Eine nicht symmetrische Mehrzellenbatterie verwendet die schwächste Zelle zur Bestimmung der Kapazität des gesamten Systems. Diese Art der Bestimmung der Kapazität ist ineffektiv, da die einzelnen Zellen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit altern. Selbst bei bewusster Auswahl kann nicht sichergestellt werden, dass alle Zellen dieselbe Kapazität besitzen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dieses Problem zu beheben.
Lithium-Ionen-Batterien unterliegen wie andere Batteriearten auch beim Laden und Entladen aufgrund chemischer Vorgänge einem kontinuierlichen Verschleißprozess. In einer Lithium-Ionen-Batterie besteht die Anode aus Kupferfolie, die mit einer Kohlenstoff- oder Graphitverbindung beschichtet ist. Die Kathode besteht aus einer Lithiumverbindung. Das Elektrolyt zwischen den Elektroden ist ein gelöstes Lithiumsalz. Je nachdem, ob das Elektrolyt flüssig oder fest ist, spricht man von Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien.
Die Zellen unterscheiden sich hauptsächlich nach dem Material der Kathode, bei dem es sich um Kobalt, Mangan, Nickel-Kobalt, Nickel-Kobalt-Mangan (NKM), Eisenphosphat oder Eisentitanat handeln kann. Die verschiedenen Kathodenmaterialien verursachen unterschiedliche Energie- und Leistungsdichten und Nennspannungen und wirken sich auf die Anzahl möglicher Ladezyklen aus.
Schonendes Laden
Das sogenannte IU-Ladeverfahren, das für solche Zellen angewendet wird, arbeitet mit einer konstanten Stromstärke und einer konstanten Spannung (konstante Stromstärke = CC, konstante Spannung = CV). Dabei werden die Batterien zunächst mit einer konstanten Stromstärke geladen. Dadurch wird die Ladungsstromstärke begrenzt und kann nicht zu hoch werden. Die Ladung mit konstanter Stromstärke wird fortgesetzt, bis die endgültige Ladespannung erreicht ist. Anschließend wird der Ladevorgang mit konstanter Spannung fortgesetzt, sodass die endgültige Spannung nicht überschritten werden kann. Die Ladestromstärke nimmt mit zunehmender Ladung ab.
Wie die Lebensdauer hängt auch die Ladezeit von verschiedenen Faktoren ab, bei höheren Ladekapazitäten vor allem von der Temperatur. Kurze Lade- und Entladezeiten wirken sich negativ auf das Elektrodenmaterial aus, verringern die Lebensdauer und die Anzahl der möglichen Ladezyklen. Schonendes Laden und Entladen verlängert die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Zelle erheblich!
Lithium-Plattierung
Das Laden von Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Ladestromstärke kann zum unerwünschten Effekt der Lithium-Plattierung führen. Lithium-Ionen lagern sich hauptsächlich auf der Oberfläche der Anode ab, anstatt zwischen den Graphitschichten zu interkalieren. Dieser Effekt führt zu erheblichen Einbußen bei Leistung, Langlebigkeit und Sicherheit. In extremen Fällen kann Lithium-Plattierung sogar zu Kurzschlüssen oder, da metallisches Lithium leicht entflammbar ist, zu einem Brand führen.
Je nach Qualität und Design der Batterie sind 500 bis mehr als 1.000 Ladezyklen normal. Eine Batterie gilt als verbraucht, wenn sie weniger als 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität besitzt.
Das Problem
Sogenannte Cluster oder Batteriepacks bestehen gewöhnlich aus mehreren einzelnen Zellen oder Zellenblöcken, die in Reihe geschaltet sind, um die Nennspannung zu erhöhen. Durch Alterung kommt es zu Schwankungen bei der Kapazität, dem internen Widerstand und anderen Parametern dieser Zellen. Die schwächste Zelle legt den Umfang von Ladung und Entladung fest.
Bei der praktischen Verwendung von in Reihe geschalteten Mehrzellenbatterien führt dies dazu, dass die Zellen unterschiedlich geladen und entladen werden. Dann können kritische Tiefentladungen oder Überladungen im Netzwerk auftreten, auch wenn einzelne Zellen überladen werden und den Grenzwert für die Ladespannung überschreiten. Je nach Art der Batterie kann dies zur irreparablen Beschädigung einzelner Zellen führen. Die Folge: Das gesamte Batteriepack verliert an Kapazität.
