Maximale Leistung und maximale Lebenserwartung von Akkus optimieren

Worauf es beim Battery Balancing von Lithium-Ionen-Akkus ankommt

| Autor / Redakteur: Marcel Schmid * / Rainer Graefen

Automotive Chip-Sicherung Schurter USN 1206: schützt vor Überstrom und Übertemperatur gemäß AEC-Q200.
Automotive Chip-Sicherung Schurter USN 1206: schützt vor Überstrom und Übertemperatur gemäß AEC-Q200. (Bild: Schurter)

Ohne Battery Balancing bestimmt in einem Mehrzellen-Akku stets die schwächste Zelle darüber, welche Kapazität das Gesamtsystem hat. Da einzelne Zellen aber unterschiedlich altern, kann man selbst mit einer gewissenhaften Selektion nicht sicherstellen, dass alle Zellen eine identische Kapazität aufweisen. Es braucht andere Ansätze.

Lithium-Ionen-Akkus unterliegen wie andere Akkutypen auch beim Laden und Entladen einem Abnutzungsprozess, der auf chemische Veränderungen zurückzuführen ist. Beim Lithium-Ionen-Akku besteht die Anode aus einer Kupferfolie, die mit Kohle oder einer Graphitverbindung beschichtet ist.

Schonend laden

Die Kathode besteht aus einer Lithiumverbindung. Der zwischen den Elektroden liegende Elektrolyt ist ein gelöstes Lithiumsalz. Je nachdem ob der Elektrolyt flüssig oder fest ist, spricht man von Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkus.

Die unter diesen Sammelbegriff gehandelten Zellen unterscheiden sich hauptsächlich im Kathodenwerkstoff, der aus Kobalt, Mangan, Nickel-Kobalt, Nickel-Kobalt-Mangan (NKM), Eisenphosphat oder Titanat bestehen kann. Die verschiedenen Kathodenwerkstoffe bewirken unterschiedliche Energiedichten, Leistungsdichten, Nennspannungen und mögliche Ladezyklen.

Das sogenannte IU-Ladeverfahren, das bei solchen Zellen angewandt wird, arbeitet mit Konstantstrom und Konstantspannung (Constant Current = CC, Constant Voltage = CV). Wie die Lebensdauer hängt auch die Ladezeit von diversen Faktoren ab, bei höheren Ladeleistungen vor allem von der Temperatur. Kurze Ladezeiten bzw. hohe Ladeströme wirken sich belastend auf das Elektrodenmaterial aus, sodass die Lebensdauer und Zyklenzahl verkürzt wird. Schonendes Laden/Entladen erhöht die Lebensdauer massiv.

Lithium-Plating

Das Laden und Entladen von Li-Ion-Zellen bei hohen Strömen oder tiefen Temperaturen kann zu Lithium-Plating führen. Dabei lagern sich Lithium-Ionen bevorzugt auf der Anodenoberfläche ab, anstatt sich zwischen die Schichten des Graphits einzulagern. Dieser Effekt führt zu signifikanten Einbußen an Leistung, Lebensdauer und Sicherheit.

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In extremen Fällen kann das Lithium-Plating sogar zu einem Kurzschluss oder, da metallisches Lithium leicht entflammbar ist, auch zu einem Brand führen. Üblich sind je nach Qualität und Aufbau des Akkus 500 bis über 1000 Ladezyklen. Als abgenutzt gilt ein Akku dann, wenn weniger als 80 Prozent der ursprünglichen Voll-Kapazität übrig sind.

Cluster oder Akkupacks

Cluster oder Akkupacks bestehen zur Erhöhung der Nennspannung in der Regel aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen oder Zellblöcken. Fertigungs- und alterungsbedingt gibt es hierbei Schwankungen in der Kapazität, im Innenwiderstand und weiteren Parametern dieser Zellen. Die schwächste Zelle ist dabei bestimmend, wie viel geladen oder entladen werden darf.

Im praktischen Einsatz von mehrzelligen in Reihe verschalteten Akkus führt dieser Umstand dazu, dass die Zellen in Reihe unterschiedlich geladen und entladen werden. Es kommt dann im Verbund zu kritischer Tiefentladung oder bei der Ladung zu einer Überladung und Überschreiten der Ladeschlussspannung einzelner Zellen. Je nach Akkutyp kann es dabei zu einer irreversiblen Schädigung einzelner Zellen kommen. Die Folge: das gesamte Akkupack verliert an Kapazität.

