Maximale Leistung und Effizienz: Parallel- und Reihenschaltung von Batterien

Die Möglichkeiten der Spannungs- und/oder Leistungserhöhung sind schier unendlich, denn grundsätzlich lassen sich beliebig viele Batterien zusammenschalten. Dafür gibt es zwei Verfahren: die Parallel- und die Reihenschaltung. Zudem ist es möglich, beide Schaltungsarten durch die sogenannte Reihen-Parallel-Verschaltung zu vereinen. Sie wird in der Praxis vielfach angewendet, wenn man sowohl die Spannung als auch die Kapazität erhöhen möchte – zum Beispiel bei modernen Lithiumakkus für Antriebs- oder Zusatzbatterien.

Die Grundlagen der Parallelschaltung und Reihenschaltung

Die Techniken der Parallelschaltung und der Reihenschaltung bieten eine Möglichkeit, die Einschränkungen einer einzelnen Batterie zu umgehen und maßgeschneiderte Energielösungen für unterschiedlichste Anforderungen zu schaffen. Rein praktisch funktioniert dies folgendermaßen:

Parallelschaltung

Bei der Parallelschaltung werden Batterien so verbunden, dass ihre positiven Pole miteinander und ihre negativen Pole miteinander verbunden sind. Dies erhöht die Gesamtkapazität der Batterien, während die Spannung unverändert bleibt. Ein gutes Beispiel für Parallelschaltung ist das Zusammenschalten von Batterien in einem Reisemobil oder auf einer Yacht, um eine längere Energieversorgung für verschiedene Geräte sicherzustellen. Auch in Spezialfahrzeugen wie Kanalinspektionsfahrzeugen werden häufig mehrere Batterien parallel geschaltet.

Reihenschaltung

Bei der Reihenschaltung werden die positiven Pole einer Batterie mit den negativen Polen der nächsten Batterie verbunden. Diese Methode erhöht die Gesamtspannung der Batterien, während die Kapazität gleich bleibt. Die Starterbatterien in LKW oder Omnibussen werden häufig in Reihenschaltung betrieben, um eine höhere Spannung für das Bordnetz zu erzeugen.

Erweiterbares Kraftpaket

Unsere Energy Unit mit XBU besteht bei einer Kapazität von 210 Ah aus insgesamt 504 Zellen vom Typ 18650 – 7 Module mit jeweils 72 Einzelzellen, um genau zu sein. Die Einzelkomponenten mit je 2,85 Ah und 3,7 V sind in einem Modul zu einer Kapazität von 210 Ah parallel verschaltet. Die Spannung bleibt bei der Parallelschaltung allerdings gleich. 

Um diese auf 24 V (effektiv 26 V) zu erhöhen, werden 7 dieser Module in Reihe geschaltet. So ergibt sich die Kapazität von (72 x 2,85) 210 Ah und die Spannung von (7 x 3,7) 26 V bei unserem Standardmodell. 

Die XBU ist darüber hinaus in zwei weiteren Varianten mit 420 und 630 Ah lieferbar. Hier sind dann zwei (bei der XBU 420) beziehungsweise drei (XBU 630) der 7er-Modulreihen parallel geschaltet, um die größere Kapazität zu erreichen. Dabei wird in allen XBU-Varianten ein Zelltyp verbaut, der seit Jahren erfolgreich in Großserie produziert wird und auch in E-Fahrzeugen (unter anderem im Tesla Model S) zum Einsatz kommt. 

Was es bei der Verschaltung von Batterien zu beachten gibt

Bei der Zusammenschaltung – egal, ob in Reihe oder parallel – sind nur Batterien zu verwenden, die:

• vom gleichen Batterietyp sind.

• die gleiche Kapazität haben.

• vom selben Alter sind.

• auf dem gleichen Ladezustand sind.

Bei einer Neuinstallation achtet man in der Regel darauf, identische Batterien hinsichtlich Typ, Kapazität und Alter zu verwenden. Ebenso wichtig ist es allerdings, dass sie den gleichen Ladezustand aufweisen. Denn wenn Batterien mit unterschiedlichem Ladezustand zusammengeschaltet werden, gleichen sie sich beim anschließenden Laden und Entladen im Verbund nicht wieder an und werden im Laufe der – kurzen – Lebenszeit immer weiter auseinanderdriften. 

