Batterieausgleich: Was, warum und wie

Das Ausbalancieren von Batterien ist ein wichtiger Prozess zur Aufrechterhaltung der Effizienz, Leistung und Sicherheit von Batteriesystemen, sei es für die Speicherung von Solarenergie, Elektrofahrzeuge (EVs) oder andere Energieanwendungen. Ohne ordnungsgemäßes Ausbalancieren können Ihre Batterien aus dem Gleichgewicht geraten, was ihre Lebensdauer und Leistung verkürzt.

In diesem Handbuch erfahren Sie, was Batterieausgleich ist, welche Ursachen ein Ungleichgewicht hat und wie man es behebt . Dabei werden sowohl einzelne Zellen als auch Batteriegruppen berücksichtigt.

Was bedeutet ein Batterieungleichgewicht?

Unter Batterieungleichgewicht versteht man einen Zustand, bei dem die Batteriespannung oder der Ladezustand (SoC) zwischen den Zellen oder Gruppen in einem Batteriepack variiert. Mit der Zeit führt das Ungleichgewicht zu Inkonsistenzen – Unterschieden in der Zellleistung –, was das Problem verschlimmert und einen Teufelskreis bildet.

Dieses Problem tritt besonders häufig bei Mehrzellenkonfigurationen auf und kann zu mehreren Problemen führen, darunter eine verringerte Energiespeicherkapazität, eine beschleunigte Zelldegradation und ein erhöhtes Risiko einer Über- oder Unterladung, was Sicherheitsrisiken bergen kann. Wichtig ist, dass Ungleichgewichte nicht auf einzelne Zellen beschränkt sind; sie können auch zwischen Batteriegruppen auftreten.

Was führt zu einem Ungleichgewicht der Batterien?

Ein Batterieungleichgewicht entsteht aufgrund von Inkonsistenzen in einzelnen Zellen, die auf unterschiedliche Parameter, Betriebsbedingungen und Umgebungsfaktoren zurückzuführen sind. Zu den Hauptursachen zählen:

1. Zellparametervariationen

Sogar ähnliche Batterien können in Kapazität und Widerstand variieren, was zu ungleichmäßigem Laden/Entladen führt. Zellen mit geringerer Kapazität oder höherem Widerstand degradieren schneller, da sie vorzeitig geladen oder entladen werden, was im Laufe der Zeit zu Ineffizienzen und Ungleichgewicht führt. Diese Abweichungen beschleunigen den Verschleiß und verringern die Gesamtleistung und Lebensdauer der Batterie.

2. Lade-/Entladebedingungen

Unsachgemäße Lademethoden, wie etwa Überladen oder Überentladen, können Zellen beschädigen und mit der Zeit Unterschiede vergrößern.

3. Temperatureffekte

Eine ungleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb der Packung oder die Einwirkung extremer Temperaturen beschleunigt den Zellabbau aufgrund verstärkter chemischer Reaktionen und verringert so die Gesamtleistung.

4. SOC-Schätzfehler

Abweichungen im Ladezustand (SOC) entstehen durch ungleichmäßige Anfangskapazitäten oder Widerstandsunterschiede, die eine ungleichmäßige Stromverteilung in Parallelschaltkreisen verursachen.

5. Alter und Degradation

Mit zunehmendem Alter verändern sich Kapazität und Leistung von Batterien, was zu ungleichmäßigem Laden und Entladen führt.

6. Externe Schaltkreise

Unterschiede bei Anschlüssen, Widerständen und Eingangsschaltkreisen des Batteriemanagementsystems (BMS) führen zu einer ungleichmäßigen Energieverteilung und verstärken so die Inkonsistenzen.

Obwohl ein Ungleichgewicht der Batterie unvermeidbar ist, sind proaktive Maßnahmen unerlässlich, um Inkonsistenzen zu minimieren und die Leistung aufrechtzuerhalten.

Warum ist das Ausbalancieren von Batterien wichtig?

Ein ausgeglichenes Batteriepaket/-system stellt sicher, dass jede einzelne Zelle innerhalb ihres sicheren Spannungsbereichs arbeitet. Deshalb ist das Ausbalancieren der Batterie so wichtig:

Verhindern des Verlusts nutzbarer Kapazität

Unterschiede zwischen den Batteriezellen in Reihen- und Parallelschaltungen verringern die nutzbare Kapazität des Systems .

