Linear Technology stellt verbesserten Überwachungs-IC vor
Hochspannungsbatterien auf Zellenebene präzise analysieren
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Warum ist Lademanagement wichtig und kritisch?
Beim Laden von Bleiakkus oder NiCd- sowie NiMH-Zellen ist die Vorgehensweise noch einigermaßen einfach: Sinkt die Zellenspannung unter einen vorgegebenen Wert, schickt man Ladestrom in den Akku. Die Klemmenspannung steigt sofort an und entwickelt sich dann langsam weiter bis ein kritischer Wert erreicht ist und der Akku praktisch »voll« ist. Lädt man jetzt noch weiter, steigt die Klemmenspannung schnell an, ohne dass diese Überlastung allerdings gleich Schaden anrichtet. Beim Entladen der Zelle sinkt die Spannung allmählich wieder, was sich dank einer nicht allzu flachen Kennlinie relativ gut beobachten lässt. Während man Bleiakkus durchaus »nachladen« kann (d.h. den Ladevorgang wieder starten sobald eine bestimmte Ladungsmenge fehlt, sollte man das bei NiCd-Zellen auf jeden Fall, und bei NiHM-Zellen besser, vermeiden. Sonst stellt sich sehr rasch der Memory-Effekt ein, der dazu führt, dass die Zelle schnell (und meist unwiederbringlich) ihre Kapazität einbüßt.
Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ion) verhalten sich in vielerlei Hinsicht ganz anders: Zwar kommt bei ihnen kein nennenswerter Memory-Effekt vor, jedoch steigt bei diesen Zellen die Klemmenspannung während des Ladevorganges kaum an. Man muss die Zellenspannung also sehr genau messen, um den Ladezustand ausreichend zuverlässig zu ermitteln. Hinzu kommt, dass Li-Ion empfindlich auf Überladen reagieren: Ihre Lebenserwartung geht infolge nur einer Überladung merklich zurück, auch wenn es sich um nur 100 mV Überspannung handelt.
Ein weiteres Problem entsteht, wenn mehrere Zellen in Reihe geschaltet sind. Das ist vor allem in der Fahrzeugtechnik Gang und Gäbe. Hier werden mitunter Betriebsspannungen von 400 oder gar 600 V gefordert. Bei einer angenommenen Klemmenspannung von 4 V für eine Li-Ion-Zelle, ist eine Reihenschaltung von 100 oder gar 150 Zellen nötig! Das erweist sich in der Praxis als Problem, weil diese Zellen auch bei guter Beherrschung des Fertigungsprozesses niemals exakt gleich sind: Es treten Unterschiede in der Kapazität, des Innenwiderstandes und auch in der Alterung auf. Lässt man also einfach durch 100 Zellen einen Ladestrom fließen, bis die Klemmenspannung 400 V beträgt, kann es sein, dass die schwächsten Zellen in der Kette schon überladen und geschädigt sind.
Es ist also notwendig, die Zellen einzeln zu betreuen. Droht Überladung einer einzelnen Zelle, kann man den nicht mehr benötigten (und nunmehr sogar schädlichen) Ladestrom über einen Nebenzweig ableiten. Entweder vernichtet man so die abzuweisende Energie (passiv) mit einem zugeschalteten Nebenschlusswiderstand (Shunt) oder man führt diese Energien aktiv in das Ladesystem zurück, um sie erneut zu nutzen. Der letztgenannte Vorgang spart natürlich Energie, ist aber auch aufwändiger zu realisieren als die passive Methode. Man muss also die hierfür aufzubringenden Mehrkosten zu der sicher eingesparten Energie in Relation setzen.
- Hochspannungsbatterien auf Zellenebene präzise analysieren
- Bewährtes ist erhalten geblieben
- Warum ist Lademanagement wichtig und kritisch?
