Warum müssen wir ein Gleichgewicht finden?
Aufgrund von Unterschieden im Batterienutzungsprozess und den verwendeten Materialien sowie von Abweichungen bei Temperatur, Luftfeuchtigkeit und anderen Umgebungsbedingungen während des tatsächlichen Batteriebetriebs ergeben sich Unterschiede im Ladezustand (SOC) der einzelnen Zellen im Akkupack. Diese Unterschiede im Ladezustand spiegeln sich intuitiv in den unterschiedlichen Batteriespannungen wider.
Unter der Annahme, dass der Ladezustand (SOC) einer Batterie im Akkupack höher ist als der der anderen Zellen, wird diese Batterie während des Ladevorgangs zuerst vollständig geladen, wodurch der Ladevorgang der anderen Zellen gestoppt wird, bevor sie ihre Nennkapazität erreichen; ebenso wird, wenn der Ladezustand (SOC) einer Batterie niedriger ist als der der anderen Zellen, diese Batterie während des Entladevorgangs zuerst die Entladeschlussspannung erreichen, wodurch die anderen Zellen eine Restkapazität aufweisen, die nicht freigesetzt werden kann;
Daraus können wir schließen, dass Batterien unterschiedlich sind.
1. Definition und Bedeutung des Batterieausgleichs
Definition: Batterieausgleich bezeichnet den Einsatz spezifischer Technologien und Methoden, um jede Batteriezelle im Akkupack in einen relativ einheitlichen Zustand hinsichtlich Spannung, Kapazität und Zustand zu bringen und dadurch die Leistung und Lebensdauer des gesamten Akkupacks zu verbessern.
Bedeutung: Verbesserung der Akkuleistung: Durch den Ausgleich der Akkus kann eine Leistungsverschlechterung des gesamten Akkus vermieden werden, die durch die Verschlechterung der Leistung einzelner Akkus verursacht wird.
Verlängerung der Batterielebensdauer: Durch den Ausgleich der Zellen können Spannungs- und Kapazitätsunterschiede zwischen den Batteriezellen verringert, der Innenwiderstand der Batterie reduziert und somit die Batterielebensdauer verlängert werden.
Verbesserung der Sicherheit: Durch den Ausgleich der Batteriezellen können Überladung oder Tiefentladung verhindert und das Risiko von Sicherheitsrisiken wie z. B. thermischem Durchgehen verringert werden.
2. Batterieausgleichsmethode
Im Folgenden wird hauptsächlich die BMS-Balancing-Funktion vorgestellt. Mithilfe dieser Funktion lassen sich die Inkonsistenzen zwischen den einzelnen Batteriezellen reduzieren und die verfügbare Kapazität des Akkupacks erhöhen. Aktuell werden hauptsächlich passives Balancing (Energieausgleich) und aktives Balancing (Energieausgleich ohne Berücksichtigung der Energieverluste, Energietransferausgleich) eingesetzt.
Es gibt zwei Hauptmethoden zum Batterieausgleich: den aktiven und den passiven Batterieausgleich.
Aktives Balancing: Aktives Balancing ist eine Technologie, die durch Energietransfer einen Spannungsausgleich zwischen Batteriezellen erreicht. Es erzielt einen präziseren Ausgleich, indem Energie von einer Zelle mit höherer Kapazität auf eine Zelle mit niedrigerer Kapazität übertragen wird.
Dieser Energietransfer kann durch Technologien wie Kondensatoren und Transformatoren erfolgen. Erreicht während des Ladevorgangs eine einzelne Zelle zuerst die obere Grenze ihrer Betriebsspannung, identifiziert das Batteriemanagementsystem (BMS) die Zelle mit der geringeren Kapazität und überträgt Energie von der Hochvoltbatterie zur Niedervoltbatterie über die Ausgleichsschaltung.
Vorteile: hohe Energieausnutzung, schnelle Ausgleichsgeschwindigkeit und Verbesserung der Gesamtleistung des Akkus.
Nachteile: komplexer Steuerungsalgorithmus und hohe Produktionskosten.
