Chip-Sicherung zum Schutz vor Überstrom Balance-Akt bei Mehrzellen-Akkus

Batterie-Managementsysteme mit Chip-Sicherung vor Überstrom und Übertemperatur.
Mehrzellige Akkus müssen sehr genau ausbalanciert werden

In einem Mehrzellen-Akku bestimmt die schwächste Zelle, welche Kapazität das Gesamtsystem hat. Da einzelne Zellen unterschiedlich altern, kann man nicht sicherstellen, dass alle Zellen eine identische Kapazität aufweisen. Es braucht intelligente Ansätze wie »Battery Balancing«.

Lithium-Ionen-Akkus unterliegen – wie andere Akkutypen auch – beim Laden und Entladen einem Abnutzungsprozess, der auf chemische Veränderungen zurückzuführen ist. Beim Li-Ionen-Akku besteht die Anode aus einer Kupferfolie, die mit Kohle oder einer Graphitverbindung beschichtet ist. Die Kathode besteht aus einer Lithiumverbindung. Der zwischen den Elektroden liegende Elektrolyt ist ein gelöstes Lithiumsalz. Je nachdem ob der Elektrolyt flüssig oder fest ist, spricht man von Li-Ionen- oder Li-Polymer-Akkus.

Die unter diesen Sammelbegriff gehandelten Zellen unterscheiden sich hauptsächlich im Kathodenwerkstoff, der aus Kobalt, Mangan, Nickel-Kobalt, Nickel-Kobalt-Mangan (NKM), Eisenphosphat oder Titanat bestehen kann. Die verschiedenen Kathodenwerkstoffe bewirken unterschiedliche Energiedichten, Leistungsdichten, Nennspannungen und mögliche Ladezyklen.

Schonendes Laden erhöht die Akku-Lebensdauer

Das sogenannte IU-Ladeverfahren (Bild 1), das bei solchen Zellen angewandt wird, arbeitet mit Konstantstrom und Konstantspannung (Constant Current = CC, Constant Voltage = CV). Wie die Lebensdauer, hängt auch die Ladezeit von diversen Faktoren ab. Bei höheren Ladeleistungen kommt vor allem die Abhängigkeit von der Temperatur noch hinzu. Kurze Ladezeiten bzw. hohe Ladeströme wirken sich belastend auf das Elektrodenmaterial aus, sodass die Lebensdauer und Zyklenzahl verkürzt wird. Schonendes Laden/Entladen indes erhöht die Lebensdauer massiv.

Lithium-Plating kann sogar Kurzschlüsse hervorrufen

Das Laden und Entladen von Li-Ionen-Zellen bei hohen Strömen oder tiefen Temperaturen kann zu Lithium-Plating führen. Dabei lagern sich Lithium-Ionen bevorzugt auf der Anodenoberfläche ab, anstatt sich zwischen die Schichten des Graphits einzulagern. Dieser Effekt führt zu signifikanten Einbußen an Leistung, Lebensdauer und Sicherheit. In extremen Fällen kann das Lithium-Plating sogar zu einem Kurzschluss oder, da metallisches Lithium leicht entflammbar ist, auch zu einem Brand führen.

Üblich sind, je nach Qualität und Aufbau des Akkus, 500 bis über 1.000 Ladezyklen. Als abgenutzt gilt ein Akku dann, wenn weniger als 80 % der ursprünglichen Kapazität übrig sind.

Cluster/Akkupacks bei großem Kapazitätsbedarf

Cluster oder Akkupacks bestehen zur Erhöhung der Nennspannung in der Regel aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen oder Zellblöcken. Fertigungs- und alterungsbedingt gibt es hierbei Schwankungen in der Kapazität, im Innenwiderstand und weiteren Parametern dieser Zellen. Die schwächste Zelle ist dabei bestimmend, wie viel geladen bzw. entladen werden darf.

Im praktischen Einsatz von mehrzelligen in Reihe verschalteten Akkus führt dieser Umstand dazu, dass die Zellen in Reihe unterschiedlich geladen und entladen werden. Es kommt dann im Verbund zu kritischer Tiefentladung oder bei der Ladung zu Überladung und Überschreiten der Ladeschlussspannung einzelner Zellen. Je nach Akku-Typ kann es dabei zu einer irreversiblen Schädigung einzelner Zellen kommen. Die Folge: das gesamte Akkupack verliert an Kapazität.

