Was ist die Balance von Lithium-Ionen-Batterien und warum ist sie notwendig?

In diesem Artikel wird ein oft übersehenes Thema diskutiert: die Gleichgewichtsstrategie. Die meisten wissenschaftlichen Arbeiten behandeln verschiedene elektrische Lösungen zur Maximierung des Gleichgewichtsstroms. Ein weiterer wichtiger Faktor für das Gleichgewicht ist jedoch die Bestimmung des wirkenden Kerns: die sogenannte Gleichgewichtsstrategie. Dieser Artikel ist in drei Kapitel unterteilt: Das erste Kapitel erörtert die Gründe für die Notwendigkeit des Gleichgewichts, das zweite Kapitel skizziert die möglichen aktiven Gleichgewichtsschaltungen und das dritte Kapitel beschreibt die möglichen Gleichgewichtsstrategien verschiedener Schaltungen.

1.     Warum brauchen Sie Gleichgewicht?

Bevor wir Gleichgewichtsstrategien diskutieren, ist es wichtig zu verstehen, warum Gleichgewicht überhaupt erforderlich ist. Ein Batteriepack für eine stationäre Energiespeicheranwendung oder ein Elektroauto wie das Tesla Model 3 benötigt Tausende von Einzelbatterien. Die Anzahl der Reihen- und Parallelkerne wird durch die Anwendung bestimmt. Im Allgemeinen bestimmt die Nennspannung des Leistungselektronensystems die Anzahl der Reihenkerne, der Gesamtleistungs- und Energiebedarf der Anwendung und die elektrischen Eigenschaften der verwendeten Kerne die Anzahl der verbundenen Kerne. Verschiedene Zellgrößen haben unterschiedliche Vorteile, beispielsweise sind Kerne mit großer Kapazität einfacher zu montieren als Kerne mit kleiner Kapazität und erfordern weniger Überwachung. Die Vorteile von Kernen mit kleiner Kapazität gegenüber Kernen mit hoher Kapazität sind Flexibilität, Sicherheit und Zuverlässigkeit. Das Alterungsverhalten des Batteriepacks ist unabhängig von der Kernkapazität und geht in der Regel auf eine einzelne Zelle zurück.

Tatsächlich unterscheiden sich die Eigenschaften des Kerns aufgrund unterschiedlicher Fertigungstoleranzen, wie z. B. der Elektrodendicke und der Konnektivität der Gesamtkomponente, leicht. Aufgrund der begrenzten Fertigungsgenauigkeit weisen selbst Batterien derselben Charge unterschiedliche Anfangskapazitäten und Impedanzen auf. Diese Parameterabweichungen weisen eine Gauß-Verteilung auf. Darüber hinaus erhöht die Zyklusalterung die Varianz der Kernparameter im Vergleich zur Anfangsverteilung, und die Unterschiede in den Kernparametern nehmen selbst unter gleichen Alterungsbedingungen zu.

Aufgrund dieser Abweichungen zwischen den Zellen ist die Überwachung der Kernspannung im Akkupack eine kritische Aufgabe. Insbesondere ist es wichtig, die Kernspannung am Ende des Lade- und Entladevorgangs am Grenzwert zu halten, um Sicherheitsrisiken und vorzeitigen Kernverschleiß zu vermeiden. Aufgrund von Parameteränderungen erreicht ein Zellblock im Batteriestrang diese Grenzwerte früher als die anderen Kernblöcke. Angenommen, jeder Kernblock ist zu Beginn des Entladevorgangs mit Strom gefüllt. Nach der Entladung bleiben die Kernblöcke mit der niedrigsten und/oder höchsten Impedanz so lange inaktiv, bis die Entladung zuerst das Ende des Entladestandards erreicht. Die ungenutzte Kapazität verbleibt in den verbleibenden Kernblöcken. Ähnliche Probleme können beim erneuten Laden auftreten. Ein Zellblock im Batteriestrang erreicht das Ladeende vor den anderen Kernblöcken und bleibt unvollständig geladen. Daher ist die Reihenschaltung die Ursache für die Abnahme der Batteriekapazität. Neben den oben genannten Änderungen der intrinsischen Kapazität und Impedanz beeinflusst auch die Abweichung der Selbstentladungsrate die Differenz der Kernblockspannung. Mit zunehmender Spannungsabweichung zwischen den Zellen im Batteriestrang wird die verfügbare Kapazität weiter eingeschränkt, was zu einer kürzeren Batterielebensdauer führt. Beispielsweise verursachen externe Faktoren wie unzureichende Kühlung Temperaturgradienten zwischen den Kernen, die einen unterschiedlichen Leistungs- und Kapazitätsabfall der Kernblöcke verursachen können, was wiederum die Batteriekapazität begrenzt. Das Ausgleichssystem erhöht typischerweise die verfügbare Kapazität und Lebensdauer, indem es die Batteriespannung so beeinflusst, dass jeder Zellblock die Ladeschlussspannung oder die Lade- und Entladeschlussspannung erreichen kann.

