Batterien und Batterieladung verstehen

Für jede Solaranlage ist das Verständnis von Batterien und wie wir sie in einem netzunabhängigen oder eigenständigen System verwenden können, nicht so schwer, wie Sie vielleicht denken. Heutzutage verwenden wir Batterien in fast jedem elektrischen Gerät, um unsere Telefone, Laptops, Fernbedienungen, Lampen oder andere tragbare Geräte mit Strom zu versorgen, und es gibt eine verwirrende Auswahl an Batterietypen und -größen, um genau das zu tun. Warum also nicht Batterien verwenden? versorgen unsere Häuser mit Strom.

Batterien speichern elektrische Energie auf ihren internen Platten in Form einer chemischen Ladung, und sobald sie vollständig aufgeladen ist, könnte eine ideale Batterie diese potenzielle Energie unbegrenzt speichern, bis sie freigesetzt wird durch eine extern angeschlossene Last.

Batterien sind jedoch nicht ideal und aufgrund interner Leckströme oder parasitärer Lasten entladen sich Batterien langsam, wenn sie nicht verwendet werden, aber bis dahin können sie elektrische Energie für sehr lange Zeiträume speichern. Dann können wir sagen, dass eine Batterie ein Energiespeicher ist, der Strom speichern und produzieren kann, bis er benötigt wird.

Elektrische Energie in Form einer DC (Gleichstrom)-Versorgung erzeugt als Ergebnis eine Batterie einer chemischen Reaktion, die zwischen zwei Metallplatten stattfindet, von denen die eine als positive Elektrode und die andere als negative Elektrode bezeichnet wird und die beide in eine chemische Lösung namens Elektrolyt eingetaucht sind.

Eine typische zyklenfeste Batterie

Diese Elektrolytlösung kann als „trocken“ klassifiziert werden, zum Beispiel in Form eines Lithiumpulvers, wie Sie es in einer Standard-AA-Batterie finden würden, oder als „nass“, ein flüssiger Typ, wie Sie es finden würden eine Blei-Säure-Autobatterie. So oder so bildet die Kombination zweier verschiedener Elektroden, die in einem Elektrolyten platziert sind, die Basis einer einzelnen Batteriezelle.

Batterien bilden zwei Grundtypen, Primärbatterien und es gibt Sekundärbatterien Batterien. Primärbatterien werden normalerweise einmal verwendet und entsorgt Batterien von kleinen 1,5-Volt-Flachknopfbatterien und zylindrischen AA- und AAA-Batterien bis hin zu den größeren quadratischen 9,0-Volt-PP3- und Spring-Terminal-Laternenbatterien.

Eine Primärbatterie kann dies nicht aufgeladen werden. Sekundärbatterien sind jedoch wiederaufladbare Batterien, von den kleinen AA-Typen für Ihre TV-Fernbedienung über die wiederaufladbaren Batterien für Ihre Elektrowerkzeuge bis hin zu Autobatterien und bis hin zu den größeren zyklenfesten Batterien, die für Elektrofahrzeuge verwendet werden und die Hausstromlasten die ganze Nacht über versorgen.

Der erforderliche Batterietyp hängt von der Anwendung und den Anforderungen an die Leistungsentladung ab, und dies gilt auch für solarbetriebene Batteriesysteme. Es macht keinen Sinn, nur einen Batterietyp zu kaufen, da er billig ist, wenn er sich nach nur einer Stunde Gebrauch entlädt.

Dann ist die Amperestundenzahl (Ah) einer Batterie eine wichtige Angabe zum Verständnis der Batteriespeicherung Kapazität und die Menge an elektrischem Strom, die er über einen bestimmten Zeitraum liefern kann, bevor er wieder aufgeladen werden muss.

Batterien in Reihe schalten

Einzelne Batterien sind in "Reihe" um die Ausgangsklemmenspannung zu erhöhen, während die Nennleistung in Amperestunden dieselbe wie bei einer einzelnen Batterie bleibt. Der Minuspol (-ve) der ersten Batterie ist direkt mit dem Pluspol (+ve) der zweiten Batterie verbunden usw. wie gezeigt.

