Zellbalancierung in E-Auto-Batterien: passive und aktive Verfahren

Die Zellbalancierung passt die Ladung der in Reihe geschalteten Zellgruppen so an, dass Unterschiede zwischen ihnen die nutzbare Batterieenergie nicht unnötig begrenzen. Passive Systeme entnehmen ausgewählten Gruppen Ladung; aktive Systeme übertragen Energie zwischen Teilen des Packs.

Warum Ladungsunterschiede einen Pack begrenzen

Eine Zellgruppe ist eine überwachte Position in der Reihenschaltung der Batterie: entweder eine einzelne Zelle oder mehrere parallel geschaltete Zellen. Das Kapitel battery pack erklärt, wie diese Verbindungen Spannung und Kapazität des Packs bestimmen.

Das Batteriemanagementsystem (BMS) muss jede Gruppe innerhalb ihrer Betriebsgrenzen halten. Beim Laden kann eine Gruppe ihre obere Spannungsgrenze erreichen, während andere noch Energie aufnehmen können. Beim Entladen kann eine Gruppe ihre untere Grenze erreichen, während andere noch Energie enthalten. Beides begrenzt, was der Pack liefern kann. Die Balancierung hilft, nutzbare Energie zurückzugewinnen, die durch unterschiedliche Ladezustände unzugänglich bleibt. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Drei Unterscheidungen erklären, was die Balancierung leisten kann:

• Unterschiedliche Ladezustände (SOC) bedeuten, dass die Gruppen im Verhältnis zu ihrer jeweiligen Kapazität unterschiedliche Ladungsmengen enthalten.
• Unterschiedliche Kapazitäten bedeuten, dass eine Gruppe weniger Ladung speichern kann als eine andere.
• Eine gemessene Spannungsdifferenz kann auch durch Widerstand, Temperatur oder Messfehler entstehen.

Ungleiche Selbstentladung und kleine Unterschiede bei den elektrischen Verbrauchern einzelner Gruppen können allmählich Ladungsunterschiede verursachen. Unterschiede in der anfänglichen Kapazität und der Alterung verändern, wie schnell jede Gruppe ihren SOC-Bereich durchläuft. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Betrachten wir vereinfacht zwei Gruppen mit 90 Ah und 100 Ah Kapazität. Beide können vollständig geladen starten. Nachdem jede 90 Ah abgegeben hat, ist die kleinere leer, während die größere noch 10 Ah enthält. Ein Abgleich am oberen Ende des Ladefensters stellt die fehlende Kapazität der kleineren Gruppe nicht wieder her. Dieses Beispiel lässt andere Grenzen außer Acht, die die Entladung früher beenden könnten. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Passive Balancierung

Eine passive Balancierschaltung verbindet über einen elektronischen Schalter einen Widerstand parallel mit einer ausgewählten Gruppe. Der Strom in diesem Zweig wandelt elektrische Energie in Wärme um. Das BMS steuert, welche Zweige eingeschaltet sind und wie lange sie arbeiten. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Beim Laden teilt sich der Strom an dieser Position der Reihenschaltung zwischen den Zellen und dem Balancierzweig auf:

Nettoladestrom in die Zellen = Ladestrom des Packs − Bypassstrom

Erhält der Pack beispielsweise 1 A und fließen 0,1 A durch einen ausgewählten Zweig, erhalten die Zellen dieser Gruppe 0,9 A. Eine ansonsten identische Gruppe mit ausgeschaltetem Balancierzweig erhält die vollen 1 A und nimmt schneller Ladung auf. Dies sind Beispielströme unter der Annahme, dass andere kleine elektrische Verbraucher vernachlässigbar sind.

Derselbe Zweig kann nach dem Abschalten des Ladegeräts weiterhin Ladung entnehmen; die ausgewählte Gruppe liefert dann selbst den Widerstandsstrom. Die weiter unten beschriebene Orion-Jr.-2-Lösung unterstützt diesen Betrieb, solange das BMS im Modus CHARGE mit Strom versorgt bleibt. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Ein kleiner Bypassstrom verringert den Strom in eine Gruppe bei hohem Ladestrom nur geringfügig. Sobald eine Gruppe ihre Grenze erreicht, muss der Ladevorgang weiterhin verlangsamt oder beendet werden. Die Balancierung ergänzt also die Laderegelung, statt sie zu ersetzen.