2.     Übersicht über die Entzerrungsschaltung

Generell lassen sich Ausgleichsschaltungen in aktive und passive Schaltungen unterteilen. Passive Ausgleichsschaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie keine Schalter zur Steuerung der Schaltung besitzen und daher für Ausgleichsstrategien ungeeignet sind, da die ausgeglichene Last nicht beeinflusst wird. Aktive Ausgleichsschaltungen hingegen ermöglichen die Beeinflussung des Ausgleichsprozesses durch aktives Aktivieren oder Deaktivieren. Abbildung 1 kategorisiert und fasst die gängigsten aktiven Ausgleichsschaltungen zusammen. Durch Neuzuordnung der Last lassen sich fünf Hauptkategorien unterscheiden. Unterhalb der Kategorien finden sich Auszüge einiger gängiger Implementierungen, die jeweils nach drei Merkmalen gekennzeichnet sind:

Nichtdissipative Lösungen versuchen, die Ladung in der Batterie umzuverteilen, um das Ungleichgewicht und den Energieverlust der Batterie zu reduzieren. Stattdessen wandelt die dissipative Lösung überschüssige Energie in nicht verfügbare Wärme des Systems um. In dieser Übersicht sind nur der Bypass-Widerstand und der Bypass-Transistor dissipative Ausgleichsschaltungen.

Eine Zweiwegelösung kann Energie sowohl zum Kern als auch außerhalb der Zelle übertragen und so die Batterie ausgleichen. Der Vorteil einer Zweiwegelösung besteht darin, dass sie zusätzliche Freiheitsgrade bietet: die Richtung des Gleichgewichtsstroms, die eine Erhöhung oder Verringerung der Kernlast ermöglicht.

Eine Zweiwegelösung kann Energie sowohl zum Kern als auch außerhalb der Zelle übertragen und so die Batterie ausgleichen. Der Vorteil einer Zweiwegelösung besteht darin, dass sie zusätzliche Freiheitsgrade bietet: die Richtung des Gleichgewichtsstroms, die eine Erhöhung oder Verringerung der Kernlast ermöglicht.

3.     Gleichgewichtsstrategie

Die optimale Ausgleichsstrategie sollte darauf abzielen, die verfügbare Kapazität zu maximieren, die Gleichmäßigkeit der Batterie zu gewährleisten und die Alterung zu minimieren. Um die verfügbare Kapazität der Batterie zu maximieren, sollte die Ausgleichsstrategie sicherstellen, dass jede Zelle in der Batterie sowohl das Lade- als auch das Entladeende erreicht. Um eine Beschleunigung und ungleichmäßige Alterung zu vermeiden, sollte die Ausgleichsstrategie den Temperaturgradienten zwischen den Kernen reduzieren. Wie diese beiden Ziele erreicht werden können, wird im Folgenden anhand einer Kombination aus Ausgleichsschaltung und Ausgleichsstrategie erläutert.