Batteriemanagementsysteme (BMS)
Batteriemanagementsysteme übernehmen die Kontrolle und Überwachung des Lade- und Entladeprozesses hochleistungsfähiger Batteriepacks in E-Power-Anwendungen (autonome Energieelektronik) wie Elektro- und Hybridfahrzeugen, der Robotertechnologie oder ähnlichen Bereichen. Dabei geht es vor allem darum, dass die einzelnen Zellen einen SoC-Grenzwert (State of Charge, Ladezustand) für die Anwendung während des Lade- und Entladevorgangs weder über- noch unterschreiten. Der SoC-Wert bezeichnet die verbleibende verfügbare Kapazität einer Batterie im Verhältnis zu ihrem Nennwert. Der Wert wird als Prozentsatz des vollständig geladenen Zustands angegeben. Beispiel: 30 % bedeutet, dass die Batterie noch eine Restladung von 30 % der ursprünglichen vollständigen Ladung aufweist. Je nach Anwendung liegen Ober- und Untergrenze für den SoC-Wert zwischen 20 und 100 % (maximale Leistung) bzw. 30 bis 70 % (maximale Betriebslebensdauer).
Ein BMS überwacht Eigenschaften wie Batteriespannung, Zellentemperatur, Zellenkapazität, Ladezustand, Stromverbrauch, verbleibende Betriebszeit, Ladezyklus und viele weitere. Diese Steuereinheiten sind besonders wichtig, weil mehrere Batteriezellen zusammengeschaltet werden müssen, um eine hohe Gesamtbatteriekapazität zu erzielen. In solchen Batteriemanagementsystemen spielen Balancer eine immer wichtigere Rolle.
Batterie-Balancing: passiv
Eine technisch relativ einfache Methode, die weithin Anwendung findet, ist das Batterie-Balancing. Dies geschieht praktisch nur am Ende des Ladevorgangs, wenn die Zellen des Batteriepacks fast vollständig geladen sind. Für die Zellen, die bereits ihre endgültige Ladespannung erreicht haben, schaltet der Balancer einen Widerstand in Parallelschaltung und begrenzt so die Spannung auf den endgültigen Ladespannungswert. Diese Zelle wird dann nur minimal geladen oder sogar entladen, während die Zellen in der Reihe, die noch nicht die endgültige Ladespannung erreicht haben, weiter mit dem vollständigen Ladestrom versorgt werden. Die Leistung des parallelen Widerstands muss an den Ladestrom angepasst werden, da am Widerstand die überschüssige Energie in Form von Wärme auftritt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es kostengünstig und technisch einfach umzusetzen ist. Der Nachteil ist, dass der Ladevorgang so lange dauert, bis die schwächste Zelle den erforderlichen SoC-Wert erreicht hat. Hinzu kommt, dass sehr viel Energie in Form unerwünschter Wärme verschwendet wird. Dieser Wärmeverlust wirkt sich auch negativ auf die Betriebslebensdauer der Batteriezellen aus und bringt eine erhebliche Brandgefahr mit sich.
Batterie-Balancing: aktiv
Aktive Balancer sind wesentlich komplexer, aber auch effizienter. Sie übertragen die Ladung zwischen den Zellen: Die Energie von Zellen mit höherer Ladung wird auf Zellen mit niedrigerer Ladung übertragen. Im Prinzip besteht die Ladungssteuerung aus mehreren Spannungsreglern, die speziell für diese Anwendung optimiert sind und pro Zelle aktiv Energie übertragen. Dieser Prozess kann bereits während des Ladevorgangs stattfinden. Wie bei passivem Balancing beginnt er üblicherweise aber erst am Ende des Ladevorgangs. Bei bidirektionalen Balancer-Systemen findet dieser Ladungsaustausch sowohl während des Lade- als auch während des Entladevorgangs statt. Bidirektionale Balancer sind daher sogar noch effizienter.
