Wann ein aktiver Ausgleich von Energiespeichersystemen erforderlich ist (und wann ein passiver Ausgleich ausreicht)

Das tägliche Radfahrproblem: Passive Ausgleichssysteme wurden nicht dafür entwickelt.

Ein Akku für ein E-Bike im Alltag wird vielleicht einmal täglich, oft seltener, genutzt. Elektrowerkzeuge kommen nur kurz zum Einsatz. In den meisten gängigen Lithium-Anwendungen hat der Akku ausreichend Zeit, sich im Ruhezustand zu befinden, und etwaige Ungleichgewichte zwischen den Zellen werden im Hintergrund langsam ausgeglichen. Passiver Ausgleich – typischerweise durch einen Kurzschlussstrom von ca. 100 mA über die Zelle mit der höchsten Kapazität während des Ladevorgangs – ist für dieses Nutzungsprofil völlig ausreichend.

Energiespeicher funktionieren anders. Ein solarbetriebener Heimspeicher durchläuft täglich, Jahr für Jahr, intensive Ladezyklen. Ein kommerzielles Speichersystem kann mehrmals täglich zyklisch geladen und entladen werden. Über Tausende von Zyklen summieren sich selbst geringfügige Unterschiede zwischen den Zellen – Fertigungstoleranzen, leichte Altersunterschiede, Temperaturgradienten in einem 16S-Akkumulator – zu messbaren Spannungsdrift. Der Akkumulator verhält sich nicht mehr wie ein homogener Strang, sondern wie seine schwächste Zelle. Die Gesamtkapazität des Akkumulators sinkt, das Ungleichgewicht vergrößert sich, und schließlich muss das Batteriemanagementsystem (BMS) die Verbindung vorzeitig trennen, um die schwächste Zelle zu schützen – wodurch nutzbare Kapazität ungenutzt bleibt.

Dieser Fehlermodus veranlasst Käufer von Energiespeichern zur aktiven Leistungsregelung. Die Frage ist nicht, ob aktive Regelung generell besser ist, sondern ob der Betriebszyklus Ihres Projekts so anspruchsvoll ist, dass passive Regelung nicht ausreicht.

Was passives 100-mA-Balancing tatsächlich bewirkt (und wo es bei ESS an seine Grenzen stößt)

Die passive Ladungsbilanzierung funktioniert, indem überschüssige Energie von Zellen, die zuerst vollständig geladen sind, in Form geringer Wärmemengen über einen Shunt-Widerstand abgeführt wird. Ein typischer passiver Ausgleichsstrom von 100 mA reicht aus, um die in Anwendungen mit geringerer Beanspruchung auftretende Drift auszugleichen – es gibt jedoch zwei strukturelle Grenzen, die für die Speicherung relevant sind:

• Es wirkt nur bei voller Ladung.Ein passives System benötigt Zellen, die den Ausgleichsschwellenwert (üblicherweise einen hohen Ladezustand) erreichen, bevor es diese ausgleichen kann. Im Teilladebetrieb, bei dem die Zellen selten vollständig geladen werden, hat der passive Ausgleich weniger Gelegenheit, zu wirken.
• Ihre Rate ist gering im Vergleich zu der Drift, die sich täglich ansammeln kann.Bei einigen ESS-Betriebszyklen kann sich ein Ungleichgewicht schneller aufbauen, als ein passives 100-mA-Ausgleichssystem – das nur in einem begrenzten Zeitfenster zu Beginn des Ladevorgangs eingesetzt wird – es korrigieren kann, sodass sich die Lücke über Monate hinweg eher vergrößert als schließt.

Bei Anwendungen mit geringer Laständerungsrate passt die passive Kompensation gut zum Tastverhältnis und verursacht die geringsten Kosten. Das Problem speziell bei Energiespeichersystemen (ESS) besteht in der Diskrepanz zwischen Drift- und Korrekturrate bei hohem Tastverhältnis.

Was aktives Balancing bringt (und wo der wahre Wert liegt)

Der aktive Energieausgleich funktioniert, indem Energie von Zellen mit höherer Spannung auf Zellen mit niedrigerer Spannung übertragen wird – typischerweise über einen induktiven oder kapazitiven Übertragungskreis – anstatt sie als Wärme abzuführen. Daraus ergeben sich zwei praktische Konsequenzen:

• Höherer Ausgleichsstrom.Während der passive Ausgleich bei etwa 100 mA liegt, liegt der dedizierte aktive Ausgleich in Speichersystemen typischerweise im Bereich von 1 A – eine um eine Größenordnung schnellere Korrektur.
• Es kann über einen größeren Bereich des Ladezustands (SOC) hinweg eingesetzt werden.Nicht nur bei maximaler Ladung. Dies ist auch im Lagerbetrieb wichtig, wo der Akku selten einen Ladezustand von 100 % erreicht.

