Unterschiede beim ohmschen Innenwiderstand führen dazu, dass parallele Batteriezweige den Ladestrom ungleichmäßig teilen. Eine Zelle mit geringerem Widerstand nimmt zu Beginn des Ladevorgangs im Allgemeinen mehr Strom auf, während eine Zelle mit höherem Widerstand weniger Strom aufnimmt. Im weiteren Verlauf des Ladevorgangs verändern Unterschiede im Ladezustand, in der Leerlaufspannung und in der Polarisation die Stromaufteilung, wodurch insbesondere gegen Ende der Ladung häufig eine starke Stromabweichung entsteht. Präzisions-Batterietester helfen, indem sie diese Unterschiede vor der Montage messen und die Stromaufteilung unter realistischen Betriebsprofilen validieren.
Der entscheidende Punkt: Parallele Zellen teilen sich die Klemmenspannung, nicht unbedingt den Strom. Eine Widerstandsdifferenz bestimmt die anfängliche Stromaufteilung, während sich verändernder Ladezustand und Polarisation bestimmen, wie sich diese Aufteilung im Laufe der Zeit verändert.
Warum parallele Zweige den Strom nicht gleichmäßig teilen
Die grundlegende Strombeziehung
Für einen Zweig in einem parallelen Batterieblock wird der Strom näherungsweise durch folgende Gleichung bestimmt:
[ I=\frac{U_0-U_{\mathrm{OCV}}-U_p}{R} ]
Dabei ist (U_0) die gemeinsame Klemmenspannung, (U_{\mathrm{OCV}}) die Leerlaufspannung der Zelle, (U_p) die Polarisationsspannung und (R) der Innenwiderstand.
Da sich diese Werte zwischen den Zellen unterscheiden, führt eine gleiche Klemmenspannung nicht zu gleichen Zweigströmen.
Ein geringerer Widerstand zieht anfänglich mehr Strom an
Zu Beginn des Ladevorgangs weisen Zellen mit geringerem Innenwiderstand bei einem bestimmten Strom einen geringeren ohmschen Spannungsabfall auf. Daher nehmen sie einen größeren Anteil des angelegten Stroms auf.
Dadurch steigen ihr Ladezustand und ihre OCV schneller, während Zellen mit höherem Widerstand langsamer Ladung aufnehmen.
Die Stromaufteilung verändert sich während des Ladevorgangs
Die anfängliche Ungleichverteilung kann sich teilweise selbst korrigieren. Wenn die OCV der Zelle mit geringerem Widerstand steigt, nimmt die effektive Spannungsdifferenz, die zusätzlichen Strom in diesen Zweig treibt, ab.
Dies erzeugt eine gewisse negative Rückkopplung, wodurch Zweige mit höherem Widerstand später einen größeren Stromanteil aufnehmen können. Die Korrektur ist jedoch nicht garantiert vollständig, da sich Widerstand, Ladezustand, OCV und Polarisation weiterhin unterschiedlich entwickeln.
Warum das Problem nahe der Vollladung stärker wird
Die Polarisation wird zu einem wichtigen Faktor
Gegen Ende des Ladevorgangs wird der Zweigstrom nicht nur durch den ohmschen Widerstand, sondern auch durch die Polarisationsspannung und angesammelte Unterschiede im Ladezustand beeinflusst.
Bei Zellchemien mit einem relativ flachen OCV-Plateau, wie beispielsweise LiFePO₄, können kleine Unterschiede bei Widerstand und Ladezustand eine erhebliche Stromumverteilung verursachen, da die OCV über einen großen Teil des Ladebereichs allein nur wenige Unterschiede zwischen den Zellen erkennen lässt.
Ein Zweig kann übermäßig belastet werden
Ein Zweig, der weiterhin einen unverhältnismäßig hohen Strom aufnimmt, kann eine größere Verlustleistung und lokale Erwärmung erfahren. Gleichzeitig kann ein anderer Zweig unterladen bleiben, weil sein höherer Widerstand oder seine höhere scheinbare Klemmenspannung seinen Strom begrenzt.
Das Ergebnis können ungleichmäßige Alterung, thermische Belastung, verringerte nutzbare Kapazität sowie ein erhöhtes Risiko für Über- oder Unterladezustände auf Zellebene sein.