Die Schaltung ist relativ einfach und kann eine allmähliche Ladungsdrift zwischen Gruppen mit ähnlichen Kapazitäten ausgleichen. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age Dabei wird die entnommene Energie allerdings in Wärme umgewandelt. Bei der passiven Balancierung gibt es außerdem keinen Übertragungspfad, der beim Entladen eine schwach geladene Gruppe aus den übrigen Gruppen versorgen könnte. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Balancierstrom und Balancierdauer

Ein sinnvoller Ausgangspunkt ist die zu entnehmende Ladungsmenge, gemessen in Amperestunden (Ah):

Balancierdauer (h) = Ladungsdifferenz (Ah) ÷ mittlerer Balancierstrom (A)

Bei zwei ansonsten identischen Gruppen mit 100 Ah entspricht ein SOC-Unterschied von einem Prozentpunkt 1 Ah. Bei einem kontinuierlichen Strom von 0,1 A dauert der Ausgleich 10 Stunden. Arbeitet dieser Zweig bei gleichem Strom nur während der Hälfte der verstrichenen Zeit, beträgt sein mittlerer Strom 0,05 A und der Ausgleich dauert 20 Stunden. Beide Berechnungen sind vereinfacht und setzen voraus, dass keine zusätzliche Drift auftritt und dieselbe Zielgruppe ausgeglichen wird.

Der automotive Zellcontroller MC33775A von NXP unterstützt passive Balancierung mit bis zu 300 mA pro Kanal. Zu seinen Steuerfunktionen gehören individuelle Zeitgeber und Spannungsschwellen. Er pausiert die Balancierung während Messungen automatisch und unterbricht sie bei Überhitzung der Balancierwiderstände. Die 300 mA sind eine Bauteilgrenze; Strom und Betriebsdauer im Fahrzeug werden durch die eingebaute Schaltung und die Software bestimmt. NXP — MC33775A product short data sheet, revision 2

Der tatsächliche Strom hängt auch von der Zellspannung und dem Widerstand im Balancierpfad ab. Die Entwicklungshinweise für den BQ7961x-Q1 von TI erklären die Widerstandsauswahl und die Berücksichtigung thermischer Grenzen; im Automatikmodus werden ungerade und gerade Kanäle abwechselnd aktiviert. Texas Instruments — BQ7961x-Q1 automotive BMS design recommendations, revision B Messpausen, thermische Unterbrechungen und die zeitliche Kanalsteuerung verkürzen die Zeit, in der ein Zweig balancieren kann. Deshalb kann der mittlere Strom niedriger sein als der Strom bei eingeschaltetem Zweig; die 50% Betriebszeit im Beispiel mit 20 Stunden sind eine illustrative Annahme.

Aktive Balancierung

Bei der aktiven Balancierung überträgt eine Leistungselektronikschaltung Energie zwischen Gruppen oder zwischen einer Gruppe und einem größeren Teil des Packs. Die Schaltung kann Energie vorübergehend in einem Kondensator oder magnetischen Bauteil speichern und anschließend an anderer Stelle abgeben. Ihr Aufbau bestimmt, welche Gruppen Energie austauschen können. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems

Eine Ausführung, die während der Entladung Energie übertragen kann, kann eine Gruppe nahe ihrer unteren Grenze aus Gruppen versorgen, die noch Energie enthalten. Das kann die nutzbare Entladung des Packs verlängern, selbst wenn die Gruppenkapazitäten unterschiedlich sind. Beim Laden kann eine geeignete Schaltung Energie aus einer Gruppe abführen, die sich ihrer oberen Grenze nähert. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing

Wie ADI anmerkt, begrenzen Übertragungsstrom und verfügbare Balancierzeit diesen Nutzen. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing In der Praxis kann eine Übertragungsschaltung zu wenig Energie liefern, um eine begrenzende Gruppe bei hohem Leistungsbedarf oberhalb ihrer unteren Grenze zu halten. Die Energieumverteilung verbessert die Ausnutzung des Packs; die Speicherkapazität der einzelnen Gruppen bleibt unverändert.

Schalten und Energieumwandlung verursachen Verluste, und zusätzliche Hardware erhöht Kosten, Platzbedarf und Regelungsaufwand. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems Bei der Auslegung ist abzuwägen, ob die zurückgewonnene Energie und die Balanciergeschwindigkeit diesen Mehraufwand für den vorgesehenen Pack rechtfertigen.