Wenn beispielsweise in einem 500-kWh-System mit 50 in Reihe geschalteten Zellen, die jeweils 10 kWh speichern, eine Zelle nur 85 % Ladezustand (SoC) erreicht, während die anderen 100 % erreichen, sinkt die gespeicherte Energie des Pakets auf 495 kWh. Während der Entladung ist sie auf 425 kWh (85 %) begrenzt, was zu einem Kapazitätsverlust von 15 % führt.

Ohne Ausgleich vergrößert sich diese Diskrepanz, es geht mehr Energie verloren und der Zellabbau wird beschleunigt.

Vermeidung paralleler Inkonsistenzen

In Parallelkonfigurationen verursachen Spannungsfehlanpassungen zirkulierende Ströme, die Cluster mit geringerem Widerstand dazu zwingen, schneller geladen oder entladen zu werden. Dies führt zu vorzeitigen Stopps, Überhitzung und Kapazitätsverlust .

Beispielsweise wurde bei einem System eine Ladestromabweichung von 60 A gemessen, was einer Differenz von 40 % zum Durchschnitt entspricht. Solche Ungleichgewichte verringern die Effizienz, verkürzen die Lebensdauer und erhöhen die Sicherheitsrisiken.

Milderung der Temperatureffekte

Ungleichmäßige Temperaturen zwischen den Zellen verstärken den Widerstand und die Kapazitätsunterschiede, beschleunigen den Abbau und erhöhen die Sicherheitsrisiken. Ein Anstieg um 15 °C kann die Lebensdauer des Systems halbieren, weshalb eine konstante Temperaturregelung von entscheidender Bedeutung ist.

Indem diese Herausforderungen angegangen werden, sorgt der Batterieausgleich für maximale Kapazität, Effizienz und Zuverlässigkeit. So schützen Sie Ihre Investition und verlängern die Lebensdauer des Systems.

So beheben Sie Batterieungleichgewicht und -inkonsistenz

Wenn ein Ungleichgewicht der Batterie oder Zelle auftritt, gibt es mehrere Möglichkeiten, das Problem zu beheben, entweder mit Spezialwerkzeugen oder manuellen Methoden . Hier sind einige effektive Lösungen:

Verwenden Sie ein BMS (Batterie-Management-System)

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) dient zur Überwachung und zum Ausgleich der Spannung zwischen den einzelnen Zellen eines Akkupacks. Es gleicht die Zellen während des Ladevorgangs automatisch aus und stellt sicher, dass alle Zellen die gleiche Spannung erreichen.

Verwenden Sie einen Batterie-Equalizer

Ein Batterie-Equalizer ist ein Gerät, das die Spannung und den Ladezustand zwischen einzelnen Zellen oder Zellgruppen in einem Batteriepack ausgleicht. Ein Batterie-Equalizer funktioniert, indem er die Ladung zwischen den Zellen neu verteilt und sicherstellt, dass alle Zellen den gleichen Spannungszustand beibehalten.

Batterien parallel ausbalancieren

Wenn bei parallel geschalteten Batterien Spannungsunterschiede auftreten, können Sie das Problem oft mit einem einfachen Verfahren beheben:

1. Parallel abschalten und ausruhen:

Trennen Sie die Batterien von der Ladequelle und den Lasten. Schließen Sie sie dann direkt parallel an. Lassen Sie die Batterien etwa 3 Stunden ruhen. Während dieser Zeit übertragen die Batterien mit der höheren Spannung auf natürliche Weise Ladung auf die Batterien mit der niedrigeren Spannung und helfen so dabei, ihre Spannungen auszugleichen.

2. Führen Sie bei Bedarf vollständige Lade- und Entladezyklen durch:

Wenn der Spannungsunterschied nach einer Ruhepause weiterhin besteht, müssen Sie die Batterien abklemmen und für jede Batterie einzeln einen oder zwei vollständige Lade-/Entladezyklen durchführen . Dieser Vorgang setzt das Batteriemanagementsystem (BMS) zurück, sodass es die Spannungspegel jeder Batterie neu kalibrieren und genau ablesen kann.

Beheben Sie durch Kapazitätsunterschiede verursachtes Batterieungleichgewicht

Beim Einsatz mehrerer Akkus des gleichen Modells kann es aufgrund von Kapazitätsunterschieden, insbesondere bei Parallelschaltung, zu Ungleichgewichten kommen.

Vermeiden Sie Parallelschaltungen bei großen Kapazitätsunterschieden:

Wenn der Kapazitätsunterschied zwischen den Batterien erheblich ist, ist es nicht empfehlenswert, sie parallel zu schalten. Die kleinere Batterie wird zuerst aufgeladen, wodurch die größere unterladen bleibt, was das Ungleichgewicht mit der Zeit verschlimmert.

