Welche Betriebsparameter und Schutzmaßnahmen sind bei der Einrichtung einer Parallelladung für Mehrzellen-Batterietestsysteme erforderlich?

Für die Parallelladung sind eine kontrollierte Stromaufteilung, angepasste Batteriestränge, eine genaue Spannungsmessung und ein unabhängiger Schutz für jeden Zweig erforderlich. Verwenden Sie ein IU-Ladeprofil, schließen Sie nur kompatible Zellen oder Stränge an, dimensionieren Sie die Leiter für einen Spannungsabfall von weniger als 2 % bei Nennstrom und überwachen Sie kontinuierlich Spannung, Strom und Temperatur. Ergänzen Sie eine zweigbezogene Trennung und einen Überstromschutz, wenn ein ausgefallener Strang den übrigen Teil des Prüfsystems beeinträchtigen könnte.

Die zentrale Regel lautet, dass parallele Stränge sich wie ähnliche elektrische Lasten verhalten müssen, während jeder Zweig vor Fehlern in den anderen Zweigen geschützt bleibt. Für zuverlässige Mehrzellentests sind eine abgestimmte Auslegung, symmetrische Kabel, ein kontrolliertes Ladeverhalten, thermische Grenzwerte und eine automatische Fehlerisolierung erforderlich.

Elektrische Kompatibilität sicherstellen

Chemie, Kapazität und Zellanzahl anpassen

Schließen Sie nur Batterien oder Stränge mit derselben Chemie, Nennkapazität und Anzahl an Zellen an. Ihre Ladespannungsanforderungen, Innenwiderstände und ihr Ladezustandsverhalten müssen für den parallelen Betrieb ausreichend kompatibel sein.

Verwenden Sie die Parallelladung nicht, um nicht übereinstimmende Zellen auszugleichen. Ein Strang mit höherer Spannung oder niedrigerem Widerstand kann einen unverhältnismäßig großen Anteil des Stroms aufnehmen, wodurch andere Stränge unterladen bleiben oder eine lokale Erwärmung entsteht.

Anfangsbedingungen angleichen

Überprüfen Sie vor dem Parallelschalten der Zweige, ob deren Spannungen und Ladezustände ausreichend übereinstimmen. Das Verbinden von Strängen mit deutlich unterschiedlichen Spannungen kann einen hohen Ausgleichsstrom erzeugen, der die vorgesehene Laderegelschaltung umgeht.

Messen Sie jeden Zweig unabhängig vor dem Anschluss. Ein Zweig mit ungewöhnlicher Spannung, Temperatur, Leckage oder ungewöhnlichem Widerstand sollte bis zur Untersuchung isoliert bleiben.

Symmetrische Anschlüsse verwenden

Gestalten Sie die Lade- und Entladepfade so, dass jeder Zweig eine vergleichbare Kabellänge, Leiterresistenz, Steckerresistenz und Kontaktqualität aufweist. Unterschiedliche Pfadresistenzen führen zu einer ungleichen Stromaufteilung, selbst wenn die Batterien ansonsten identisch sind.

Verwenden Sie nach Möglichkeit eine ausgewogene Sammelschienenanordnung oder eine vergleichbar symmetrische Verdrahtung. Verlassen Sie sich nicht allein auf die optische Ähnlichkeit, sondern überprüfen Sie den Zweigstrom während der Inbetriebnahme.

Das richtige Ladeprofil auswählen

IU-Ladung bevorzugen

Verwenden Sie ein IU-Profil, das aus einer geregelten Konstantstromphase und einer anschließenden geregelten Konstantspannungsphase besteht, sofern dies für die Batteriechemie und die Ladeanforderungen des Herstellers geeignet ist.

Die Konstantstromphase sorgt für ein vorhersehbares Ladeverhalten. Die Konstantspannungsphase begrenzt die abschließende Ladespannung und ermöglicht eine Abnahme des Stroms, wenn sich die Batterien der vollständigen Ladung nähern.

Unkontrolliertes Verhalten nach W-Typ vermeiden

Eine W-Typ-Ladung kann zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung führen, da bereits kleine Unterschiede in der Batteriespannung bewirken, dass verschiedene parallele Zweige unterschiedliche Ströme aufnehmen. Dies kann zu ungleichen Ladezuständen und einer erhöhten Belastung einzelner Stränge führen.

Das Ladegerät muss den für die Batteriechemie und das Prüfziel maßgeblichen Parameter regeln. Ein nominell gemeinsamer Ausgang reicht nicht aus, wenn Zweigströme und Temperaturen nicht überprüft werden.

