Batterien erreichen die gewünschte Betriebsspannung, indem sie mehrere Zellen in Serie schalten. Jede Zelle trägt mit ihrer Spannung zum Gesamtterminalwert bei. Die Kombination von Serie und Parallel ermöglicht eine höhere Kapazität und Stromstärke.
Serie: Erhöhung der Spannung
Bei tragbaren Geräten, die höhere Spannungen benötigen, werden Batteriepacks mit zwei oder mehr in Serie geschalteten Zellen verwendet. Eine Batteriepackung mit vier 3,6 V Lithium-Ionen-Zellen in Serie ergibt beispielsweise eine Nennspannung von 14,4 V. Im Vergleich dazu erzeugt eine Blei-Säure-Batterie mit sechs Zellen und 2 V/Zelle eine Spannung von 12 V und vier Alkalibatterien mit 1,5 V/Zelle ergeben 6 V.
Wenn Sie eine ungerade Spannung von beispielsweise 9,5 Volt benötigen, können Sie fünf Blei-Säure-Zellen, acht NiMH- oder NiCd-Zellen oder drei Li-Ionen-Zellen in Serie schalten. Die Endspannung der Batterie muss nicht genau sein, solange sie höher ist als vom Gerät angegeben. Eine 12-Volt-Stromversorgung könnte anstelle von 9,5 Volt funktionieren. Die meisten batteriebetriebenen Geräte vertragen eine gewisse Überspannung. Die End-of-Discharge-Spannung muss jedoch beachtet werden.
Parallel: Erhöhung der Kapazität
Wenn höhere Ströme benötigt werden und größere Zellen nicht verfügbar oder nicht in das Design passen, können eine oder mehrere Zellen parallel geschaltet werden. Die meisten Batteriechemien erlauben Parallelkonfigurationen mit geringen Nebenwirkungen. Bei parallelen Verbindungen bleibt die Spannung gleich, während die Kapazität und die Laufzeit vervierfacht werden.
Eine schwache Zelle wirkt sich in einem Parallelkreis weniger stark aus als in einer Serienkonfiguration, aber eine fehlerhafte Zelle verringert die Gesamtbelastbarkeit. Ähnlich wie ein Motor, der nur auf drei Zylindern statt auf allen vieren zündet. Ein elektrischer Kurzschluss hingegen ist ernsthafter, da die defekte Zelle Energie aus den anderen Zellen abzieht und ein Brandrisiko darstellt. Die meisten sogenannten elektrischen Kurzschlüsse sind mild und äußern sich als erhöhter Selbstentladung.
Serie/Parallel: Flexibilität und Leistung
Die in Abbildung 6 dargestellte Serie/Parallel-Konfiguration ermöglicht eine flexible Gestaltung und erreicht die gewünschten Spannungs- und Stromwerte mit einer Standardzellengröße. Die Gesamtleistung ergibt sich aus Spannung mal Strom; eine 3,6 V (Nennspannung) Zelle multipliziert mit 3400 mAh ergibt 12,24 Wh. Vier 18650 Energy Zellen mit jeweils 3400 mAh können wie gezeigt in Serie und Parallel geschaltet werden, um 7,2 V Nennspannung und insgesamt 48,96 Wh zu erreichen. Eine Kombination mit 8 Zellen würde 97,92 Wh ergeben, die zulässige Grenze für den Transport im Flugzeug oder den Versand ohne gefährliche Güter der Klasse 9. Die kompakte Zelle ermöglicht eine flexible Packgestaltung, erfordert jedoch eine Schutzschaltung.
Li-Ion eignet sich gut für Serie/Parallel-Konfigurationen, aber die Zellen müssen überwacht werden, um innerhalb der Spannungs- und Stromgrenzen zu bleiben. Integrierte Schaltkreise (ICs) für verschiedene Zellenkombinationen sind für die Überwachung von bis zu 13 Li-Ionen-Zellen erhältlich. Größere Packs erfordern maßgeschneiderte Schaltungen, dies gilt für E-Bike-Batterien, Hybridautos und das Tesla Model 85, das mehr als 7000 18650-Zellen für das 90-kWh-Pack verbraucht.
Sicherheitshinweise für die Verwendung von Batterien
- Halten Sie die Batteriekontakte sauber. Eine Vier-Zellen-Konfiguration hat acht Kontakte, und jeder Kontakt erhöht den Widerstand.
- Mischen Sie niemals Batterien; ersetzen Sie alle Zellen, wenn sie schwach sind. Die Gesamtleistung ist nur so gut wie das schwächste Element.
- Beachten Sie die Polarität. Eine umgekehrte Zelle zieht die Spannung ab, anstatt sie zu erhöhen.
- Entfernen Sie Batterien aus dem Gerät, wenn sie nicht mehr verwendet werden, um Leckagen und Korrosion zu vermeiden.
- Lagern Sie lose Batterien nicht in einer Metallbox. Legen Sie einzelne Zellen in kleine Plastiktüten, um einen Kurzschluss zu verhindern. Tragen Sie keine lose Zellen in Ihren Taschen.
- Halten Sie Batterien von kleinen Kindern fern. Zusätzlich zu der Gefahr des Verschluckens kann der Stromfluss der Batterie die Magenwand schädigen und zu Vergiftungen führen. Eine Batterie kann auch platzen und eine Vergiftung verursachen.
- Laden Sie nicht wiederaufladbare Batterien wieder auf; Wasserstoffbildung kann zu einer Explosion führen. Führen Sie Experimentalladungen nur unter Aufsicht durch.
Diese einfachen Richtlinien helfen Ihnen, Ihre Batterien sicher und effizient zu verwenden.
