Zellausgleich

Der Zellausgleich korrigiert Unterschiede im Ladezustand zwischen den in Reihe geschalteten Zellgruppen einer EV-Batterie. Er verhindert, dass eine Gruppe den Lade- oder Entladevorgang vorzeitig beendet, kann jedoch weder verlorene Kapazität wiederherstellen noch eine gealterte Zelle reparieren.

Was beim Zellausgleich tatsächlich ausgeglichen wird

Die Bezeichnung Zellausgleich kann den Eindruck erwecken, das Batteriemanagementsystem (BMS) messe und regle jede einzelne physische Zelle separat. Eine EV-Batterie ist jedoch nicht immer so aufgebaut.

Parallel geschaltete Zellen haben dieselbe Klemmenspannung und werden normalerweise als eine Gruppe überwacht. In einer 108s4p-Batterie sind beispielsweise 108 Gruppen in Reihe geschaltet, wobei jede Gruppe vier parallele Zellen enthält. Das Pack besitzt 432 physische Zellen, aber normalerweise 108 von der Elektronik genutzte Kanäle zur Spannungsüberwachung und zum Ausgleich.

In diesem Artikel bezeichnet Zellgruppe eine überwachte Position in der Reihenschaltung. Dabei kann es sich um eine große Zelle oder um mehrere parallel geschaltete Zellen handeln.

Durch jede in Reihe geschaltete Gruppe fließt derselbe Packstrom. Fließen 50 A durch die Batterie, passieren dieselben 50 A jede Position der Reihenschaltung. Dennoch können die Gruppen unterschiedliche Ladezustände erreichen, weil ihre Kapazität, ihr Widerstand, ihre Temperatur, ihre Selbstentladung und ihre Alterung nicht vollkommen identisch sind.

Der Zellausgleich ist die BMS-Funktion, die diese Unterschiede im Ladezustand verringert. Das umfassendere System für Überwachung, Schätzung und Schutz wird im Artikel Batteriemanagementsystem erläutert.

Warum Zellgruppen auseinanderdriften

Bei der Batterieproduktion werden Zellen ausgewählt und aufeinander abgestimmt, doch während ihrer gesamten Lebensdauer bleiben keine zwei Zellen völlig gleich. Kleine Unterschiede summieren sich über wiederholte Lade-, Fahr- und Standzeiten.

Zu den wichtigsten Ursachen zählen:

Fertigungsbedingte Unterschiede und Abweichungen der Anfangskapazität
Unterschiedliche Alterungsraten und Kapazitätsverluste
Unterschiede beim Innenwiderstand
Ungleichmäßige Temperatur und Kühlung
Kleine Unterschiede bei der Selbstentladung
Leckströme über Mess- oder Ausgleichselektronik
Eine schwache Zelle innerhalb einer Parallelgruppe
Unterschiede bei Stromschienen, Anschlüssen oder anderen elektrischen Verbindungen
Offset eines Spannungssensors oder ein Fehler der Messleitung

Diese Ursachen stellen nicht alle dasselbe Problem dar.

Ungleichgewicht des Ladezustands

Ein Ungleichgewicht des Ladezustands bedeutet, dass zwei Gruppen im Verhältnis zu ihrer jeweils nutzbaren Kapazität unterschiedlich viel Ladung enthalten. Wenn zwei ansonsten identische Gruppen mit 100 Ah jeweils 80 Ah und 78 Ah enthalten, beträgt ihr Ladezustand 80% beziehungsweise 78%.

Genau diese Abweichung soll der Zellausgleich korrigieren.

Kapazitätsungleichgewicht

Ein Kapazitätsungleichgewicht besteht, wenn eine Gruppe weniger Ladung speichern kann als die anderen. Eine gealterte Gruppe mit 90 Ah und eine intakte Gruppe mit 100 Ah können beide einen SOC von 100% aufweisen, doch die gealterte Gruppe enthält weniger Ladung und erreicht normalerweise zuerst den leeren Zustand.

Der Ausgleich kann beide Gruppen an einem gewählten Punkt des Betriebsfensters angleichen. Die fehlenden 10 Ah kann er nicht wiederherstellen. Deshalb kann die Gruppe mit der geringsten Kapazität die nutzbare Energie des Packs auch nach dem Ausgleich weiterhin begrenzen.

Unterschiede bei Widerstand und Temperatur

Eine Gruppe mit hohem Widerstand zeigt beim Laden einen stärkeren Spannungsanstieg und beim Beschleunigen einen stärkeren Spannungseinbruch. Eine kalte Gruppe kann unter Last ebenfalls stärker einbrechen als eine warme Gruppe mit demselben SOC.