A.    Dissipative Balanced Circuit-Strategie

Dissipative Ausgleichsschaltungen sind aufgrund ihrer Einfachheit und Wirtschaftlichkeit Stand der Technik. Der Nachteil sind ihre geringen Freiheitsgrade, die nur den Kern entladen können. Aufgrund ihrer dissipativen Eigenschaften wird sie beim Laden üblicherweise ausgeglichen, um zusätzliche Verluste zu vermeiden. Die dissipative Ausgleichsschaltung implementiert drei mögliche Strategien:

Der Top-Equalization-Prozess wird am Ende des Ladevorgangs angewendet. Wenn der erste Kernblock im Batteriestrang die Ladeschlussspannung erreicht, wird der Ladevorgang beendet und nach einer bestimmten Relaxationszeit wird die Spannungsdifferenz zwischen dem Kernblock mit der niedrigsten Spannung und den anderen Kernblöcken gemessen. Untersuchungen von Kindermann et al. zeigen, dass die Relaxationszeit in der Literatur zwischen 1 und 24 Stunden beträgt. Die Relaxationszeit soll die Überspannungsdämpfung der Zelle ermöglichen, um die Leerlaufspannung (OCV) zu messen. Anschließend wird der Kernblock mit der höchsten Spannung per Bypass auf das Spannungsniveau des Zellblocks mit der niedrigsten Leistung entladen. Die Batterie wird dann wieder aufgeladen, bis einer der Kernblöcke erneut die Ladeschlussspannung erreicht. Dieser Prozess kann wiederholt angewendet werden, bis eine Stoppbedingung erfüllt wird. Normalerweise wird die Zielgrenzspannung am Ende des Ladevorgangs erreicht.

Der kontinuierliche Ausgleich versucht, Spannungsunterschiede während des Ladevorgangs zu eliminieren. Diese Methode ist schwieriger als der Top-Equalization, da das Überpotential der Zelle berücksichtigt werden muss. Daher ist ein Modell, beispielsweise ein Ersatzschaltbildmodell (ECM), erforderlich, um die durch die Impedanz verursachte Spannungsdifferenz zu eliminieren. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt in der Zeitersparnis, da keine zusätzliche Zeit zum Entspannen des Kerns benötigt wird.

Die Bottom-Entzerrung folgt einer ähnlichen Strategie wie die Top-Entzerrung. Am Ende des Entladezyklus, wenn der erste Kernblock die Entladespannung erreicht, wird der Kernblock ausgeglichen. Nach einer gewissen Relaxationszeit wird der Kernblock mit der höchsten Spannung per Bypass auf das Spannungsniveau des Kernblocks mit der niedrigsten Spannung entladen. Die gleiche Relaxationszeit dient der Überspannungsdämpfung des Kerns, um die Leerlaufspannung (OCV) zu messen. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Spannungsdifferenz zwischen den Kernblöcken einen Zielwert erreicht. Der ausgeglichene Kernblock wird anschließend wieder aufgeladen.

Der Bereich des Gleichgewichtsstroms hängt von der Spannungsverteilung zwischen den Kernblöcken und der verfügbaren Gleichgewichtszeit ab. Je kürzer die Gleichgewichtszeit, desto größer die Inhomogenität zwischen den Kernblöcken und desto höher der Gleichgewichtsstrom. Für typische Anwendungen mit einer dissipativen Gleichgewichtsschaltung mit Bypass-Widerstand ist der Gleichgewichtsstrom auf unter 200 mA festgelegt. Diese Größe des Gleichgewichtsstroms reicht nicht aus, um die Kernerwärmung zu beeinflussen. Die Bypass-Transistor-Ausgleichsschaltung ermöglicht die Anpassung des Gleichgewichtsstroms durch Anpassung des Transistorwiderstands. Selbst wenn der Gleichgewichtsstrom groß genug ist, kann der Temperaturgradient jedoch nur durch eine Erhöhung der Temperatur der kühleren Batterie verringert werden. Unter milden Betriebsbedingungen führt dies zu einer gleichmäßigeren Alterung, es besteht jedoch die Gefahr einer beschleunigten Alterung. Daher ist die minimale Temperaturleiter zwischen den Zellkernblöcken durch die Dissipation der Gleichgewichtsschaltung nicht möglich.

