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Zellenausgleich bei Batterie-Stacks

Active Balancing mit dem LTC3300-1

12. April 2013, 10:05 Uhr | Iris Stroh

Der LTC3300 von Linear Technology ermöglicht einen aktiven Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen.

Zwei Batteriezellen sind nie gleich, auch wenn sie vom selben Hersteller kommen. Sie zeigen immer leichte Unterschiede in puncto Ladezustand, Kapazität, innerer Widerstand, Selbstentladung und Temperaturcharakteristika. Hinzu kommt, dass sich die Unterschiede mit der Zeit auch noch vergrößern.

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Typischerweise gilt aber, dass die schwächste Zelle die Qualität der Batterie bestimmt, denn beim Laden erreichen die schwächeren Zellen mit niedrigerer Kapazität schneller die Ladeschlussspannung als die stärkeren Zellen, wodurch der Ladevorgang frühzeitig beendet wird, obwohl die stärkeren Zellen noch nicht vollständig geladen sind. Beim Entladen wiederum wird abgeschaltet, sobald die schwächeren Zellen die Entladeschlussspannung erreicht haben, um eine Tiefentladung dieser Zellen zu verhindern - obwohl in den stärkeren Zellen durchaus noch Energie vorhanden wäre.

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Deshalb erklärt Sam Nork, Director des Boston Design Centers von Linear Technology, dass alle Batterie-Stacks einen Zellenausgleich benötigen. Damit könnten die Ungleichheiten zwischen den Zellen verringert werden, was zu einer längeren Lebensdauer und im Falle von »active Balancing« sogar zu einer erhöhten Gesamtkapazität des Batterie-Stacks führt.

Für den Zellenausgleich gibt es zwei Ansätze: aktiv und passiv. Beim passiven Zellenausgleich wird die überschüssige Ladung der Zellen in passiven Elementen wie Widerständen verheizt. Nork erklärt, dass beim passiven Zellenausgleich nur geringe Ausgleichsströme fließen. Hinzu kommt, dass sich mit diesem Verfahren die Kapazität der Batterie nicht erhöhen lässt, denn trotz passiven Zellenausgleichs wird die Kapazität der Batterie weiterhin durch die Kapazität der schwächsten Zelle bestimmt. Aber: Dieser Zellenausgleich lässt sich einfach realisieren.

Beim aktiven Zellenausgleich wird die Ladung von den normal oder höher geladenen Zellen genommen und an schwächere Zellen weitergeleitet. Laut Nork sind dabei hohe Ausgleichsströme möglich. Außerdem ermöglicht ein aktiver Zellenausgleich, dass die Gesamtkapazität des Batterie-Stacks höher ausfällt, da die Kapazität der schwächsten Zelle gesteigert wird. Nork macht ein Rechenbeispiel: 12 Zellen, wovon 11 eine Kapazität von 100 Ah aufweisen, eine schwache Zelle hat eine Kapazität von 80 Ah. Mit dem LTC3300 lassen sich alle zwölf Zellen auf eine Kapazität von 98,2 Ah/Zelle bringen, mit passivem Balancing bleibt die Kapazität bei 80 Ah/Zelle. Der aktive Zellenausgleich hat also diverse Vorteile, hat aber auch den Ruf, dass er aufgrund der höheren Anzahl von Komponenten teurer und weniger zuverlässig ist und auch noch mehr Platz braucht.