Übergänge bei parallelen Ladegeräten verstehen

Wenn die Gleichstromausgänge von Ladegeräten parallel geschaltet werden, wechseln die Geräte möglicherweise nicht bei exakt derselben Spannung vom Konstantstrom- in den Konstantspannungsmodus. Das Gerät mit der geringfügig niedrigeren CV-Schwelle kann zuerst in den CV-Modus wechseln und seinen Strom reduzieren, während ein anderes Gerät weiterhin im CC-Modus betrieben wird.

Wenn sich der Strom des ersten Geräts null annähert, übernimmt das andere Gerät möglicherweise den größten Teil oder die gesamte verbleibende CV-Phase. Dieses Verhalten ist nur dann akzeptabel, wenn die Ladegeräte kompatibel sind, ihre Spannungseinstellungen koordiniert wurden und das Gesamtsystem innerhalb der Grenzwerte von Batterie und Ausrüstung bleibt.

Leiter und Messgenauigkeit kontrollieren

Spannungsabfall begrenzen

Dimensionieren Sie die Verbindungskabel so, dass der Spannungsabfall bei Nennstrom unter 2 % bleibt. Ein übermäßiger Spannungsabfall kann dazu führen, dass das Ladegerät eine künstlich niedrige Batteriespannung erkennt.

Während der CV-Phase kann dieser falsche Messwert dazu führen, dass das Ladegerät eine übermäßige Ausgangsspannung an den Batterieanschlüssen aufrechterhält, wodurch sich die Ladezeit verlängert, die Erwärmung zunimmt oder ungenaue Prüfergebnisse entstehen.

Beziehen Sie den Widerstand von Kabeln, Sicherungen, Steckverbindern, Sammelschienen und Schaltgeräten in die Berechnung ein. Bestätigen Sie das Ergebnis durch Messungen sowohl an den Ladegeräteanschlüssen als auch an den Batterieanschlüssen unter Last.

Jeden parallelen Zweig messen

Überwachen Sie den Gesamtstrom und, sofern möglich, den Strom jedes einzelnen Strangs. Messungen des Zweigstroms zeigen schlechte Verbindungen, nicht übereinstimmende Batterien, ungewöhnliche Widerstände und sich entwickelnde Fehler, die bei einer Messung des Gesamtstroms verborgen bleiben können.

Erfassen Sie außerdem die Spannung und Temperatur jedes einzelnen Strangs. Eine normale Gesamtspannung beweist nicht, dass jede Zelle oder jeder Strang ordnungsgemäß arbeitet.

Ladegeräteeinstellungen koordinieren

Parallele Ladegeräte müssen kompatible Ausgangsspannungen, Strombegrenzungen, Regelcharakteristiken und Schutzschwellen aufweisen. Stellen Sie sicher, dass kein Gerät ein anderes außerhalb seines zulässigen Betriebsbereichs betreiben kann.

Die Kombination der Ladegeräte sollte unter den erwarteten CC-, Übergangs-, CV- und Erhaltungsbedingungen geprüft werden, bevor sie an wertvolle oder ausfallkritische Zellen angeschlossen wird.

Zweigbezogenen Fehlerschutz ergänzen

Große parallele Anordnungen schützen

Für Systeme mit mehr als vier parallelen VRLA-Strängen sieht die Referenzauslegung eine Isolationsdiode und eine Sicherung sowohl im Lade- als auch im Entladepfad jedes Strangs vor. Diese Konfiguration sollte für das betreffende System als Auslegungsanforderung behandelt werden, vorbehaltlich der Überprüfung anhand der Anweisungen des Batterieherstellers und der Fehlerstromanalyse der Prüfvorrichtung.

Der Zweck besteht in der Begrenzung von Fehlern auf den jeweiligen Zweig: Ein Fehler in einem Strang darf nicht dazu führen, dass die anderen Stränge unkontrollierten Strom in ihn einspeisen.

Rückwärtsentladung verhindern

Eine Isolationsdiode im Entladepfad kann verhindern, dass intakte Stränge in einen Strang mit einer kurzgeschlossenen Zelle entladen werden. Ohne eine solche Isolierung können die verbleibenden parallelen Stränge einen Fehler mit einem Strom speisen, der weit über der Belastbarkeit des ausgefallenen Strangs liegt.

Der Durchlassspannungsverlust, die Wärmeabfuhr, die Sperrspannungsfestigkeit und das Fehlerverhalten der Diode müssen in die Auslegung einbezogen werden. Die Diode muss für den erwarteten Dauer- und transienten Strom ausgelegt sein.

Ladestrom bei Fehlern begrenzen

Eine Diode im Ladepfad und eine korrekt ausgewählte Sicherung können verhindern, dass ein kurzgeschlossener Strang den verfügbaren Ladestrom von den anderen Zweigen abzieht. Die Sicherung muss den zu erwartenden Fehlerstrom unterbrechen und mit der eigenen Strombegrenzung des Ladegeräts koordiniert sein.

