Warum ist das Balancieren von Zellen so wichtig?

 

Ich werde versuchen, das anschaulich zu erklären und die "kleinen Details" weg zu lassen.

 

Ein aktuelles Beispiel mit detailierten Kennlinien von einem ca. 2 Jahre alten L50 Akku mit weniger als 50% Kapazität findet ihr hier.

 

Ich nehme hier ein Live Beispiel von Patrick W. (herzlichen Dank für die Daten), bei dem man super sieht, dass ein Akku nur mehr die halbe Kapazität liefert (obwohl er noch völlig in Ordnung ist), weil er lange Zeit unbalanciert in Betrieb war.

 

Erstmal ein paar grundsätzliche Dinge:

 

  • Das Balancieren ist nur bei in Serie geschaltenen Zellen notwendig, die dementsprechend in Serie geladen und entladen werden (typisch bei unseren Robis zB. 7 Zellen um auf ungefähr 24V zu kommen)
  • Wären alle Zellen absolut 100% gleich wäre ein Balancieren nicht notwendig, je ungleicher der Aufbau (gegeben durch die Produktion) desto wichtiger wird das Balancieren.
  • In einem Pack sollten so gut wie möglich gematchte Zellen (gleichen Innenwiderstand, gleiche Spannungslage, gleiche Kapazität) verwendet werden. Das bedeutet Zellen die aus dem gleichen Produktionszyklus stammen. Über die Vertriebsschienen Produzent, Zwischenhändler bis zum Endkunden, werden Chargen vermischt und so können kleinste Unterschiede in den einzelnen Zellen bestehen. Hier ist es von Vorteil, wenn die Zellen Seriennummern haben (wie z.B. die Sanyo meines Eigenbau Akkus) und man kann überprüfen ob sie aus einer zusammenhängenden Produktion kommen.
  • Je höher die Entladeströme und Ladeströme sind, desto wichtiger ist das Balancieren. Das liegt daran, dass der Verlust innerhalb der Zelle quadratisch zum Strom entsteht. Und somit bei unterschiedlichen Innenwiderstand unterschiedliche Verluste auftreten, die für das Ungleichgewicht verantwortlich sind.
  • Das Ungleichgewicht nimmt mit jedem Lade- und Entladevorgang zu.
  • Wenn man darauf achtet, dass keine Einzelzelle überladen, bzw. keine Einzelzelle tief entladen wird (was bei den PCBs in Akkus passiert), hat das Fehlen des Balancers gar keine negative Auswirkung auf die Einzelzelle. Es sinkt nur die entnehmbare Kapazität.

 

Hier die Live Daten des Ambrogio Li-Ion Akkus von Patrick:

 

Nachfolgend die Spannungen der Zellen nach Vollladung im Mäher nach 3 Mähsaisonen:

 

Zelle 1 4,23
Zelle 2 4,24
Zelle 3 4,23
Zelle 4 4,06
Zelle 5 4,00
Zelle 6 4,01
Zelle 7 4,03

Man sieht das starke Ungleichgewicht zwischen Zellen 1,2,3 und 4,5,6,7
Das bedeutet die Zellen 4,5,6,7 sind nicht vollständig geladen.
Nachdem sich die entnehmbare Kapazität nach der schwächsten Zelle 5 richtet bedeutet das folgendes.

Entsprechend der Ladekurve Spannung/Kapazität der Sanyo UR18650FM Zelle entspricht ca.:
4,2V = 2300mAh
4,0V = 1000mAh
Nachdem 3 Zellen parallel geschaltet sind ergibt sich beim Neuen Akku 3x 2300mAh also 6,9Ah
Bei diesem unbalanciertem alten Akku war somit die Kapazität nur mehr 3x 1000mAh also 3Ah.
Man sieht die Kapazität ist weniger als die Hälfte, obwohl die Zellen alle völlig in Ordnung sind!

 

Nach 1 mal balanciertem externen Laden mit einem Ladegerät und anschließendem normalen 1x Entladen und 1x Laden im Ambrogio sahen die Werte so aus:

 

Zelle 1 4,12
Zelle 2 4,07
Zelle 3 4,12
Zelle 4 4,16
Zelle 5 4,12
Zelle 6 4,12
Zelle 7 4,10

 

Die Spannungen der Zellen nachdem balanciert geladen wurde:
Nach Vollladung hat der Akku wieder eine Kapazität von 6Ah !!!
 
Zelle 1 4,17
Zelle 2 4,77
Zelle 3 4,22
Zelle 4 4,19
Zelle 5 4,17
Zelle 6 4,12
Zelle 7 4,20

 

Durch das einmalige Balancieren wurden alle Zellen wieder auf volle Kapazität gefüllt. Jetzt wird das unbalancierte Laden wieder einige Zeit funktionieren, bis wieder ein großes merkbares Ungleichgewicht entstanden ist. Nachdem die Zellen aber schon 3 Jahre alt sind wird es diesmal viel schneller gehen, da sich die Zellen durch die Alterung natürlich etwas unterschiedlich entwickelt haben und dadurch unterschiedliche Innenwiderstände Ri haben.

 

Wie entsteht das Ungleichgewicht der Zellen?

Der einfache Grund ist der unterschiedliche Innenwiderstand Ri der Zellen. Dieser entsteht durch geringe Unterschiede im chemischen Aufbau und durch die Alterung.

Bei jeder Ladung und Entladung gibt es in der Zelle Verluste, die vom Ri proportional abhängig sind.

 

Hier ein Beispiel mit fiktiven Zahlen:

Zelle 1: Ri = 50mOhm Zelle 2: Ri = 100mOhm

Fall 1: Strom durch die Zellen = 1A, Dauer 6h, die Spannung wird immer als konstant angenommen.

Das ergibt einen Verlust in der Zelle 1 W = I²xRxt W=1x1x50x6 von 300mWh und in der Zelle 2 von 600mWh bei 6Ah Entnahmekapazität

Fall 2: Das gleiche bei 3A und dafür nur 2h also wieder 6Ah Entnahmekapazität 

Die Verluste in der Zelle1 sind hier entsprechend 3x3x50x2 = 900mWh und in Zelle 3x3x100x2 = 1800mWh bei 6Ah Entnahmekapazität

 

Man sieht im Fall 1 mit 1A Strom ist die Differenz von Zelle 1 zu Zelle 2 300mWh während im Fall 2 bei 3A die Differenz schon 900mWh ausmacht. Hier sieht man, dass die Höhe des Ungleichgewichts abhängig vom Strom ist!

Nachdem keine Zelle überladen werden darf, bedeutet das automatisch dass sobald Zelle 1 voll ist, die notwendige zusätzliche Energie in Zelle 2 nicht mehr nachgeladen werden kann und deshalb Zelle 2 um 300 bzw. 900mWh weniger Inhalt hätte.

Wenn das ganze x mal wiederholt wird kann man sich vorstellen, dass die Zelle mit dem höheren Ri (Zelle 2) nur mehr zum Teil geladen ist. Um das zu vermeiden, muss man Balancieren!surprise

 

Das ganze ist natürlich in Wirklichkeit viel komplexer und nicht so extrem wie in diesem Beispiel dargestellt, denn der Unterschied der Zellen sollte im Normalfall unter 10% liegen.