Batteriekonstruktion Grundlagen: Zellen, Innenwiderstand und Verschaltung

Der Begriff Batterie bezeichnet eine Gruppe ähnlicher Komponenten. Im militärischen Jargon bezeichnet er eine Geschützbatterie; in der Elektronik beschreibt er eine Zusammenstellung von galvanischen Zellen, um höhere Spannung und/oder Strom zu liefern als eine einzelne Zelle.

Elektrische Symbole sind bewusst einfach: Eine einzelne Zelle wird durch eine lange und eine kurze Linie dargestellt, parallel zueinander, mit Anschlussdrähten.

Ein Batteriesymbol ist lediglich mehrere Zellensymbole in Reihe gestapelt, was anzeigt, dass die Zellen so verschaltet sind, dass sich ihre Spannungen addieren.

Wie bereits angemerkt, ist die Spannung einer Zelle durch ihre Chemie festgelegt; die physische Größe der Zelle ändert ihre Nennspannung nicht. Um eine höhere Gesamtspannung zu erreichen, müssen Zellen in Reihe geschaltet werden, und die Ausgangsspannung der Batterie entspricht der Summe der einzelnen Zellenspannungen. Beispielsweise enthält eine Standard-Automobil-Blei-Säure-Batterie sechs 2,0-Volt-Zellen, was eine nominale 12,0-Volt-Ausgabe ergibt:

In Kfz-Batterien teilen sich die Zellen ein einziges Hartgummi-Gehäuse. Dicke Bleibügel, nicht dünne Drähte, verbinden die Zellen. Die Elektroden und der Elektrolyt jeder Zelle sind in partitionierten Abschnitten des Gehäuses isoliert. In Hochkapazitätsbatterien sind Elektroden oft große Metallgitter oder -platten, allgemein „Platten“ genannt.

Zur Vereinfachung zeigen Schaltbildsymbole typischerweise nur vier Linien – abwechselnd lang/kurz –, auch wenn die echte Batterie viele weitere Zellen enthält. Gelegentlich sieht man ein Batteriesymbol mit zusätzlichen Linien für ungewöhnlich hohe Spannungen; jede Linie repräsentiert eine einzelne Zellenplatte:

Wie beeinflusst Batteriegröße die Leistung?

Während die Zellengröße die Spannung nicht beeinflusst, wirkt sie sich auf den Innenwiderstand aus. Größere Zellen bieten größere Elektrodenoberfläche, was den Kontaktwiderstand zwischen Elektroden und Elektrolyt verringert. Niedrigerer Innenwiderstand ermöglicht einer Zelle, höheren Strom an eine Last zu liefern.

Theoretisch wird eine Zelle als ideale Spannungsquelle behandelt. In der Praxis hat jede Zelle einen Innenwiderstand, der die Stromlieferung begrenzt. Das folgende Beispiel illustriert diesen Effekt:

Das gepunktete Diagramm zeigt eine reale Batterie mit 0,2 Ω Innenwiderstand, die eine 1-Ω-Last speist. Eine ideale Batterie (kein Innenwiderstand) lieferte 10 A (10 V / 1 Ω). Die reale Batterie, begrenzt durch ihren Innenwiderstand, liefert nur 8,33 A. Bei Kurzschluss (0 Ω Last) würde die ideale Quelle unendlichen Strom liefern, während die reale Batterie auf 50 A begrenzt ist (10 V / 0,2 Ω). Die Zellenchemie liefert weiterhin 10 V, aber ein Teil dieser Spannung fällt am Innenwiderstand ab, was die für die Last verfügbare Klemmenspannung verringert.

Innenwiderstand durch Parallelschaltung reduzieren

In vielen Anwendungen ist der Innenwiderstand einer Batterie im Vergleich zum Lastwiderstand vernachlässigbar, sodass ihre Leistung einer idealen Quelle nahekommt. Wenn ein geringerer Gesamtwiderstand gefordert ist – für höhere Stromkapazität – sollten die Zellen parallel geschaltet werden:

Das Verbinden von fünf identischen Zellen parallel ergibt ein Thevenin-Äquivalent einer einzelnen 2,0-V-Quelle mit einem Innenwiderstand, der ein Fünftel eines einzelnen Zellenwiderstands beträgt. Die Gesamtspannung bleibt 2,0 V, während die Stromkapazität steigt, da jede Zelle den Laststrom teilt.

• Eine Batterie ist ein Verbund von Zellen zur Erhöhung von Spannung und/oder Stromausgang.
• Reihenschaltung (polaritätsrichtig) addiert Zellenspannungen.
• Physische Zellengröße senkt Innenwiderstand, verbessert Stromlieferung.
• Parallelschaltung reduziert äquivalenten Innenwiderstand, erhöht verfügbaren Strom.

• Batterien Arbeitsblatt
• Thevenins, Nortons und Maximum Power Transfer Sätze Arbeitsblatt