Passive und aktive Ausgleichsverfahren unterscheiden sich hauptsächlich darin, wie der Tester mit überschüssiger Ladung umgeht: Beim passiven Ausgleich wird Energie aus Zellen mit höherem Ladezustand entnommen und als Wärme dissipiert, während der aktive Ausgleich diese Energie auf Zellen mit niedrigerem Ladezustand überträgt. Beim Testen von Mehrzellenmodulen beeinflusst dieser Unterschied die Testdauer, die thermische Belastung, die Effizienz, die Messausstattung und die Fähigkeit der Ausgleichsschaltung, nutzbare Kapazität zurückzugewinnen.
Passiver Ausgleich ist einfacher und kostengünstiger, verschwendet jedoch Energie in Form von Wärme. Aktiver Ausgleich ist effizienter, da er Ladung umverteilt, erfordert jedoch komplexere Hardware, Steuerung und Validierung. Die geeignete Strategie hängt von den Anforderungen des Moduls an Ausgleichsstrom, Wärmehaushalt, Kosten und Effizienz ab.
Was die beiden Ausgleichsstrategien bewirken
Passiver Bypass-Ausgleich
Eine passive Schaltung verbindet einen schaltbaren Widerstand parallel zu einer Zelle mit relativ hoher Spannung oder hohem Ladezustand. Wenn sie aktiviert ist, leitet der Widerstand Strom an dieser Zelle vorbei, sodass ihre Spannung nicht schneller ansteigt als die der anderen Zellen.
Die überschüssige elektrische Energie wird vollständig in Wärme umgewandelt. Der passive Ausgleich wird daher häufig am Ende des Ladevorgangs eingesetzt, wenn sich die Zellspannungen ihren oberen Grenzwerten nähern.
Aktiver Ladungsübertragungsausgleich
Eine aktive Schaltung bewegt Ladung von einer Zelle mit höherem Ladezustand zu einer Zelle mit niedrigerem Ladezustand. Je nach Ausführung können dabei geschaltete Kondensatoren, Induktivitäten, Transformatoren oder bidirektionale DC-DC-Wandler zum Einsatz kommen.
Da die Energie übertragen und nicht verworfen wird, kann der aktive Ausgleich thermische Verluste reduzieren und eine dynamischere Angleichung während des Ladens, Entladens oder in Ruhephasen ermöglichen.
Wie sich der Unterschied beim Modultest zeigt
Testverhalten beim passiven Ausgleich
Bei einem Test mit passivem Ausgleich überwacht der Tester die Spannung jeder Zelle und aktiviert den Bypass-Pfad, sobald eine Zelle den festgelegten Ausgleichsschwellenwert überschreitet. Zu den wichtigsten Messgrößen gehören:
- Zellspannung vor, während und nach dem Bypass-Betrieb
- Ableitstrom durch jeden Ausgleichswiderstand
- Ausgleichszeit
- Temperatur von Widerständen, Schaltvorrichtungen und der lokalen Leiterplatte
- Gesamtenergie, die dem Modul entnommen wird
Der Test muss bestätigen, dass der Widerstandsstrom ausreicht, um die Zellabweichung zu kontrollieren, ohne die thermischen Grenzwerte des BMS oder der Modulbaugruppe zu überschreiten.
Testverhalten beim aktiven Ausgleich
Beim aktiven Ausgleich muss das Testsystem sowohl die Quell- als auch die Zielzellen messen. Zu den wichtigen Messgrößen gehören:
- Spannungs- und Ladezustandsdifferenz zwischen den Zellen
- Ladungsübertragungsstrom und -richtung
- Der Zelle mit hohem Ladezustand entnommene Energie
- Der Zelle mit niedrigem Ladezustand zugeführte Energie
- Umwandlungseffizienz
- Schaltwelligkeit und elektrisches Rauschen
- Temperaturen von Induktivitäten, Kondensatoren, Transformatoren, Schaltern und Steckverbindern
Der Test muss außerdem überprüfen, dass die Schaltung nur unter gültigen Betriebsbedingungen Ladung überträgt und keine übermäßigen Spannungsschwankungen oder unerwünschten Strompfade erzeugt.
Testprofile sind nicht identisch
Der passive Ausgleich wird häufig während eines kontrollierten Ladeprofils bis zum oberen Ladebereich bewertet. Dabei kann das Modul nahe seiner oberen Spannungsgrenze gehalten werden, während sich die einzelnen Zellen angleichen.
Der aktive Ausgleich erfordert umfassendere Betriebsprofile. Ingenieure können die Ladungsübertragung während des Ladens, Entladens, in Ruhephasen und unter absichtlich herbeigeführten Ungleichgewichtsbedingungen bewerten, um zu bestätigen, dass der Regelalgorithmus unter dynamischen Bedingungen korrekt reagiert.