Wie Spannungsmessungen die Balancierung steuern

Die Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten gemessenen Gruppenspannung wird häufig als Spannungsspreizung oder Zellspannungsdelta bezeichnet. Ihre Bedeutung verändert sich mit Strom, Temperatur und SOC.

Eine Gruppe mit höherem Innenwiderstand kann beim Laden eine höhere und beim Entladen eine niedrigere Spannung aufweisen, auch ohne SOC-Unterschied. Ihr nur deshalb Ladung zu entnehmen, weil sie unter Ladestrom die höchste Spannung hat, kann das Ladungsungleichgewicht verschärfen. Ein niedrigerer Strom und eingeschwungene Bedingungen verringern diese Effekte und erleichtern die Interpretation der Spannung. Texas Instruments — Battery Cell Balancing: What to Balance and How

Temperaturunterschiede beeinflussen ebenfalls das Spannungsverhalten. Ein Sensoroffset oder ein Fehler der Messleitung kann eine scheinbare Differenz erzeugen, ohne ein tatsächliches Ladungsungleichgewicht zu verursachen. Das Kapitel battery management system erklärt, wie Messfehler von Zellfehlern unterschieden werden.

Lithium-Eisenphosphat (LFP) bringt eine besondere Schwierigkeit mit sich: Die Spannung verändert sich über einen großen Teil des SOC-Bereichs nur wenig. Unterschiedliche Ladezustände können deshalb ähnliche Spannungen ergeben. Hysterese, bei der die Spannung von der jüngsten Lade- oder Entladehistorie der Zelle abhängt, erschwert den Vergleich zusätzlich. Die steileren Bereiche der Spannungskurve liefern mehr Informationen über Ladungsunterschiede. Analog Devices — Considerations for Fuel Gauging Lithium-Iron-Phosphate Batteries

Spannung, Strommessungen und Batteriemodelle tragen zur SOC-Schätzung bei. Die Balancierung verändert physisch die in ausgewählten Gruppen enthaltene Ladung; die SOC-Kalibrierung korrigiert die Schätzung des BMS. Eine Änderung der angezeigten Prozentzahl allein belegt keine Ladungsumverteilung.

Wann balanciert wird und was Fahrer daraus ableiten können

Die Regelstrategie bestimmt, wann die Balancierung aktiviert oder unterbrochen wird. Bedingungen können die Gruppenspannung, die gemessene Differenz zwischen Gruppen, die Temperatur und der Betriebszustand des Fahrzeugs sein.

Top-Balancing gleicht die Gruppen nahe dem oberen Ende des Ladefensters ab; Bottom-Balancing nahe dem unteren Ende. Diese Begriffe beschreiben den Abgleichpunkt. Passiv und aktiv bezeichnen den Mechanismus, mit dem die Ladungsverteilung verändert wird. Gruppen mit unterschiedlichen Kapazitäten können an einem Ende abgeglichen sein und beim Durchlaufen des Ladefensters wieder auseinanderdriften.

Eine dokumentierte Umsetzung ist der Orion Jr. 2, ein BMS für Packs mit bis zu 48 V Nennspannung in leichten Fahrzeugen und stationären Anwendungen. Sein Handbuch von 2018 beschreibt einstellbare Balancierschwellen und empfiehlt Top-Balancing. Für einen Abgleich in der Mitte oder am unteren Ende kann eine externe Steuerung erforderlich sein, die den Zeitpunkt der Balancierung vorgibt. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Angezeigte 100% markieren das obere Ende des für den Fahrer dargestellten Ladefensters, nicht den absoluten Vollladepunkt jeder Zelle. Dies erklärt das Kapitel battery buffers and the operating window. Die Anzeige verrät weder, ob die erforderlichen Balancierbedingungen erfüllt waren, noch wie lange balanciert wurde. Befolgen Sie die Ladeempfehlungen für das konkrete Fahrzeug, statt eine universelle Vollade- oder Tiefentladeroutine anzuwenden. Das Kapitel battery charging erklärt die separaten Einflussfaktoren auf Ladegeschwindigkeit und deren Abnahme im Ladeverlauf.

Driftet eine Gruppe wiederholt aus dem Gleichgewicht, muss die Diagnose klären, ob Ladungsdrift, verringerte Kapazität, Widerstand, Temperatur oder ein Messproblem die Ursache ist. Eine Spannungsspreizung ist besonders aussagekräftig, wenn die zugehörigen Bedingungen und der Verlauf bekannt sind. Dauerhafter Kapazitätsverlust wird in battery degradation behandelt.