Aktiver Zellenausgleich von Li-Ionen-Zellen in Akku-Sätzen: energiesparend, schnell und gleichmäßig beim Laden und Entladen

Akku-Zellen optimal ausnutzen

Große Akku-Sätze erfordern ein präzises Management der einzelnen Zellen, um die volle Leistung der Zellen zu nutzen. Die bisherigen Methoden für einen Ladungsausgleich zwischen den in Reihe geschalteten Zellen arbeiteten zumeist...

Aktiver Zellenausgleich von Li-Ionen-Zellen in Akku-Sätzen: energiesparend, schnell und gleichmäßig beim Laden und Entladen

Große Akku-Sätze erfordern ein präzises Management der einzelnen Zellen, um die volle Leistung der Zellen zu nutzen. Die bisherigen Methoden für einen Ladungsausgleich zwischen den in Reihe geschalteten Zellen arbeiteten zumeist passiv – die höhere Ladung einer Zelle wird in Form von Wärme verschwendet. Gleichspannungswandler an den Zellenanschlüssen können dagegen die überschüssige Ladung einer Zelle zur Nachbarzelle transportieren. Dieser aktive Zellenausgleich funktioniert in jedem Betriebszustand und sorgt permanent für gleiche Ladezustände in den Zellen.

Von Dr. Simon Wen und Matthew Borne

Ein Akku dient dazu, möglichst viel elektrische Energie zu speichern und an das zu versorgende Gerät abzugeben. Bei Akku-Sätzen mit mehreren Zellen stellt sich dem idealen Speichervarhalten ein wesentliches Problem entgegen: Die Zellen sind unterschiedlich.

In Li-Ionen-Akku-Sätzen gibt es ein durch Mindest- und Höchstwert definiertes Spannungsfenster, das von jeder der in Serie geschalteten Zellen erreicht werden muss. Ein IC im Akku-Satz überwacht diese Grenzwerte und übt eine Sicherheitsfunktion aus. Der in Bild 1 gezeigte Akku-Satz kann entladen und geladen werden, solange jede einzelne Zelle im Bereich zwischen den Überspannungs- und Unterspannungs-Abschaltpunkten bleibt. Sollte eine Zelle einen der Schwellenwerte erreichen, wird der gesamte Akku-Satz abgeschaltet.

Dabei verbleibt entweder Ladung im Akku-Satz (Unterspannung), die nicht nutzbar ist, aber eigentlich für das zu versorgende Gerät zur Verfügung stehen sollte (Bild 1b), oder das Ladegerät kann den Akku-Satz (Überspannung) nicht mit der größten Energiemenge laden (Bild 1c).

Die ungleichen Zelleneigenschaften können mehrere Ursachen haben:

 

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Bild 1. Die einzelnen Zellen in einem Akku-Satz verhalten sich nicht ideal. Beim Entladen wird der Akku-Satz bereits abgeschaltet, sobald eine Zelle „leer“ ist, um eine Schädigung dieser Zelle durch Tiefentladung zu vermeiden, obwohl andere Zellen du

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Bild 1. Die einzelnen Zellen in einem Akku-Satz verhalten sich nicht ideal. Beim Entladen wird der Akku-Satz bereits abgeschaltet, sobald eine Zelle „leer“ ist, um eine Schädigung dieser Zelle durch Tiefentladung zu vermeiden, obwohl andere Zellen du

Die Auswirkungen einiger dieser Ursachen lassen sich durch eine Selektion von weitgehend gleichen Zellen und eine geschickte Akku-Satz-Konstruktion minimieren. Aber selbst wenn im Vorfeld alle nötigen Maßnahmen ergriffen werden, bleibt als Hauptursache für das unterschiedliche Verhalten der Zellen die ungleichmäßige thermische Beanspruchung im Betrieb. Die von Zelle zu Zelle unterschiedlichen Temperaturen rufen größere oder kleinere Veränderungen der Impedanz und der chemischen Reaktionen hervor. Diese ungleichmäßige Veränderung verstärkt wiederum den Effekt, so dass die wärmeren Zellen sich immer mehr erwärmen (Bild 2 ). In dieser Thermographie eines Notebooks ist gut zu erkennen, wie groß die Temperaturdifferenz zwischen den Akku-Zellen in einer typischen Unterhaltungselektronik-Anwendung sein kann. Mit jeder Temperaturerhöhung um 10 K verdoppelt sich die Geschwindigkeit, mit der chemische Reaktion ablaufen – z.B. auch die Selbstentladungsrate von Li-Ionen-Zellen.

Li-Ionen-Akkumulatoren haben unter anderem die Eigenschaft, dass ihr Innenwiderstand stark von der Temperatur abhängt. Zellen mit niedrigeren Temperaturen haben eine höhere Impedanz, so dass ihr Innenwiderstand während des Ladens oder Entladens deutlicher abnimmt. Dieser Innenwiderstand steigt außerdem, wenn die Zelle über längere Zeit einem hohen Ladezustand und hohen Temperaturen ausgesetzt wird und auch mit jedem Ladezyklus, den die Zelle durchläuft.

 

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Bild 2. Die Thermographie eines Notebooks zeigt die Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Zellen im Akku-Satz deutlich. Die untere Kurve gibt den Temperaturverlauf entlang der weißen Linie wieder – quer über den Akku-Satz – mit Temperaturunte

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Bild 2. Die Thermographie eines Notebooks zeigt die Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Zellen im Akku-Satz deutlich. Die untere Kurve gibt den Temperaturverlauf entlang der weißen Linie wieder – quer über den Akku-Satz – mit Temperaturunte

1. Teil: Akku-Zellen optimal ausnutzen
2. Teil: Akku-Zellen optimal ausnutzen
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