Das Konzept vonZellbalanceDas dürfte den meisten von uns bekannt sein. Das liegt vor allem daran, dass die aktuelle Konsistenz der Zellen nicht optimal ist und ein Ausgleich dazu beiträgt, diese zu verbessern. So wie man keine zwei identischen Blätter auf der Welt findet, findet man auch keine zwei identischen Zellen. Letztendlich dient der Ausgleich also dazu, die Unzulänglichkeiten der Zellen zu beheben und sie so zu kompensieren.
Welche Aspekte deuten auf Zellinkonsistenz hin?
Es gibt vier Hauptaspekte: Ladezustand (SOC), Innenwiderstand, Selbstentladungsstrom und Kapazität. Ein Ausgleich kann diese vier Abweichungen jedoch nicht vollständig beheben. Er kann lediglich SOC-Unterschiede ausgleichen und dabei auch Unstimmigkeiten bei der Selbstentladung berücksichtigen. Für Innenwiderstand und Kapazität ist der Ausgleich jedoch wirkungslos.
Wie wird Zellinkonsistenz verursacht?
Es gibt zwei Hauptgründe: Zum einen die Inkonsistenzen, die durch die Zellproduktion und -verarbeitung entstehen, zum anderen die Inkonsistenzen, die durch die Umgebungsbedingungen während des Zelleinsatzes verursacht werden. Produktionsbedingte Inkonsistenzen resultieren aus Faktoren wie Verarbeitungstechniken und Materialien – eine Vereinfachung eines sehr komplexen Sachverhalts. Umgebungsbedingte Inkonsistenzen sind leichter zu verstehen, da die Position jeder Zelle im Akkumulator (PACK) unterschiedlich ist, was zu unterschiedlichen Umgebungsbedingungen wie beispielsweise leichten Temperaturschwankungen führt. Mit der Zeit akkumulieren sich diese Unterschiede und verursachen so die Zellinkonsistenz.
Wie funktioniert das Balancing?
Wie bereits erwähnt, dient der Zellausgleich dazu, Ladezustandsunterschiede (SOC) zwischen den Zellen auszugleichen. Im Idealfall wird der Ladezustand jeder Zelle angeglichen, sodass alle Zellen gleichzeitig die oberen und unteren Spannungsgrenzen für Laden und Entladen erreichen und somit die nutzbare Kapazität des Akkus erhöht wird. Es gibt zwei Szenarien für Ladezustandsunterschiede: Entweder sind die Zellkapazitäten gleich, aber die Ladezustände unterschiedlich, oder sowohl die Zellkapazitäten als auch die Ladezustände unterscheiden sich.
Das erste Szenario (ganz links in der Abbildung unten) zeigt Zellen mit gleicher Kapazität, aber unterschiedlichen Ladezuständen (SOC). Die Zelle mit dem niedrigsten SOC erreicht zuerst die Entladegrenze (bei einem SOC von 25 % als unterer Grenze), während die Zelle mit dem höchsten SOC zuerst die Ladegrenze erreicht. Durch den Ausgleich behalten alle Zellen während des Lade- und Entladevorgangs denselben SOC bei.
Das zweite Szenario (zweite Zelle von links in der Abbildung unten) umfasst Zellen mit unterschiedlichen Kapazitäten und Ladezuständen (SOC). Hierbei wird die Zelle mit der geringsten Kapazität zuerst geladen und entladen. Durch den Zellausgleich behalten alle Zellen während des Lade- und Entladevorgangs den gleichen Ladezustand bei.
Die Bedeutung des Gleichgewichts
Der Ausgleich ist eine entscheidende Funktion für aktuelle Zellen. Es gibt zwei Arten des Ausgleichs:aktives GleichgewichtUndpassives GleichgewichtBeim passiven Zellausgleich werden Widerstände zur Entladung genutzt, während beim aktiven Zellausgleich der Ladungsfluss zwischen den Zellen stattfindet. Es gibt zwar Diskussionen über diese Begriffe, aber darauf gehen wir hier nicht näher ein. In der Praxis ist der passive Zellausgleich gebräuchlicher als der aktive.
Bestimmung des Ausgleichsstroms für das BMS
Wie sollte der Ausgleichsstrom für passives Balancing bestimmt werden? Idealerweise sollte er so groß wie möglich sein, aber Faktoren wie Kosten, Wärmeabfuhr und Platzbedarf erfordern einen Kompromiss.
Vor der Wahl des Ausgleichsstroms ist es wichtig zu verstehen, ob die SOC-Differenz auf Szenario eins oder Szenario zwei zurückzuführen ist. In vielen Fällen trifft Szenario eins eher zu: Die Zellen beginnen mit nahezu identischer Kapazität und SOC, aber mit zunehmender Nutzung, insbesondere aufgrund von Unterschieden in der Selbstentladung, unterscheiden sich die SOCs der einzelnen Zellen allmählich. Daher sollte die Ausgleichsfunktion zumindest den Einfluss der Selbstentladungsunterschiede eliminieren.
Wenn alle Zellen die gleiche Selbstentladung aufwiesen, wäre ein Zellausgleich nicht erforderlich. Besteht jedoch ein Unterschied im Selbstentladungsstrom, entstehen Unterschiede im Ladezustand (SOC), die durch einen Zellausgleich kompensiert werden müssen. Da die durchschnittliche tägliche Ausgleichszeit begrenzt ist, die Selbstentladung aber kontinuierlich stattfindet, muss auch der Zeitfaktor berücksichtigt werden.
Veröffentlichungsdatum: 05.07.2024
