Lithium-Batteriepacks sind wie Motoren, denen es an Wartung mangelt; einBMSohne Ausgleichsfunktion ist lediglich ein Datensammler und kann nicht als Managementsystem betrachtet werden. Sowohl der aktive als auch der passive Ausgleich zielen darauf ab, Inkonsistenzen innerhalb eines Batteriepacks zu beseitigen, ihre Implementierungsprinzipien unterscheiden sich jedoch grundlegend.
Zur Klarstellung: In diesem Artikel wird der vom BMS über Algorithmen initiierte Ausgleich als aktiver Ausgleich definiert, während der Ausgleich, bei dem Widerstände zur Energieableitung verwendet werden, als passiver Ausgleich bezeichnet wird. Beim aktiven Ausgleich geht es um die Energieübertragung, beim passiven Ausgleich um die Energieableitung.
Grundlegende Designprinzipien für Batteriepacks
- 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 Akkupack's nutzbare Kapazität (das schwächste Glied).
- Der Systemtemperaturgradient innerhalb des Batteriesatzes schwächt die Zellen, die bei höheren Durchschnittstemperaturen arbeiten.
- Ohne Ausgleich erhöht sich der Spannungsunterschied zwischen der schwächsten und der stärksten Zelle mit jedem Lade- und Entladezyklus. Schließlich nähert sich eine Zelle der Maximalspannung, während eine andere die Minimalspannung erreicht, was die Lade- und Entladefähigkeit des Akkus beeinträchtigt.
Aufgrund der Fehlanpassung der Zellen im Laufe der Zeit und der unterschiedlichen Temperaturbedingungen bei der Installation ist ein Zellenausgleich unerlässlich.
Bei Lithium-Ionen-Batterien treten hauptsächlich zwei Arten von Fehlanpassungen auf: Ladefehlanpassungen und Kapazitätsfehlanpassungen. Ladefehlanpassungen treten auf, wenn sich die Ladung von Zellen gleicher Kapazität allmählich unterscheidet. 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 Herstellungsprozessen produziert werden, können Fehlanpassungen durch Zellen unbekannter Herkunft oder erhebliche Herstellungsunterschiede entstehen.
Aktives Balancing vs. Passives Balancing
1. Zweck
Akkupacks bestehen aus vielen in Reihe geschalteten Zellen, die in der Regel nicht identisch sind. Durch Balancing wird sichergestellt, dass die Zellspannungsabweichungen innerhalb der erwarteten Bereiche bleiben. Dadurch wird die allgemeine Nutzbarkeit und Steuerbarkeit gewährleistet, wodurch Schäden vermieden und die Lebensdauer des Akkus verlängert wird.
2. Designvergleich
- Passives Balancing: Entlädt Zellen mit höherer Spannung typischerweise über Widerstände und wandelt überschüssige Energie in Wärme um. Diese Methode verlängert die Ladezeit anderer Zellen, hat aber einen geringeren Wirkungsgrad.
- Aktives Balancing: Eine komplexe Technik, die die Ladung während Lade- und Entladezyklen innerhalb der Zellen neu verteilt, wodurch die Ladezeit verkürzt und die Entladedauer verlängert wird. Dabei werden im Allgemeinen Bottom-Balancing-Strategien beim Entladen und Top-Balancing-Strategien beim Laden eingesetzt.
- Vergleich der Vor- und Nachteile: Der passive Ausgleich ist einfacher und billiger, aber weniger effizient, da dabei Energie in Form von Wärme verschwendet wird und die Ausgleichswirkung langsamer ist. Aktives Balancing ist effizienter und überträgt Energie zwischen Zellen, was die Gesamteffizienz verbessert und ein schnelleres Gleichgewicht herstellt. Allerdings sind damit komplexe Strukturen und höhere Kosten verbunden. Die Integration dieser Systeme in dedizierte ICs ist eine Herausforderung.
Abschluss
Das BMS-Konzept wurde ursprünglich im Ausland entwickelt. Die ersten IC-Designs konzentrierten sich auf die Spannungs- und Temperaturmessung. Später wurde das Balancing-Konzept eingeführt, zunächst mit in ICs integrierten Widerstandsentladungsmethoden. Dieser Ansatz ist heute weit verbreitet. Unternehmen wie TI, MAXIM und LINEAR produzieren solche Chips, wobei einige von ihnen Schalttreiber in die Chips integrieren.
Vergleicht man einen Akkupack mit einem Fass, so ähneln die Zellen den Dauben. Zellen mit höherer Energie sind lange Bretter, Zellen mit niedrigerer Energie kurze Bretter. Passives Balancing verkürzt lediglich die langen Bretter, was zu Energieverschwendung und Ineffizienz führt. Diese Methode hat Einschränkungen, darunter eine erhebliche Wärmeableitung und langsame Balancing-Effekte bei Akkus mit großer Kapazität.
Beim aktiven Balancing hingegen werden die Lücken geschlossen, indem Energie von energiereicheren Zellen auf energieärmere Zellen übertragen wird. Dies führt zu höherer Effizienz und einem schnelleren Erreichen des Gleichgewichts. Allerdings bringt es auch Komplexitäts- und Kostenprobleme mit sich, die die Entwicklung von Schaltmatrizen und die Steuerung von Laufwerken erschweren.
Angesichts der Kompromisse kann ein passiver Ausgleich für Zellen mit guter Konsistenz geeignet sein, während ein aktiver Ausgleich für Zellen mit größeren Abweichungen vorzuziehen ist.
Veröffentlichungszeit: 27. August 2024
