Der Zellenausgleich ist eine grundlegende Technik, die die Lebensdauer einer Batterie verbessert, indem sie die Kapazität eines Batteriesatzes mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen maximiert. Indem sichergestellt wird, dass alle Zellen einen ähnlichen Ladezustand haben, wird gewährleistet, dass die gesamte Energie der Batterie für die Nutzung zur Verfügung steht. In diesem Artikel wird untersucht, wie der Zellenausgleich die Lebensdauer von Batterien verbessert, und es werden aktive und passive Methoden des Zellenausgleichs untersucht.

Das Gleichgewicht der Zellen und seine Bedeutung

Der Zellenausgleich ist eine Schlüsselfunktion in einem Batteriemanagementsystem, wie es in Lithium-Ionen-Batteriepacks, Elektrofahrzeugen und Energiespeicheranwendungen eingesetzt wird. 

Die einzelnen Zellen in einem Akkupack haben oft unterschiedliche Kapazitäten und SOC-Lastzustände. Ohne Lastumverteilung muss die Entladung gestoppt werden, wenn die Zelle mit der geringsten Kapazität leer ist, auch wenn die übrigen Zellen noch nicht leer sind, wodurch die Stromversorgungskapazität des Akkus begrenzt wird.

Wenn die Zellen nicht ausgeglichen werden, entsteht eine Schwachstelle in der Zelle mit der geringsten Kapazität. In diesem Sinne ist dies die Hauptfunktion des BMS, zusammen mit anderen wichtigen Funktionen wie der thermischen Kontrolle, dem Laden und anderen Faktoren, die die Lebensdauer des Akkupacks maximieren.

Wie wird die Lebensdauer der Batterie durch Zellausgleich verbessert?

Der Zellenausgleich verbessert die Lebensdauer der Batterie, indem er sicherstellt, dass alle Zellen in einem Batteriesatz einen ähnlichen Ladezustand haben. 

Einerseits sorgt das Zellbalancing dafür, dass alle Zellen des Akkus gleichmäßig entladen werden, so dass die volle Kapazität des Akkupacks maximal genutzt werden kann.

Darüber hinaus wird durch das Zellbalancing verhindert, dass einige Zellen überladen oder stärker entladen werden als andere, wodurch sie irreparabel beschädigt und die Lebensdauer der Batterie verkürzt werden könnte.

Das Risiko eines thermischen Durchgehens durch Überladung oder Überentladung wird ebenfalls reduziert, was dazu beiträgt, die Temperatur der Batterie in einem sicheren Bereich zu halten.

Und schließlich ist sie wichtig, weil sie degradierende Prozesse minimiert, indem sie verhindert, dass einige Zellen mehr als andere überladen oder entladen werden, was die Lebensdauer der Batterie verlängert, da ihre Kapazität und Effizienz über die Zeit erhalten bleibt.

Es gibt 2 Arten von zellulärem Gleichgewicht: aktives Gleichgewicht und passives Gleichgewicht.

Aktive Zellbalancierung: Vorteile und Grenzen

Beim aktiven Zellenausgleich wird Energie von einer Zelle auf eine andere innerhalb des Batteriesatzes übertragen. Dies wird durch Wandlerschaltungen erreicht, die Energie von Zellen mit höherer Spannung oder Ladung zu Zellen mit niedrigerer Spannung oder Ladung leiten. Einige Vorteile des aktiven Zellenausgleichs sind:

• Verbesserung der Kapazitätsauslastung.
• Erhöhte Energieeffizienz durch Vermeidung von Energieverlusten in Form von Wärme.
• Verlängerung der Lebensdauer von Zellen.
• Schnelles Auswuchten.

Obwohl die aktive Zellbalancierung eine Reihe von Vorteilen bietet, hat sie auch einige Einschränkungen, wie z. B.:

• Energieverlust bei der Lastübertragung (ca. 10% bis 20%).
• Begrenzung der Lastübertragung nur von einer oberen auf eine untere Zelle.
• Erhöhte Komplexität der Steuerungsalgorithmen und höhere Produktionskosten aufgrund des Bedarfs an zusätzlichen leistungselektronischen Schnittstellen.

Passive Zellbalancierung: Vorteile und Grenzen

Beim passiven Zellenausgleich wird die überschüssige Energie der am stärksten belasteten Zellen über Widerstandselemente verbrannt, bis die Last auf alle Zellen verteilt ist. 

Einige Vorteile des passiven Zellausgleichs sind:

• Es ist nicht erforderlich, ein Akkupaket auszugleichen.
• So wird vermieden, dass Energie aus einer Zelle verschwendet wird, die sie nicht hat.
• Ermöglicht es, dass alle Zellen den gleichen Ladezustand (SoC) haben.
• Es bietet einen kosteneffizienten Ansatz für den Ausgleich von Zellen.

Die passive Zellbalancierung hat auch einige Einschränkungen, wie zum Beispiel:

• Schlechtes Wärmemanagement.
• Sie ist im gesamten SoC nicht vollständig ausgeglichen, was bedeutet, dass überschüssige Energie verschwendet wird.
• Geringer Wirkungsgrad der Leistungsübertragung aufgrund von Wärme- und Schaltverlusten.
• Die Laufzeit eines batteriebetriebenen Systems wird dadurch nicht verlängert.

Schlussfolgerung

Beim Balancieren der Zellen eines Akkupacks liegt der Schwerpunkt auf der Anpassung des Ladezustands (SoC) jeder einzelnen Zelle und nicht auf der Anpassung ihrer Gesamtkapazität. Wenn der Akkupack bereits ab Werk korrekt ausgeglichen ist, muss das Batteriemanagementsystem (BMS) nur noch den Ausgleichsstrom überwachen. Dies ist besonders vorteilhaft, da Batteriesätze gebaut werden können, die bereits ausgeglichen sind, so dass ein BMS nicht mehr erforderlich ist, um einen vollständigen Ausgleich durchzuführen.

Das Ziel jeder Balancing-Methode ist es, dem Akkupack einen Betrieb mit Spitzenleistung zu ermöglichen und seine Nutzkapazität zu verlängern. Für diejenigen, die die Kosten minimieren und ein langfristiges Ungleichgewicht des Selbstentladestroms der Zellen korrigieren wollen, ist das passive Balancing die beste Option. Beim passiven Balancing kann eine Zelle keine Energie verschwenden, die sie nicht hat. Nur wenn die Energiebank vollständig geladen istAuf diese Weise verfügt eine Zelle über genügend Energie, um sich selbst auszubalancieren, wodurch eine unnötige Energieverschwendung vermieden wird.

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