Serie- und Parallelschaltung von Batterien

Bei Isidor Buchmann

Cadex Electronics Inc.
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Oktober 2004

Batterien erhalten ihre gewünschte Betriebsspannung durch die Serieschaltung von Zellen. Wenn höhere Kapazität oder grösserer Strom gefordert ist, ist eine Parallelschaltung der Zellen notwendig. Gewisse Batterien enthalten eine Kombination von Serie- und Parallelschaltung. Eine Laptop-Batterie enthält vier in Serie geschaltete Lithium-Ion-Zellen, um die gewünschten 14,4V zu erreichen, und zwei parallel geschaltete Zellen, um die Kapazität von 2000mAh auf 4000mAh zu erhöhen. Die Bezeichnung einer solchen Konfiguration ist 4S2P, d.h. 4 Zellen sind in Serie und 2 in parallel.

Einzelzellen-Applikationen

Einzelzellen werden in Uhren, als Stützbatterie und in Mobiltelefonen verwendet. Die auf Nickel basierenden Zellen haben eine Nominalzellenspannung von 1,2V; Alkalinezellen 1,5V; Silber-Oxydzellen 1,6V; Blei-Säurezellen 2V; Primär-Lithiumzellen 3V und Lithium-Ionzellen 3,6V. Spinelzellen, Lithium-Ion-Polymer und andere auf Lithium basierende Systeme verwenden 3,7V als angegebene Zellenspannung. Dies erklärt solch unübliche Spannungen wie z.B. 11,1V, wenn drei Zellen in Serie geschaltet werden. Die moderne Mikroelektronik macht es möglich, Mobiltelefone und andere Kommunikationsgeräte mit kleiner Leistung mit einer 3,6V Einzel-Lithium-Ionzelle zu betreiben. Quecksilberzellen, die in den Sechzigerjahren häufig in kleinen Messgeräten verwendet wurden, werden aus Gründen der Umweltverschmutzung nicht mehr eingesetzt.

Auf Nickel basierende Zellen sind entweder mit 1,2V oder 1,25V angeschrieben. Es besteht jedoch kein Unterschied zwischen den Zellen; es ist nur ein Unterschied in der Beschriftung. Die meisten kommerziellen Zellen sind mit 1,2V angeschrieben, während Zellen der Industrie, Luftfahrt und Militär eher mit 1,25V angeschrieben sind.

Serieschaltung

Tragbare Geräte mit hohem Energiebedarf werden mit Batterien gespeist, die zwei oder mehr Zellen in Serie geschaltet haben. Figur 1 zeigt eine Batterie mit vier 1,2V Zellen in Serie. Die Nominalspannung der gesamten Batterie ist 4,8V.

Figur 1: Serieschaltung von vier Zellen. Das Zuschalten von Zellen in einer Kette erhöht die Spannung, aber der Strom bleibt gleich.

Hochspannungsbatterien haben den Vorteil, Kabel und Schalter klein zu halten. Industrielle Werkzeuge des mittleren Preissegmentes arbeiten mit 12V bis 19,2V Batterien; hochqualitative Werkzeuge verwenden 24 bis 36V, um mehr Leistung zu erhalten. Die Fahrzeugindustrie wird in der Zukunft die Starterbatteriespannung von 12V auf 36V erhöhen, besser bekannt als 42V. Diese Batterien enthalten 18 Blei-Säurebatterien in Serie. Erste Hybridfahrzeuge funktionierten mit 148V Batterien. Neuere Modelle arbeiten mit 450-500V; die meisten sind auf Nickel basierend. Eine 480V Nickel-Metallhybrid-Batterie hat 400 Zellen in Serie. Gewisse Hybridfahrzeuge experimentieren ebenfalls mit Blei-Säurebatterien.

42V Autobatterien sind teuer und verursachen mehr Lichtbögen über den Schaltern als mit 12V. Ein weiteres Problem mit höheren Spannungen ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Zelle ausfällt. Es ist wie in einer Kette; je mehr Elemente in Serie geschaltet sind, umso grösser ist die Möglichkeit, dass ein Element ausfällt. Eine ausgefallene Zelle ergibt eine zu tiefe Spannung. Im Extremfall kann eine offene Zelle den Stromfluss unterbrechen. Wegen der Ungleichheit ist es schwierig, eine defekte Zelle zu ersetzen. Eine neue Zelle hat normalerweise eine höhere Kapazität als die älteren.