Solche vorübergehenden Spannungsunterschiede sind nicht zwangsläufig Ladungsunterschiede. Ein Ausgleich allein anhand der momentanen Spannung bei hohem Strom kann der falschen Gruppe Ladung entziehen.

Selbstentladung

Eine Gruppe mit höherer Selbstentladung fällt während des Parkens allmählich zurück. Der Ausgleich kann sie wiederholt angleichen, doch ein anhaltendes Auseinanderdriften kann auf einen Zellfehler, Verunreinigungen, einen Leckstrom durch die Überwachungshardware oder einen anderen zu diagnostizierenden Fehler hinweisen.

In Reihe geschaltete Zellen driften aufgrund von Unterschieden bei Temperatur, Impedanz, Belastung und Selbstentladung naturgemäß auseinander. Für kleine SOC-Unterschiede zwischen eng aufeinander abgestimmten Zellen reicht ein passiver Ausgleich im Allgemeinen aus. (Analog Devices)

Wie eine Gruppe die Batterie begrenzt

Jede überwachte Gruppe muss innerhalb ihres zulässigen Spannungs- und Temperaturbereichs bleiben. Der Durchschnittswert des Packs kann den Grenzwert einer einzelnen Gruppe nicht außer Kraft setzen.

Beim Laden

Der Ladevorgang wird von der Gruppe begrenzt, die zuerst ihre obere Spannungsgrenze erreicht. Stellen Sie sich vier Gruppen gegen Ende eines Ladevorgangs vor:

Gruppe A erreicht ihre obere Grenze.
Gruppe B liegt bei 98% SOC.
Gruppe C liegt bei 97% SOC.
Gruppe D liegt bei 99% SOC.

Ein Fortsetzen mit demselben Strom würde Gruppe A überladen, obwohl die anderen Gruppen noch Kapazität frei haben. Das BMS muss den Ladestrom verringern, ausgewählte Gruppen ausgleichen, den Ladevorgang beenden oder diese Maßnahmen kombinieren. Ein Teil der Kapazität in den Gruppen B und C bleibt ungenutzt.

Beim Entladen

Die Entladung wird von der Gruppe begrenzt, die zuerst ihre untere Grenze erreicht. Die stärkeren Gruppen können noch Energie enthalten, doch das Fahrzeug darf nicht unbeschränkt weiter Strom entnehmen, ohne die begrenzende Gruppe tiefzuentladen.

Normalerweise reduziert das BMS die verfügbare Antriebsleistung, bevor die Gruppe ihre absolute Untergrenze erreicht. Falls erforderlich, verhindert es schließlich eine weitere Entladung für den Antrieb.

Die Gruppe, die das Laden begrenzt, muss nicht dieselbe sein, die das Entladen begrenzt. Eine Gruppe mit höherem Widerstand kann beim Laden den stärksten Spannungsanstieg und beim Beschleunigen den stärksten Einbruch zeigen, während eine Gruppe mit geringerer Kapazität zuerst das Ende ihrer nutzbaren Ladung erreicht. Deshalb muss eine Spannungsspreizung im jeweiligen Kontext betrachtet werden und nicht anhand eines einzigen Schwellenwerts.

Sowohl der passive als auch der aktive Ausgleich sollen nutzbare Energie erschließen, die durch ein SOC-Ungleichgewicht sonst nicht verfügbar wäre. Keines der beiden Verfahren verändert die physische Kapazität der Zellen. (Analog Devices)

Wie das BMS ein Ungleichgewicht erkennt

Die Zellüberwachungselektronik misst die Spannung jeder Gruppe in der Reihenschaltung. Das BMS bewertet diese Messwerte anschließend zusammen mit:

Packstrom
Zell- und Modultemperaturen
Spannungsreaktion beim Laden und Entladen
Spannungserholung nach Ende des Stromflusses
Geschätztem SOC der Gruppe
Erlernter Kapazität und erlerntem Widerstand
Vorheriger Ausgleichsaktivität
Selbstentladung während des Parkens
Sensor- und Kommunikationsdiagnosen

Der Unterschied zwischen der höchsten und der niedrigsten gemessenen Gruppenspannung wird häufig als Zellspannungsdifferenz oder Spannungsspreizung bezeichnet. Er ist nützlich, aber kein vollständiges Maß für den Gleichlauf.

Die Spannung lässt sich am besten deuten, wenn der Strom gering ist, ähnliche Temperaturen herrschen und vorübergehende Polarisations- und Widerstandseffekte abgeklungen sind. Beim Schnellladen oder starken Beschleunigen kann die gemessene Spreizung hauptsächlich durch den Widerstand und nicht durch den SOC bestimmt werden.

