Welche Funktion hat der Ausgleichskreis der Lithium-Ionen-Batterie?
Das vom Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union geförderte Projekt EVERLONG zielt darauf ab, die Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien durch die Entwicklung präziserer und standardisierter Batterieüberwachungs- und -managementsysteme zu verbessern und das Batterieverhalten in allen Situationen und während des gesamten Lebenszyklus vorherzusagen. Ein aktives und effektives Batteriemanagement ist möglich.
Der erste Übersetzungsartikel von Professor Bao stellt das Gleichgewicht elektrischer Kerne vor, insbesondere die Bewertung der Gleichgewichtsstrategie. Erörtert zunächst die Umstände, unter denen ein Kerngleichgewicht wirklich erforderlich ist, definiert zweitens verschiedene Gleichgewichtsstrategien basierend auf Energiespeicherszenarien und schlägt schließlich eine ausgewogene Strategie für die meisten Szenarien vor.
1, die Grundursache für das Ungleichgewicht des elektrischen Kerns
Aufgrund der dezentralen Energieinfrastruktur (stationäre Energiespeicher) und der wachsenden Zahl umweltfreundlicher Fortbewegungsmittel (Elektrofahrzeuge) sind zuverlässige und wirtschaftliche Energiespeicherlösungen erforderlich. Lithium-Ionen-Batterien haben aufgrund ihrer hohen Energiedichte das Potenzial, diesen Bedarf zu decken. Elektrofahrzeuge benötigen jedoch nicht nur eine hohe Energiedichte, sondern auch eine hohe Gesamtenergie (Batteriepacks mit hoher Kapazität). Um diesen Bedarf zu decken, bilden die Zellen in Reihe und parallel einen Batteriepack, und bis zu mehrere tausend Zellenspeicher in einem einzigen Batteriepack (z. B. die von TESLA verwendeten 18650- oder 21700-Zellen). Die Batteriepackspannung ist mit tolerierbaren Verlusten und dem Leistungselektronikdesign verbunden und bestimmt normalerweise die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen. Andererseits hängt die Anzahl der parallel geschalteten Leistungskerne vom Energie- und Leistungsbedarf des gesamten Batteriesystems ab.
Die Eigenschaften des Kerns unterscheiden sich aufgrund von Fertigungstoleranzen, beispielsweise Änderungen der Elektrodendicke und der Gesamtkonnektivität der Komponenten, leicht. Aufgrund der begrenzten Fertigungsgenauigkeit weist selbst dieselbe Charge von Kernen unterschiedliche Anfangskapazitäten und Impedanzen auf. Diese Parameterabweichungen sind gaußförmig (normal) verteilt. Unterschiedliche Kernkapazitäten und Impedanzen bedeuten, dass in einer Reihenschaltung immer ein Kern oder mehrere Kernblöcke (mehrere parallel geschaltete Kerne) zuerst die Lade- oder Entladeschlussspannung erreichen. Unter Berücksichtigung der Sicherheitsfaktoren darf dieser zuerst die Lade- oder Entladeschlussspannung erreichende Grenzwert nicht überschritten werden, sodass die Kapazität der anderen Kerne nicht voll ausgenutzt werden kann. Darüber hinaus führen Änderungen der inneren Parameter des Kerns oder das Vorhandensein von Temperaturgradienten, unterschiedliche Selbstentladungs- und Alterungsraten zu unterschiedlichen Kernspannungswerten. Diese unterschiedlichen Kernspannungswerte führen zu weiteren vorzeitigen Kapazitätsbegrenzungen des Batteriepacks. Um mögliche Kapazitätsbeschränkungen zu vermeiden, ist in einem Batteriesystem häufig eine symmetrische Schaltung erforderlich.
Im Allgemeinen hängt das Gleichgewicht des Kerns mit der Kernmasse zusammen, was die Änderung der anfänglichen Kernparameter und das Alterungsverhalten unter gleichen Bedingungen sowie die Qualität des Batteriesystems, insbesondere die Qualität des Wärmemanagementsystems, einschließt. Wenn die exakt gleiche Zelle und kein Temperaturgradient innerhalb des Batteriesystems möglich sind, muss das Gleichgewichtssystem nicht erreicht werden, und dies ist dann eine unmögliche Aufgabe.
