Abbildung 1. Gängige Zellausgleichstopologien.
Wie bei Einzelzellenanwendungen sind eine sorgfältige Ladekontrolle und Zellüberwachung unerlässlich, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und vorzeitige Alterung oder Batterieschäden zu verhindern.
Im Gegensatz zu Einzelzellensystemen kommt bei in Reihe geschalteten Batteriestapeln jedoch eine neue Anforderung hinzu: der Zellausgleich.
Alle in Reihe geschalteten Zellen müssen ausgeglichen sein.
Die Zellen eines Batteriestapels sind ausgeglichen, wenn alle Zellen den gleichen Ladezustand (SoC) aufweisen. Der SoC gibt die verbleibende Kapazität einer Zelle im Verhältnis zu ihrer maximalen Kapazität während des Lade- und Entladevorgangs an. Alle Zellen der Batterie müssen innerhalb eines bestimmten SoC-Bereichs gehalten werden, um Schäden oder Leistungsverschlechterungen während ihrer Betriebsdauer zu vermeiden. Anwendungen, die eine möglichst lange Batterielebensdauer erfordern, nutzen einen SoC-Bereich von 30 % bis 70 % für alle Zellen. Dies sind typische SoC-Grenzwerte in Elektrofahrzeugen und netzgekoppelten Speichersystemen, die sehr große und teure Batterien verwenden.
Der relative Ladezustand (SoC) in Reihe geschalteter Zellen streut im Laufe der Zeit aufgrund von Temperaturgradienten, Impedanzunterschieden, Selbstentladungsraten oder der Ladung zwischen den Zellen. Ein passives Ausgleichsverfahren, wie in Abbildung 1A dargestellt, ist eine einfache und kostengünstige Methode, um alle Zellen an die Zelle mit dem niedrigsten SoC anzupassen. Allerdings ist passives Ausgleichen langsam, erzeugt unerwünschte Wärme und behebt nicht die durch ungleiche Zellkapazität bedingten SoC-Unterschiede. Alle Zellen verlieren mit zunehmendem Alter Kapazität, und zwar unterschiedlich schnell. Da der Strom im Stack gleichmäßig zu und von den Zellen fließt, wird die nutzbare Stack-Kapazität durch die Zelle mit der geringsten Kapazität bestimmt. Nur aktive Ausgleichsverfahren, wie in Abbildung 1B und 1C dargestellt, können den durch Zellfehlanpassungen bedingten Kapazitätsverlust im Stack kompensieren.
Zellabweichungen verkürzen die Betriebszeit.
Ohne Zellausgleich kann die nutzbare Kapazität eines Batteriestapels stark reduziert werden. Im Beispiel in Abbildung 2 wird ein Stapel mit 10 Zellen à 100 Ah und einer Kapazitätsabweichung von ± 10 % geladen und entladen, bis die Ladezustandsgrenzen (SoC) von 30 % und 70 % erreicht sind. Ohne Ausgleich reduziert sich die nutzbare Stapelkapazität um 25 %.
Passiver Ausgleich kann den SoC während des Ladevorgangs zwar angleichen, verhindert aber nicht, dass Zelle 10 während der Entladung vor den anderen Zellen einen SoC von 30 % erreicht. Abbildung 3 veranschaulicht, wie ein „idealer“ aktiver Ausgleich die „verlorene“ Kapazität wiederherstellt. Beim Entladen des Stapels wird die Zelle(n) mit der geringsten Kapazität geladen, sodass alle Zellen gleichzeitig einen SoC von 30 % erreichen. Umgekehrt wird beim Laden die Zelle(n) mit der geringsten Kapazität entladen, damit alle Zellen gemeinsam einen Ladezustand (SoC) von 70 % erreichen.
Im Laufe der Betriebsdauer eines Batteriestapels führen Schwankungen in der Zellalterung zu Kapazitätsabweichungen. Nur ein aktiver Ladungsausgleich ermöglicht die „Kapazitätswiederherstellung“, indem die Ladung bedarfsgerecht umverteilt wird, um den Ladezustand (SoC) im gesamten Stapel auszugleichen.
Hocheffizientes bidirektionales Balancing ermöglicht maximale Kapazitätswiederherstellung.
Der LTC3300 (siehe Abbildung 4) ist ein neues Produkt, das speziell für den Bedarf an leistungsstarkem aktivem Balancing entwickelt wurde. Der LTC3300 ist ein hocheffizienter, bidirektionaler aktiver Balancing-Steuer-IC und ein wesentlicher Bestandteil eines leistungsstarken Batteriemanagementsystems. Jeder IC kann bis zu sechs in Reihe geschaltete Li-Ion- oder LiFePO4-Zellen gleichzeitig balancieren.