Das Endergebnis eines ESS-Projekts ist, dass die Zellspannungsdrift schneller korrigiert werden kann, als sie tatsächlich auftritt. Aktiver Lastausgleich trägt dazu bei, dass der Akku über seine gesamte Lebensdauer hinweg eine gleichmäßige Strangspannung aufweist und somit die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass nutzbare Kapazität durch die schwächste Zelle ungenutzt bleibt. Wichtig zu beachten ist jedoch: Die Leistung des Lastausgleichs im Betrieb hängt vom restlichen System ab – von der anfänglichen Anpassung der Akkuzellen an die Strangspannung, der thermischen Verteilung im Strang und dem Zeitpunkt des Ladezustands (SOC), an dem der Lastausgleich erfolgt. Spezifische Lastausgleichsdaten für eine bestimmte Akkukonfiguration sollten daher mit dem Entwicklungsteam abgeklärt und nicht allein aus dem Datenblatt abgeleitet werden.

Wenn passives Balancing ausreicht (Nicht überspezialisieren)

Aktiver Lastausgleich ist keine Standard-Aufrüstung. Für eine Vielzahl von Anwendungen ist passiver Lastausgleich tatsächlich die richtige Lösung:

• Leichte Backup-Systeme, die nur selten zyklisch arbeiten
• Telekommunikations-USV-Anlagen, die primär im Standby-Modus betrieben werden und selten im Tiefzyklusbetrieb laufen.
• Kleinspeicher im Verbrauchermaßstab, bei denen die Wirtschaftlichkeit des Projekts die zusätzlichen Kosten für das Gebäudeleitsystem nicht rechtfertigt.
• Gut aufeinander abgestimmte Zellen mit enger Anfangstoleranz, in denen sich Drift langsam akkumuliert

Der Einsatz aktiver Energiebilanzierung für diese Anwendungen verursacht zusätzliche Kosten ohne entsprechenden Nutzen. Ein guter Anbieter wird Ihnen sagen, wann passive Energiebilanzierung die richtige Lösung für Ihr Projekt ist. Ein Warnsignal ist ein Anbieter, der für jedes Projekt aktive Energiebilanzierung empfiehlt, ohne eine klare technische Begründung in Bezug auf Ihren Betriebszyklus zu liefern.

Wann sich die aktive Lastverteilung für Ihr Speicherprojekt lohnt

Die Betriebszyklusbedingungen, die den Vorteil der aktiven Energiespeicherung begünstigen, sind relativ spezifisch. Wenn Ihr Projekt mehrere dieser Bedingungen erfüllt, lohnt sich die Anwendung des aktiven Ausgleichsprinzips:

• Tägliches intensives Radfahren.Bei solargekoppelten Speichern, die sich über Jahre hinweg täglich nennenswert entladen, kommt es schneller zu einer Drift, als diese durch regelmäßiges Aufladen korrigiert werden kann.
• Mehrjährige Nutzungsdauererwartung.Je länger das System voraussichtlich laufen wird, desto besser kann die aktive Systemausgleichung vor kumulativer Drift schützen.
• Größere Packungsgrößen.Ein 16S-String bietet mehr Angriffsfläche für Drift als ein 8S-String, da eine größere Anzahl in Reihe geschalteter Zellen die Wahrscheinlichkeit von Zell-zu-Zell-Schwankungen innerhalb des Strings erhöht. Akkus mit 48 V (15–16S) und mehr profitieren daher stärker von einer schnelleren Korrektur.
• Parallele Packarchitektur.Der aktive Lastausgleich erfolgt auf der Ebene der einzelnen Zellen innerhalb jedes Akkumulators – er gleicht nicht die Werte zwischen parallelen Akkumulatoren aus, sondern hilft jedem einzelnen Akkumulator, eine interne Konsistenz zu wahren, was ein vorhersehbareres Verhalten unterstützt, wenn mehrere Akkumulatoren in einer Bank zusammenarbeiten.
• Teilzyklusbetrieb.Wenn Ihr Speicherprofil den Akku nur selten vollständig auflädt (Spitzenlastreduzierung, Optimierung des Eigenverbrauchs), wird die Abhängigkeit des passiven Lastausgleichs vom Ladefenster zu einer echten Einschränkung.

Kurzübersicht

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die aktive und passive Lastverteilung typischerweise folgenden Anwendungsfällen zugeordnet wird. Betrachten Sie dies als Ausgangspunkt für Ihre Angebotsanfrage und nicht als Ersatz für die Berücksichtigung Ihres spezifischen Arbeitszyklus:

Die Tabelle dient als erste Orientierung; orientieren Sie sich an Ihrem tatsächlichen Arbeitszyklusprofil und nicht allein an der Anwendungsbezeichnung.

