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).

So lässt sich passives Battery Balancing umsetzen:

Technische Umsetzung:

1. Spannungsmessung: Das BMS misst die Spannung jeder Zelle im Akkupack.
2. Identifikation von Ungleichgewichten: Wird eine Zelle mit einer überdurchschnittlich hohen Spannung erkannt, wird sie entladen.
3. Energieableitung: Ein steuerbarer Lastwiderstand (oft MOSFET-geschaltet) wird parallel zur betroffenen Zelle aktiviert, wodurch überschüssige Energie in Wärme umgewandelt wird.
4. Abschaltung: Sobald die Zellenspannung auf das gewünschte Niveau abgesenkt ist, wird der Widerstand deaktiviert.

Vorteile des passiven Balancings:

• Einfache Implementierung, da nur wenige Bauteile benötigt werden.
• Kostengünstig, da keine komplexen Steuerkreise erforderlich sind.
• Kompakt und zuverlässig, da keine zusätzlichen Schaltkreise zur Energierückgewinnung benötigt werden.

Nachteile des passiven Balancings:

• Energieverlust: Die überschüssige Energie wird in Wärme umgewandelt und geht verloren, was die Gesamteffizienz des Akkus reduziert.
• Erhöhter Kühlbedarf: Bei größeren Akkus kann die entstehende Wärme ein thermisches Problem darstellen.
• Lange Balancezeiten: Die Energieableitung über Widerstände erfolgt relativ langsam.

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).

So lässt sich aktives Battery Balancing umsetzen:

1. Kapazitives Balancing:

   • Kondensatoren werden verwendet, um Ladung von einer volleren Zelle zu einer leereren zu transportieren.
   • Dabei wird ein Kondensator zuerst von einer hochgeladenen Zelle aufgeladen und entlädt sich dann in eine schwächere Zelle.
   • Vorteil: Geringer Bauteilaufwand, keine Wärmeverluste.
   • Nachteil: Begrenzte Transferleistung, nicht für große Batteriesysteme geeignet.

2. Induktives Balancing:

   • Ein bidirektionaler DC/DC-Wandler mit einer Induktivität speichert kurzzeitig Energie aus einer Zelle und gibt sie dann an eine andere Zelle weiter.
   • Vorteil: Hoher Wirkungsgrad, da keine Energie als Wärme verloren geht.
   • Nachteil: Komplexer Schaltungsaufbau, höhere Kosten.

3. Zell-zu-Pack- und Pack-zu-Zell-Balancing:

   • Energie wird nicht nur zwischen benachbarten Zellen umverteilt, sondern kann auch im gesamten Batteriepaket umgeschichtet werden.
   • Ermöglicht eine flexiblere Anpassung an verschiedene Ladezustände.

Vorteile des aktiven Balancings:

• Höherer Wirkungsgrad: Keine Energieverluste durch Wärmeabgabe, stattdessen direkte Nutzung der überschüssigen Energie.
• Schnellere Balancezeiten: Energieübertragung zwischen Zellen kann effizienter ablaufen als bei passivem Balancing.
• Längere Lebensdauer: Da keine unnötige Wärme entsteht, wird das gesamte Batteriesystem weniger belastet.

Nachteile des aktiven Balancings:

• Komplexere Schaltungstechnik: Erfordert zusätzliche Bauelemente wie Induktivitäten, Schalttransistoren und Steuerlogik.
• Höhere Kosten: Komponenten wie DC/DC-Wandler oder Kondensatorschaltungen sind teurer als einfache Widerstände.
• Größerer Platzbedarf: Aktive Balancer benötigen mehr Platz im BMS, was bei kompakten Batteriesystemen eine Herausforderung sein kann.

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.

Aktuelle technologische Entwicklungen im Battery Balancing

Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien und der steigende Bedarf an effizienteren Energiespeichersystemen haben zu bedeutenden Innovationen im Bereich des Battery Balancing geführt. Besonders in der Elektromobilität, stationären Energiespeichern und industriellen Anwendungen wird nach Lösungen gesucht, die die Effizienz steigern, die Lebensdauer verlängern und die Sicherheit der Batterien verbessern.