Wählen Sie Sicherungen nicht ausschließlich anhand des normalen Betriebsstroms aus. Berücksichtigen Sie Einschaltstrom, Kurzschlussstrom, Abschaltzeit, Umgebungstemperatur und die zulässige Fehlerenergie für Batterie und Prüfvorrichtung.

Temperatur und elektrische Bedingungen überwachen

Temperaturgrenzen der jeweiligen Chemie einhalten

Überwachen Sie während des Ladevorgangs kontinuierlich die Zell- und Elektrolyttemperatur. Reduzieren Sie den Strom oder unterbrechen Sie den Ladevorgang, sobald der jeweils geltende kritische Grenzwert erreicht ist.

Die Referenzwerte liegen ungefähr bei 35 °C für Blei-Säure-Elektrolyt und 45 °C für Standard-NiCd-Batterien, doch dies sind keine universellen Grenzwerte. Der vom Batteriehersteller vorgegebene Temperaturbereich und die Prüfnorm haben Vorrang.

Netz- und Gleichstromanomalien erkennen

Eine automatische Überwachung sollte Phasenausfall, Unterspannung und Überspannung im Netz erkennen und anschließend das Ladesystem isolieren, bis die Versorgungsbedingungen wieder einen akzeptablen Bereich erreichen.

Überwachen Sie auf der Gleichstromseite Überspannung, Unterspannung, Überlast und ungewöhnliches Stromverhalten. In redundanten parallelen Stromversorgungssystemen sollte die Stromüberwachung in der Lage sein, ein fehlerhaftes Stromversorgungsgerät zu isolieren, ohne gesunde Geräte unnötig abzuschalten.

Welligkeit und Ladezustand überwachen

Messen Sie die Gleichspannungswelligkeit, die durch eine Verschlechterung des Wandlers oder Filters verursacht wird. Eine übermäßige Welligkeit kann die Batterieerwärmung erhöhen und unerwünschte Belastungen oder Messfehler im Test verursachen.

Verwenden Sie Spannungs-, Strom-, Temperatur- und Ladezustandsdaten, um den Übergang zur Erhaltungsladung zu steuern oder den Test zu beenden. Die Überwachung von Sicherung und Ladezustand sollte bei Erkennung eines Kurzschlusses oder einer thermischen Überlastung eine schnelle Trennung auslösen.

Schutzmaßnahmen für Anlage und Prüfvorrichtung vorsehen

Wasserstoff- und Zündrisiken kontrollieren

Blei-Säure-Batterien können während des Ladevorgangs Wasserstoff freisetzen. Sorgen Sie für eine natürliche oder erzwungene Belüftung, die für die Installation und die geltenden Sicherheitsanforderungen geeignet ist, einschließlich relevanter lokaler Normen wie DIN VDE 0510, sofern anwendbar.

Arbeiten, bei denen Funken entstehen können, sind in der Nähe ladender Batterien zu untersagen. Die Belüftung muss anhand der tatsächlichen Batteriegröße, Laderate, Einhausung und Raumaufteilung bewertet werden, anstatt aufgrund einer allgemeinen Raumluftzirkulation als ausreichend angenommen zu werden.

Unbeabsichtigte Kurzschlüsse verhindern

Isolieren Sie Zellverbinder und freiliegende Anschlüsse gegen leitfähige Werkzeuge und unbeabsichtigten Kontakt. Halten Sie die Verbindungen trocken, sicher befestigt und frei von beschädigter Isolierung.

Verwenden Sie Abdeckungen, geschützte Anschlüsse, geeignete Verriegelungen und kontrollierte Anschlussverfahren. Ein Metallwerkzeug, das benachbarte Anschlüsse überbrückt, kann selbst bei strombegrenztem Ladegerät einen schweren Lichtbogen, eine Brandgefahr oder Batterieschäden verursachen.

Erforderlichenfalls Diagnostik auf Zellebene ergänzen

Zellen unter hoher Belastung oder Versuchszellen können Druckaufnehmer oder Dehnungsmessstreifen, eine individuelle Zellspannungsmessung und Temperatursensoren erfordern. Diese Signale liefern eine frühzeitige Warnung vor ungewöhnlichem Druck, Ungleichgewicht, Überhitzung oder Ausfall.

Bei Baugruppen, die eine Toleranz gegenüber Unterbrechungen im offenen Stromkreis benötigen, können speziell ausgelegte Bypass-Netzwerke den Schutz des Packs aufrechterhalten, wenn eine einzelne Zelle eine Unterbrechung aufweist. Die Auswahl der Dioden, die Wärmeableitung und das Bypass-Verhalten müssen für die jeweilige Zellspannung, den Strom und den Fehlermodus validiert werden.