In Reihe geschaltete Batterien

Das Verständnis von Batterien, die in einer Reihenkette verbunden sind, ist ziemlich einfach, Sie addieren einfach ihre Spannungen. In dem gezeigten Beispiel sind zwei 12-Volt-Batterien miteinander verbunden und vier 6-Volt-Batterien sind in einer Reihenschaltung miteinander verbunden, um ein 24-Volt-System zu erstellen. Durch das Zusammenschalten mehrerer Batterien können Strings mit höherer Spannung von 36 V oder 48 V erzeugt werden, indem die Spannung jeder Batterie addiert wird, um die Gesamtausgangsspannung zu erhalten.

Bei in Reihe geschalteten Batterien sollten idealerweise alle Batterien von der sein gleiche Amperestunden (Ah) Nennwert, Marke oder Alter, da jede Batterie die gleiche Strommenge erhält, wenn sie wieder aufgeladen wird, sodass Unterschiede in der Batteriekapazität über den Reihenstrang hinweg dazu führen können, dass die Batterien mit niedrigeren Nennwerten überladen werden, während die Batterien mit höheren Nennwerten überladen werden Batterien mit Nennleistung können unterladen bleiben.

Denken Sie auch daran, dass bei in Reihe geschalteten Batterien der maximale Ausgangsstrom durch die Batterie mit der niedrigsten Amperestunde innerhalb der Kette bestimmt wird. Wenn Sie beispielsweise vier Batterien mit 100 Ah und eine Batterie mit 80 Ah haben, steuert die 80 Ah-Batterie den Reihenstrang, also schließen Sie Ihre Batterien mit Bedacht an.

Bei in Reihe geschalteten Batterien erhöht sich also die Spannung, aber der Strom bleibt gleich. Da die Leistung (P) als Summe aus Spannung (V) mal Strom (I) (P = V*I in Watt) berechnet wird, erhöht sich die Serienspannung, während der Strom gleich bleibt, erhöht sich die verfügbare Leistung und im obigen Beispiel wird die verfügbare Batterieleistung wie folgt angegeben: 24 V x 100 Ah = 2400 Wh oder 2,4 kWh

Obwohl wir von "Batterien" Da es sich um eine einzige Gleichstromquelle handelt, bestehen Batterien selbst aus mehreren einzelnen „elektromechanischen Zellen“. innerhalb eines einzigen Kunststoffgehäuses in Reihe geschaltet. Jede Zelle für sich allein erzeugt ungefähr 2 Volt. Wenn also die Klemmenspannung einer typischen Blei-Säure-Zyklusbatterie 12 Volt beträgt, besteht sie aus sechs einzelnen Zellen. Ebenso hat eine 24-Volt-Batterie zwölf 2-Volt-Zellen und eine 6-Volt-Batterie nur drei 2-Volt-Zellen.

Batterien parallel schalten

Einzelne Batterien sind “parallel” um den Ausgangsstrom oder die Speicherkapazität in Amperestunden zu erhöhen, während die Ausgangsklemmenspannung dieselbe bleibt wie bei einer einzelnen Batterie. Bei parallel geschalteten Batterien werden alle positiven (+ve) Anschlüsse jeder Batterie miteinander verbunden und alle negativen -ve Die Klemmen jeder Batterie sind ebenfalls wie abgebildet miteinander verbunden.

Batterien parallel geschaltet

Parallel geschaltete Batterien erhöhen den Amperestunden-Nennstrom, der die Summe der addierten Batteriekapazitäten ist, aber die Ausgangsklemmenspannung bleibt die gleiche wie die Nennspannung einer einzelnen Batterie.

In dem oben gezeigten Beispiel würden also die beiden miteinander verbundenen 12-Volt-Batterien 200 Ah erzeugen, während die vier parallel geschalteten 6-Volt-Batterien eine Ausgangskapazität von 400 Ah erzeugen würden. Durch Parallelschalten mehrerer Batterien können somit höhere Amperestundenkapazitäten bei gleicher Ausgangsspannung erzielt werden.

