Reihenschaltung (Spannungserhöhung)
Bei der Reihenschaltung des Akkupacks werden die positiven (+) und negativen (-) Elektroden mehrerer Batterien hintereinander geschaltet, wobei das erste und das letzte Ende den Gesamtausgang bilden. Bei dieser Anschlussmethode ergibt sich die Gesamtspannung aus der Einzelzellenspannung x Anzahl der Batterien und die Gesamtkapazität aus der Einzelzellenkapazität (bleibt unverändert). Beispiel: Wenn vier 12-V-Batterien mit je 100 Ah in Reihe geschaltet werden, beträgt die Gesamtspannung 12 V × 4 = 48 V, und die Gesamtkapazität beträgt weiterhin 100 Ah (entspricht einer Einzelzelle).
Dies ist die gängigste Anschlussmethode. Sobald die benötigte Batteriekapazität und die Spannung des Batteriepacks ermittelt sind und die Kapazität unter 1000 Ah liegt, werden die Einzelzellen üblicherweise zu einem Batteriepack in Reihe geschaltet. Diese Methode ist intuitiver und bequemer für Installation, Anschluss, Wartung und Reparatur des Batteriepacks. Die tatsächliche Kapazität des Batteriepacks lässt sich anhand der niedrigsten Einzelzellenkapazität im Batteriepack ermitteln.
Die Reihenschaltung eignet sich für Geräte mit höherem Spannungsbedarf, wie z. B. Elektrofahrzeuge, Solaranlagen und Industrieanlagen. Es ist jedoch zu beachten, dass alle in Reihe geschalteten Batterien vom gleichen Modell, mit gleicher Kapazität und gleichem Alter sein sollten, um Überladung oder Tiefentladung aufgrund ungleichmäßiger Leistung zu vermeiden. Außerdem sollte beim Laden ein Ladegerät mit passender Spannung (z. B. ein 48-V-Ladegerät) verwendet werden, um Sicherheit und Batterielebensdauer zu gewährleisten.
Parallelschaltung (Kapazitätserhöhung)
Bei der Parallelschaltung des Batteriepacks werden die Plus- und Minuspole aller Batterien miteinander verbunden, und die Gesamtleistung wird von beiden Enden der Parallelgruppe bezogen. Bei dieser Schaltungsmethode entspricht die Gesamtspannung der Einzelzellenspannung (bleibt unverändert) und die Gesamtkapazität der Einzelzellenkapazität × Anzahl der Batterien. Werden beispielsweise vier 12-V-Batterien mit je 100 Ah parallel geschaltet, beträgt die Gesamtspannung zwar weiterhin 12 V, die Gesamtkapazität erhöht sich jedoch auf 100 Ah × 4 = 400 Ah.
Diese Methode hat keinen Einfluss auf die Betriebsspannung, sondern erhöht lediglich die Kapazität. In der Regel werden zwei unabhängige Batteriepakete, bestehend aus in Reihe geschalteten Einzelzellen, parallel verwendet. Dadurch können die beiden Batteriegruppen separat gewartet und repariert werden. Durch den Parallelbetrieb der Batteriepakete wird zudem der Entladestrom einer einzelnen Gruppe reduziert. Daher ist die tatsächliche Entladekapazität der beiden parallel geschalteten Batteriegruppen größer als die Summe der Nennkapazitäten jeder Gruppe bei gleicher Abschlussspannung.
Parallelschaltung eignet sich für Geräte, die eine höhere Kapazität und eine längere Batterielebensdauer benötigen, wie z. B. Energiespeichersysteme für Wohnmobile oder USV-Stromversorgungen. Es ist jedoch besonders darauf zu achten, dass die Spannungen der parallel geschalteten Batterien absolut gleich bleiben (die Differenz sollte vorzugsweise ≤ 0,1 V betragen), da sonst ein Stromrückfluss und damit eine Beschädigung der Batterie möglich ist. Für einen sicheren und stabilen Betrieb empfiehlt sich die Verwendung eines Batterie-Balancers oder die Verwendung von Isolationsdioden, um Durchblutungsstörungen zwischen den Batterien zu vermeiden.
