Akku-Lade-ICs Akkus auf den Zahn gefühlt

Damit Energiespeicher für Photovoltaik- und Windkraftanlagen aus Lithium-Ionen-Zellen über lange Zeiträume und unter rauhen Umgebungsbedingungen sicher und effizient arbeiten, müssen die einzelnen Zellen optimal betrieben und überwacht werden.

Die Schaltung einer typischen Photovoltaik-Anlage zeigt Bild 1. Die Komponenten zum Speichern der Energie sind die gleichen wie bei einer Windkraftanlage. Die Ausgangsspannung eines Solarzellenfeldes wird auf einen Pegel gebracht, mit dem sich am Ausgang des Wechselrichters die gewünschte Wechselspannung erzeugen lässt. Der Aufwärtswandler unterstützt auch eine MPPT-Funktion (Maximum Power Point Tracker) und wird vom lokalen Prozessor gesteuert. Dem eingangsseitigen Aufwärtswandler nachgeschaltet ist eine U/I-Ladeschaltung. Diese erzeugt einen geeigneten Ladestrom zum Aufladen eines Feldes aus Lithium-Ionen-Zellen. Die Lithium-Ionen-Zellen sind normalerweise in Module oder Packs mit jeweils sechs bis zwölf Zellen gruppiert. Mehrere Module werden in Serie geschaltet und erzeugen zusammen die erforderliche Stack-Spannung.

Die Stack-Spannung wird normalerweise so gewählt, dass sie die Arbeit des Wechselrichters erleichtert. So kann die Stack-Spannung zum Beispiel 180 VDC betragen, um eine Ausgangsspannung von 110 VAC zu erhalten. Eine typische Lithium-Ionen-Zelle, wie sie in den Datenblättern verschiedener Hersteller für kleine USV-Installationen empfohlen wird, hat bei zylindrischer Bauform die Größe einer 4/5-Monozelle (D) mit einer Nennspannung von 3,7 V und weist eine typische Speicherkapazität von 4,4 Ah auf. Dies ergäbe 48 Zellen in Serienschaltung, angeordnet in acht Packs mit jeweils sechs Zellen. Jeder Serienstrang bietet eine Speicherkapazität von 780 Wh.

Um die Speicherkapazität der Batterie-Bank zu erhöhen, werden zusätzliche Serienstränge parallelgeschaltet. Ein Batterie-Stack mit mehreren Seriensträngen ist erforderlich, um einen Privathaushalt über mehrere Stunden mit elektrischer Energie zu versorgen. Zum Beispiel liefern 26 parallelgeschaltete Serienstränge eine Gesamtkapazität von 20 kWh. Unter der Annahme, dass die nutzbare, in einem Batterie-Stack gespeicherte Energie 80 % der Nennkapazität entspricht, entsteht eine nutzbare Kapazität von etwa 16 kWh. Batterie-Stacks mit derart hohen Spannungen sind lebensgefährlich und müssen stets mit großer Vorsicht behandelt werden. Die oben erwähnte Gesamtkapazität von 20 kWh ergibt insgesamt 1248 Lithium-Ionen-Zellen im Array. Zwei „Strings“ sind in Bild 1 dargestellt. Bei so vielen parallelgeschalteten Strängen ist es empfehlenswert, einzelne „Strings“ vom gesamten Array zu isolieren. Dazu können etwa ein Hochstrom-Relais oder ein hoch belastbarer Schalter in Serie zu jedem Strang verwendet werden; diese Bauteile sind im Bild jedoch nicht dargestellt. Zu jedem Strang gehört eine eigene Überwachungsschaltung, die von den benachbarten Strängen unabhängig ist. Eine eigene Überwachungsschaltung für jeden Strang vereinfacht jedoch die Isolation individueller Stränge, falls erforderlich. Außerdem lassen sich so einzelne Lithium-Ionen-Zellen eines Strangs besser überwachen. Durch Überladen von Lithium-Ionen-Akkus kann lokale Erwärmung entstehen, die wiederum zur Erwärmung des Gesamtsystems führt. Sogar Brände können auf diese Art entstehen. Nur durch eine optimale Überwachung lassen sich solche Szenarien verhindern. Obwohl die Preise für Batterien aufgrund ständig steigender Produktionszahlen sinken und immer mehr Hersteller auf den Markt kommen, sind solche Stacks noch immer recht teuer. Addiert man die Kosten für alle erforderlichen Komponenten wie Anschlussstecker, Leitungen, Gehäuse, Überwachungselektronik usw., so ergibt sich eine realistische Zahl zwischen 750 und 1000 US-Dollar/kW. Somit beliefe sich die Summe für den hier beschriebenen Stack auf minimal 15 000 Dollar.

Zurück zu Bild 1 und den hochspezialisierten Bausteinen AD7280 und AD8280 zur Überwachung von Lithium-Ionen-Zellen. Beide verfügen über eine Spannungs- und Temperaturüberwachung aller Lithium-Ionen-Zellen im String, während der Mikroconverter ADuC703x den jeweiligen Strang-Strom überwacht. Zusätzlich zu den Eingangskanälen für die Strom und Spannungsüberwachung kommunizieren alle ARM7-basierten Mikroconverter auch mit den Überwachungsschaltungen in den Strängen aus Lithium-Ionen-Zellen. Dabei werden individuelle Zellenzustände gesammelt und Algorithmen zur Symmetrierung des Ladezustands der Zellen ausgeführt. Die Hauptfunktion des Systems wird von einem Blackfin-DSP (BF50X) gesteuert. Der digitale Signalprozessor (DSP) kommuniziert über iCoupler-Isolationsbausteine (ADuM140x) mit den einzelnen Systemblöcken. Dies ermöglicht eine gleitende Eingangsstufe und sorgt für die aus Sicherheitsgründen erforderliche elektrische Isolation der Ausgangsstufe bei hohen Spannungen.

Falls keine Energie erzeugt werden muss oder Wartungsarbeiten durchgeführt werden sollen, muss der Batterie-Stack vom Wechselrichter getrennt werden. Diese Funktion übernehmen die drei Relais oder Kontakte RL1, RL2 und RL3. Beim Einschalten des Wechselrichters bleibt RL2 offen, während RL1 und RL3 zunächst geschlossen sind. Dies begrenzt den Einschaltstrom über den Widerstand RLimit und lädt die Kondensatoren des Wechselrichters relativ langsam auf 80 bis 90 % ihres Endwertes, bevor RL2 geschlossen wird. Aus Sicherheitsgründen wird auch empfohlen, einen Entladepfad über die Eingänge des Wechselrichters zu schalten (im Bild nicht gezeigt), falls die Kontakte aus irgendeinem Grund leer laufen sollten. Dies gewährleistet, dass die Wechselrichterkondensatoren entladen sind und Verletzungen vermieden werden. Manchmal wird übersehen, dass, obwohl der Wechselrichter für Wartungszwecke physikalisch vom System entfernt wurde, die Kondensatoren noch immer gefährlich hohe Ladungen speichern können.

In Bild 1 werden Strom- und Spannungsmessungen mindestens an drei Stellen durchgeführt, um das System-Management zu unterstützen. I1 und U1 unterstützen den MPPT-Algorithmus, I2 und U2 die U/I-Ladeschaltung und I3 sowie U3 den Wechselrichterbetrieb. Diese drei Spannungen haben sehr hohe Werte und können über Spannungsteiler in den Messkanälen der ADuC703x-Bausteine gemessen werden. Die Strommessungen I1, I2 und I3 lassen sich mit Stromüberwachungsbausteinen, z.B. AD8212 oder AD7400, durchführen.