Parallel geschaltete Batterien - basytec.de

1 Parallel geschaltete BatterienAndreas Jossen, BaSyTec , hrungOft werden Anlagen aufgebaut, die aus mehreren Parallel geschalteten Batterie-strings bestehen. Da eine derartige Anlage durch den Ausfall eines Batteriestringsnoch funktionsf hig ist, wenn auch eingeschr nkt, ist die Zuverl ssigkeit im Vergleichzu Einstringanlagen h her. Demgegen ber stehen nat rlich h here Kosten, da eineBatterie billiger als zwei Batterien mit jeweils der halben Kapazit t ist. Auch sind Ver-kabelungsaufwand und Platzbedarf von Mehrstringspeichern im Vergleich zu Ein-stringspeichern erheblich gr er. Ferner mu bedacht werden, da f r Wartungsar-beiten ein vielfaches an Zeit notwendig ist. F r die Verwendung von Mehrstringanla-gen gibt es im wesentlichen zwei Gr nde. Als erstes hat die Batterieindustrie ein gro- es Interesse daran, da so mit einer kleinen Modellpalette (geringere Entwicklungs-und Produktionskosten) ein gro er Kapazit tsbereich abgedeckt werden kann.

2 Derzweite Grund kommt aus dem Bereich der unterbrechungsfreien Stromversorgungen(USV). Bei dieser Anwendung wird die Batterie f r Monate oder sogar Jahre mit Er-haltungsladung betrieben, um dann im Ernstfall entladen zu werden. Hier ist eine ho-he Zuverl ssigkeit gefordert, die sich durch Parallelschalten von mehreren Batteries-trings erreichen l t. Ferner l t sich bei derartigen Systemen ein Teil der Batterietesten, ohne da die Bereitschaft der Anlage eingeb t wird. Beim Einsatz in photo-voltaischen Anlagen ergeben sich im Vergleich zu USV Anlagen jedoch ganz andereBelastungen. Eine permanente t gliche Zyklisierung, oft berlagert von einer mitdem Wetter verbundenen Zyklisierung, belastet die Batterie mit mittleren bis kleinen,stark schwankenden Str men. Dies ist mit eine Ursache, da durch die Batteries-trings unterschiedliche Str me flie en k nnen.

3 Die damit verbundenen Erscheinun-gen werden, obwohl es sich hier um eine gemischte Parallel - und Serienschal-tung handelt, im weiteren als "Paralleleffekt" bezeichnet. Bei PV Anlagen wurde be-obachtet, da bei Parallel geschalteten Batterien sich im Laufe der Zeit die Batteries-trings verschiedenartig entwickeln. Bei der beschriebenen Anlage ist die Ursache1auf den Ausfall einer Zelle in einem String zur ckzuf hren, so da dieser String imLaufe der Zeit immer weniger zyklisiert wurde. Der Ausfall wurde auch nicht rechtzei-tig erkannt, da der funktionsf hige Batteriestring entsprechend tiefer zyklisiert f r den Ausfall dieser Zelle verantwortliche Alterungsmechanismus wird inder angegebenen Literaturstelle nicht n her by BaSyTec GmbHGrundlagenEin einfaches Ersatzschaltbild f r n Parallel geschaltete Batterien ist in Bild 1dargestellt. Bild 1: Einfaches Ersatzschaltbild f rparallel r die Klemmengr en der Gesamtbatterie gelten:(1)UKl=UKl1=UKl2=.

