dieser Unterschied nicht ausgeglichen. Bereits eine andere Batterie aus einer anderen Charge kann sich bereits von den anderen Batterie-Blöcken unterscheiden. Ebenso spielen die Zyklenzahlen und das Alter der Batterien eine Rolle.
In dieser Konsequenz schaltet ein BMS eines bereits frühzeitig entladenen/aufgeladenen Batterieblocks den gesamten String ab, wodurch die gesamte Batterie nicht mehr zur Verfügung steht/aufgeladen wird. Dieser Effekt kann beim Laden und Entladen auftreten. Daher sollten fertige Batterie-Blöcke nicht in Reihe geschaltet werden, wenn diese nicht untereinander ausgeglichen werden.
Reihenschaltung mit Block-Balancer
Während die internen Balancer der Batterieblöcke nur die Zellen innerhalb eines Battierblocks ausgleichen, helfen externe Balancer, die Ladung zwischen den Blöcken zu balancieren. Die Ladung eines Batterieblocks wird vom Balancer auf die übrigen Blöcke übertragen, wodurch die Spannungen der Blöcke sind wieder annähern.
Dieser Aufbau lässt sich auch bereits mit 2 Batterieblöcken realisieren. Die Anzahl der Balancer ist immer einer weniger als die Anzahl der Batterieblöcke. Für 2 Batterieblöcke brauchen Sie also 1 Balancer, bei 8 Batterieblöcken wären es 7 Balancer. Die Balancer von Victron verfügen zusätzlich über melde-Ausgänge, die belegt werden können.
Alternative 1: Prismatische Zellen
Eine Lösung besteht darin, sich seinen Batterie-Speicher mit prismatischen Zellen selbst zu bauen. Dadurch lässt sich die Größe der Batterie selbst bestimmen. Durch Verwendung des passenden BMS werden alle Zellen innerhalb eines Blocks überwacht, anstatt 2 Blöcke mit eigenem BMS zu errichten.
Manchmal lässt sich aber die gewünschte Kapazität nicht mit einem Block erreichen, da Batterie-Zellen eine begrenzte Kapazität haben und mehr als 16 Zellen untypisch sind. Dann kommt nur der Einsatz weiterer Blöcke in Frage.
Alternative 2: Kreuz-Parallel-Schaltung
Lässt sich die gewünschte Batterie-Kapazität nicht mit einem Batterie-Block realisieren, dann besteht die Möglichkeit, die Batterie-Blöcke parallel zu schalten. Dies hat den Vorteil, dass sich die Spannungen (und damit die Ladungen) der Batterie-Blöcke von selbst untereinander ausgleichen. Auch wenn ein Block abschaltet oder ausfällt, arbeiten die anderen Blöcke weiter.
Kreuz-Schaltung beachten
Unbedingt sollte beachtet werden, dass die Blöcke über Kreuz miteinander verbunden werden, da die Blöcke sich sonst ungleichmäßig entladen, denn ein Block würde sonst in der Reihenfolge immer als Letztes kommen. Durch den zunehmenden Widerstand mit der Leitungslänge, würde der letzte Batterieblock immer weniger stark beansprucht als die anderen Blöcke.
Bei der Kreuzschaltung werden die Batterieblöcke untereinander parallel mit einander verbunden. Die Zuleitungen der Plus- und Minus-Leitung werden jedoch jeweils am ersten und letzten Batterie-Block angeschlossen. Dadurch ergeben sich für alle Batterie-Blöcke exakt gleichlange Leitungslängen. Wichtig ist, dass die Plus- und Minus-Kabel zwischen den einzelnen Blöcken exakt die gleiche Länge haben.
Richtige Verschaltung
- Alle Batterie-Blöcke haben die exakt gleiche Leitungslänge
(Plus-Leitung + Minus-Leitung) - Gleicher Widerstand der Leitungen
- Gleicher Stromfluss durch alle Blöcke
- Gleiche Beanspruchung aller Blöcke
Falsche Verschaltung
- Die hinteren Blöcke haben eine längere Leitungslänge als die vorderen
- Durch die ungleiche Leitungslängen ist der Widerstand der hinteren Blöcke höher
- Durch den höheren Widerstand fließt weniger Strom durch die hinteren Zellen, somit höhere Beanspruchung der vorderen Zellen
Fazit
Eine Reihenschaltung kommt nur in Frage, wenn:
- Alle Batterie-Blöcke die gleiche Größe haben,
- vom selben Hersteller und Typ sind,
- gleich alt sind und
- untereinander balanciert werden