Die Zielkonflikte verstehen

Eine höhere Stromskalierung erhöht die Fehlerenergie

Das Parallelschalten von Ladegeräteausgängen kann den Gesamtladestrom über die Leistungsfähigkeit eines einzelnen Ladegeräts oder einer einzelnen Wechselstromversorgung hinaus erhöhen. Dadurch können auch der verfügbare Fehlerstrom, die Erwärmung von Steckverbindern, die Lichtbogenenergie und die Folgen eines kurzgeschlossenen Zweigs zunehmen.

Jede Erhöhung der parallelen Kapazität sollte daher mit einer Überprüfung der Sicherungen, Isolierung, Leiterdimensionierung, Wärmeableitung, Notabschaltungen und des Gehäuseschutzes einhergehen.

Isolationskomponenten verursachen Verluste

Dioden verbessern die Fehlerbegrenzung, verursachen jedoch einen Durchlassspannungsabfall und Wärmeentwicklung. Bei hohen Strömen kann dieser Verlust die Genauigkeit der Ladespannung beeinflussen und eine umfangreiche Wärmeableitung erforderlich machen.

Eine aktive Ideal-Dioden- oder schützbasierte Isolierung kann die Verluste reduzieren, erhöht jedoch die Steuerungskomplexität und führt zusätzliche Fehlermöglichkeiten ein. Der gewählte Ansatz sollte unter normalen Betriebsbedingungen und bei Einzel-Fehlerbedingungen validiert werden.

Ausgleichsladung ist von der Batteriechemie abhängig

Periodische Ausgleichsladungen können bei Batteriechemien, die dieses Verfahren unterstützen, ein Ungleichgewicht korrigieren. Die Referenz beschreibt entweder eine verlängerte IU-Ladung oder eine kurzzeitige Ladung über 2,4 V pro Zelle, wobei die wöchentliche oder monatliche Häufigkeit von der Zyklenhäufigkeit abhängt.

Diese Spannung ist keine universelle Einstellung. Eine Ausgleichsladung kann Batterien beschädigen, die dafür nicht ausgelegt sind, die Gasbildung erhöhen und ein Prüfprotokoll ungültig machen. Verwenden Sie daher die Grenzwerte des Batterieherstellers und die geltende Prüfnorm.

Parallele Tests können einzelne Ausfälle verbergen

Ein gesunder Strang kann einen schwachen Strang verbergen, wenn nur die Packspannung und der Gesamtstrom erfasst werden. Das Gesamtsystem kann normal erscheinen, während ein Zweig überladen, unterladen oder thermisch auffällig ist.

Zweigbezogene Messungen und automatische Alarme sind daher für vertrauenswürdige Leistungs- und Sicherheitsdaten unerlässlich.

Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen

Bestimmen Sie anhand des Betriebsziels die erforderliche Mindestarchitektur für Überwachung und Schutz:

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Gleichmäßigkeit der Ladung liegt: Verwenden Sie angepasste Stränge, eine symmetrische Verdrahtung mit niedrigem Widerstand, ein IU-Profil, ausgeglichene anfängliche Ladezustände und individuelle Messungen des Zweigstroms.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Fehlerbegrenzung liegt: Ergänzen Sie jeden Zweig um unabhängig bemessene Sicherungen und Isolationsvorrichtungen, insbesondere wenn mehr als vier VRLA-Stränge parallel geschaltet werden, und überprüfen Sie das Kurzschlussverhalten eines einzelnen Strangs.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einer langen Lebensdauer der Zellen liegt: Halten Sie die chemiespezifischen Spannungs- und Temperaturgrenzen ein, überwachen Sie die Zell- und Elektrolyttemperatur kontinuierlich und führen Sie Ausgleichsladungen nur durch, wenn dies ausdrücklich zulässig ist.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Messgenauigkeit liegt: Halten Sie den Spannungsabfall unter 2 %, messen Sie die Spannung an den Batterieanschlüssen, überwachen Sie die Gleichspannungswelligkeit und erfassen Sie Spannung, Strom und Temperatur jedes Strangs.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Laborsicherheit liegt: Sorgen Sie für eine wasserstoffgeeignete Belüftung, beseitigen Sie nahegelegene Zündquellen, schützen Sie die Anschlüsse, verwenden Sie eine Notfallisolierung und halten Sie die Verbindungen trocken und unbeschädigt.

Ein zuverlässiges paralleles Batterietestsystem entsteht dadurch, dass die Stromaufteilung vorhersehbar, Fehler lokal begrenzt und jede kritische Zelle sowie jeder kritische Zweig überwachbar ist.

Zusammenfassungstabelle:

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