Eine Gruppe, die beim Laden als höchste und beim Entladen als niedrigste erscheint, kann einen höheren Widerstand haben, statt überschüssige Ladung zu speichern. Das BMS muss unterscheiden zwischen:

Einem tatsächlichen SOC-Unterschied
Einem Kapazitätsunterschied
Einem widerstandsbedingten Spannungsunterschied
Einem Temperatureffekt
Ungewöhnlicher Selbstentladung
Einem Fehler an Sensor, Messleitung oder Verbindung

Ausgleichsentscheidungen, die bei hohem Strom allein auf der Spannung beruhen, können die Abweichung vergrößern. Technische Leitfäden zum Zellausgleich betonen daher den Strom, Widerstandseffekte und Bedingungen gegen Ende des Ladevorgangs, wenn der Strom bereits gesunken ist. (Texas Instruments)

Warum LFP besondere Sorgfalt erfordert

Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) besitzen über weite Teile ihres SOC-Bereichs eine vergleichsweise flache Leerlaufspannungskurve. Eine nennenswerte Änderung der gespeicherten Ladung kann nur einen kleinen Spannungsunterschied bewirken, während Temperatur, Hysterese, Sensorfehler und ein kurz zuvor geflossener Strom Unterschiede ähnlicher Größenordnung verursachen können.

In den steileren Abschnitten der LFP-Kurve ist die Spannung aussagekräftiger. Ein präzises BMS benötigt dennoch eine genaue Stromintegration, Temperaturkompensation, ein chemiespezifisches Modell und geeignete Referenzbedingungen. Der Leitfaden von Analog Devices zur Ladezustandsermittlung bei LFP beschreibt die flache Spannungskurve und die Hysterese als zentrale Herausforderungen der Schätzung. (Analog Devices)

Das bedeutet nicht, dass LFP nicht ausgeglichen werden kann. Eine einfache Regel wie „die Zelle mit der höchsten Spannung entladen“ ist im flachen mittleren Bereich des Betriebsfensters lediglich weniger zuverlässig.

Passiver Zellausgleich

Beim passiven Ausgleich wird ausgewählten Gruppen mit höherem SOC eine kleine Ladungsmenge entzogen. Ein Transistor schaltet einen Widerstand parallel zur Gruppe, und die abgeleitete elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt.

Während des Ladens ermöglicht das Entladen einer höher geladenen Gruppe den niedriger geladenen Gruppen aufzuholen, während das Pack weiter Energie aufnimmt. Manche Systeme können ausgewählte Gruppen auch bei geparktem Fahrzeug oder nach Ende des Ladevorgangs entladen.

Der passive Ausgleich ist verbreitet, weil die Schaltung kompakt, relativ kostengünstig und leicht in die Zellüberwachungshardware zu integrieren ist. Seine wichtigsten Einschränkungen sind:

Die entzogene Energie wird als Wärme verworfen.
Der Ausgleichsstrom ist im Vergleich zum Lade- oder Antriebsstrom klein.
Große Unterschiede können viele Stunden erfordern.
Die Temperatur der Widerstände kann begrenzen, wie viele Kanäle gleichzeitig aktiv sind.
Während der Entladung kann keine Energie in eine niedriger geladene Gruppe übertragen werden.

Ausgleichsstrom und Dauer

Ausgleichsschaltungen für Fahrzeuge arbeiten üblicherweise im Milliamperebereich. Der Automotive-Zellcontroller MC33775A von NXP unterstützt beispielsweise einen passiven Ausgleich mit bis zu 300 mA pro Kanal sowie Zeit-, Spannungs- und Temperaturgrenzen. Dies ist die Fähigkeit eines bestimmten Bauteils und kein Wert, der für jedes Elektrofahrzeug gilt. (NXP)

Eine einfache Zeitschätzung lautet:

Ausgleichsdauer = Ladungsunterschied ÷ Ausgleichsstrom

Ein SOC-Unterschied von 1% in einer Gruppe mit 100 Ah entspricht 1 Ah. Bei einem kontinuierlichen Ausgleichsstrom von 0.1 A würde das Entfernen dieses Unterschieds ungefähr 10 Stunden dauern.