Was die jeweilige Methode für die Modulkapazität bedeutet
Der passive Ausgleich bleibt durch die schwächste Zelle begrenzt
Der passive Ausgleich kann Zellspannungen scheinbar gleichmäßiger machen, indem er die Ladung in Zellen mit höherer Kapazität reduziert. Er kann einer schwächeren Zelle keine Ladung zuführen und keine Energie zurückgewinnen, die über den Widerstand dissipiert wurde.
Daher wird die nutzbare Modुलkapazität weiterhin stark von der Zelle mit der geringsten Kapazität oder der stärksten Begrenzung beeinflusst. Beim Testen sollten Ingenieure zwischen Spannungsangleichung und der tatsächlichen Rückgewinnung nutzbarer Energie unterscheiden.
Der aktive Ausgleich kann die Ladungsnutzung verbessern
Der aktive Ausgleich kann Ladung von einer Zelle wegbewegen, die andernfalls ihre Spannungsgrenze erreichen würde, und sie einer anderen Zelle zuführen. Dadurch kann verhindert werden, dass eine einzelne Zelle einen Lade- oder Entladezyklus vorzeitig begrenzt.
Der aktive Ausgleich beseitigt jedoch nicht die Auswirkungen eines starken Kapazitätsverlusts, eines hohen Innenwiderstands oder einer defekten Zelle. Die Zelle bleibt eine Sicherheits- und Leistungsbegrenzung. Der Ausgleich darf daher nicht als Ersatz für Zellklassifizierung, Zellabgleich oder Fehlererkennung betrachtet werden.
Wie die Strategien objektiv verglichen werden
Energieeffizienz messen
Beim passiven Ausgleich wird nahezu die gesamte ausgeglichene Energie in Wärme umgewandelt. Der entscheidende Vergleich besteht in der der Quellzelle entnommenen Energie gegenüber der in der Ausgleichsschaltung verlorenen Energie.
Beim aktiven Ausgleich wird das Verhältnis der der Empfängerzelle zugeführten Energie zur der Quellzelle entnommenen Energie berechnet. Dabei sollten Schalt-, Leitungs-, magnetische und Steuerungsverluste berücksichtigt werden, statt nur den nominalen Übertragungsstrom zu messen.
Thermische Leistung messen
Passive Schaltungen erfordern eine direkte thermische Bewertung, da ihr Betriebsstrom in der Nähe der Zelle und der BMS-Leiterplatte lokal Wärme erzeugt. Testvorrichtungen sollten Temperatursensoren in der Nähe von Widerständen, Schaltvorrichtungen, Zellanschlüssen und Wärmepunkten des Gehäuses umfassen.
Der aktive Ausgleich reduziert im Allgemeinen die Wärme pro Einheit übertragener Energie, beseitigt thermische Probleme jedoch nicht vollständig. Hochstromschalter, Induktivitäten, Transformatoren, Steckverbinder und Schutzkomponenten können weiterhin erhebliche Wärmequellen darstellen.
Ausgleichsgeschwindigkeit messen
Eine Ausgleichsstrategie sollte anhand der in der vorgesehenen Anwendung verfügbaren Zeit bewertet werden. Ein passiver Ausgleich mit niedrigem Strom kann lange Zeiträume benötigen, um eine erhebliche Abweichung zu korrigieren.
Ein aktiver Ausgleich kann bei geeigneter Auslegung eine schnellere Angleichung ermöglichen. Die erreichbare Rate hängt jedoch von der Wandler-Topologie, den Regelgrenzen, der Zellspannungsdifferenz, dem thermischen Design und dem zulässigen Strom ab.
Steuerungs- und Fehlerverhalten testen
Beide Ansätze erfordern Tests auf fehlerhafte Spannungserfassung, offene und kurzgeschlossene Ausgleichspfade, ausgefallene Schalter, Kommunikationsverlust und Übertemperaturbedingungen.
Das Testsystem sollte überprüfen, dass der Ausgleich deaktiviert wird, wenn sich Zellen außerhalb ihrer sicheren Betriebsgrenzen befinden, und dass das BMS eine Zelle erkennen kann, die nicht wie erwartet reagiert.
Die Kompromisse verstehen
Passiver Ausgleich: Einfachheit gegenüber Energieverschwendung
Der passive Ausgleich verwendet relativ einfache Schaltungen und lässt sich in der Regel leichter integrieren, steuern, fehlerbeheben und kostenoptimieren. Er eignet sich, wenn die Abweichung gering, der erforderliche Ausgleichsstrom niedrig und die Wärmeableitung beherrschbar ist.
Zu den Nachteilen gehören Energieverlust, Wärmeentwicklung, eine langsamere Angleichung und eine begrenzte Fähigkeit, die nutzbare Kapazität des Moduls zu verbessern.