Die Klemmenspannung kann irreführend sein
Während des aktiven Ladevorgangs gilt:
[ V_{\mathrm{terminal}}=V_{\mathrm{OCV}}+I R+\text{Polarisationswirkungen} ]
Eine Zelle mit hohem Widerstand kann eine höhere Klemmenspannung anzeigen, obwohl ihr tatsächlicher Ladezustand niedriger ist als der einer benachbarten Zelle. Ein Ausgleichssystem, das sich ausschließlich auf die momentane Klemmenspannung stützt, kann daher die falsche Zelle für den Ausgleich identifizieren.
Wie Testgeräte helfen
Widerstand vor der Montage messen
Eine hochpräzise Widerstandscharakterisierung ermöglicht es Ingenieuren, die Verteilung der Gleichstrom-Innenwiderstände über die Zellen zu quantifizieren, bevor diese parallel geschaltet werden.
Die Zellen können anschließend nach Widerstand, Kapazität, Ladezustand und anderen relevanten Parametern geprüft und gruppiert werden, anstatt sie ausschließlich anhand ihrer Nennspannung zu montieren.
Das dynamische Verhalten charakterisieren, nicht nur einen einzelnen Widerstandswert
Eine einzelne Widerstandsmessung stellt möglicherweise nicht das Verhalten unter allen Betriebsbedingungen dar. Mehrkanal-Batterietestsysteme können kontrollierte Lade-, Entlade- und Impulsprofile anwenden und dabei die Spannungs- und Stromantworten messen.
Dadurch wird sichtbar, wie sich jede Zelle in Abhängigkeit von Folgendem verhält:
- Ladezustand
- Temperatur
- Lade- oder Entladestrom
- Impulsdauer
- Ruhezeit
- Gesundheitszustand
Impulstests zur Quantifizierung des DCIR verwenden
Bei der Prüfung des Gleichstrom-Innenwiderstands wird die Spannungsantwort auf einen kontrollierten Stromsprung oder -impuls gemessen. Der daraus resultierende dynamische Spannungsabfall hilft, Zellen zu identifizieren, die in einem parallelen Block übermäßig viel Strom aufnehmen oder eine übermäßig hohe Klemmenspannung entwickeln werden.
Impulsdaten unterstützen außerdem die Analyse der Leistungsfähigkeit und helfen dabei, Zellen zu unterscheiden, die im Ruhezustand ähnlich erscheinen, sich unter Last jedoch unterschiedlich verhalten.
Individuelle Zweigströme messen
Bei Tests auf Modulebene zeigt eine unabhängige Strommessung für jeden parallelen Zweig, ob der Strom tatsächlich wie erwartet geteilt wird.
Dies ist entscheidend, da der Strom auf Pack-Ebene normal erscheinen kann, während ein Zweig zu viel Strom führt und ein anderer zu wenig beiträgt.
Das Verhalten unter realistischen Profilen überprüfen
Testplattformen können Betriebsbedingungen von Elektrofahrzeugen oder Energiespeichern nachbilden, einschließlich Ladung mit variablem Strom, Ruheperioden, Impulsen und thermischen Bedingungen.
Dadurch können Ingenieure Folgendes validieren:
- Stabilität der Stromaufteilung
- Lokale Erwärmung
- Stromabweichung am Ladeende
- Leistung des Ausgleichssystems
- Kriterien für die Zellzuordnung
- Elektrische und thermische Reserven auf Pack-Ebene
Widerstandsbedingte Spannungsfehler korrigieren
Fortschrittliche Testsysteme können Strom-, Spannungs-, Temperatur- und Widerstandsmessungen kombinieren, um die tatsächliche OCV vom momentanen (IR)-Abfall und den Polarisationswirkungen zu trennen.
Alternativ können die Testprotokolle ausreichend lange Ruhezeiten vorsehen, damit sich die Zellspannungen näher an ihre tatsächliche OCV annähern, bevor Entscheidungen zum Ladezustand oder zum Ausgleich getroffen werden.
Die Zielkonflikte verstehen
Eine Anpassung des Widerstands verbessert die Konsistenz, löst jedoch nicht alle Probleme
Eine enge Anpassung der Widerstände verringert die anfängliche Stromungleichverteilung, kann jedoch Unterschiede bei Kapazität, Ladezustand, OCV-Ladezustands-Verhalten, Temperatur oder Alterungshistorie nicht beseitigen.