Batteriemanagementsysteme

Batteriemanagementsysteme (BMS) sind verantwortlich für die Steuerung und Kontrolle des Lade- und Entladevorgangs von Hochleistungs-Akkupacks in autonomen Leistungselektronikanwendungen (E-Power) wie Elektro- und Hybridfahrzeugen, Robotik oder ähnlichem.

Ihre Hauptaufgabe besteht darin, dafür zu sorgen, dass jede einzelne Zelle sowohl beim Laden als auch beim Entladen einen für die Anwendung definierten Grenzwert bezüglich Ladezustand (SoC = State of Charge) weder unter- noch überschreitet. Der SoC-Wert bezeichnet die noch verfügbare Kapazität eines Akkus im Verhältnis zum Nominalwert.

Der Wert wird in Prozent vom vollgeladenen Zustand angegeben. Beispiel: 30 Prozent bedeuten, dass der Akku noch über eine Restladung von 30 Prozent bezogen auf die Vollladung verfügt. Je nach Anwendung liegen die oberen und unteren Grenzwerte für den SoC bei 20 bis 100 Prozent für maximale Leistung bzw. 30 bis 70 Prozent für maximale Lebensdauer.

Batteriemanagementsysteme überwachen Kennwerte wie die Batteriespannung, die Temperatur der Zellen, ihre Kapazität, ihr Ladezustand, die Stromentnahme, die Restbetriebszeit, den Ladezyklus und vieles mehr. Diese Steuereinheiten sind unentbehrlich, da mehrere Batteriezellen zu einem Cluster vereinigt werden müssen, um eine hohe Gesamtbatteriekapazität zu erzielen. Eine zunehmend wichtigere Rolle in solchen Batteriemanagementsysteme spielen dabei die Balancer.

Passives Battery Balancing

Eine technisch einfache und weit verbreitete Methode ist das passive Balancing, das praktisch nur im Bereich des Ladeschlusses arbeitet, also wenn die Zellen eines Akkupacks fast vollständig geladen sind. Dabei wird bei den Zellen, die bereits die Ladeschlussspannung erreicht haben, durch den Balancer ein Widerstand parallel geschaltet und so die Spannung auf die Ladeschlussspannung begrenzt.

Diese Zelle wird dann nur geringfügig weiter geladen oder sogar etwas entladen, während die Zellen in der Reihenschaltung, die die Ladeschlussspannung noch nicht erreicht haben, weiterhin mit dem vollen Ladestrom versorgt werden. Die Leistung des Parallelwiderstandes muss dabei an den Ladestrom angepasst werden, da die überschüssige Energie in Form von Wärme am Widerstand auftritt.

Der Vorteil dieser Methode: sie ist kostengünstig und technisch leicht realisierbar. Die Kehrseite der Medaille: der Ladevorgang dauert so lange, bis die schwächste Zelle den geforderten SoC-Wert aufweist. Zudem verpufft viel Energie in Form unerwünschter Wärme. Diese Verlustwärme wirkt sich zudem negativ auf die Lebensdauer der Akkuzellen aus und ist eine nicht unerhebliche Brandgefahr.

Aktives Battery Balancing

Sehr viel komplexer, aber effizienter sind aktive Balancer. Bei ihnen wird ein Ladungstransfer von Zellen untereinander realisiert: Die Energie von Zellen mit höherer Ladung wird auf solche mit niedrigerer Ladung übertragen. Die Laderegelung stellt im Prinzip mehrere speziell auf die Anwendung optimierte Schaltregler dar, welche pro Zelle arbeiten und aktiv Energie übertragen.

Dieser Vorgang kann bereits während des Ladeprozesses erfolgen. Üblicherweise setzt er aber wie beim passiven Balancing erst im Bereich des Ladeschlusses ein. Bei bidirektionalen Balancer-Systemen findet dieser Ladungsaustausch sowohl beim Lade- wie auch Entladevorgang statt. Bidirektionale Balancer sind dadurch noch effizienter.