Hybrid (Seriell-Parallelschaltung, unter Berücksichtigung von Spannung und Kapazität)
Die Hybrid-(Seriell-Parallel-)Schaltung des Batteriepacks optimiert Spannung und Kapazität gleichzeitig. Die Reihenschaltung erhöht die Spannung, die Parallelschaltung erhöht die Kapazität (oder umgekehrt). Bei dieser Schaltung entspricht die Gesamtspannung der Spannung einer einzelnen Reihenschaltung und die Gesamtkapazität der Kapazität einer einzelnen Parallelschaltung multipliziert mit der Anzahl der Parallelschaltungen.
Nehmen wir als Beispiel acht 12-V-100-Ah-Batterien, zwei in Reihe und vier parallel geschaltet: Verbinden Sie zunächst zwei Batterien in Reihe zu einer Gruppe (12 V × 2 = 24 V, die Kapazität beträgt weiterhin 100 Ah). Anschließend verbinden Sie vier Gruppen dieser in Reihe geschalteten Batterien parallel. Die endgültige Systemleistung beträgt 24 V 400 Ah (100 Ah × 4).
Diese Hybridmethode eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen sowohl hohe Spannung als auch große Kapazität erforderlich sind, wie z. B. große Energiespeicherkraftwerke, Elektroschiffe und andere industrielle Anwendungen. Im praktischen Betrieb muss die Konsistenz der Batterieparameter streng kontrolliert werden. Die Leistungsparameter der einzelnen Reihenbatteriegruppen müssen genau aufeinander abgestimmt sein, und die Spannungsdifferenz zwischen parallelen Gruppen darf 0,2 V nicht überschreiten.
Für komplexe Hybridsysteme wird dringend empfohlen, ein professionelles Batteriemanagementsystem (BMS) zu konfigurieren, um Echtzeitüberwachung, Ausgleichsmanagement und Sicherheitsschutz zu gewährleisten und so einen stabilen und effizienten Systembetrieb zu gewährleisten.
Beachten Sie die folgenden wichtigen Punkte.
Beim Mischen von Batterien (d. h. bei der Kombination von Reihen- und Parallelschaltung) ist besonders auf die folgenden Punkte zu achten, um die Sicherheit und Stabilität des Systems zu gewährleisten:
Batteriekonsistenz
Alle Batterien sollten das gleiche Modell, die gleiche Kapazität und das gleiche Alter aufweisen. Stellen Sie sicher, dass die Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen Batterien 0,1 V nicht überschreitet. Bei schwankender Batterieleistung kann die leistungsstärkere Batterie die leistungsschwächere Batterie rückladen. Dies kann zu einer Überhitzung oder sogar Beschädigung der Batterie führen und die Lebensdauer und Sicherheit des Systems erheblich beeinträchtigen.
Kabel- und Steckerauswahl
Zur Reduzierung der Leitungsimpedanz wird die Verwendung niederohmiger Kupferkabel mit ausreichendem Querschnitt empfohlen (z. B. kann ein 25-mm²-Kabel 100 A Stromstärke tragen). Darüber hinaus sollten die Anschlussklemmen verzinnt oder versilbert sein, um Blei-Säure-Korrosion zu verhindern und eine dauerhaft stabile elektrische Verbindung zu gewährleisten.
Sicherheitsmaßnahmen
In jedem Reihenstromkreis sollte eine Sicherung mit den entsprechenden Spezifikationen (z. B. 1,25-facher Nennstrom) installiert werden, um Schäden durch Überstrom zu vermeiden. Bei Parallelschaltung wird der Einsatz einer Diodentrennung oder eines Batterie-Balancers empfohlen, um einen Stromfluss zwischen den Batterien zu vermeiden und so Energieverluste und Überhitzungsrisiken zu reduzieren.
Lademanagement
Das Ladegerät muss der Gesamtspannung des Hybridsystems entsprechen (z. B. ist ein 24-V-Ladegerät für ein 24-V-Batteriepaket geeignet). Wenn es die Bedingungen erlauben, kann für jede Gruppe von Serienbatterien ein unabhängiger Ladeanschluss konfiguriert werden, um eine ausgewogene Ladung zu gewährleisten und die Batterielebensdauer zu verlängern.
Die Befolgung der oben genannten Vorsichtsmaßnahmen kann die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Hybridbatteriesystems effektiv verbessern und potenzielle Risiken vermeiden.
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