Sie denken vielleicht, dass das Zusammenschalten von Batterien in parallelen Zweigen mehr verfügbare Leistung liefern würde, aber das ist nicht immer der Fall. Ein Teil des Verständnisses von Batterien besteht darin, zu wissen, wie man sie miteinander verbindet, um die gewünschte Ausgangsleistung zu erhalten. In unserem obigen Beispiel ist die verfügbare Batterieleistung auf dem ersten Bild: 12 V x 200 Ah = 2400 Wh oder 2,4 kWh und für das zweite Bild: P = 6 V x 400 Ah = 2400 Wh oder 2,4 kWh, dasselbe.

Bei parallel geschalteten Batterien ist es wichtig, dass sie die gleiche Nennspannung und sehr ähnliche Amperestunden-Stromstärken haben. Dies liegt daran, dass, während sie die gleiche einzelne Ladespannung erhalten, der Ladestrom jeder Batterie geringfügig variiert, bis ein Ausgleich der Batteriebank erreicht ist. Ein letzter Punkt: Je mehr parallel geschaltete Batterien Sie haben, desto größer kann die Speicherkapazität sein, aber desto länger dauert es, sie vollständig aufzuladen.

Batterien in Reihen-/Parallelkombinationen

Wir haben oben gesehen, dass bei einer Reihenschaltung von Batterien die verfügbare Spannung die Summe der addierten Batteriespannungen ist und bei einer Parallelschaltung die gesamte verfügbare Amperestundenkapazität die Summe der Amperestundenkapazitäten der einzelnen Batterien ist .

Es gibt jedoch viele verschiedene Möglichkeiten, Gruppen von Batterien sowohl in Reihen- als auch in Parallelkombinationen miteinander zu verbinden, um eine Vielzahl unterschiedlicher Spannungen und Amperestundenkapazitäten zu erzielen, insbesondere für Heimsolarsysteme, die zyklenfeste Batterien verwenden. Daher ist es nicht ungewöhnlich, dass netzunabhängige Batteriebänke eine Klemmenspannung von mehreren hundert Volt und eine Gesamtkapazität von mehreren hundert Amperestunden haben, um ein ganzes Haus für viele langweilige Tage oder die ganze Nacht mit Strom zu versorgen.

Batterien parallel geschaltet

Deep-Cycle-Batteriebänke für den privaten Solargebrauch sowie solche, die derzeit in Hybrid- und Elektrofahrzeugen (EVs) installiert werden, bestehen im Allgemeinen aus einzelnen Batteriemodulen und Zellen, die in Reihe und parallelen Kombinationen angeordnet sind, um nicht nur das erforderliche Ausgangssystem zu versorgen Spannung, sondern die maximal verfügbare Speicherkapazität zwischen dem Aufladen der Batterie.

Batterien verstehen – Entladen

Batterien zu verstehen bedeutet auch, ihren Ladezustand zu verstehen und wann sie wieder aufgeladen werden müssen. Wenn eine Batterie an eine externe Last wie Lampen, Pumpen, Wechselrichter usw. angeschlossen wird, wird die in der Batterie gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt, was dazu führt, dass ein elektrischer Gleichstrom aus der Batterie in den angeschlossenen externen Stromkreis fließt. Beim Entladen wandelt eine Batterie also chemische Energie in elektrische Energie um.

Wenn die Batterie lange genug an die Last angeschlossen ist, nimmt die in der Batterie gespeicherte Energie allmählich ab und hört schließlich auf, wenn die Batteriezellen ihre Fähigkeit verlieren, eine Spannung zu erzeugen. An diesem Punkt ist die gesamte enthaltene oder “gespeicherte” in den Batterien wurde Elektrolytlösung in elektrische Energie umgewandelt. Die dafür benötigte Zeit hängt natürlich stark von der angeschlossenen Last sowie von der Amperestunden-Kapazität und dem Speichervolumen der Batteriezellen ab.

