Wenn Sie mit Lithiumbatterien vertraut sind, wissen Sie, dass sie aus Zellen bestehen. Dieses Konzept unterscheidet sich nicht allzu sehr von versiegelten Blei-Säure-Batterien (SLA), die ebenfalls aus Zellen bestehen. Beide Batterietypen erfordern einen Zellausgleich, aber was genau ist Zellausgleich? Wie geschieht er und wie wirkt er sich auf die Leistung aus?
Bevor wir uns mit dem Ausgleich von Lithium-Eisenphosphat-Zellen befassen, wollen wir uns kurz mit der Struktur einer Batterie befassen. Unterschiedliche Anwendungen erfordern unterschiedliche Spannungs- und Amperestundenspezifikationen, daher gibt es Batterien in Einzelzellen- und Mehrzellenversionen. Eine 12.8-Volt-Batterie besteht beispielsweise aus vier LiFePO4-Zellen mit jeweils 3.2 Volt. Eine 12-Volt-Blei-Säure-Batterie hingegen besteht aus sechs 2-Volt-Blei-Säure-Zellen.
Es muss unbedingt sichergestellt werden, dass alle LiFePO4-Zellen vor dem Zusammenbau hinsichtlich Kapazität, Spannung und Innenwiderstand aufeinander abgestimmt sind und nach der Produktion ausgeglichen werden.
Was ist Batterieausgleich?
Beim Batterieausgleich werden Zellen nach Kapazität und Spannung abgeglichen und ihre Spannung durch Zyklen der Zellen gesteuert, um bei allen Ladezuständen (SOC) das Gleichgewicht oder nahezu identische Spannungen aufrechtzuerhalten. Es ist wichtig zu beachten, dass der Batterieausgleich vor und nach der Montage der Batterie erfolgt und während ihrer gesamten Lebensdauer fortgesetzt werden muss, um eine optimale Leistung aufrechtzuerhalten. Dieses Konzept ähnelt dem Aufrechterhalten des Gleichgewichts beim Reihenschalten einzelner Zellen.
Ausgleich von Lithium-Eisenphosphat-Zellen
LiFePO4-Akkupacks (oder alle Lithium-Akkupacks) sind mit einer Platine mit Ausgleichsschaltung, Schutzschaltungsmodul (PCM) oder Batteriemanagementsystem (BMS) ausgestattet, die die Batterie und ihre Zellen überwacht. Bei Batterien mit Ausgleichsschaltungen gleichen die Schaltungen die Spannung der einzelnen Zellen aus, wenn sich die Zellen 100 % nähern – der Industriestandard für Lithiumeisenphosphat besteht darin, die Zellspannung über 3.6 Volt auszugleichen. In einem PCM oder BMS hält die Hardware den Ausgleich normalerweise mit zusätzlichen Schutz- oder Verwaltungsfunktionen über die Ausgleichsschaltung hinaus aufrecht, wie z. B. der Begrenzung des Lade-/Entladestroms.
SLA-Akkupacks werden nicht wie Lithiumbatterien überwacht und daher nicht auf die gleiche Weise ausgeglichen. SLA-Batterien werden ausgeglichen, indem sie mit einer etwas höheren Spannung als normal geladen werden. Da es keine interne Überwachung gibt, müssen sie extern über ein Hydrometer überwacht werden, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern. Dies geschieht nicht automatisch, sondern ist normalerweise Teil der routinemäßigen Wartung.
Aktiver vs. passiver Zellausgleich
Beim passiven Zellausgleich wird Strom über einen Widerstand in eine Zelle entladen. Wenn eine Zelle „voll“ ist, wandelt der Widerstand Energie in Wärme um, wodurch der Strom zu vollen Zellen reduziert wird, bis alle Zellen ausgeglichen sind.
Beim aktiven Zellausgleich wird der Strom zunächst an die am wenigsten geladene Zelle geleitet und die „volle“ Zelle wird zum Laden der „schwachen“ Zelle verwendet. Während dieses Vorgangs wird der Strom darauf konzentriert, die weniger geladenen Zellen zu füllen, bis sie den anderen Zellen gleich sind. Nach dem Ausgleich wird der Strom gleichmäßig verteilt, bis alle Zellen vollständig geladen und gleich sind.
Aktives und passives Ausbalancieren erreichen dasselbe, aber das aktive Ausbalancieren ist schneller und effizienter.
Warum ist es wichtig, Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen auszubalancieren?
Bei Lithium-Eisenphosphat-Batterien wird die Leistung und Lebensdauer der Zelle beeinträchtigt, sobald die Zelle mit der niedrigsten Spannung die Entladeschlussspannung erreicht. Daher ist die Aufrechterhaltung des Zellgleichgewichts entscheidend für eine optimale Zellfunktion und eine lange Lebensdauer. Ausführliche Informationen zu den verschiedenen Lithium-Batterietypen finden Sie in unserem umfassenden Leitfaden zu AGM-Batterien für optimale Leistung.
Auf Befehl des Batteriemanagementsystems (BMS) oder des Schutzschaltungsmoduls (PCM) wird die gesamte Batterie abgeschaltet. Wenn die Zellen während der Entladung unausgeglichen sind, kann dies bedeuten, dass einige Zellen noch ungenutzte Energie haben, d. h. sie sind nicht wirklich „erschöpft“. Nehmen wir ebenso an, dass der Akkupack während des Ladevorgangs unausgeglichen ist. In diesem Fall wird der Ladevorgang gestoppt, wenn die Zelle mit der höchsten Spannung die Abschaltspannung erreicht, was dazu führt, dass nicht alle Li-FePO4-Zellen vollständig geladen werden und die Batterie somit unterladen wird.
Warum tritt dieses Problem auf? Erstens führt ein Ungleichgewicht der Zellen zu einer geringeren Kapazität und einer höheren Abschaltspannung der Zellen. Darüber hinaus wird das kontinuierliche Laden und Entladen einer unausgeglichenen Zelle die Situation mit der Zeit verschlimmern. Angesichts der relativ linearen Entladekurve von LiFePO4-Zellen ist die Abstimmung und Ausbalancierung aller Zellen von entscheidender Bedeutung – je größer der Unterschied zwischen den Zellspannungen, desto geringer die Zellkapazität.
Theoretisch entladen sich ausgeglichene Zellen mit der gleichen Geschwindigkeit, sodass der Strom jedes Mal gleichzeitig bei der gleichen Spannung unterbrochen werden kann. In der Praxis ist dies jedoch nicht immer der Fall, daher ist der Ausgleichsschaltkreis (oder PCM/BMS) sehr wichtig. Er stellt sicher, dass die Zellen während des Ladevorgangs vollständig ausgeglichen sind, sodass die vorgesehene Kapazität der Batterie erhalten bleibt und eine vollständige Ladung erreicht wird. Die ordnungsgemäße Wartung ist entscheidend für die Verlängerung der Lebensdauer von Lithiumbatterien, und der Batterieausgleich spielt in diesem Prozess eine wichtige Rolle.
Wenn Sie weitere Fragen zum Batterieausgleich, zu Lithiumbatterien oder verwandten Themen haben, können Sie sich gerne an uns wenden.