Wie Battery Balancing Leistung und Lebensdauer verbessert

Li-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, ist von Li-Ionen- oder Li-Polymer-Akkus die Rede.

Die unter diesem 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.

Wie Lithium-Ionen-Akkus schonend geladen werden können

Das IU-Ladeverfahren, das bei solchen Zellen zum Einsatz kommt, arbeitet mit Konstantstrom (Constant Current, CC) und Konstantspannung (Constant Voltage, CV). Daher wird das IU-Ladeverfahren auch als auch CCCV-Ladeverfahren für constant current constant voltage bezeichnet. Wie die Lebensdauer hängt auch die Ladezeit von diversen Faktoren ab, bei höheren Ladeleistungen vor allem von der Temperatur. Kurze Ladezeiten respektive hohe Ladeströme wirken sich belastend auf das Elektrodenmaterial aus, sodass Lebensdauer und Zyklenzahl sinken. Schonendes Laden/Entladen verlängert die Lebensdauer massiv.

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 1000 Ladezyklen. Als abgenutzt gilt ein Akku dann, wenn weniger als 80 Prozent der ursprünglichen Kapazität übrig sind.

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 bei weiteren Parametern dieser Zellen. Die schwächste Zelle ist dabei für die Menge der Ladung beziehungsweise Entladung entscheidend.

Im praktischen Einsatz von mehrzelligen, in Reihe verschalteten Akkus führt dieser Umstand dazu, dass die Zellen in Reihe sich unterschiedlich laden und entladen lassen. Es kommt dann im Verbund zu kritischer Tiefentladung oder bei der Ladung zu einer 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.

Was sind Batteriemanagementsysteme (BMS)

BMS sind verantwortlich für die Steuerung und Kontrolle des Lade- und Entladevorgangs von Hochleistungs-Akkupacks in autonomen Leistungselektronikanwendungen 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 (State of Charge, SoC) weder unter- noch überschreitet. Der SoC-Wert bezeichnet die noch verfügbare Kapazität eines Akkus im Verhältnis zum Nominalwert. Die Anzeige des Wertes erfolgt in Prozent vom vollgeladenen Zustand. Also bedeuten beispielsweise 30 Prozent, dass der Akku noch über eine Restladung von 30 Prozent bezogen auf die Vollladung verfügt. Je nach Anwendung liegen die oberen und unteren Grenzwerte für den SoC bei 20 bis 100 Prozent für maximale Leistung respektive 30 bis 70 Prozent für maximale Lebensdauer.

BMS überwachen Kennwerte wie etwa die Batteriespannung, die Temperatur der Zellen, deren Kapazität und Ladezustand, die Stromentnahme, die Restbetriebszeit, den Ladezyklus und vieles mehr. Diese Steuereinheiten sind unentbehrlich, da mehrere Batteriezellen einen Cluster bilden müssen, um eine hohe Gesamtbatteriekapazität zu erzielen. Eine zunehmend wichtigere Rolle in solchen Batteriemanagementsystemen spielen dabei die Balancer.

Was ist passives Battery Balancing?

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 ist bei jenen Zellen, welche bereits die Ladeschlussspannung erreicht haben, durch den Balancer ein Widerstand parallelgeschaltet und so die Spannung auf die Ladeschlussspannung begrenzt.

Das System lädt diese Zelle dann nur geringfügig weiter oder entlädt sie sogar etwas, während die Zellen in der Reihenschaltung, die die Ladeschlussspannung noch nicht erreicht haben, weiterhin die volle Versorgung mit Ladestrom erhalten. Die Leistung des Parallelwiderstandes ist dabei an den Ladestrom anzupassen, 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 verpufft viel Energie in unerwünschte Wärme. Diese Verlustwärme wirkt sich zudem negativ auf die Lebensdauer der Akkuzellen aus und stellt eine nicht unerhebliche Brandgefahr dar (Bild 1).

Was ist aktives Battery Balancing?