Testen und Ersetzen von Zellen mit geringer Kapazität:

Wenn Sie die Batterien dennoch parallel verwenden möchten, testen Sie die Kapazität der Batterie mit der geringeren Leistung. Ersetzen Sie alle Zellen mit geringerer Leistung, um das Gleichgewicht wiederherzustellen und eine gleichmäßige Ladung des gesamten Batteriepakets sicherzustellen.

Batterien Zellen ausgleichen

Gerät die Spannung einzelner Akkuzellen aus dem Gleichgewicht, können folgende Schritte unternommen werden, um das Gleichgewicht wiederherzustellen:

1. Den Akku zerlegen

Öffnen Sie das Batteriegehäuse vorsichtig, um an die einzelnen Zellen zu gelangen. Stellen Sie sicher, dass alle Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, z. B. das Tragen isolierter Handschuhe und das Arbeiten in einem gut belüfteten Bereich.

2. Messen Sie die Zellspannungen

Messen Sie die Spannung jeder Zelle mit einem Multimeter. Identifizieren Sie Zellen mit niedrigerer Spannung als die anderen, da diese die Hauptursache für das Ungleichgewicht sind.

3. Niederspannungszellen laden

Laden Sie die Zellen mit niedrigerer Spannung mithilfe eines programmierbaren Netzteils auf, bis sie mit der Spannung der anderen übereinstimmen. Dieser Schritt gleicht die Ladestände aus und hilft, das Gleichgewicht wiederherzustellen.

4. Auf interne Widerstandsprobleme prüfen

Wenn das Spannungsungleichgewicht auch nach dem Laden bestehen bleibt, kann das Problem durch einen erhöhten Innenwiderstand in einer oder mehreren Zellen verursacht werden. Dies ist oft ein Zeichen von Alterung oder Beschädigung.

5. Defekte Zellen ersetzen

Entfernen Sie alle Zellen mit deutlich erhöhtem Innenwiderstand . Ersetzen Sie sie durch neue Zellen mit gleichbleibendem Innenwiderstand. Verwenden Sie für diesen Schritt ein Punktschweißgerät oder ein Laserschweißgerät, um die Ersatzzellen sicher mit dem Akkupack zu verbinden.

Praktische Tipps zur Minimierung von Batterieungleichgewichten/-inkonsistenzen

Um Inkonsistenzen und Ungleichgewichte bei der Batterienutzung im Alltag zu minimieren, ist es wichtig, bewährte Vorgehensweisen bei Wartung und Betrieb einzuhalten.

• Begrenzen Sie die Anzahl paralleler Verbindungen: Stellen Sie sicher, dass nicht mehr als 8 Batterien parallel geschaltet werden. Entfernen Sie überzählige Batterien, wenn diese Grenze überschritten wird.
• Verwenden Sie identische Batterien: Stellen Sie sicher, dass alle parallel geschalteten Batterien hinsichtlich Marke, Modell, Kapazität und Spannungsniveau identisch sind. Das Mischen von Batterien kann zu Ungleichgewichten führen.
• Anfangsspannungen ausgleichen: Laden Sie vor der Parallelschaltung jede Batterie einzeln auf, um sicherzustellen, dass die Spannungsunterschiede (Voc) weniger als 0,1 V betragen.
• Standardisieren Sie die Verkabelung: Verwenden Sie die angegebene Verkabelungsmethode, achten Sie auf einheitliche Kabellängen, verwenden Sie den gleichen Drahtdurchmesser (AWG) und sorgen Sie für sichere Verbindungen.
• Passen Sie die Lade-/Entladeströme an: Halten Sie die Ströme über 0,2 C für eine optimale Balance. Laden/entladen Sie beispielsweise eine 100-Ah-Batterie mit 20 A oder mehr.
• Vermeiden Sie extreme Temperaturen: Vermeiden Sie den Betrieb von Batterien in Umgebungen mit hohen Temperaturen, um Belastungen und Unwucht zu reduzieren.
• Überwachen Sie die Selbstentladungsraten: Überprüfen und gleichen Sie die Spannungen regelmäßig aus, um Unterschiede in den Selbstentladungsraten auszugleichen.
• An eine gemeinsame Sammelschiene anschließen: Stellen Sie sicher, dass alle parallel angeschlossenen Batterien die gleiche Gleichstrom-Sammelschiene gemeinsam nutzen, um Inkonsistenzen zu minimieren.

Durch die Umsetzung dieser Maßnahmen wird das Risiko einer Unwucht erheblich reduziert, was zu einer besseren Leistung und längeren Lebensdauer der Batterie führt.