Passive Ausgleichsfunktion:
Prinzip: Durch den Energieverbrauch wird die überschüssige Energie in Hochspannungs- oder Hochleistungsbatteriezellen in Form von Wärmeenergie abgeführt, wodurch sich Spannung und Kapazität verringern und ein Gleichgewicht zwischen den Batteriezellen erreicht wird.
Der passive Energieausgleich (Energieverlustausgleich) wird durch Kurzschließen des Parallelwiderstands der einzelnen Batterie erreicht. Die Energie der Batterie mit dem höheren Ladezustand im Akkupack wird über den Parallelwiderstand verbraucht, um einen Ausgleich mit den anderen Batterien der Gruppe herzustellen.
Die typische passive Ladungsbilanzierung erfolgt wie folgt: Die Spannung jeder einzelnen Batterie wird am oberen oder unteren Ende des Ladezustands (SOC) gemessen. Übersteigt die Spannung einiger einzelner Batterien die durchschnittliche Spannung des Akkupacks, wird die geschätzte Ausgleichszeit anhand der Spannungsdifferenz bzw. der SOC-Differenz der einzelnen Batterien berechnet. Anschließend wird der Parallelwiderstand dieser energiereicheren Batterien aktiviert, sodass ein Teil ihrer Energie über den Parallelwiderstand verbraucht wird. Dadurch wird schließlich der Ausgleich des gesamten Akkupacks erreicht.
Vorteile: einfache Umsetzung und geringe Kosten.
Nachteile: großer Energieverlust, langsame Ausgleichsgeschwindigkeit und es kann zu Wärmeentwicklung kommen, die einen Anstieg der Batterietemperatur verursachen kann.
3. Batterieausgleichsprozess
Der Batterieausgleichsprozess umfasst üblicherweise die folgenden Schritte:
Detektion: Über das BMS werden Spannung, Stromstärke, Temperatur und weitere Parameter jeder einzelnen Batteriezelle im Akkupack erfasst.
Beurteilung: Ermitteln Sie anhand der Messergebnisse, ob Unterschiede zwischen den Batteriezellen bestehen und wie groß diese Unterschiede sind.
Führen Sie den Energieausgleich durch: Wählen Sie anhand der Auswertungsergebnisse die geeignete Ausgleichsmethode und führen Sie den Ausgleichsvorgang durch. Beim aktiven Energieausgleich kann es erforderlich sein, die übertragene Energiemenge mithilfe des Regelalgorithmus präzise zu berechnen; beim passiven Energieausgleich kann es erforderlich sein, die Ein- und Ausschaltzeiten des Schalters zu steuern, um überschüssige Energie abzubauen.
Überwachung: Die Parameteränderungen der Batteriezellen werden während des Ausgleichsprozesses kontinuierlich überwacht, um die Effektivität und Sicherheit des Ausgleichsvorgangs zu gewährleisten.
Ausgleichsvorgang beenden: Wenn die Differenz zwischen den Batteriezellen den eingestellten Schwellenwert erreicht, wird der Ausgleichsvorgang beendet.
4. Vorsichtsmaßnahmen für den Batterieausgleich
Wählen Sie die geeignete Ausgleichsmethode: Wählen Sie die geeignete Ausgleichsmethode entsprechend der tatsächlichen Situation und den Leistungsanforderungen des Akkus.
Kontrollieren Sie die Ausgleichsgeschwindigkeit und den Ausgleichsgrad: Vermeiden Sie Schäden an den Batteriezellen oder Leistungseinbußen durch zu hohe Ausgleichsgeschwindigkeit oder zu hohen Ausgleichsgrad.
Batterieparameter überwachen: Überwachen Sie kontinuierlich die Änderungen von Parametern wie Spannung, Stromstärke und Temperatur der Batteriezellen während des Ausgleichsprozesses, um die Sicherheit und Effektivität des Ausgleichsvorgangs zu gewährleisten.
Vermeidung von Wärmestau: Bei passiven Ausgleichsmethoden müssen Maßnahmen ergriffen werden, um einen Wärmestau zu verhindern, der zu einem Anstieg der Akkutemperatur führen könnte.