2, das Ziel des Gleichgewichts des elektrischen Kerns
Das Ziel des Zellausgleichs hängt von der Anwendung des Batteriepakets ab. Bei Elektrofahrzeugen wird eine möglichst große Reichweite angestrebt, während bei fest installierten Batteriepaketen, die an der Netzregelung teilnehmen, das Ziel darin besteht, jederzeit die benötigte Leistung bereitzustellen.
Um den Energiegehalt des Batteriepacks für Elektrofahrzeuge zu maximieren, muss die Energie jeder Zelle voll ausgenutzt werden. Bei einer vollständigen Entladung ist eine Entladung von 100 % SOC auf 0 % SOC erforderlich, obwohl Kapazität und Impedanz der einzelnen Zellen unterschiedlich sind. Bei der festen Energiespeicherung im Rahmen der Netzsteuerung muss der Kern oder Kernblock in der untersten Tonneneffektplatte stets einen festen SOC aufweisen, um die Abgabe und Aufnahme positiver und negativer Stromimpulse (FM-Anwendungen) innerhalb einer bestimmten Zeit zu ermöglichen. Da Elektrofahrzeuge den Anwendungen zur Netzenergiespeicherung voraus sind, ist die Maximierung des Energiegehalts der Batterien das primäre Ziel der Zellbalance.
3. Die Auswertung des Elektrokern-Entzerrungsalgorithmus
In einer unausgeglichenen Situation wird nicht die gesamte Kernkapazität voll ausgenutzt, und die verbleibende Energie muss über den Ausgleichskreis umverteilt werden. Der Ausgleichskreis kann in der Regel das Energieniveau eines einzelnen Kerns oder Kernblocks anpassen. Es gibt grundsätzlich zwei Ausgleichssysteme: das dissipative (passive) und das nicht-dissipative (aktive) Gleichgewichtssystem. Der aktive Ausgleich überträgt Energie verlustfrei von einem Kern oder Kernblock zum anderen. Fast alle aktiven Systeme erfordern einen hohen Anteil an elektrischer Elektronik wie Spulen, Kondensatoren und Feldeffekttransistoren sowie entsprechende Steuerungsschemata. Dies führt zu zusätzlichem Gewicht und Kosten, sodass aktive Ausgleichssysteme in kommerziellen Anwendungen seltener zum Einsatz kommen. Das passive Ausgleichssystem wird durch einen Widerstand und einen elektrischen Schalter parallel zum Kern realisiert, was aufgrund seiner Einfachheit und Kostenvorteile bevorzugt wird. Der passive Ausgleich reguliert das Energieniveau eines einzelnen Kerns oder Kernblocks durch Entladung. Im Folgenden finden Sie eine praktische Bewertung der gängigen passiven Ausgleichstechniken.
Es gibt drei Arten von Gleichgewichtsalgorithmen: SOC-basierte Gleichgewichtsalgorithmen, modellbasierte Gleichgewichtsalgorithmen und spannungsbasierte Gleichgewichtsalgorithmen.
SOC-basierter Entzerrungsalgorithmus
Der SOC-basierte Gleichgewichtsalgorithmus ist am genauesten, da er theoretisch per Definition alle Ladungen berücksichtigt. Die tatsächliche Wirkung des SOC-basierten Gleichgewichtsalgorithmus hängt jedoch weitgehend von der Genauigkeit des SOC ab. SOC ist ein Zustand, der nicht direkt gemessen werden kann und für den üblicherweise Schätzverfahren (Kalman-Filter, neuronale Netzwerke usw.) und Zeitintegration verwendet werden. Auch wenn diese Methoden zu Beginn des Batterielebenszyklus genaue Ergebnisse liefern, nimmt die Genauigkeit im Betrieb rapide ab, wobei die Schätzfehler oft 2–3 % übersteigen (der interne SOC-Schätzfehler des BMS wird auf 5 % geschätzt). Die aktuelle relative Parametervarianz der modernsten Lithium-Ionen-Batterien liegt deutlich unter 1 %, sodass die Verwendung ungenauer SOC-Werte als Ausgleichsparameter nicht ausreicht.