Figur 2 zeigt eine Batterie, in welcher Zelle Nr. 3 nur eine Spannung von 0,6V aufweist, anstelle von 1,2V. Mit dieser verringerten Arbeitsspannung wird der Endentladepunkt früher erreicht als bei einer gesunden Batterie und die Einsatzzeit ist erheblich kürzer. Die gesenkte Speisespannung schaltet das Gerät früh ap and die drei verbleibenden Zellen können die gespeicherte Energie nich abzugeben. Zelle Nr. 3 kann auch einen hohen Innenwiderstand aufweisen, wodurch die Batteriespannung unter hoher Belastung einbrechen kann. Eine schwache Zelle in einer mehrzelligen Batterie ist wie ein verstopfter Gartenschlauch, welche den Durchfluss des Wassers einschränkt. Zelle Nr. 3 kann aber auch einen Kurzschluss aufweisen, welcher die Spannung auf 3,6V verkleinert, oder sie kann Unterbruch haben, was den Stromfluss unterbricht. Eine Batterie ist nur so gut, wie das schwächste Element der Batterie.

Figur 2: Serieschaltung mit einer fehlerhaften Zelle Die fehlerhafte Zelle Nr. 3 führt zu einer kleineren Gesamt-spannung von 4,2V, was zum Abschalten des Gerätes führt.

Parallelschaltung

Um höhere Ah-Leistung zu erreichen, werden zwei oder mehr Zellen parallel geschaltet. Eine Alternative zur Parallelschaltung ist die Verwendung von grösseren Zellen. Auf Grund einer beschränkten Auswahl der Zellen ist diese Option ist nicht immer möglich. Dazu kommt, dass unhandliche Zellengrössen es nicht erlauben, spezielle Batterieformen zu bauen. Die meisten Chemien erlauben eine Parallelschaltung, und Lithium-Ion ist eine der Besten. Figur 3 zeigt vier parallel geschaltete Zellen. Die Spannung der gesamten Batterie bleibt 1,2V, aber der abgegebene Strom und die Einsatzzeit sind das vierfache.

Figur 3: Parallelschaltung von vier Zellen Mit parallelen Zellen bleibt die Spannung dieselbe, aber der abgegebene Strom und die Einsatzzeit sind grösser..

Ein hoher Innenwiderstand oder eine Zelle mit Unterbruch sind weniger kritisch in einer parallelen Schaltung, als in einer seriellen, aber die Batterie hat eine reduzierte Belastungsmöglichkeit und eine kürzere Einsatzzeit. Es ist wie ein Motor, der nur auf drei Zylindern läuft. Ein elektrischer Kurzschluss ist sehr viel schlimmer, da die fehlerhafte Zelle die Energie der gesunden Zellen aufnimmt, was zum Brennen der Batterie führen kann. Figur 4 zeigt eine Parallelschaltung mit einer fehlerhaften Zelle.

Figur 4: Parallelschaltung mit einer fehlerhaften Zelle Eine schwache Zelle beeinflusst die Spannung nicht, ergibt aber eine kürzere Einsatzzeit. Eine kurzgeschlossene Zelle kann eine zu starke Erhitzung bewirken; die Batterie kann sich entzünden..

Serie-/Parallelschaltung

Figur 5 zeigt eine Serie/Parallelschaltung. Dies erlaubt eine grosse Flexibilität für die Form der Batterie und ermöglicht das Erreichen der benötigten Spannung und Leistung unter Verwendung von Standardzellen. Es sei vermerkt, dass die gesamte Leistung nicht ändert bei verschiedenen Konfigurationen. Die Leistung ist das Produkt von Spannung mal Strom.

Figur 5: Serie/Parallel-Schaltung von vier Zellen. Die Konfiguration beeinflusst die gesamte Leistung nicht, liefert aber die gewünschte Spannung und den gewünschten Strom für eine bestimmte Applikation.