4 =UKln(2)IKl= i=1nIKli= i=1n IVi+UKl U0iRi F r den Fall einer eingepr gten Klemmenspannung ergibt sich f r die Abh ngig-keit des Klemmenstroms einer Zelle von den Parametern einer anderen Zelle: , , f r (3) IKlk Rj= IKlk IVj= IKlk U0j=k , da im Falle einer eingepr gten Klemmenspannung der Arbeitspunkt einer Zel-le nicht von den Parametern der anderen Zellen beeinflu t wird. F r einen einge-pr gten Klemmenstrom kann die Gleichung (2 ) nach der Klemmenspannung auf-gel st werden:IKlR1U0 IVC1U=IKlR2U0 IVC2 UIKlRnU0 IVCnU==UKl11112222nnnnIKl8 Copyright by BaSyTec GmbH(4)UKl=IKl+ i=1n U0iRi IVi i=1n1 RiMit der starken Vereinfachung, da der Verluststrom und der Innenwiderstand unab-h ngig von der Klemmenspannung sind, gilt f r die Abh ngigkeit der Klemmenspan-nung von den Parametern einer Zelle: , , (5) UKl Rj=IKl+ i=1n U0iRi IVi U0j i=1n1Ri Rj i=1n1Ri 2 UKl IVj= 1 i=1n1R UKl U0j=1Rj i=1n1 RiF r die Abh ngigkeit des Klemmenstroms einer Zelle von den Parametern einer an-deren Zelle folgt.

5 , , (6) IKlk Rj=1Rk U R IKlk IVk=1Rk U I IKlk U0j=1Rk UK U0 Demnach wird bei einem eingepr gten Klemmenstrom der Arbeitspunkt einer Batte-rie von den Parametern der anderen Batterien beeinflu Vergleich zur Serienschaltung kehren sich die Verh ltnisse bei eingepr gtemStrom und bei eingepr gter Spannung genau um (Duale Schaltung). Die entnehmbare Kapazit t von Parallel geschalteten Batterien kann auf Grund einerm glichen inhomogenen Stromverteilung nicht exakt angegeben werden. Die ent-nehmbare Kapazit t bei einer Konstantstromentladung kann jedoch mit(7) i=1nKZelleiIKli=IKl KGes i=1nKZelleiIKli=IKl KZelleiKGeseingegrenzt werden. Die rechte Seite der Gleichung beschreibt den bestm glichenFall, die Stromaufteilung zwischen den Zellen erfolgt in der Art, da die Zellstr -me w hrend der Entladung konstant sind und alle Zellen zum selben Zeitpunkt er-sch pft sind.

6 Der ung nstigste Fall tritt ein, wenn alle Zellen nacheinander entladenwerden, da die entnehmbare Kapazit t mit zunehmenden Entladestrom r den Zusammenhang zwischen der entnehmbaren Kapazit t und dem Entlade-strom gilt in guter N herung die Peukert r den Ladegrad der Gesamtbatterie als Funktion der Ladegrade der Zellen gilt: mit (8)p= i=1n KNiKN pi KN= i=1nKNiDie Nennkapazit t ist hier die Summe der Nennkapazit ten der Zellen. 9 Copyright by BaSyTec GmbHDie Ursachen, die zu verschiedenen Ladegraden in den Batterien f hren k nnen,sind unterschiedliche Temperaturen und unterschiedliche Zellcharakteristiken aufGrund von Herstellungstoleranzen. Insbesondere f hren abweichende S uredichtenzu unterschiedlichen Spannungslagen der Batterien und damit zu einer inhomoge-nen Stromverteilung. F r das berladeverhalten von Parallel geschalteten Batterien gilt:(9)IV= i=0nIVi= i=1n I0i xp UKl UNK1i+K2i Ti TNTi TN Diese Gleichung kann nicht in die Form der f r eine Zelle g ltigen berladecharakte-ristik umgeformt werden.

7 F r den Fall, da die Parameter K1i und K2i f r alle Zellenidentisch sind und alle Zellen dieselbe Temperatur aufweisen, gilt: (10)IV=I0 i=1nI0i xp UKl UNK1+K2 T TNT TN Dieser Zusammenhang gilt n herungsweise bei baugleichen Batterien , die identischbetrieben wurden, da dann die Streuungen der Parameter K1i und K2i sehr geringsind. In diesem Fall k nnen K1 und K2 als die arithmetischen Mittel der Zellparameterangegeben hrte MessungenAusgleichsvorg ngeEine einmal entstandene Asymmetrie wird w hrend eines Ladevorgangs innerhalbrelativ kurzer Zeit weitgehend aufgehoben. In Bild 2 sind die Stromverl ufe zweiergleichaltriger, Parallel geschalteter Batterien vom Typ Vb 625 f r eine IU-Ladung dar-gestellt. Der Batterie 2 wurde vor dem Ladevorgang eine Ladung von Ahentnommen. Der Verlauf des Differenzstromes dieser Messung und von zwei weiter-en Messungen ist in Bild 3 dargestellt.

