Aktiv- vs. Passiv-Balancing
Wie Harmonie in Batteriemanagementsystemen entsteht
Angesichts der Energiewende rückt die Effizienz von Batteriemanagementsystemen (BMS) in den Fokus. Herzstück des BMS ist das Balancing. Worauf kommt es dabei an?
BMS werden bei Akkus eingesetzt, die einen Anteil Lithium als chemischen Reaktionspartner nutzen und bei falschem Ladeverfahren zu Überhitzung oder Explosion neigen. Das Lademanagement ist ein entscheidender Prozess, der die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Batterien maßgeblich beeinflusst.
Was geschieht, wenn das harmonische Gleichgewicht zwischen den Zellen eines Batteriepacks gestört ist? Die Konsequenzen sind vielfältig und reichen von subtilen Energieverlusten bis hin zu potenziell verheerenden Schäden. Energieverschwendung, Überladen und Tiefentladen zählen zu den unmittelbaren Folgen eines nicht ausbalancierten Batteriepacks. Das Resultat: durch vermehrte Alterungsprozesse eine verkürzte Lebensdauer der Batterien und bei jedem Lade- und Entladezyklus Verschwendung von Energie wegen vorzeitiger Abschaltung, wenn die verbleibende Energie in den Zellen nicht präzise ermittelt wird.
[Aktives vs. passives Balancing
Aktives und passives Balancing repräsentieren die beiden Hauptkriterien in der Welt des BMS. Aktives Balancing wird bevorzugt, wenn höchste Präzision, schnelle Reaktionszeiten, lange Batterielaufzeiten und ein hoher Balancing-Strom gefragt sind. Dieses Verfahren ist besonders in stationären Systemen wie Energiespeichersystemen für Notstromversorgung anzutreffen. Hier bietet es sich an, da Platz oft kein begrenzender Faktor ist und eine langanhaltende Batterielebensdauer von entscheidender Bedeutung ist.
Passives Balancing hingegen tritt auf den Plan, wenn geringere Spannungen und weniger verfügbare Leistung in Betracht gezogen werden müssen, wie es beispielsweise bei E-Bikes und E-Scootern der Fall ist. Hier spielt der finanzielle Aspekt eine zentrale Rolle, denn passive Balancing-Methoden bieten nicht nur eine zuverlässige Leistung in Anwendungen, in denen höchste Präzision nicht unbedingt im Vordergrund steht, sondern sind deutlich kostengünstiger, wenn auch ein deutlich besseres Kühlkonzept zum Einsatz kommt.
Allerdings ist neben der Theorie zu beachten, dass hoher Kostendruck, Mangel an Expertise, Platzmangel und die einfache Ausführung in der Realität dazu führen, dass oft nur passive Methoden zum Einsatz kommen.
[Verschiedene Konzepte des aktiven Balancing
Unter dem Dach des aktiven Balancings existieren verschiedene Konzepte, die darauf abzielen, die Energie im Batteriepack präzise zu verteilen. Das »Neighbouring-Balancing« ermöglicht es einer Zelle, ihre Energie ausschließlich an ihre Nachbarzellen abzugeben.
Das »Single-Pair-Balancing« geht einen Schritt weiter. Hier kann eine Zelle ihre Energie an eine andere Zelle abgeben, ohne dass es zwingend die benachbarte Zelle sein muss. Das »Multipair-Balancing« erweitert die Möglichkeiten weiter, indem sich eine Zelle mit mehreren unterschiedlichen Zellen verbinden kann. Diese Variabilität erweist sich als besonders effektiv in Hochleistungssystemen, in denen eine optimale Verteilung der Energie über den gesamten Batterieverbund entscheidend ist.
Die Konzepte des »One to many« und »Many to one« ermöglichen es allen Zellen im Batterieverbund, sich mit einer beliebigen anderen Zelle zu verbinden. Diese Flexibilität erlaubt eine dynamische Anpassung an wechselnde Anforderungen und macht diese Konzepte besonders vielseitig in der Informations- und Kommunikationstechnik.
[Widerstandsbasiert und diodenbasiert
Beim passiven Balancing existieren zwei wesentliche Konzepte: das widerstandsbasierte und das diodenbasierte Balancing. Das widerstandsbasierte Balancing nutzt passive elektrische Widerstände, um Zellen mit höherer Energie zu entladen. Die dabei entstehende Wärme wird als Nebenprodukt abgeführt. Dieses Konzept findet in den meisten BMS anwendung, da es eine kostengünstige, simple und dennoch effektive Balancing-Methode ist.
Das diodenbasierte Balancing setzt Halbleiterdioden ein, um den Energiefluss zwischen den Zellen zu regulieren. Hier öffnen sich die Dioden automatisch zu einer Nachbarzelle, wenn ein bestimmtes Spannungsniveau unterschritten wird.
In der vielschichtigen Welt des Balancing in BMS zeigt sich, dass die Wahl zwischen aktivem und passivem Balancing sowie die spezifischen Konzepte entscheidend von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung abhängen. Von der Präzision in Hochleistungssystemen bis zur Kosteneffizienz in mobilen Anwendungen – die Typen des Balancing bieten ein breites Spektrum an Lösungen; damit werden nicht nur die Herausforderungen der Gegenwart gemeistert, sondern auch die Grundlagen für eine zukunftsweisende Energieverwaltung gelegt, die die Dynamik unserer technologischen Entwicklung weiter antreibt.
BMS auf arrow.de
Arrow Electronics bietet neuerdings eine mit Zugang zu Support-Serviceleistungen und Designpapieren, die in Zusammenarbeit mit Experten aus Unternehmen des Arrow-Ökosystems verfasst und nach und nach zum Download bereitgestellt werden.
Die von den Batteriespezialisten von Arrow verwaltete Plattform soll dabei helfen, dass BMS-Projekte von Kunden kritische Anforderungen wie funktionale Sicherheit, Effizienz, Batterielebensdauer und Ladezeit erfüllen. Das technische Support-Angebot von Arrow, unter anderem von eInfochips, spezialisiert auf die Unterstützung komplexer technischer Projekte, deckt den gesamten Entwicklungszyklus ab – angefangen beim Hardware- und Firmware-Design über die Prototypenerstellung bis hin zu funktionaler Sicherheit, Tests und behördlicher Zertifizierung. »Batteriemanagement ist ein zentraler Bestandteil der ‚Electrification of Everything’, also der Elektrifizierung von allem, was elektrifiziert werden kann – ein Megatrend der heutigen Zeit, da wir verstärkt auf erneuerbare Energien setzen, um unsere Ressourcen zu schonen und das Klima zu schützen«, so Ulrich Lentz, Technology Field Applications Engineer für BMS bei Arrow Electronics.
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