Serie/Parallelschaltungen sind üblich bei Lithium-Ion-Batterien. Eine der gebräuchlichsten Zellen ist die 18650 (Durchmesser 18mm; Länge 650mm). Wegen der Schutzschaltung, die jede in Serie geschaltete Zelle überwachen muss, ist die maximal mögliche Spannung 14,4V. Die Schutzschaltung muss auch die parallel geschalteten Zellen überwachen.

Batterien für Konsumgüter (Haushaltbatterien)

Die oben beschriebenen Serie- und Parallelschaltungen von Zellen beziehen sich auf Batterien, die fest zusammengebaut sind. Dieselben Zusammenhänge können aber auch für Batterien im Haushalt angewendet werden, mit dem Unterschied, dass wir es hier mit Einzelzellen zu tun haben, welche in einen Batteriehalter eingesetzt werden und so eine serielle Konfiguration bilden. Bei der Verwendung von Einzelzellen müssen einige Basisrichtlinien berücksichtigt werden:

• Halten Sie die Batteriekontakte sauber. Eine Vierzellenkonfiguration hat acht Kontakte (Zelle zu Halter und Halter zu nächster Zelle etc.) Jeder Kontakt hat einen Übergangswiderstand, der, zusammengezählt, die Batterieleistung beeinflussen kann.
  
  
• Batterien sollen niemals gemischt werden. Wechseln Sie alle Zellen aus, wenn sie schwächer werden. (Erinnern Sie sich, dass eine schwache Zelle in der Kette die Batterieleistung einschränkt und dass eine Batterie ist nur so gut, wie das schwächste Element in der Batterie). Verwenden Sie denselben Batterietyp für die gesamte Kette.
  
  
• Versuchen Sie nicht, nicht-aufladbare Batterien aufzuladen! Das Aufladen von Primärzellen führt zur Entwicklung von Wasserstoff, was zur Explosion führen kann.
  
  
• Beachten Sie die richtige Polarität. Eine verkehrt eingesetzte Zelle wird die Spannung der Kette verringern anstatt sie zu erhöhen.
  
  
• Das Aufladen einer verkehrt eingesetzten aufladbaren Zelle führt zum elektrischen Kurzschluss dieser Zelle. Wenn dies unbemerkt bleibt, besteht die Gefahr einer starken Erhitzung.
  
  
• Entfernen Sie voll entladene Batterien aus dem Gerät. Alte Zellen neigen zu Lecks und können korrodieren. Alkalinebatterien sind hier weniger kritisch als Karbon-Zink-Batterien.
  
  
• Entfernen Sie die Batterien, wenn das Gerät längere Zeit nicht gebraucht wird, um das Korrodieren zu verhindern.
  
  
• Lagern Sie nie eine Schachtel von Zellen derart, dass ein elektrischer Kurzschluss entstehen kann. Eine kurzgeschlossene Zelle wird sich erhitzen, was zu einer Brenngefahr führen kann. Plazieren Sie lose Zellen in Plastiksäckchen, damit eine elektrische Isolation sicher gestellt ist.
  
  
• Lassen Sie Batterien immer ausserhalb der Reichweite von Kindern.
  
  
• Primärbatterien, wie Alkalinebatterien, können im normalen Abfall entsorgt werden. Es ist jedoch besser, und es wird empfohlen, die Batterien zu den entsprechenden Sammelpunkten in den Verkaufsstellen zurück zu bringen.
  

Über den Autor
Isidor Buchmann ist der Gründer und Geschäftsführer von Cadex Electronics Inc., in Vancouver BC. Herr Buchmann hat fundierte Basiskenntnisse in der drahtlosen Kommunikation und studierte über zwei Jahrzehnte hinweg das praktische Verhalten von wiederaufladbaren Batterien und ihre täglichen Verwendungen. Als Autor gewann er Auszeichnungen für viele Artikel und Bücher über Batterien. Herr Buchmann's technische Ausführungen gingen rund um die Welt.
Cadex Electronics ist Hersteller von fortschrittlichen Batterieladegeräten, Batterieanalysern und PC-Software. Für Produktinformationen besuchen Sie bitte www.cadex.com