Akkus Welche Ladezustands- Bestimmung eignet sich für LiFePO4/Li4Ti5O12 ?

Standard-Lithium-Ionen-Akkus zeigen hinsichtlich Sicherheit, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Schnellladefähigkeit Schwächen. -Lithium-Eisenphosphat- (LiFePO4, LFP)/Lithium-Titanat- (Li4Ti5O12, LTO) -Zellen haben in dieser Hinsicht erheblich bessere Eigenschaften. Mit der neuen Li-Ionen-Akkuart stellt sich aber auch die Frage, ob deren Ladezustand mit den gängigen Verfahren diagnostiziert werden kann. Lassen sich Verfahren, die sich vor allem bei Blei- und den Standard-Li-Ionen-Zellen etabliert haben, auf LFP/LTO-Akkus übertragen? In diesem ersten Teil werden Ah-Bilanzierung und Ruhespannungsmethode analysiert.

Die meistens verwendeten Methoden zur Ladezustandsbestimmung an Blei- und Lithium-Ionen-Akkus basieren auf:

  • 1. Ah-Bilanzierung,
  • 2. Schätzung der Ruhespannung U0,
  • 3. Impedanzmessung, z.B. anhand der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) oder der Innenwiderstandsbestimmung an Stromstufen,
  • 4. Soft Computing, z.B. künstliche Neuro-Fuzzy-Inferenz-Systeme.

Jede Methode hat ihre Vor-, aber auch ihre Nachteile. Durch Kombination mehrerer Verfahren wird versucht, einige der Nachteile zu beheben. Die Eigenschaften moderner Li-Ionen-Zellen wie z.B. LFP/LTO (Lithium-Eisen-Phosphat-Kathode/Lithium-Titanat-Anode) weichen jedoch erheblich von den Eigenschaften gängiger Li-Ionen-Zellen mit Graphit-Anode ab. Damit stellt sich die Frage, welche Verfahren der Ladezustandsbestimmung (SOC, State of Charge) sich auf den Einsatz mit modernen Li-Ionen-Zellen wie LFP/LTO übertragen lassen.

1. Ah-Bilanzierung

Das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Ladezustandsbestimmung ist die Amperestundenbilanzierung, auch Ah-Zähler genannt. Hierbei handelt es sich um eine vorzeichentreue Messung der auf die Nennkapazität CN eingelagerten und entnommenen Ladungsmenge. Genauer: Ist in t = 0 der Ladezustand SOC0 bekannt, so gilt:

open parentheses 1 close parentheses equals S O C : equals S O C left parenthesis t right parenthesis : equals S O C subscript 0 plus 1 over C subscript N integral subscript 0 superscript T i subscript H R left parenthesis t right parenthesis end subscript d t

mit dem Hauptreaktionsstrom iHR :=iBat −iNR,

also der Differenz aus Batteriestrom iBat und Strom in die Nebenreaktionen iNR. Der Wertebereich der SOC-Funktion liegt in der Regel zwischen 0 und 1, d.h. SOC(t) ∈ [0, 1] ⊂ R, kann aber auch sowohl >1 als auch <0 sein. Alternativ lässt sich der Ladezustand auch relativ in % angeben. Soll die im Laufe des Betriebs des Speichers unvermeidbare Alterung nicht in die SOC-Berechnung eingehen, so wird auf die aktuelle Kapazität Ca normiert, also die Ladungsmenge, die ein vollgeladener Speicher unter Nennbedingungen zu einem Zeitpunkt nach Erstinbetriebnahme hat. Der auf Ca normierte Ladezustand heißt relativer Ladezustand und wird mit SOCr bezeichnet.

Vorteil der Ah-Bilanzierung ist, dass sie prinzipiell für jede Art von Speicher anwendbar ist. Der benötigte Algorithmus für die Berechnung lässt sich sehr leicht implementieren und kann daher ohne großen Aufwand in eine Ladeschaltung oder ein Akkumanagementsystem integriert werden.

