Batterien in Reihe oder parallel schalten: Konfigurationen und Risiken

Ein Batteriebank kann auf dem Papier zwar die richtige Gesamtenergie aufweisen und im Betrieb dennoch ausfallen, wenn die Verkabelung nicht zur Last passt. Ein verbreiteter Irrtum ist, dass sich Reihen- und Parallelschaltungen austauschbar zum Hinzufügen von Batterien eignen. Sie verändern unterschiedliche elektrische Eigenschaften. Ein Fehler kann die Spannungsgrenzen der Geräte überschreiten, ein BMS überlasten oder schädliche Ausgleichsströme zwischen den Batterien verursachen.

## Was Reihen- und Parallelschaltungen verändern

Bei einer Reihenschaltung wird der Pluspol einer Batterie mit dem Minuspol der nächsten verbunden. Die Batteriespannungen addieren sich, während die Amperestundenkapazität der einer einzelnen Batterie entspricht. Zwei LiFePO4-Batterien mit jeweils nominal 12,8 V und 100 Ah ergeben beispielsweise in Reihe eine Batteriebank mit nominal 25,6 V und 100 Ah beziehungsweise etwa 2,56 kWh, bevor die nutzbare Entladetiefe (DoD) und Systemverluste berücksichtigt werden.

Bei einer Parallelschaltung werden alle Pluspole und alle Minuspole jeweils miteinander verbunden. Die Spannung bleibt gleich, während sich die Amperestundenkapazitäten addieren. Zwei Batterien mit nominal 12,8 V und 100 Ah ergeben parallel eine Batteriebank mit nominal 12,8 V und 200 Ah, ebenfalls mit etwa 2,56 kWh Nennenergie. Gleiche Energie bedeutet nicht gleiche Kompatibilität: Wechselrichter, Ladegerät, BMS, Verkabelung und Schutzeinrichtungen müssen für die gewählte Spannung und den Strom ausgelegt sein.

Ein schneller Vergleich: Eine Reihenschaltung erhöht die Spannung und behält den Ah-Wert einer Batterie bei; eine Parallelschaltung behält die Spannung bei und erhöht den Ah-Wert. Eine 24-V-Last benötigt in der Regel eine Reihenschaltung aus kompatiblen Batterien der 12-V-Klasse. Eine 12-V-Last mit längerer Laufzeit kann dagegen eine Parallelschaltung verwenden. Prüfen Sie den tatsächlichen Betriebsspannungsbereich und nicht nur den Nennwert auf dem Etikett.

## So wählen Sie eine Konfiguration aus

Beginnen Sie mit den Gerätespezifikationen. Prüfen Sie den DC-Eingangsspannungsbereich, den Dauer- und Spitzenstrom, das Ladespannungsprofil und die Unterspannungsabschaltung. Schätzen Sie anschließend die Last ab: Der Strom in Ampere entspricht ungefähr der Leistung in Watt geteilt durch die Spannung der Batteriebank, bevor Wechselrichterverluste berücksichtigt werden. Bei 1.200 W zieht eine 12,8-V-Batteriebank idealerweise etwa 94 A, eine 25,6-V-Batteriebank etwa 47 A. Eine höhere Spannung kann bei gleicher Leistung den Strom und die Kabelverluste verringern, allerdings nur, wenn die Geräte dafür ausgelegt sind.

Prüfen Sie vor der Auslegung der Batteriebank Folgendes:

- Stimmen Sie die Spannung der Batteriebank auf Wechselrichter, Ladegerät und DC-Verbraucher ab.

- Legen Sie die Kapazität anhand des Energiebedarfs, der zulässigen DoD, der Temperatur und der erforderlichen Laufzeit fest.

- Prüfen Sie, ob die Dauer- und Spitzenstromwerte des BMS für die Last und die Ladequellen ausreichen.

- Vergewissern Sie sich, dass der Batteriehersteller die vorgesehene Anzahl an Einheiten in Reihen- oder Parallelschaltung zulässt.

- Berücksichtigen Sie Sicherungen oder Schutzschalter, Trennschalter und Leiter, die für den möglichen Fehlerstrom ausgelegt sind.