In der Praxis kann der Ausgleich länger dauern, weil das BMS ihn für Spannungsmessungen unterbrechen, benachbarte Kanäle einschränken, den Tastgrad bei zunehmender Bauteiltemperatur verringern, außerhalb eines zulässigen Temperaturbereichs stoppen oder das Fahrzeug in einen energiesparenderen Zustand wechseln lassen kann. Aktuelle Zellmonitor-Designs enthalten solche Zeit- und Temperaturbegrenzungen, weil die Entladewiderstände und Schaltelemente geschützt werden müssen. (Texas Instruments)

Der passive Ausgleich eignet sich deshalb gut, um das allmähliche Auseinanderdriften ansonsten ähnlicher Gruppen zu korrigieren. Er ist kein schneller Reparaturvorgang für eine stark unausgeglichene Batterie.

Aktiver Zellausgleich

Beim aktiven Ausgleich wird Ladung über leistungselektronische Schaltungen übertragen, statt sie vollständig in Entladewiderständen zu vernichten. Je nach Topologie kann Energie übertragen werden:

Von einer höher geladenen zu einer niedriger geladenen Gruppe
Zwischen einer Gruppe und einem größeren Abschnitt des Packs
Zwischen Modulen oder Packabschnitten
Vom Pack in eine schwach geladene Gruppe

Die Übertragungsschaltung kann Kondensatoren, Induktivitäten, Transformatoren, Schaltmatrizen oder bidirektionale DC-DC-Wandler verwenden.

Der aktive Ausgleich kann mit höherem Strom arbeiten und Energie beim Laden, Entladen oder im Ruhezustand umverteilen. Beim Entladen kann er beispielsweise Energie aus stärkeren Gruppen in eine Gruppe einspeisen, die sich ihrer Untergrenze nähert, und so den Zeitpunkt hinauszögern, an dem diese Gruppe die nutzbare Entladung des Packs beendet.

Das Verfahren ist nicht verlustfrei. Leiter, Schalter, magnetische Bauteile und Steuerelektronik verbrauchen Energie und erzeugen Wärme. Hinzu kommen:

Kosten und zusätzliche Bauteile
Platz- und Gewichtsbedarf
Komplexere Regelung
Anforderungen hinsichtlich elektromagnetischer Störungen
Mehr Diagnose- und funktionale Sicherheitsanforderungen
Zusätzliche mögliche Ausfallarten

Der aktive Ausgleich kann bei auseinanderentwickelten Gruppenkapazitäten einen größeren Teil der vorhandenen Packenergie nutzbar machen, stellt jedoch nicht die ursprüngliche Kapazität einer schwachen Gruppe wieder her. Dieselbe Gruppe kann im nächsten Zyklus erneut zur begrenzenden werden. Analog Devices beschreibt den entscheidenden Unterschied klar: Beim passiven Ausgleich wird überschüssige Ladung vernichtet, beim aktiven Ausgleich wird sie umverteilt. (Analog Devices)

Der aktive Ausgleich ist nicht automatisch für jedes Elektrofahrzeug die bessere Lösung. Ein passiver Ausgleich kann ausreichen, wenn die Zellen eng aufeinander abgestimmt sind und das BMS kleine Abweichungen regelmäßig korrigiert. Ein aktiver Ausgleich wird attraktiver, wenn der Zugewinn an nutzbarer Energie die zusätzliche Hardware und den Validierungsaufwand rechtfertigt. Übersichtsarbeiten zu Ausgleichsarchitekturen für Elektrofahrzeuge kommen zum gleichen grundsätzlichen Kompromiss: Aktive Systeme ermöglichen eine flexiblere Energieübertragung, passive Systeme bieten Vorteile bei Kosten und Einfachheit. (Energies)

Wann der Zellausgleich stattfindet

Es gibt keinen allgemeingültigen Zeitplan für den Ausgleich. Abhängig von Batterie und BMS-Strategie kann er stattfinden:

Während des AC-Ladens
Gegen Ende des Ladevorgangs
Nach Ende des Ladevorgangs
Solange das Fahrzeug angeschlossen bleibt
Unter ausgewählten Bedingungen beim Parken oder Fahren
Immer dann, wenn Spannung, Strom und Temperatur die programmierten Kriterien erfüllen

Viele Systeme führen einen großen Teil des Ausgleichs bei hohem SOC durch. Der Ladestrom ist dann geringer, das BMS kann erkennen, welche Gruppe zuerst die obere Grenze erreicht, und das angeschlossene Fahrzeug hat möglicherweise genügend Zeit für eine langsame Korrektur.

Dies wird häufig als Top-Balancing bezeichnet. Andere Strategien können die Gruppen am unteren Ende angleichen oder einen modellbasierten Ausgleich über einen größeren Betriebsbereich nutzen. Die Wahl hängt von Zellchemie, Packkonstruktion, Betriebsfenster und den Prioritäten des Herstellers ab.