Der SoC-Ladungsausgleich erfolgt durch die Umverteilung der Ladung zwischen einer ausgewählten Zelle und einem Substack von mindestens zwölf benachbarten Zellen. Die Ausgleichsentscheidungen und -algorithmen werden vom Batteriemanagementsystem gesteuert, das den LTC3300 ansteuert. Ladung wird von einer ausgewählten Zelle auf eine Gruppe von mindestens zwölf benachbarten Zellen verteilt, um die Zelle zu entladen. Umgekehrt wird Ladung von einer Gruppe von mindestens zwölf Zellen auf eine ausgewählte Zelle übertragen, um diese zu laden. Alle Balancer werden über eine stapelbare SPI-Schnittstelle gesteuert und können gleichzeitig betrieben werden, um die Ausgleichszeit zu minimieren.
Jeder LTC3300-Balancer verwendet eine nicht-isolierte, synchrone Sperrwandler-Leistungsstufe für hocheffizientes Laden und Entladen (siehe Abbildung 5). Jeder Balancer benötigt einen eigenen Transformator.
Die Primärseite jedes Transformators ist mit der auszugleichenden Zelle verbunden, die Sekundärseite mit mindestens zwölf benachbarten Zellen. Die Anzahl der Sekundärzellen ist lediglich durch die Durchschlagspannung der externen Komponenten begrenzt. Die Lade- und Entladeströme (bis zu 10 A+) werden über externe Messwiderstände programmiert. Sequenzgenerierung und Stromerkennung von IPICO/ICERO hängen davon ab, ob der Balancer lädt oder entlädt.
Hohe Effizienz wird durch synchronen Betrieb und geeignete externe Komponenten erreicht. Bei Erkennung einer Störung stoppt der Ausgleichsprozess automatisch.
Die Effizienz des Balancers ist entscheidend!
Hitze ist einer der größten Feinde eines Akkus. Hohe Umgebungstemperaturen beeinträchtigen die Lebensdauer und Leistung des Akkus rapide. Leider sind in Hochstrom-Akkusystemen auch die Ausgleichsströme hoch.
Eine geringe Effizienz des Balancers erzeugt unerwünschte Wärme im Batteriesystem. Wie Abbildung 6 zeigt, erreicht der LTC3300 sowohl beim Laden als auch beim Entladen einen Wirkungsgrad von über 90 %, wodurch der Ausgleichsstrom mehr als doppelt so hoch ist wie bei einer Lösung mit 80 % Wirkungsgrad.
Darüber hinaus führt eine höhere Balancer-Effizienz zu einer effektiveren Lastumverteilung, was längere Betriebszeiten zur Folge hat.
Die lokalen Zellen übernehmen den Großteil des Lastausgleichs.
Der Lasttransfer innerhalb des Stapels erfolgt durch die Verschachtelung sekundärer Verbindungen, wie in Abbildung 7 dargestellt. Diese Verschachtelung ermöglicht den Lasttransfer von jeder Gruppe von sechs Zellen zu oder von einer benachbarten Gruppe von Zellen, die sich entweder darüber oder darunter im Stapel befinden können. Diese Flexibilität trägt zur Optimierung des Lastausgleichsalgorithmus bei.
Wie das Beispiel in Abbildung 7 zeigt, ist es nicht notwendig, die Last durch mehrere Wandlungen von oben nach unten im Stapel zu verlagern; der Ausgleich erfolgt größtenteils durch benachbarte Zellen.
Sicherheit geht vor.
Neben exzellenter elektrischer Leistung bietet der LTC3300 zahlreiche Sicherheitsfunktionen für höchste Zuverlässigkeit. Dazu gehören Datenintegritätsprüfungen, programmierbare Voltsekunden-Anpassung, Zellüber- und -unterspannungsüberwachung sowie Überspannungserkennung auf der Sekundärseite, um Schäden durch Daten- oder Verdrahtungsfehler zu verhindern. Dank dieser Funktionen ermöglicht der LTC3300 einen zuverlässigen, aktiven und leistungsstarken Lastausgleich in in Reihe geschalteten Batteriesystemen.
Mit dem LTC3300 werden Kapazitätsunterschiede zwischen den Zellen ausgeglichen, ohne dass die Betriebszeit, die Ladezeit oder die Lebensdauer des Akkus beeinträchtigt werden.
Autor
Samuel Nork, Direktor des Designzentrums bei der Boston Linear Technology Corporation