Ein wesentlicher Fortschritt liegt in der Integration von künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen in Batteriemanagementsysteme (BMS). Diese Technologien ermöglichen eine genauere Überwachung des Ladezustands (State of Charge, SoC) und des Gesundheitszustands (State of Health, SoH) der Batteriezellen. Durch datenbasierte Algorithmen können Ungleichgewichte frühzeitig erkannt und in Echtzeit ausgeglichen werden. Dies verbessert nicht nur die Effizienz des Balancings, sondern reduziert auch den Energieverlust, indem das System gezielt entscheidet, wann und wie Energie umverteilt wird.

Ein weiterer wichtiger Trend ist die Entwicklung von bidirektionalen aktiven Balancing-Systemen mit hochmodernen Gleichspannungswandlern. Während herkömmliche aktive Balancer meist auf den Energieaustausch zwischen benachbarten Zellen beschränkt sind, ermöglichen neue Topologien einen Zell-zu-Pack- und Pack-zu-Zell-Austausch. Das bedeutet, dass Energie nicht nur zwischen einzelnen Zellen übertragen, sondern auch auf den gesamten Akkupack verteilt oder aus diesem entnommen werden kann. Diese Technik wird insbesondere bei großen Batteriespeichern und Elektrofahrzeugen angewendet, da sie eine flexiblere und effizientere Nutzung der verfügbaren Kapazität erlaubt.

Ein weiteres innovatives Konzept ist die Nutzung von superkondensatorbasiertem Balancing. Superkondensatoren können Energie wesentlich schneller speichern und wieder abgeben als herkömmliche Lithium-Ionen-Zellen. In Kombination mit einem aktiven Balancing-System ermöglichen sie einen hochdynamischen Ladungsausgleich, insbesondere in Hochleistungsanwendungen wie der Elektromobilität oder Schnellladesystemen. Diese Technologie minimiert Ladeverluste und verkürzt die Ladezeiten erheblich.

Parallel dazu werden neue Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) zunehmend in den Schaltungen der Balancing-Systeme eingesetzt. Diese Materialien bieten geringere Schaltverluste, höhere Effizienz und eine kompaktere Bauweise. Dadurch lassen sich leistungsfähigere und effizientere Balancing-Module mit geringerem Energieverbrauch realisieren.

Auch im Bereich der drahtlosen Batteriemanagementsysteme (Wireless BMS) gibt es bedeutende Fortschritte. Durch die Eliminierung herkömmlicher Kabelverbindungen zwischen den Zellmodulen werden nicht nur Gewicht und Platzbedarf reduziert, sondern auch die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Systems verbessert. Drahtlose BMS können flexiblere Balancing-Strategien implementieren und ermöglichen eine einfachere Skalierung von Batteriesystemen in großen Energiespeichern oder modularen Akkupacks.

Zusätzlich rückt die Integration von festkörperbasierten Balancing-Technologien in den Fokus. Mit dem Fortschritt in der Entwicklung von Festkörperbatterien entstehen neue Möglichkeiten für das Battery Balancing, da diese Batterien eine andere Zellchemie und Ladungsdynamik aufweisen. Neue Algorithmen und Balancing-Schaltungen werden derzeit erforscht, um das Potenzial dieser Technologie vollständig auszuschöpfen.

Insgesamt zeigen diese Entwicklungen, dass Battery Balancing nicht nur ein entscheidender Faktor für die Lebensdauer und Leistung von Batterien ist, sondern auch ein wichtiges Innovationsfeld bleibt. Mit neuen Ansätzen wie KI-gestütztem Balancing, fortschrittlichen Halbleitermaterialien und drahtlosen BMS-Lösungen werden künftige Batteriesysteme effizienter, sicherer und nachhaltiger.