Modellbasierter Gleichgewichtsalgorithmus
Ein wichtiges Merkmal von Lithium-Ionen-Batterien ist die nichtlineare Beziehung zwischen SOC und Leerlaufspannung (OCV), wie in Abbildung 1 dargestellt. Die OCV steigt mit zunehmendem SOC. Diese Beziehung wird durch das Potenzial der positiven und negativen Materialien der Lithium-Ionen-Batterie bestimmt. Bei Strombelastung verursachen der Ohmsche Widerstand, die Transferimpedanz und der Doppelschichteffekt ein Potenzial, sodass die gemessene Endspannung (ohne OCV) nicht direkt den tatsächlichen SOC widerspiegelt. Das modellbasierte Gleichgewicht verwendet das Kernmodell, um das Überpotenzial der Zelle zu schätzen, und es ist möglich, die Endspannung unter Strombelastung zu verwenden, um ein SOC-Gleichgewicht zu erreichen. Der modellbasierte Gleichgewichtsalgorithmus hat jedoch die gleichen Nachteile wie der SOC-basierte Gleichgewichtsalgorithmus, und die nichtlinearen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien erschweren die Implementierung robuster und genauer Modelle, da sich alle Modellparameter innerhalb des SOC-Bereichs, innerhalb verschiedener Temperaturbereiche und insbesondere während der Lebensdauer ändern.
Abbildung 1 OCV-Kurve und Ersatzschaltbildmodell für NMC/Graphitkern
Spannungsbasierter Entzerrungsalgorithmus
Die wahrscheinlichste praktische Anwendung des Ausgleichsalgorithmus ist ein spannungsbasierter Ausgleichsalgorithmus, da jedes Batteriesystem die Kernspannung überwacht. Die Kernspannung wird üblicherweise während des Ladevorgangs durch eine Ausgleichsschaltung angepasst. Die Endspannung spiegelt jedoch nicht unbedingt den SOC wider, sodass der Spannungsausgleich unter Last das Ungleichgewicht des Batteriepacks weiter verschlimmern kann. Dieses Ungleichgewicht hängt vom tatsächlichen Ladestrom, dem Überpotential der Zelle und der Steigung der OCV ab. Eine Reduzierung des Stroms kann dieses Problem lindern, sodass sich die Ladephase mit konstantem Druck (CV) für den Kernausgleich eignet. Da die Ladeendspannung des Kurzplattenkerns jedoch üblicherweise ein durch den Ladestrom gesteuerter Eingang ist, kann die Spannung des Kurzplattenkerns nicht verzerrt werden, und ein Spannungsausgleich wird in der CV-Phase nicht empfohlen.
Aufgrund der Qualitätsverbesserung moderner Lithium-Ionen-Batterien ändern sich die internen Parameter des Unternehmens kaum. Darüber hinaus kann der Temperaturgradient im Batteriepack durch spezielle Designmaßnahmen (Wärmemanagementsystem) gemildert werden. Alle oben genannten Faktoren reduzieren den Unterschied in der Kernspannung, der Kernspannungsunterschied bleibt jedoch bestehen, da er nicht eliminiert wird. Nach dem Ende des statischen Ladevorgangs für einen längeren Zeitraum wird das Gegenpotential der Zelle eliminiert. Zu diesem Zeitpunkt spiegelt die Endspannung den Kern-SOC wider. Durch Entladen der gesamten Kernspannung auf die minimale Kernspannung im Batteriepack verbraucht dieser Vorgang nur wenig Entladeenergie. Solange dieser Spannungsausgleich nicht häufig durchgeführt wird, ist er akzeptabel.
4, Schlussfolgerungen
Aufgrund von Fertigungstoleranzen weisen Lithium-Ionen-Akkus Unterschiede in Kapazität, Impedanz und Selbstentladungsraten auf. Dies führt zu Spannungsunterschieden im Akkupack, die die erreichbare Entladeenergie begrenzen und sich bei Temperaturgradienten weiter verschlechtern können. Um den Energiegehalt des Akkupacks zu maximieren, wird üblicherweise eine passive Schaltung mit einem Bypass-Widerstand verwendet.
Es wird empfohlen, während der Ruhephase nach dem vollständigen Laden des Akkupacks einen Spannungsausgleich durchzuführen und alle Kernspannungsentladungen so anzupassen, dass sie während dieses Vorgangs der minimalen Kernspannung im Serienakkupack entsprechen.