Die Ah-Bilanzierung hat aber auch Nachteile: Aufgrund der unvermeidlichen Fehler bei der Stromintegration und der Verluste beim Laden muss in bestimmten Zuständen des Akkus eine Rekalibrierung des Ah-Zählers erfolgen. Der Strom in die Nebenreaktionen iNR:= iBat −iHR ist nicht direkt messbar und bedingt im Besonderen bei Blei- und NiMH-Akkus nach wenigen Zyklen eine Abweichung zwischen berechnetem und tatsächlichem Ladezustand [1]. Daher wird zur Berechnung des Ladezustandes z.B. der Ladefaktor oder ein komplexeres Verlustmodell herangezogen. Ein guter Referenzpunkt zur Rekalibrierung des Ah-Zählers zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

  1. Der Referenzpunkt repräsentiert genau den spezifischen Ladezustand SOC0.
  2. Im regulären Betrieb des Speichers gibt es eine ausreichende Anzahl von Ereignissen, um den Referenzpunkt zu erreichen, ohne dabei die eigentliche Funktion der Anwendung zu beeinträchtigen.
  3. Der Referenzpunkt lässt sich einfach erreichen, ohne den Speicher zu belasten (altern).
  4. Unabhängig von der Betriebsweise - z.B. Höhe der Lade-/Entladestromstärke, Abbruchkriterien - wird der Referenzpunkt möglichst exakt eingenommen.

Der Voll- oder der Leerzustand (SOC0 = 1 bzw. SOC0 = 0) sind naheliegende Rekalibrierungspunkte des Ah-Zählers. Wir konzentrieren uns im weiteren Verlauf auf den in der Praxis relevanteren Vollladezustand, da SOC = 0 in der Regel den vier Bedingungen noch schlechter genügt. Im Gegensatz zu Bleiakkus lässt sich SOC = 1 bei Lithium-Ionen-Akkus erheblich leichter und insbesondere schneller herstellen. Aufgrund der vernachlässigbaren Ladeverluste werden bei Li-Ionen-Zellen auch weniger Vollladeereignisse zur Rekalibrierung benötigt. Die Anforderungen nach Punkt 3 und 4 sind deutlich weniger problematisch als bei Bleiakkus.

Den Vollladepunkt an Bleiakkus zu erreichen ist in der Regel sehr zeitaufwendig, stets verbunden mit nicht unerheblichen Ladeverlusten und einer signifikanten Belastung und Alterung der Zellen. Andererseits ist eine Vollladung aufgrund gewisser egalisierender Alterungsphänomene lebensnotwendig für Bleiakkus. Daher ist für Bleiakkus eine durchdachte Betriebsstrategie notwendig. In Leistungs-Anwendungen mit hohen Entladestromstärken ist für die Ah-Bilanzierung nicht nur eine genaue, sondern auch eine sehr schnelle Strommessung erforderlich.

Die Ah-Bilanzierung ist prinzipiell und nach den bisherigen Analysen besonders gut zur SOC-Bestimmung an LFP/LTO-Akkus geeignet. Wird der Vollladezustand als Referenzpunkt zur Rekalibrierung des Ah-Zählers verwendet, müssen noch die letzten drei der vier Eigenschaften eines guten Referenzpunktes im Betrieb der Anwendung nachgewiesen werden. Die Ladeverluste sind, wie bei vielen Standard-Li-Ionen-Zellen, unter Nennbedingungen vernachlässigbar (<0,1 %). Im Falle der LFP/LTO-Zellen hängen die Ladeverluste auch nicht von der Höhe des Ladestroms ab. Messungen mit Ladestromstärken im Bereich von 0,1 C bis 10 C ergaben keine nennenswerten Abhängigkeiten, die Ladeverluste blieben <0,1 %.

Wie aus Bild 1 hervorgeht, ist der Vollladepunkt bei LFP/LTO-Zellen weniger sensibel gegenüber der Abschaltstromstärke I0 - dem Ladeparameter, der das Ende des Ladevorganges definiert und vom Hersteller der Zellen in einer IU-Ladekennlinie spezifiziert wird. Die Zeit für eine Vollladung aus SOC = 0 von LFP/LTO-Zellen fällt bei gleicher Ladekennlinie, gleichen Ladeparametern und vergleichbaren Zelldaten zwischen 30 % und 60 % kürzer aus als bei anderen Li-Ionen-Zellen. Damit erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit, den Vollladepunkt im normalen Betrieb der Anwendung hinreichend oft zu erreichen.

Insbesondere trägt die allen anderen Li-Ionen-Akkus weit überlegene Schnellladefähigkeit der LFP/LTO-Zellen sogar verbessernd dazu bei. In weiteren Untersuchungen ist noch die Abhängigkeit des Referenzpunktes von der Zelltemperatur und Alterung zu eruieren.