Das Laden auf angezeigte 100% beweist nicht, dass ein Ausgleich stattgefunden hat. Das BMS kann zusätzlich eine geeignete Temperatur, einen Mindestunterschied bei Spannung oder geschätztem SOC, einen niedrigen Strom, weitere angeschlossene Zeit oder eine andere herstellerspezifische Bedingung verlangen.

Zellausgleich und SOC-Kalibrierung sind nicht dasselbe

Der Zellausgleich verändert die Verteilung der Ladung zwischen den in Reihe geschalteten Gruppen. Die SOC-Kalibrierung verändert die Schätzung des BMS, wie voll die Batterie ist.

Ein hoher oder niedriger Referenzpunkt kann dem BMS helfen, den SOC neu zu kalibrieren, und ein langer Ladevorgang kann zugleich Zeit für den Ausgleich schaffen. Dennoch bleiben beide Vorgänge voneinander getrennt. Ein Fahrzeug kann seine Prozentanzeige aktualisieren, ohne nennenswerte Ladung zwischen Gruppen zu verschieben. Es kann Gruppen auch ausgleichen, ohne dass sich die Anzeige sichtbar ändert.

Fahrer sollten deshalb die Ladeempfehlungen für ihr konkretes Fahrzeug befolgen, statt eine allgemeine Regel „zum Ausgleich auf 100% laden“ anzuwenden. Zellchemie, BMS-Strategie, Software, Standzeit und der tägliche Reichweitenbedarf beeinflussen die geeignete Routine. Ladeleistung und Leistungsreduzierung bei hohem SOC werden gesondert unter Batterieladen und Ladeleistung behandelt.

Was der Zellausgleich nicht beheben kann

Der Zellausgleich kann Folgendes nicht:

Durch Alterung verlorene Kapazität wiederherstellen
Einen dauerhaft erhöhten Widerstand rückgängig machen
Einen internen Kurzschluss reparieren
Ungewöhnliche Selbstentladung stoppen
Eine beschädigte Stromschiene, Klemme oder Messleitung reparieren
Unzureichende Kühlung korrigieren
Einen ungenauen Spannungs- oder Temperatursensor reparieren
Dafür sorgen, dass alle Gruppen gleich schnell altern
Bereits in einer Zelle verlorenes Lithium oder Aktivmaterial zurückgewinnen

Wenn eine Gruppe kurz nach dem Ausgleich wiederholt aus dem Gleichlauf gerät, kann ein zugrunde liegendes Problem bei Kapazität, Widerstand, Selbstentladung, Temperatur, Verbindung oder Messung vorliegen. Der Ausgleich kann die Gruppe vorübergehend angleichen, ein anhaltendes Ungleichgewicht muss jedoch diagnostiziert werden.

Die meisten Elektrofahrzeuge zeigen die Ausgleichsaktivität nicht direkt an. Mögliche indirekte Symptome sind:

Der Ladevorgang wird früher als erwartet reduziert oder beendet.
Die nutzbare Energie ist geringer.
Die SOC-Anzeige wird plötzlich korrigiert.
Der SOC fällt nahe dem leeren Zustand schneller ab.
Bei niedrigem SOC wird die Antriebsleistung reduziert.
Es wird eine große Spannungsspreizung gemeldet.
Das Fahrzeug bleibt nach dem Laden aktiv.
Eine Batterie- oder Antriebswarnung erscheint.

Keines dieser Symptome beweist ein Ungleichgewicht. Temperatur, normale Leistungsreduzierung beim Laden, Fehler der SOC-Schätzung, Begrenzungen der Ladesäule, allgemeine Alterung, Kühlungsfehler und die Softwarestrategie können ein ähnliches Verhalten verursachen.

Eine zuverlässige Diagnose vergleicht Gruppenspannung, Temperatur, Widerstand, Selbstentladung und Verlauf unter kontrollierten Bedingungen. Ein einzelner Screenshot der Spannungsdifferenz oder eine einzelne Ladesitzung reicht nicht aus. Dauerhafter Kapazitätsverlust und die Prüfung des Batteriezustands werden unter Batteriealterung erläutert.

Der Zellausgleich ist am wirksamsten, wenn er kleine Unterschiede unbemerkt korrigiert, bevor der Fahrer sie wahrnimmt. Ist eine Gruppe bereits so schwach, dass sie das Pack wiederholt begrenzt, kann der Ausgleich die Folge handhaben, aber nicht die Ursache beseitigen.