DALY Aktiver Lastausgleich für Speicheranwendungen

Für Projekte, bei denen aktives Lastmanagement die richtige Spezifikation ist, bietet die BMS-Produktlinie der 4. Generation von DALY für Energiespeicher diese Funktion nativ. Die Variante LK ermöglicht aktives Lastmanagement mit 1 A für Standard-Heimspeicherkonfigurationen; die Variante LM-B ermöglicht aktives Lastmanagement mit 2 A für Systeme mit höherem Strom und größerer Kapazität. Beide unterstützen 8-16S LFP und die in Heimspeichern und kleineren gewerblichen Speichern übliche Parallelschaltung von Speichermodulen. Sie sind skalierbar auf bis zu 16 parallel geschaltete Module (ca. 160 kWh pro Netzwerk) für Projekte, die mit der Zeit wachsen.

Zwei wichtige Punkte, die in jedem Vorgespräch zur Angebotsanfrage beachtet werden sollten: Die Ausgewogenheit der Leistung im Einsatz hängt, wie oben erläutert, vom Rest des Systems ab, und spezifische Konfigurationsdaten – einschließlich der Auslöselogik für die Ausgewogenheit, des SOC-Fensters und der Richtlinien zur Anpassung der Packzellen – werden vom Entwicklungsteam projektbezogen mit Ihnen erarbeitet und können nicht einfach aus einem Datenblatt abgeleitet werden.

Häufig gestellte Fragen

Q1Ist eine aktive 1A-Lastverteilung immer besser als eine passive 100mA-Lastverteilung?

Nicht immer – welche Methode besser ist, hängt von der Auslastung des Akkus ab. Bei Anwendungen, bei denen sich die Drift langsam akkumuliert (z. B. bei geringer Auslastung, flachem Ladezyklus), ist eine passive Korrektur von 100 mA ausreichend und verursacht die geringsten Kosten. Bei Anwendungen, bei denen sich die Drift schneller akkumuliert, als 100 mA ausgleichen können (z. B. bei täglichem Tiefentladen im Lager), ist eine aktive Korrektur von 1 A besser geeignet. Passen Sie die Ausgleichsmethode an Ihren Betriebszyklus an, nicht umgekehrt.

Q2Verlängert die aktive Radlastverteilung die Lebensdauer des Zyklus?

Die Lebensdauer ist eine Eigenschaft der Zellen selbst und wird nicht durch einen Zellausgleich erzeugt. Ein aktiver Zellausgleich trägt dazu bei, dass der Akku seine Nennlebensdauer erreicht, indem er das Risiko verringert, dass Ungleichgewichte einzelne Zellen aus ihrem sicheren Betriebsbereich drängen. Die Zellen bestimmen die maximale Lebensdauer; der Zellausgleich hilft, diese maximale Lebensdauer zu erreichen, anstatt durch die schwächste Zelle begrenzt zu werden. Spezifische Lebensdauerdaten für Ihre Konfiguration werden im Rahmen eines Projektgesprächs mit dem Entwicklungsteam erarbeitet.

Q3Was soll ich tun, wenn ich mir nicht sicher bin, ob mein Projekt aktive oder passive Filter benötigt?

Geben Sie dem Lieferanten Ihr Nutzungszyklusprofil an – tägliche Ladezyklen, erwartete Zyklen pro Jahr, angestrebte Lebensdauer, Akkugröße und ob das System regelmäßig vollständig geladen wird. Ein Lieferant, der seine Spezifikationen auf diesen Informationen basiert, anstatt standardmäßig die teurere Option zu wählen, ist der richtige Partner. Falls Sie keine Spezifikationsbegründung erhalten, die Ihren Nutzungszyklus berücksichtigt, benötigen Sie diese Daten, bevor Sie die Angebotsanfrage versenden.

Über DALY

DALY entwickelt und fertigt Lithium-Batteriemanagementsysteme für OEMs, Akkupackhersteller und Systemintegratoren. Die Produkte werden in über 130 Ländern eingesetzt. Das 2015 gegründete Unternehmen DALY arbeitet nach ISO 9001 und ISO 14001 und erfüllt die CE- und RoHS-Richtlinien. Die Energiespeicherprodukte sind als UL-Komponenten anerkannt (jedoch nicht vollständig UL-systemzertifiziert – diese Unterscheidung ist für Projekte in Nordamerika relevant). Die Dokumentation unterstützt die Systemzertifizierung auf Akkupack- oder Systemebene.

Aktiven Lastausgleich für Ihr Speicherprojekt festlegen?

Wenn Sie ein Solarspeicher-, Heimbatterie- oder kleines gewerbliches Energiespeicherprojekt planen und den Energieausgleich korrekt spezifizieren möchten, kann das DALY-Ingenieurteam Ihren Arbeitszyklus überprüfen und Ihnen dabei helfen, den passenden BMS-Ansatz zu finden.

• Teilen Sie uns Ihre Betriebsdauer mit: tägliche Zyklustiefe, erwartete Lebensdauer, Packungsgröße, Parallelkonfiguration
• Anforderung der Spezifikationsdokumentation für LK/LM-B der 4. Generation
• E-Mail:dalybms@dalyelec.com

Produktseite für aktives Balancieren:https://www.dalybms.com/active-balancing-products/