Batterie-Managementsysteme sind unverzichtbar

Sogenannte Batterie-Managementsysteme (BMS) sind verantwortlich für die Steuerung und Kontrolle des Lade- und Entladevorgangs von Hochleistungs-Akkupacks in autonomen Leistungselektronikanwendungen (E-Power) wie Elektro- und Hybridfahrzeugen, Robotik oder ähnlichem. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, dafür zu sorgen, dass jede einzelne Zelle sowohl beim Laden wie auch Entladen einen für die Anwendung definierten Grenzwert bezüglich Ladezustand (SoC = State of Charge) weder unter- noch überschreitet (Bild 2). Der SoC-Wert bezeichnet die noch verfügbare Kapazität eines Akkus im Verhältnis zum Nominalwert. Der Wert wird in Prozent vom vollgeladenen Zustand angegeben.

Übertragen auf ein konkretes Beispiel bedeutet 30 %, dass der Akku noch über eine Restladung von 30 % – bezogen auf die Vollladung – verfügt. Je nach Anwendung liegen die oberen und unteren Grenzwerte für den SoC bei 20 bis 100 % für maximale Leistung bzw. 30 bis 70 % für maximale Lebensdauer.

BMS überwachen Kennwerte wie etwa die Batteriespannung, die Temperatur der Zellen, ihre Kapazität, ihren Ladezustand, die Stromentnahme, die Restbetriebszeit, den Ladezyklus und vieles mehr. Diese Steuereinheiten sind unentbehrlich, da mehrere Batteriezellen zu einem Cluster vereinigt werden müssen, um eine hohe Gesamtbatteriekapazität zu erzielen. Eine zunehmend wichtigere Rolle in solchen Batterie-Managementsysteme spielen dabei die »Balancer«.

Battery Balancing – auf passive Weise

Eine technisch einfache, weit verbreitete Methode ist jene des passiven Balancing. Dieses arbeitet praktisch nur im Bereich des Ladeschlusses, also wenn die Zellen eines Akkupacks fast vollständig geladen sind. Dabei wird bei jenen Zellen, welche bereits die Ladeschlussspannung erreicht haben, durch den Balancer ein Widerstand parallel geschaltet und so die Spannung auf die Ladeschlussspannung begrenzt.

Diese Zelle wird dann nur geringfügig weitergeladen oder sogar etwas entladen, während die Zellen in der Reihenschaltung, welche die Ladeschlussspannung noch nicht erreicht haben, weiterhin mit dem vollen Ladestrom versorgt werden. Die Leistung des Parallelwiderstandes muss dabei an den Ladestrom angepasst werden, da die überschüssige Energie in Form von Wärme am Widerstand auftritt.

Der Vorteil dieser Methode: Sie ist kostengünstig und technisch leicht realisierbar. Die Kehrseite der Medaille: der Ladevorgang dauert so lange, bis die schwächste Zelle den geforderten SoC-Wert aufweist. Zudem wird viel Energie in unerwünschte Wärme verpufft. Diese Verlustwärme wirkt sich zudem negativ auf die Lebensdauer der Akkuzellen aus und stellt eine nicht unerhebliche Brandgefahr dar.

Battery Balancing – auf aktive Weise

Sehr viel komplexer, aber effizienter sind aktive Balancer (Bild 3). Bei ihnen wird ein Ladungstransfer von Zellen untereinander realisiert: Die Energie von Zellen mit höherer Ladung wird auf solche mit niedrigerer Ladung übertragen. Die Laderegelung stellt im Prinzip mehrere speziell auf die Anwendung optimierte Schaltregler dar, welche pro Zelle arbeiten und aktiv Energie übertragen. Dieser Vorgang kann bereits während des Ladeprozesses erfolgen. Üblicherweise setzt er aber – wie beim passiven Balancing – erst im Bereich des Ladeschlusses ein.

Bei bidirektionalen Balancer-Systemen findet dieser Ladungsaustausch sowohl beim Lade- wie auch Entladevorgang statt. Bidirektionale Balancer sind dadurch noch effizienter.

Ein großer Vorteil beim aktiven Balancing besteht im deutlich höheren Wirkungsgrad, da überschüssige Energie nur zu einem geringen Grad in Wärme umgewandelt wird. Aktives Balancing findet aktuell bei größeren Leistungen Anwendung – etwa im Bereich der Elektromobilität (EV = Electric Vehicle, BEV = Battery Electric Vehicle, HEV = Hybrid Electric Vehicle und PHEV = Plug-in Hybrid Electric Vehicle).

Der höhere Schaltungsaufwand für die Steuerung bringt natürlich höhere Initialkosten mit sich. Im Gegenzug bietet diese zum Batteriemanagement gehörende Steuerung aber handfeste Vorteile. Mittels einer übergeordneten Laderegelung mit intelligenter und lernfähiger Software kann durch diese Ladungsumverteilung – von starken hin zu schwachen Zellen – die Lebensdauer eines Hochleistungs-Akkupacks deutlich verlängert werden.