8 Der Umschaltzeitpunkt zwischen strom- undspannungsbegrenzter Ladung, f llt hierbei immer mit dem Maximum des Differenz-stromes zusammen. Das Maximum des Differenzstromes steigt mit zunehmenderLadungsdifferenz der Batterien , ist aber auf den maximalen Ladestrom starke Stromanstieg ist mit ein Grund f r die Begrenzung der Anzahl von pa-rallel zu schaltenden Batterien . Ein hnliches Verhalten ergibt sich auch w hrend ei-ner Entladung nahe dem Entladeschlu , wenn die Batterien unterschiedliche Kapazi-t ten haben. Die Folge einer derartigen Entladung sind unterschiedliche Entladegra-de der einzelnen Batterien , und es ergibt sich bei der anschlie enden Ladung wiederein by BaSyTec GmbHIm Vergleich zu Ausgleichsvorg ngen bei in Serie geschalteten Batterien , werden dieBatterien mit h heren Ladegraden nicht mit zus tzlicher Gasentwicklung und be-schleunigter Korrosion belastet.

9 Andererseits kann es bei verschieden gealtertenZellen zu einer unterschiedlichen Gasentwicklung kommen. Bei einer eingepr gtenKlemmenspannung ergeben sich dann unterschiedliche Halbzellenpotentiale in deneinzelnen Batterien und somit auch unterschiedliche 2: Klemmenstromverl ufe eines IU-Ladevorgangs f r zwei Parallel ge-schaltete Batterien vom Typ Vb 625 bei 25 C. Bild 3: Differenzstr me zweier Parallel geschalteter Batterien vom Typ Vb625 f r unterschiedliche Ladungsdifferenzen w hrend einesIU-Ladevorgangs bei 25 C Das Verhalten bei solartypischem BetriebF r zwei mit einem solartypischen Tageszyklus belastete, Parallel geschaltete Batte-rien vom Typ Vb 625, ergeben sich die in Bild 4 dargestellten Verl ufe f r den Diffe-renzstrom (I1 - I2) und die Differenzladung (Q1 - Q2). Es zeigt sich eine deutliche012345602468101214 Zeit in [h]Ladestrom in [A]Batterie 2 Batterie 1 Ladung mit konst.

10 StromLadung mit konst. SpannungQ = Ah 0123456-1012345 Zeit in [h]Differenzstrom I - I in [A]Q = AhQ = AhQ = Ah12 11 Copyright by BaSyTec GmbHInhomogenit t in der Stromaufteilung zwischen den beiden Batterien beim Ladenund Entladen. Im stromfreien Zustand sind Kreisstr me erkennbar. Die Ladungsdif-ferenz betr gt im eingeschwungenen Zustand etwa Ah pro Tag. Demnach ergibtsich eine mittlere Differenz der Ladegrade von Ferner zeigt sich, da Batterie 2im eingeschwungenen Zustand um etwa 2 Ah st rker als Batterie 1 zyklisiert hrend des Ladevorgangs ( mit eingepr gter Spannung) gleichen sich die La-degrade beider Batterien an und w hrend einer Entladung laufen sie ist anzunehmen, da bei unterschiedlichen Temperaturen die Ladegradeebenfalls auseinanderlaufen, da die Hauptreaktionen temperaturabh ngig 4: Verlauf des Differenzstromes und der Differenzladung f r zweiparallel geschaltete Batterien vom Typ Vb 625.