Woher wissen wir also, wie der Zustand einer Batterie ist und ob sie vollständig geladen oder entladen ist? Natürlich gibt es viele verschiedene Arten von Batterien für den Einsatz in Speichersystemen für erneuerbare Energien, von gefluteten oder nassen Blei-Säure-Batterien über AGM- (Absorbed Glass Mat) und GEL-Batterien bis hin zu den neueren Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ion), die in verwendet werden Elektrofahrzeuge (EV). Eine einfache Möglichkeit, den Zustand einer Batterie oder Zelle zu ermitteln, besteht darin, ihren Ladezustand zu messen.

Der Ladezustand (SOC) einer Batterie oder Zelle gibt die verfügbare Kapazität (in Ah) der Zelle als Prozentsatz ihrer gesamten Nennkapazität an. Dazu wird das spezifische Gewicht (SG) des Elektrolyten (Batteriesäure) in jeder Batteriezelle gemessen. Da es eine lineare Beziehung zwischen der Leerlaufklemmenspannung einer Batteriezelle (VOC) und ihrem Ladezustand gibt, können wir dies durch Messen der Batteriespannung mit nur einem Multimeter bestimmen seinen Ladezustand. So verstehen Sie den Zustand einer Batterie.

Die Schätzung des Ladezustands einer Batterie ist zu jedem Zeitpunkt definiert: SOC = (Ah-Kapazität, die in der Batterie verbleibt)/(Nenn-Ah-Kapazität) und daraus wir können eine SOC-Tabelle wie gezeigt erstellen.

Ladezustand der 12-Volt-Batterie

Leerlaufspannung	Ladezustand
12,65 V	100 %
12,58 V	90 %
12,55 V	80 %
12,48 V	70 %
12,40 V	60 %
12,32 V	50 %
12,24 V	40 %
12,10 V	30 %
11,90 V	20 %
11,70 V	10 %
11,30 V	0 %

Mit anderen Worten, wenn der Ladezustand eines vollgeladenen Akkumulators 100 % (SOC = 100 %) und bei vollständiger Entladung 0 % (SOC = 0 %) beträgt. So enthält beispielsweise eine 300-Ah-Batterie bei einem Ladezustand von 70 % 210 A-Stunden gespeicherte Energie, und bei einem Ladezustand von 50 % enthält die gleiche Batterie 150 A-Stunden und so weiter.

Dann kann der SOC der Batterie zu einem bestimmten Zeitpunkt leicht bestimmt werden, indem man die VOC der Batterie mit etwas wie diesem Optimate State of Charge Tester kennt, der dazu in der Lage ist So erhalten Sie eine genaue Messung.

Somit können wir aus der Tabelle ersehen, dass die Leerlaufspannung für eine voll aufgeladene 12-V-Blei-Säure-Batterie ungefähr 12,7 Volt beträgt, was einem SOC von 100 % entspricht, und auf ungefähr 11,3 Volt abfällt, was einem SOC von 0 % entspricht, wenn sie vollständig entladen ist.

Das vollständige Entladen einer Blei-Säure-Batterie auf dieses Niveau sollte vermieden werden, da dies die Batterie aufgrund der Sulfatierung der Elektrodenplatten dauerhaft schädigen kann. Um eine gute Leistung und Langlebigkeit des Akkus zu gewährleisten, wird im Allgemeinen ein Ladezustand von mindestens 30 % der verbleibenden Kapazität empfohlen.

Akkus verstehen – Laden

Den Ladezustand von Batterien zu verstehen, ist eine schnelle und einfache Möglichkeit, den Zustand einer Batterie zu bestimmen, indem man einfach ihre offene Klemmenspannung misst und sie gegebenenfalls auflädt. Das Laden einer Zelle oder eines ganzen Akkus ist praktisch die Umkehrung des Entladevorgangs, da elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird, die der Akku speichert, bis er benötigt wird.

