Lithiumbatterien sind wie Motoren, denen es an Wartung mangelt. ABMSohne Ausgleichsfunktion ist lediglich ein Datensammler und kann nicht als Managementsystem betrachtet werden. Sowohl das aktive als auch das passive Balancing zielen darauf ab, Inkonsistenzen innerhalb eines Batteriepakets zu beseitigen, ihre Implementierungsprinzipien unterscheiden sich jedoch grundlegend.
Der Klarheit halber definiert dieser Artikel den vom BMS durch Algorithmen initiierten Ausgleich als aktiven Ausgleich, während der Ausgleich, bei dem Widerstände zur Energieableitung verwendet werden, als passiver Ausgleich bezeichnet wird. Bei der aktiven Auswuchtung handelt es sich um eine Energieübertragung, bei der passiven Auswuchtung um eine Energiedissipation.
Grundlegende Designprinzipien für Akkupacks
- Der Ladevorgang muss beendet werden, wenn die erste Zelle vollständig geladen ist.
- Der Entladevorgang muss beendet sein, wenn die erste Zelle leer ist.
- Schwächere Zellen altern schneller als stärkere Zellen.
- -Die Zelle mit der schwächsten Ladung begrenzt letztendlich den Akku's nutzbare Kapazität (das schwächste Glied).
- Der Systemtemperaturgradient innerhalb des Batteriepakets führt dazu, dass Zellen, die bei höheren Durchschnittstemperaturen arbeiten, schwächer werden.
- Ohne Ausgleich erhöht sich der Spannungsunterschied zwischen der schwächsten und der stärksten Zelle mit jedem Lade- und Entladezyklus. Irgendwann nähert sich eine Zelle der maximalen Spannung, während sich eine andere der minimalen Spannung nähert, was die Lade- und Entladefähigkeiten des Akkus beeinträchtigt.
Aufgrund der Diskrepanz der Zellen im Laufe der Zeit und der schwankenden Temperaturbedingungen seit der Installation ist ein Zellausgleich unerlässlich.
Bei Lithium-Ionen-Batterien gibt es vor allem zwei Arten von Diskrepanzen: Ladediskrepanzen und Kapazitätsdiskrepanzen. Eine Ladeungleichheit tritt auf, wenn sich die Ladung von Zellen gleicher Kapazität allmählich unterscheidet. Eine Kapazitätsinkongruenz tritt auf, wenn Zellen mit unterschiedlichen Anfangskapazitäten zusammen verwendet werden. Obwohl Zellen im Allgemeinen gut aufeinander abgestimmt sind, wenn sie ungefähr zur gleichen Zeit mit ähnlichen Herstellungsprozessen hergestellt werden, können Fehlpaarungen durch Zellen unbekannter Herkunft oder erhebliche Herstellungsunterschiede entstehen.
Aktives Balancieren vs. passives Balancieren
1. Zweck
Akkupacks bestehen aus vielen in Reihe geschalteten Zellen, die wahrscheinlich nicht identisch sind. Durch den Ausgleich wird sichergestellt, dass die Zellspannungsabweichungen innerhalb der erwarteten Bereiche bleiben, wodurch die allgemeine Nutzbarkeit und Kontrollierbarkeit erhalten bleibt, wodurch Schäden verhindert und die Batterielebensdauer verlängert werden.
2. Designvergleich
- Passiver Ausgleich: Entlädt normalerweise Zellen mit höherer Spannung mithilfe von Widerständen und wandelt überschüssige Energie in Wärme um. Diese Methode verlängert die Ladezeit für andere Zellen, hat jedoch eine geringere Effizienz.
- Aktiver Ausgleich: Eine komplexe Technik, die die Ladung innerhalb der Zellen während der Lade- und Entladezyklen neu verteilt, wodurch die Ladezeit verkürzt und die Entladedauer verlängert wird. Im Allgemeinen werden beim Entladen Bottom-Balancing-Strategien und beim Laden Top-Balancing-Strategien eingesetzt.
- Vor- und Nachteile-Vergleich: Der passive Ausgleich ist einfacher und kostengünstiger, aber weniger effizient, da dabei Energie als Wärme verschwendet wird und die Ausgleichswirkung langsamer ist. Der aktive Ausgleich ist effizienter, da die Energie zwischen den Zellen übertragen wird, was die Gesamtnutzungseffizienz verbessert und das Gleichgewicht schneller erreicht. Allerdings sind damit komplexe Strukturen und höhere Kosten verbunden, und es bestehen Herausforderungen bei der Integration dieser Systeme in dedizierte ICs.
Abschluss
Das Konzept des BMS wurde ursprünglich im Ausland entwickelt, wobei sich die ersten IC-Designs auf die Spannungs- und Temperaturerkennung konzentrierten. Später wurde das Konzept des Ausgleichens eingeführt, wobei zunächst in ICs integrierte Widerstandsentladungsverfahren zum Einsatz kamen. Dieser Ansatz ist mittlerweile weit verbreitet. Unternehmen wie TI, MAXIM und LINEAR stellen solche Chips her, von denen einige Schaltertreiber in die Chips integrieren.
Vergleicht man ein Batteriepaket mit einem Fass, sind die Zellen aufgrund der Prinzipien und Diagramme des passiven Ausgleichs wie Dauben. Zellen mit höherer Energie sind lange Planken, Zellen mit niedrigerer Energie sind kurze Planken. Durch das passive Auswuchten werden die langen Planken nur „verkürzt“, was zu Energieverschwendung und Ineffizienz führt. Diese Methode hat Einschränkungen, einschließlich erheblicher Wärmeableitung und langsamer Ausgleichseffekte bei Paketen mit großer Kapazität.
Im Gegensatz dazu „füllt“ das aktive Balancieren die kurzen Planken auf und überträgt Energie von Zellen mit höherer Energie auf Zellen mit niedrigerer Energie, was zu einer höheren Effizienz und einem schnelleren Erreichen des Gleichgewichts führt. Es führt jedoch zu Komplexitäts- und Kostenproblemen sowie zu Herausforderungen beim Entwurf von Schaltmatrizen und der Steuerung von Antrieben.
Angesichts der Kompromisse kann der passive Ausgleich für Zellen mit guter Konsistenz geeignet sein, während der aktive Ausgleich für Zellen mit größeren Abweichungen vorzuziehen ist.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 27. August 2024