Sehr viel komplexer, aber effizienter sind aktive Balancer. Sie realisieren einen Ladungstransfer von Zellen untereinander: Dabei übertragen sie Energie von Zellen mit höherer Ladung auf solche mit niedrigerer Ladung. 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 dies überschüssige Energie nur zu einem geringen Grad in Wärme umwandelt. Aktives Balancing findet aktuell bei größeren Leistungen Anwendung, etwa im Bereich der Elektromobilität (Electric Vehicle, EV; Battery Electric Vehicle, BEV; Hybrid Electric Vehicle, HEV und Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV).

Der höhere Schaltungsaufwand für die Steuerung bringt natürlich höhere Initialkosten mit sich. Im Gegenzug bietet diese zum Batteriemanagement gehörende Steuerung aber handfeste Vorteile. Mithilfe einer übergeordneten Laderegelung mit intelligenter und lernfähiger Software lässt sich durch diese Ladungsumverteilung von starken zu schwachen Zellen – auch über unterschiedliche Reihenschaltungen hinweg – die Lebensdauer eines Hochleistungs-Akkupacks deutlich verlängern (Bild 2).

Akkupacks richtig absichern

In E-Power-Anwendungen, wie zum Beispiel Elektrofahrzeugen, stellen die Akkupacks den zumeist größten Kostenfaktor überhaupt dar. Anwender verlangen nach maximaler Leistungskapazität, schnellstmöglichem Ladevorgang, langer Lebensdauer und absoluter Zuverlässigkeit. Anforderungen, die nicht einfach vereinbar sind. Akkus auf Lithiumbasis weisen eine deutlich höhere Leistungsdichte als die robusten Bleiakkus auf. Sie reagieren jedoch sehr empfindlich auf Über- und Unterspannung. Dies erfordert eine Überwachung und Absicherung, um einen vorzeitigen Ausfall, Überhitzung oder gar einen Kurzschluss einzelner Zellen zuverlässig zu verhindern. Solche Sicherungen müssen über viele Jahre fehlerfrei funktionieren. Sie müssen der winterlichen Kälte und der Sommerhitze widerstehen, Schlägen und Vibrationen standhalten. Sie müssen maximale Lade- und Entladeströme mit minimalen Verlusten passieren lassen. Ein- und Ausschalten, Beschleunigen – auch zyklische Festigkeit ist unverzichtbar.

Zu den größten Feinden der Akkupacks zählen aber Übertemperatur, Kurzschlüsse und pulsförmige Überströme. Je nach Konstruktion und Verwendungszweck des Hochleistungs-Akkupacks muss der Fokus mal stärker auf den Schutz vor Überstrom, ein andermal eher auf die Temperatur gelegt werden. Zumeist kommen aber gleich mehrere potentielle Probleme zusammen. In der Praxis bedeutet dies nichts anderes, als dass maßgeschneiderte Lösungen zur Absicherung notwendig sind. Denkbar und bereits realisiert sind hier etwa pulsfeste Kombi-Sicherungen zum Schutz vor Überstrom und Übertemperatur. Und zwar in Chip-Technologie, um auch die nötige mechanische Widerstandsfähigkeit zu gewährleisten. Maximale Leistungsdichte bei maximaler Sicherheit und Langlebigkeit: dieser Ansatz gilt nicht nur für die einzelnen Zellen, sondern für die gesamte Energieeinheit.

Natürlich ist es möglich, stets auf die neueste Akku-Technologie zu setzen und immer die größtmögliche Leistungskapazität bereitzustellen. Dies ist aber grundsätzlich mit hohen Kosten verbunden und Langzeiterfahrungen fehlen gänzlich. Aus diesem Grund tendiert die Industrie dazu, auf bewährten Technologien aufzubauen, welche sich in Standardanwendungen (zum Beispiel Notebooks) millionenfach bewährt haben. In einem nächsten Schritt gilt es Fertigungsprozesse zu optimieren, die Grenzen der Zu- und Abführung der Leistung auszuloten sowie Mechanismen zur möglichst beliebigen Skalierung zu entwickeln. Dem intelligenten Lade- und Entladevorgang kommt künftig eine enorme Bedeutung zu. Optimiertes Balancing verbindet höchstmögliche Leistung mit maximaler Lebenserwartung (Bild 3).

(aok)