Sekundärbatterien können mit einer Vielzahl von Ladereglern aufgeladen werden, die an das Stromnetz angeschlossen sind, Backup-Generatoren, Windturbinen oder die kostenlose elektrische Energie, die von Photovoltaikmodulen, d. h. „Solarmodulen“, erzeugt wird direktem Sonnenlicht ausgesetzt. Wie auch immer, um elektrische Energie zum Aufladen von Batterien zu verwenden, muss sie einen Spannungsladeregler durchlaufen. loading=”lazy” width=”250″ height=”250″ alt=”Überholung der ez-Batterie” />

Die Anzahl, Wattleistung oder Menge der Photovoltaikmodule, die zum ausreichenden Laden einer einzelnen Batterie oder einer miteinander verbundenen Batteriebank erforderlich sind, hängt von der Menge und der Nennleistung der verwendeten Batterien in Amperestunden ab.

Im Stand-Alone-Betrieb Systemen sollte die Ausgangsspannung der Photovoltaik (PV)-Anlage mit der Batteriespeicherkapazität übereinstimmen, und daraus kann ein geeigneter Laderegler ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass der Laderegler bei Bedarf die richtige Ladungsmenge liefert und die Batterien nicht überlädt .

Die Hauptaufgabe eines Ladereglers besteht darin, die Batterien vor Überladung zu schützen, ungewollte Entladungen oder Tiefentladungen zu verhindern und Informationen über den Ladezustand der Batterien bereitzustellen, und genau dafür gibt es drei Haupttypen von Ladereglern: Reihenschaltung, Shunt (parallele Controller) und Maximum Power Point (MPP)-Controller. Jedes mit seinen eigenen Vor- und Nachteilen.

Manchmal ist ein Laderegler möglicherweise nicht erforderlich, z. B. wenn der Akku ständig verwendet und entladen wird oder wenn Sie selbstregulierende Solarmodule mit niedriger Wattleistung zum Laden eines Einzel- oder Flachzyklus-Akkus für Camping, Wandern oder Exkursionen verwenden usw.

Batterien für erneuerbare Energiesysteme sind die sogenannten „Deep Cycle“-Batterien, die langen oder kontinuierlichen Entladezyklen und wiederholtem Aufladen standhalten können. Diese arbeiten mit hoher Effizienz und langer Dauer. Aber wie viele Zyklen kann eine zyklenfeste Batterie vertragen.

Zusammenfassung zum Verständnis von Batterien

Batterien zu verstehen bedeutet, die Eigenschaften Ihrer Batterien zu verstehen. Im Allgemeinen ist die Lebensdauer einer Batterie nicht nur eine Funktion der Anzahl der Ladezyklen, sondern auch der Entladetiefe der Zyklen. Die Anzahl der Tiefenzyklen, die ein Akku aushalten kann, variiert stark von Hersteller zu Hersteller und auch von Marke, Modell und Lagertemperatur des Akkus oder der Akkus, aber ein Bereich von 1000 bis 1200 Ladezyklen ist keine Seltenheit.

Offensichtlich halten Blei-Säure-Batterien, die einen Ladezyklus von nur 60 oder 70 % Ladetiefe haben, länger als solche, die auf 10 oder 20 % der Batteriekapazität entladen werden. Eine Batterie oder Bank, die auf einen Ladezustand von weniger als 20 % entladen wurde, wird als „Deep Cycled“ bezeichnet. Deep-Cycle-Batteriebänke, die gut gewartet, flach auf eine niedrigere Kapazität von weniger als 10 % der Batterieenergie pro Zyklus zykliert und mit einem geeigneten Laderegler ordnungsgemäß aufgeladen werden, können bis zu 10 Jahre oder länger halten.

Um mehr über zyklenfeste Batterien, das Aufladen von Batterien und die verfügbaren Batterieüberwachungsgeräte für den Ladezustand zu erfahren, oder um einfach die Vor- und Nachteile von Energiespeichersystemen zu untersuchen, um Batterien genauer zu verstehen.

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