Ein großer Vorteil von aktivem Balancing ist die deutlich höhere Effizienz, da die überschüssige Energie nur zu einem geringen Teil in Wärme umgewandelt wird. Aktives Balancing wird derzeit für höhere Ausgangsleistungen (E-Power) in Bereichen wie der Elektromobilität verwendet (EV = Electric Vehicle, BEV = Battery Electric Vehicle, HEV = Hybrid Electric Vehicle und PHEV = Plug-in Hybrid Electric Vehicle).
Der höhere Schaltaufwand für das Steuerungssystem bringt natürlich höhere Anfangskosten mit sich. Im Gegenzug bietet ein solches Steuerungssystem für das Batteriemanagement aber auch handfeste Vorteile. Durch eine übergeordnete Ladungskontrolle mit intelligenter und adaptiver Software kann diese Ladungsverteilung von starken zu schwachen Zellen – selbst über verschiedene Reihenschaltkreise hinweg – die Lebensdauer eines hochleistungsfähigen Batteriepacks deutlich verlängern.
Prinzipschaltung eines aktiven Balancers mit Spulen, zwei Stufen. Quelle: Wikipedia
Schutz
In E-Power-Anwendungen wie etwa bei Elektrofahrzeugen sind Batteriepacks häufig der größte Kostenfaktor. Kunden verlangen maximale Leistung und Kapazität, möglichst schnelle Ladevorgänge, eine lange Betriebslebensdauer und absolute Zuverlässigkeit. Diese Anforderungen sind nicht ohne Weiteres miteinander in Einklang zu bringen.
Batterien auf Lithiumbasis besitzen eine deutlich höhere Energiedichte als robuste Blei-Säure-Batterien. Sie sind jedoch sehr anfällig für Über- und Unterspannung. Dies erfordert Überwachung und Schutz, um vorzeitige Ausfälle, Überhitzung oder sogar Kurzschlüsse einzelner Zellen zuverlässig vermeiden zu können. Solche Backups müssen viele Jahre lang fehlerlos funktionieren. Sie müssen der Kälte im Winter und der Hitze im Sommer sowie Stößen und Vibrationen widerstehen.
Sie müssen maximale Lade- und Entladeströme bei minimalen Verlusten zulassen können. Ein- und Ausschalten, Beschleunigung sowie zyklischer Widerstand sind ebenfalls unverzichtbar.
IU-Ladeverfahren mit konstanter Stromstärke (CC) und konstanter Spannung (CV)
Angepasste Sicherungen
Die größten Feinde von Batteriepacks sind jedoch Übertemperaturen, Kurzschlüsse und pulsierte Überströme. Je nach Design und Verwendungszweck eines Hochleistungs-Batteriepacks muss der Fokus auf dem Schutz vor Überstrom und/oder mehr auf der Temperatur liegen. In den meisten Fällen kommen jedoch mehrere potenzielle Probleme zusammen. In der Praxis bedeutet dies, dass individuelle Lösungen für den Schutz benötigt werden. Möglich – und bereits umgesetzt – sind impulsfeste Kombinationssicherungen für den Schutz vor Überstrom und zu hohen Temperaturen. Dazu dient eine Chip-Technologie, die für den erforderlichen mechanischen Widerstand sorgt.
Maximale Energiedichte bei maximaler Sicherheit und Langlebigkeit: Dieses Konzept gilt nicht nur für die einzelnen Zellen, sondern auch für die gesamte Energieeinheit.
Wirtschaftlichkeit
Natürlich ist es immer möglich, die neueste Batterietechnologie zu verwenden und dabei die höchstmögliche Leistungskapazität bereitzustellen. Dies ist jedoch stets mit hohen Kosten verbunden und Erfahrungen mit dem langfristigen Einsatz solcher Lösungen fehlen noch vollständig. Daher tendiert die Branche dazu, auf bestehenden Technologien aufzubauen, die sich in Standardanwendungen (z. B. in Notebooks) bereits millionenfach bewährt haben. Im nächsten Schritt werden Fertigungsprozesse optimiert, die Grenzwerte für den Ein- und Ausgangsfluss bestimmt und Mechanismen für möglichst große Skalierung entwickelt. Intelligente Lade- und Entladevorgänge werden in Zukunft noch große Bedeutung erlangen. Optimiertes Balancing kombiniert maximale Leistung mit maximaler Lebenserwartung.
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