Batterien immer komplett auswechseln

Auch wenn irgendwann ein Teil der Batteriebank ausfällt, ist es nicht sinnvoll, nur die defekte Batterie zu ersetzen. Denn wenn eine neue Batterie mit anderen zusammengebracht wird, die bereits mehrere Lade- und Entladezyklen hinter sich haben, wird sich das immer negativ auf die Leistung und Lebensdauer auswirken. 

Die ältere Batterie hat in der Regel durch einen erhöhten Innenwiderstand weniger nutzbare Kapazität, kann weniger Strom liefern und nimmt Ladung langsamer auf. Das wird über kurz oder lang dazu führen, dass eine der beiden Batterien überdurchschnittlich schnell altert und die Batteriebank in relativ kurzer Zeit abermals ausfällt.

Es empfiehlt sich daher unbedingt, in reihen- oder parallelgeschalteten Batteriebänken bei Ausfall einer Batterie idealerweise alle Batterien durch gleich alte zu ersetzen.

Voraussetzungen beachten, Vorteile erkennen

Zusammengefasst lässt sich festhalten, dass eine Reihen- oder Parallelschaltung von Batterien ein gängiges Mittel ist, um Beschränkungen hinsichtlich Größe, Kapazität und Spannung zu umgehen. Um möglichst viele Vorteile zu nutzen und Nachteile zu minimieren, sind gewisse Voraussetzungen zu beachten. Berücksichtigt man diese, erhält man eine maßgeschneiderte, zuverlässige Stromversorgung für seine Bedürfnisse.

Gleiches Prinzip: Verschaltung von Solarmodulen 

Eine Zusammenschaltung zur Erhöhung der Spannung oder der Leistung ist nicht nur auf Batterien begrenzt. Gerade auch bei Solarmodulen ist eine Verschaltung mehrerer Module vor allem bei größeren Installationen gang und gäbe. Auch hier gibt es unterschiedliche Anwendungsformen, die Regeln für Parallel- und Reihenschaltung bleiben allerdings dieselben.

In mobilen Anwendungen (Wohnmobile etc.) werden die Solarmodule häufig parallel verbunden. Im stationären Gebäudebereich (Dachinstallationen etc.) sind in der Regel Reihenschaltungen oder Kombinationen aus Reihen- und Parallelschaltungen üblich, um auf höhere Eingangsspannungen für die eingesetzten Wechselrichter zu kommen.

Anwendungen im Solarbereich

Parallelschaltung

Durch die Parallelschaltung von zwei Solarmodulen wird die Gesamtleistung verdoppelt, die Nennspannung bleibt gleich, der Gesamtstrom verdoppelt sich. Im oben gezeigten Schema sind 2 Solarmodule mit jeweils 20 V und 200 Wp (Watt peak) parallel verschaltet. Es stehen dann bei 20 V insgesamt 400 Wp (= 2 x 200 Wp) zur Verfügung, dabei fließt ein Strom von 20 A.

Reihenschaltung

Auch hier gilt, eine Reihenschaltung von zwei Modulen liefert die doppelte Nennspannung der einzelnen Module, der Gesamtstrom ist gleich dem Strom eines Moduls. Die Gesamtleistung beträgt zweimal die Leistung eines Moduls. Es stehen im Beispiel 40 V (2 x 20 V) bei 10 A und 400 Wp (2 x 200 Watt peak) zur Verfügung. Zu beachten ist, dass die zulässige Eingangsspannung des Solarladereglers nicht überschritten wird.

Keine voreiligen Zusammenschlüsse

Grundsätzlich lassen sich die oben geschilderten Aussagen auf weitere Geräte wie Ladegeräte, Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler) und Netzteile übertragen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass es sich dort oft um Geräte handelt, die ihre Ausgangsleistung elektronisch überwachen und regeln. Auch das Bezugspotential der Ausgangsspannung ist zu berücksichtigen, bevor man unbekannte Stromquellen verschaltet. Daher sollte man vor dem Zusammenschalten mehrerer derart geregelten Geräte Rücksprache mit dem Hersteller halten oder sich im Benutzungshandbuch informieren, um die Zuverlässigkeit dieser Maßnahme sicherzustellen.

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