Passives Cell Balancing sorgt dafür, dass alle Zellen eines Akkusatzes möglichst vollständig geladen werden können. Dazu wird elektrische Ladung in Zellen, die bereits vorzeitig ihre Ladeschlussspannung erreicht haben von einem Ableitwiderstand abgebaut, was jedoch die Systemlaufzeit nicht verlängert.
Aktives Cell Balancing ist eine kompliziertere Symmetrierungstechnik, bei der Ladung zwischen Zellen durch den Lade- oder Entladezyklus ausgetauscht wird. Dabei verlängert sich die Systemlaufzeit, indem die gesamte nutzbare Ladung im Akkusatz erhöht wird. Beim aktiven Balancing sind die Ladezeiten kürzer als beim passiven Balancing und beim Zellenausgleich entsteht weniger Wärme.
Aktives Cell Balancing beim Entladen
Bild 1 zeigt einen typischen Akkusatz mit voll aufgeladenen Zellen. In diesem Beispiel beträgt die volle Kapazität 90 % der Gesamtkapazität, da sich die Lebensdauer einer Batterie schneller verkürzt, wenn ihre Kapazität über lange Zeit bei 100 % oder in der Nähe davon bleibt. Bei einer Entladung auf 20 bis 30 % der Gesamtkapazität spricht man bereits von einer kompletten Entladung, um eine Tiefentladung der Zellen zu vermeiden.
Im Laufe der Zeit werden manche Zellen schwächer, wodurch sich ein Entladeprofil nach Bild 2 ergibt. Es zeigt sich, dass, obwohl manche Akkus nach dem Entladen noch eine gewisse Ladung enthalten, die schwächsten Akkus die Laufzeit des Systems begrenzen. Bei einer Akku-Fehlanpassung von 5 % bleiben 5 % der Kapazität ungenutzt. Bei grossen Akkus kann dieser Anteil übermässig viel nicht genutzter Energie entsprechen. Besonders kritisch ist dies bei entfernten oder schwer zugänglichen Systemen. Deshalb kann ein Teil der Energie nicht genutzt werden und die Zahl der Lade- und Entladezyklen steigt. Darüber hinaus verringert die ungenutzte Energie die Lebensdauer des Akkus und führt zu höheren Kosten, verbunden mit häufigerem Akkuwechsel. Beim aktiven Balancing wird elektrische Ladung von den stärkeren in die schwächeren Zellen übertragen, wodurch sich für den Akkusatz ein Profil wie in Bild 3 ergibt.
Aktives Cell Balancing beim Laden
Beim Laden eines Akkusatzes ohne Balancing erreichen die schwachen vor den stärkeren Zellen die volle Kapazität. Auch hier wiederum sind die schwachen Zellen der begrenzende Faktor. In diesem Fall begrenzen sie, wieviel Gesamtladung das System speichern kann. Bild 4 veranschaulicht Laden mit dieser Einschränkung. Beim aktiven Balancing mit Ladungsaustausch während des Ladezyklus kann der Akkusatz seine volle Kapazität erreichen. Zu beachten ist, dass Faktoren wie die für die Symmetrierung vorgesehene prozentuale Zeitdauer und der Einfluss des gewählten Symmetrierungsstroms auf die BalancingZeit hier nicht behandelt werden, obwohl sie durchaus wichtig sind.
Aktive Cell Balancer von Analog Devices
Analog Devices hat eine Familie aktiver Cell Balancer für verschiedene Systemanforderungen im Programm. Beim LT8584 handelt es sich um einen monolithischen Sperrwandler (Flyback Converter) mit einem Entladestrom von 2,5 A, der sich in Verbindung mit den Batteriesatzwächtern der Familie LTC680x für mehrere Batteriechemien eignet. Ladung kann von einer Zelle bis in den oberen Teil des Akkusatzes oder zu einer anderen Zelle sowie eine Kombination von Zellen innerhalb des Akkusatzes ausgetauscht werden. Pro Zelle kommt ein LT8584 zum Einsatz. Beim LTC3300 handelt es sich um einen für den Standalone-Betrieb entwickelten bidirektionalen Flyback Controller für Lithium- und LiFePO4-Batterien, der einen Balancing-Strom von bis zu 10 A liefert. Da das Bauteil bidirektional arbeitet, kann Ladung von jeder beliebigen Zelle mit hoher Effizienz zu oder aus 12 oder mehr benachbarten Zellen übertragen werden. Mit einem LTC3300 lassen sich Ladungen von bis zu sechs Zellen ausgleichen. Der LTC3305 ist ein eigenständig einsetzbarer Batterie Balancer für Blei-Säure-Akkus mit bis zu vier Zellen. Das Bauteil nutzt eine fünfte Reservoir-Zelle (Aux) und platziert sie kontinuierlich parallel zu jeder der anderen Akkus (eine nach der anderen), um alle Zellen auszugleichen (Blei-Säure-Akkus sind robust und verkraften dies).
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