B.     Nicht-dissipative symmetrische Schaltungsstrategie

Nicht-dissipierende Schaltungen verteilen die Ladung zwischen den Kernen um, sodass beim Ausgleichsprozess keine Energie verschwendet wird und keine Wärme entsteht und die Lade- und Entladevorgänge ausgeglichen werden können. Denn die unerwünschten Eigenschaften der Gleichgewichtsschaltung machen nur einen Bruchteil des umverteilten Energieverlusts aus. Die Gleichgewichtsspannungsdifferenz wird durch die Übertragung der Ladung von einem Kernblock mit hoher Spannung zu einem Kernblock mit niedriger Spannung erreicht, wodurch die verfügbare Kapazität der Batterie erhöht wird. Da die anfängliche Differenz zwischen den Kernen gering ist, ist auch der Gleichgewichtsstrom gering, kann aber mit zunehmender Alterung ansteigen. Der Gleichgewichtsstrom kann auf alle Betriebszustände angewendet werden, daher ist ein Modell erforderlich, das die Zellüberspannung berücksichtigt, wie im Fall des kontinuierlichen Gleichgewichts.

Darüber hinaus ermöglicht die Umverteilung der Ladung dem nichtdissipativen Schaltkreis, die Wärmeproduktion des Batterieblocks zu beeinflussen, was das Ziel der Gleichmäßigkeit und Minimierung der Alterung durch Reduzierung der Belastung des Kernblocks bei höheren Temperaturen ermöglicht. Die Strommenge, die der Ausgleichsschaltkreis verarbeiten muss, hängt von den Eigenschaften der Batterie ab. Untersuchungen von Bernadi et al. zeigen, dass die vom Kern erzeugte Wärme mit polarisierter Wärme verbunden ist, die das Produkt aus Überspannung und Stromstärke der Zelle ist. Das Potenzial wird durch Ohm-Verlust, Überspannung der Ladungsübertragung und Massenübertragungsgrenzen verursacht, abhängig vom Design der Batterie und dem aktiven Material.

Die Effizienz der symmetrischen Schaltung ist ein weiterer Faktor. Wandler für nicht-dissipative Schaltungen, die üblicherweise lastabhängig sind, sind ineffizient und verhalten sich bei relativ geringer Last fast wie dissipative Schaltungen. Daher spielen das Design der symmetrischen Schaltung und die maximale und minimale Last, die die symmetrische Schaltung bewältigen soll, eine wichtige Rolle.

4.     Schlussfolgerungen

Moderne dissipative Ausgleichsschaltungen, wie beispielsweise Bypass-Widerstandsschaltungen, setzen folgende Annahmen voraus: Erstens muss das Wärmemanagement sorgfältig ausgelegt werden, um Temperaturgradienten zwischen den Kernblöcken zu vermeiden und so eine ungleichmäßige Alterung des Kerns zu verhindern. Zweitens müssen Änderungen der Batteriekapazität und des Batteriewiderstands während der Batterielebensdauer so gering gehalten werden, dass Spannungsabweichungen zwischen den Kernblöcken die verfügbare Batteriekapazität nicht einschränken. Unter diesen beiden Annahmen ist der Energieverbrauch im Gleichgewichtszustand minimal und der Gleichgewichtsstrom relativ niedrig. Zudem sind zum Ausgleichen oft keine komplexen Modelle oder Strategien erforderlich.

Sollte jedoch eine Hypothese verletzt werden, ist der Aufwand einer nichtdissipativen Gleichgewichtsschaltung sinnvoll, da diese den Temperaturgradienten zwischen Spannung und Kernblock reduziert, die Betriebskapazität erhöht und eine gleichmäßige Alterung gewährleistet. Um eine Strategie zur Reduzierung sowohl des Temperatur- als auch des Spannungsgradienten zu erreichen, müssen thermische und elektrische Parameter modelliert werden. Berücksichtigt man die Wechselwirkung zwischen Batterie und Kühlsystem, steigt die Komplexität des Modells mit zunehmender Zellenzahl in der Batterie. Neben den Kernparametern ist auch das Konverterdesign, das eine symmetrische Schaltung mit einem Laststrom kombiniert, entscheidend.