Sicherheitsaspekte beim Battery Balancing

Battery Balancing spielt eine entscheidende Rolle für die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere in Anwendungen wie der Elektromobilität, stationären Energiespeichern und industriellen Batteriesystemen. Ein unausgeglichenes Batteriesystem kann zu Überladung, Tiefentladung oder ungleichmäßiger Wärmeentwicklung führen, was wiederum das Risiko von thermischem Durchgehen (Thermal Runaway), Kapazitätsverlust und sogar Bränden oder Explosionen erhöht. Um diese Gefahren zu minimieren, müssen moderne Balancing-Systeme eine Vielzahl von Sicherheitsmechanismen implementieren.

Ein zentrales Sicherheitsrisiko besteht in der Überladung einzelner Zellen, wenn das Balancing-System nicht präzise arbeitet. Eine überladene Lithium-Ionen-Zelle kann chemisch instabil werden und Gase freisetzen, die bei einer kritischen Temperatur zur Selbstentzündung führen können. Besonders in passiven Balancing-Systemen, die überschüssige Energie als Wärme abführen, kann eine unzureichende Wärmeableitung das Risiko von lokalen Überhitzungen erhöhen. Daher müssen Batteriemanagementsysteme (BMS) mit Temperatursensoren ausgestattet sein, die kritische Werte frühzeitig erkennen und das Balancing entsprechend anpassen.

Ein weiteres Problem ist die Tiefentladung schwächerer Zellen, wenn das Balancing nicht gleichmäßig erfolgt. Lithium-Ionen-Zellen dürfen nicht unter eine bestimmte Spannung fallen, da sich sonst interne chemische Reaktionen verändern und die Kapazität dauerhaft geschädigt wird. Moderne aktive Balancing-Systeme verhindern dies, indem sie gezielt Energie von volleren zu schwächeren Zellen umverteilen, ohne die schwächeren Zellen zu stark zu entladen.

Die Wahl der richtigen Bauteile ist ebenfalls entscheidend für die Sicherheit. Leistungselektronik wie MOSFETs, DC/DC-Wandler und Widerstände müssen für hohe Ströme und Temperaturen ausgelegt sein, um Überlastungen oder Kurzschlüsse zu vermeiden. Besonders in Hochspannungsbatterien, wie sie in Elektrofahrzeugen oder stationären Speichern eingesetzt werden, ist eine zuverlässige Isolierung der Balancing-Schaltung essenziell.

Ein zunehmend wichtiger Aspekt ist der Schutz gegen externe Störungen und Cyberangriffe. Da moderne Batteriemanagementsysteme zunehmend vernetzt sind und drahtlose Kommunikation nutzen (Wireless BMS), können Angriffe auf die Steuerlogik oder Softwaremanipulationen zu unsicheren Lade- und Entladezuständen führen. Daher müssen Balancing-Systeme mit sicheren Kommunikationsprotokollen und redundanten Sicherheitsmechanismen ausgestattet sein.

Zusätzlich erfordert die Wartung und Diagnose von Balancing-Systemen besondere Sicherheitsmaßnahmen. Smarte BMS können Fehler in Echtzeit erkennen und melden, sodass fehlerhafte Zellmodule frühzeitig ausgetauscht werden können. In kritischen Anwendungen, wie z. B. in Elektrofahrzeugen, müssen automatische Abschaltmechanismen implementiert sein, die ein beschädigtes Batteriepaket isolieren können, um weitere Schäden zu vermeiden.

Insgesamt zeigt sich, dass ein sicheres Battery Balancing nicht nur die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der Batterie verbessert, sondern auch entscheidend für die Vermeidung von Risiken wie Überhitzung, Kurzschluss oder Zellschädigung ist. Durch präzise Messsensorik, intelligente Steueralgorithmen und robuste Sicherheitsprotokolle können moderne Batteriesysteme eine hohe Betriebssicherheit gewährleisten.

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)