Ein großer Vorteil beim aktiven Balancing ist der deutlich höhere Wirkungsgrad, da überschüssige Energie nur zu einem geringen Grad in Wärme umgewandelt wird. Aktives Balancing wird derzeit bei größeren Leistungen (E-Power) angewandt, etwa im Bereich der Elektromobilität (EV = Electric Vehicle, BEV = Battery Electric Vehicle, HEV = Hybrid Electric Vehicle und PHEV = Plug-in Hybrid Electric Vehicle).

Der höhere Schaltungsaufwand für die Steuerung bringt natürlich höhere Initialkosten mit sich. Im Gegenzug bietet diese zum Batteriemanagement gehörende Steuerung aber handfeste Vorteile. Mittels einer übergeordneten Laderegelung mit intelligenter und lernfähiger Software kann durch diese Ladungsumverteilung von starken zu schwachen Zellen – auch über unterschiedliche Reihenschaltungen hinweg – die Lebensdauer eines Hochleistungs-Akkupacks deutlich verlängert werden.

Absichern

In E-Power-Anwendungen wie Elektrofahrzeugen stellen die Akkupacks den zumeist größten Kostenfaktor überhaupt dar. Der Kunde verlangt nach maximaler Leistungskapazität, schnellstmöglichem Ladevorgang, langer Lebensdauer und absoluter Zuverlässigkeit. Anforderungen, die nicht einfach vereinbar sind.

Akkus auf Lithiumbasis weisen eine deutlich höhere Leistungsdichte als die robusten Bleiakkus auf. Sie reagieren jedoch sehr empfindlich auf Über- und Unterspannung. Dies erfordert eine Überwachung und Absicherung, um einen vorzeitigen Ausfall, Überhitzung oder gar einen Kurzschluss einzelner Zellen zuverlässig zu verhindern.

Solche Sicherungen müssen über viele Jahre fehlerfrei funktionieren. Sie müssen der winterlichen Kälte und der Sommerhitze widerstehen, Schlägen und Vibrationen standhalten. Sie müssen maximale Lade- und Entladeströme mit minimalen Verlusten passieren lassen. Ein- und Ausschalten, Beschleunigen – auch zyklische Festigkeit ist unverzichtbar.

Maßgeschneiderte Sicherungen

Zu den größten Feinden der Akkupacks zählen Übertemperatur, Kurzschlüsse und pulsförmige Überströme. Je nach Konstruktion und Verwendungszweck des Hochleistungs-Akkupacks muss der Fokus mal stärker auf den Schutz vor Überstrom, ein andermal eher auf die Temperatur gelegt werden.

Zumeist kommen aber gleich mehrere potenzielle Probleme zusammen. In der Praxis bedeutet dies nichts anderes, als dass maßgeschneiderte Lösungen zur Absicherung notwendig sind. Denkbar und bereits realisiert sind hier etwa pulsfeste Kombi-Sicherungen zum Schutz vor Überstrom und Übertemperatur. Und zwar in Chip-Technologie, um auch die nötige mechanische Widerstandsfähigkeit zu gewährleisten.

Maximale Leistungsdichte bei maximaler Sicherheit und Langlebigkeit: dieser Ansatz gilt nicht nur für die einzelnen Zellen, sondern für die gesamte Energieeinheit.

Ökonomie

Natürlich ist es möglich, stets auf die neueste Akkutechnologie zu setzen und immer die größtmögliche Leistungskapazität bereitzustellen. Dies ist aber grundsätzlich mit hohen Kosten verbunden, und Langzeiterfahrungen fehlen gänzlich. Aus diesem Grund tendiert die Industrie dazu, auf bewährten Technologien aufzubauen, welche sich in Standardanwendungen (z.B. Notebooks) millionenfach bewährt haben.

In einem nächsten Schritt werden Fertigungsprozesse optimiert, die Grenzen der Zu- und Abführung der Leistung ausgelotet sowie Mechanismen zur möglichst beliebigen Skalierung entwickelt. Dem intelligenten Lade- und Entladevorgang kommt inskünftig eine enorme Bedeutung zu. Optimiertes Balancing verbindet maximale Leistung mit maximaler Lebenserwartung.

* Marcel Schmid ist Mitarbeiter Marketing Kommunikation der Schurter AG in Luzern, Schweiz. Wir haben diesen Beitrag von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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