## Risiken und Installationspraktiken

Bei Batteriebänken in Reihenschaltung sollten die Batterien dasselbe Modell sowie eine kompatible Zellchemie, Kapazität, ein vergleichbares Alter und einen ähnlichen Gesundheitszustand (SOH) aufweisen. Vor dem Anschluss müssen ihre Ladezustände (SOC) ausgeglichen sein. Eine schwache oder unausgeglichene Einheit kann ihre obere oder untere Spannungsgrenze vor den anderen erreichen und dadurch die Reihenschaltung über das BMS trennen. Gehen Sie nicht davon aus, dass jede LiFePO4-Batterie für den Reihenbetrieb geeignet ist; manche internen BMS-Ausführungen verbieten ihn oder begrenzen die Anzahl der Einheiten.

Bei Batteriebänken in Parallelschaltung können bereits geringe Spannungsunterschiede beim Verbinden der Batterien hohe Ausgleichsströme verursachen. Bringen Sie die Einheiten zunächst auf die vom Hersteller angegebene Spannung oder den entsprechenden SOC und halten Sie die vorgegebene Anschlussreihenfolge ein. Verwenden Sie für jede Batterie einen passend bemessenen Abzweigschutz und eine Anordnung, die eine gleichmäßige Stromverteilung begünstigt, etwa gleich lange Leitungen zu gemeinsamen Sammelschienen. Wird das BMS einer Batterie getrennt, kann sich die Last abrupt auf die verbleibenden Batterien verlagern.

Mischen Sie in einer Batteriebank keine Batterien mit unterschiedlicher Kapazität, Zellchemie, BMS-Grenzwerten oder unterschiedlichem Verschleiß. Schalten Sie Batterien niemals parallel, wenn die Verbindung nur über einen unterdimensionierten Pfad zu den Anschlüssen einer einzelnen Einheit erfolgt, und betrachten Sie ein BMS niemals als Ersatz für einen korrekt bemessenen externen Überstromschutz. Befolgen Sie die Batteriedokumentation und die geltenden Installationsvorschriften. Wo vorgeschrieben, müssen die Arbeiten von qualifiziertem Fachpersonal ausgeführt werden.

## Prüfen Sie das Gesamtsystem, nicht nur die Verkabelung

Ein Vergleich für eine moderate DC-Last von 1,2 kW verdeutlicht den Zielkonflikt. Mit einer 12,8-V-Batterie mit 100 Ah beträgt der ideale Strom etwa 94 A und die Nennenergie 1,28 kWh. Mit zwei solchen Batterien in Reihe liefert die Batteriebank mit 25,6 V und 100 Ah etwa 47 A und bietet 2,56 kWh Nennenergie. Bei zwei parallel geschalteten Batterien liefert die Batteriebank mit 12,8 V und 200 Ah insgesamt etwa 94 A und bietet ebenfalls 2,56 kWh Nennenergie. Im Idealfall entfallen davon etwa 47 A auf jede Batterie. Der tatsächliche Strom und die Laufzeit hängen von Umwandlungsverlusten, Temperatur, Spannungseinbruch, SOC und den BMS-Grenzwerten ab.

Prüfen Sie vor der Inbetriebnahme, ob die Ladeeinstellungen genau zur verwendeten LiFePO4-Batterie und zur Spannung der Batteriebank passen. Kontrollieren Sie Polarität und Anzugsdrehmoment gemäß den Herstelleranweisungen und vergewissern Sie sich, dass die Schutzeinrichtungen DC-Strom sicher unterbrechen können. Prüfen Sie bei Telekom-, UPS-, Solar-, Marine- und Antriebssystemen auch den Arbeitszyklus, Spitzenlasten, Umgebungsbedingungen und den Wartungszugang. UN38.3 behandelt Transportprüfungen; IEC 62619 und UL 1973 sind relevante Sicherheitsnormen für bestimmte industrielle und stationäre Batterieanwendungen. Die Zertifizierungsanforderungen hängen vom Produkt und Markt ab.

## Fazit

Wählen Sie eine Reihenschaltung, wenn das System eine höhere Spannung benötigt, und eine Parallelschaltung, wenn bei gleicher Spannung mehr Kapazität erforderlich ist. Prüfen Sie in beiden Fällen vor dem Anschluss der Batteriebank die vom Hersteller freigegebenen Konfigurationen, die Übereinstimmung der Batterien, die BMS-Grenzwerte, die Ladeeinstellungen und die Schutzmaßnahmen. Für eine anwendungsspezifische Auslegung oder eine dokumentierte Konfiguration kann Newbeebattery als OEM/ODM-Partner kundenspezifischer Batteriepacks dienen.