Lithium-Akkus sind wie Motoren, die keine Wartung benötigen; einBMSOhne Ausgleichsfunktion dient das System lediglich der Datenerfassung und kann nicht als Managementsystem betrachtet werden. Sowohl aktiver als auch passiver Ausgleich zielen darauf ab, Unregelmäßigkeiten innerhalb eines Akkus zu beseitigen, ihre Implementierungsprinzipien unterscheiden sich jedoch grundlegend.
Zur Verdeutlichung definiert dieser Artikel den vom Gebäudeleitsystem (BMS) mittels Algorithmen initiierten Energieausgleich als aktiven Energieausgleich, während der Energieausgleich mittels Widerständen zur Dissipation als passiver Energieausgleich bezeichnet wird. Aktiver Energieausgleich beinhaltet Energietransfer, passiver Energieausgleich hingegen Energiedissipation.
Grundlegende Konstruktionsprinzipien von Akkupacks
- Der Ladevorgang muss beendet werden, sobald die erste Zelle vollständig geladen ist.
- Der Entladevorgang muss beendet werden, sobald die erste Zelle leer ist.
- Schwächere Zellen altern schneller als stärkere Zellen.
- Die Zelle mit der geringsten Ladung wird letztendlich die Kapazität des Akkus begrenzen.'nutzbare Kapazität (das schwächste Glied).
- Der Temperaturgradient im Inneren des Akkus führt dazu, dass Zellen, die bei höheren Durchschnittstemperaturen arbeiten, schwächer werden.
- Ohne Spannungsausgleich vergrößert sich die Spannungsdifferenz zwischen den schwächsten und stärksten Zellen mit jedem Lade- und Entladezyklus. Schließlich erreicht eine Zelle nahezu ihre maximale Spannung, während eine andere sich der minimalen Spannung nähert, was die Lade- und Entladeleistung des Akkus beeinträchtigt.
Aufgrund der mit der Zeit auftretenden Abweichungen der Zellen und der variierenden Temperaturbedingungen seit der Installation ist ein Zellausgleich unerlässlich.
Lithium-Ionen-Akkus sind hauptsächlich zwei Arten von Fehlanpassungen ausgesetzt: Lade- und Kapazitätsfehlanpassungen. Ladefehlanpassungen treten auf, wenn Zellen gleicher Kapazität sich allmählich in ihrer Ladung unterscheiden. Kapazitätsfehlanpassungen entstehen, wenn Zellen mit unterschiedlichen Anfangskapazitäten zusammen verwendet werden. Obwohl Zellen im Allgemeinen gut aufeinander abgestimmt sind, wenn sie etwa zur gleichen Zeit und mit ähnlichen Herstellungsverfahren produziert wurden, können Fehlanpassungen durch Zellen unbekannter Herkunft oder signifikante Fertigungsunterschiede entstehen.
Aktiver Ausgleich vs. passiver Ausgleich
1. Zweck
Akkupacks bestehen aus vielen in Reihe geschalteten Zellen, die in der Regel nicht identisch sind. Durch den Zellausgleich werden Spannungsabweichungen zwischen den Zellen in einem erwarteten Bereich gehalten, wodurch die allgemeine Nutzbarkeit und Steuerbarkeit erhalten bleiben, Schäden verhindert und die Lebensdauer des Akkus verlängert wird.
2. Designvergleich
- Passives Balancing: Hierbei werden typischerweise Zellen mit höherer Spannung mithilfe von Widerständen entladen, wobei überschüssige Energie in Wärme umgewandelt wird. Diese Methode verlängert die Ladezeit für andere Zellen, hat aber einen geringeren Wirkungsgrad.
- Aktiver Ladungsausgleich: 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 dabei Strategien zum Ausgleich der unteren Ladungsmenge während der Entladung und Strategien zum Ausgleich der oberen Ladungsmenge während des Ladevorgangs eingesetzt.
- Vor- und Nachteile im Vergleich: Passives Ausgleichen ist einfacher und billiger, aber weniger effizient, da es Energie in Form von Wärme verschwendet und langsamere Ausgleichseffekte erzielt. Aktives Balancing ist effizienter, da es Energie zwischen den Zellen überträgt, was die Gesamtnutzungseffizienz verbessert und einen schnelleren Ausgleich ermöglicht. Allerdings erfordert es komplexe Strukturen und höhere Kosten und stellt eine Herausforderung für die Integration dieser Systeme in dedizierte ICs dar.
Abschluss
Das Konzept des Batteriemanagementsystems (BMS) wurde ursprünglich im Ausland entwickelt, wobei sich frühe IC-Designs auf die Spannungs- und Temperaturmessung konzentrierten. Das Konzept des Energieausgleichs wurde später eingeführt, zunächst mithilfe von Widerstandsentladungsverfahren, die in ICs integriert wurden. Dieser Ansatz ist heute weit verbreitet, und Unternehmen wie TI, MAXIM und LINEAR produzieren solche Chips, von denen einige auch Schalttreiber integrieren.
Anhand der Prinzipien und Diagramme des passiven Lastausgleichs lässt sich ein Akkupack mit einem Fass vergleichen: Die Zellen entsprechen den Dauben. Zellen mit höherer Energie entsprechen langen, solche mit niedrigerer Energie kurzen Dauben. Der passive Lastausgleich verkürzt lediglich die langen Dauben, was zu Energieverlusten und Ineffizienzen führt. Diese Methode hat ihre Grenzen, darunter eine erhebliche Wärmeentwicklung und langsame Ausgleichseffekte bei Akkupacks mit hoher Kapazität.
Aktiver Energieausgleich hingegen gleicht Energielücken aus, indem er Energie von Zellen mit höherer Energie zu solchen mit niedrigerer Energie überträgt. Dies führt zu höherer Effizienz und schnellerem Erreichen des Energiegleichgewichts. Allerdings bringt er Komplexität und Kosten mit sich, insbesondere bei der Entwicklung von Schaltmatrizen und der Ansteuerung von Antrieben.
Unter Berücksichtigung der Abwägungen kann eine passive Ausgleichung für Zellen mit guter Konsistenz geeignet sein, während eine aktive Ausgleichung für Zellen mit größeren Diskrepanzen vorzuziehen ist.
Veröffentlichungsdatum: 27. August 2024