Aktiver Ausgleich: Effizienz gegenüber Komplexität
Der aktive Ausgleich erhält einen größeren Anteil der gespeicherten Energie des Moduls und kann die mit der Angleichung verbundene thermische Belastung reduzieren. Er ist besonders attraktiv, wenn die Module groß sind, Energieeffizienz wichtig ist oder eine erhebliche Abweichung erwartet wird.
Zu den Nachteilen gehören eine höhere Anzahl an Komponenten, eine komplexere Steuerung, höhere Anforderungen an elektromagnetische Verträglichkeit und Schaltgeräusche, höhere Kosten sowie ein anspruchsvollerer Validierungsprozess.
Nicht nur den Ausgleichsstrom vergleichen
Eine höhere Ausgleichsstrom-Nennleistung bedeutet nicht automatisch ein besseres Design. Der Test muss außerdem den Wirkungsgrad, den Temperaturanstieg, die Zellbelastung, Schalttransienten, die Messgenauigkeit und die Verfügbarkeit des Ausgleichsstroms über den gesamten Spannungs- und Ladezustandsbereich untersuchen.
Baugruppenqualität nicht mit Ausgleichsfähigkeit verwechseln
Zellensortierung, Kapazitätsabgleich, Abgleich des Innenwiderstands, eine gleichmäßige mechanische Kompression und niederohmige Verbindungen reduzieren die Abweichung, die das BMS korrigieren muss.
Eine Ausgleichsschaltung sollte normale Abweichungen kompensieren. Sie darf nicht dazu verwendet werden, einen unzureichenden Zellabgleich, beschädigte Zellen, lose Verbindungen oder einen Montagefehler zu verdecken.
So wenden Sie dies auf Ihr Testprogramm an
Wählen Sie die Ausgleichsstrategie auf Grundlage des Betriebsprofils des Moduls, der erwarteten Zellabweichung, der thermischen Grenzen und der erforderlichen Energieeffizienz.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf niedrigen Kosten und einer unkomplizierten BMS-Validierung liegt: Verwenden Sie einen passiven Ausgleich, wenn die erwartete Abweichung und der erforderliche Ausgleichsstrom gering sind, und legen Sie anschließend den Schwerpunkt auf die Genauigkeit des Ableitstroms, die Ausgleichszeit und die Prüfung des Temperaturanstiegs.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einer maximalen Energienutzung liegt: Bewerten Sie den aktiven Ausgleich mit Messungen der Energie von der Quelle zum Ziel, Berechnungen der Übertragungseffizienz und dynamischen Lade-/Entladeprofilen.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Wärmemanagement liegt: Vergleichen Sie die gemessene Wärmeentwicklung beim vorgesehenen Ausgleichsstrom und berücksichtigen Sie dabei die Temperaturen sowohl der BMS-Schaltung als auch der Zellbaugruppe.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf wiederaufbereiteten oder nicht passenden Zellen liegt: Führen Sie zuerst eine Zellklassifizierung und einen Zellabgleich durch und testen Sie anschließend, ob die ausgewählte Ausgleichsmethode die verbleibenden Unterschiede bei Kapazität, Ladezustand und Widerstand sicher beherrschen kann.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Sicherheit und Produktionsfreigabe liegt: Testen Sie sowohl den normalen Ausgleich als auch Fehlerbedingungen, einschließlich Sensorfehlern, ausgefallener Schaltpfade, Übertemperaturereignissen und Zellen, die sich nicht angleichen.
Ein gut konzipierter Modultest weist nicht nur nach, dass sich die Zellspannungen angleichen, sondern auch, dass dies effizient und sicher geschieht, ohne zugrunde liegende Probleme der Zellen oder der Baugruppe zu verschleiern.
Zusammenfassungstabelle:
| Strategie | Umgang mit Energie | Effizienz | Thermische Auswirkungen | Komplexität | Schwerpunkt des Tests |
|---|---|---|---|---|---|
| Passiv (Bypass) | Dissipiert überschüssige Energie als Wärme | Niedrig bis mittel | Lokale Wärme in der Nähe von Widerständen und Schaltern | Niedrig; einfache Schaltungen und Steuerung | Genauigkeit des Ableitstroms, Ausgleichszeit, Temperaturanstieg, Spannungskonvergenz |
| Aktiv (Ladungsübertragung) | Überträgt Energie von Zellen mit hohem Ladezustand zu Zellen mit niedrigem Ladezustand | Hoch; erhält Energie | Geringere Wärme pro übertragener Einheit, jedoch weiterhin lokale Wärmequellen | Hoch; mehr Komponenten und komplexere Steuerung | Übertragungseffizienz, zugeführte Energie, dynamische Profile, Schaltgeräusche |
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