Ein robustes Anpassungsverfahren sollte daher eine breitere Parametergruppe berücksichtigen und sich nicht allein auf den DCIR stützen.
Der Widerstand hängt von den Bedingungen ab
Der gemessene Widerstand variiert mit Temperatur, Ladezustand, Messstrom, Impulsdauer und Testmethode. Zwei Zellen können unter einer Testbedingung ähnliche Widerstände aufweisen, unter einer anderen jedoch erheblich voneinander abweichen.
Widerstandsspezifikationen sind nur dann aussagekräftig, wenn das Messverfahren kontrolliert und eindeutig definiert ist.
Der Ausgleich kann eine schlechte Zellenauswahl nicht dauerhaft kompensieren
Ein Ausgleichssystem kann einige Unterschiede im Ladezustand korrigieren, die thermische und elektrische Belastung durch eine anhaltende Stromungleichverteilung jedoch nicht vollständig beseitigen.
Die Zellklassifizierung und die Validierung auf Zweigebene sollten erfolgen, bevor man sich auf die Ausgleichselektronik verlässt.
Mehr Messtechnik erhöht die Komplexität der Tests
Individuelle Strom-, Spannungs-, Temperatur- und Widerstandsmessungen verbessern die Diagnose, erhöhen jedoch die Anforderungen an Hardware, Kalibrierung, Datenverwaltung und Synchronisierung.
Die Messtechnik sollte entsprechend der zu unterstützenden Entscheidung ausgewählt werden: Zellenauswahl, Modellentwicklung, Sicherheitsvalidierung oder Qualitätskontrolle in der Produktion.
Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen
Tests sollten Messungen auf Zellebene mit dem tatsächlichen Verhalten paralleler Zweige verknüpfen, anstatt den Innenwiderstand als isolierte Spezifikation zu behandeln.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Zellenauswahl liegt: Messen Sie DCIR, Kapazität, das Ladezustands-OCV-Verhalten und die Temperaturantwort unter kontrollierten Bedingungen vor der Parallelschaltung.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Validierung der Stromaufteilung liegt: Verwenden Sie unabhängig gemessene Zweigströme während kontrollierter Ladevorgänge, um dynamische Ungleichverteilungen und Stromabweichungen am Ladeende zu identifizieren.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Genauigkeit des Ausgleichs liegt: Kombinieren Sie OCV-Messungen nach Ruheperioden oder eine widerstandskompensierte Spannungsanalyse mit der Überwachung einzelner Zellen.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Zuverlässigkeit des Packs liegt: Validieren Sie angepasste Zellen unter repräsentativen Ladeprofilen für Elektrofahrzeuge oder Energiespeicher, einschließlich Impuls- und Temperaturbedingungen.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Produktionsqualität liegt: Definieren Sie wiederholbare Widerstands- und Leistungstestverfahren, damit Zellen über verschiedene Fertigungslose hinweg konsistent klassifiziert werden können.
Eine sorgfältige Widerstandscharakterisierung und Tests auf Zweigebene machen die Stromungleichverteilung von einem unerwarteten Ausfallmechanismus des Packs zu einer messbaren und beherrschbaren Designgröße.
Zusammenfassungstabelle:
| Faktor | Auswirkung auf die Stromverteilung | Wie Tests helfen |
|---|---|---|
| Anfängliche Widerstandsdifferenz | Zellen mit niedrigem Widerstand ziehen mehr Strom; Zellen mit hohem Widerstand ziehen weniger. | DCIR vor der Montage messen, um die Zellen anzupassen. |
| Entwicklung von Ladezustand/OCV | Die OCV von Zellen mit niedrigem Widerstand steigt schneller und gleicht den Strom später teilweise aus. | Zweigströme während der Zyklen überwachen. |
| Polarisation (nahe dem Ladeende) | Starke Abweichung aufgrund des flachen OCV-Plateaus und von Polarisationseffekten. | Impulstests zur Charakterisierung von Polarisation und DCIR. |
| Temperatur und Alterung | Verändern den DCIR und verschlimmern die Ungleichverteilung im Laufe der Zeit. | Unter realistischen Temperatur- und Alterungsprofilen validieren. |
| Genauigkeit des Ausgleichs | Die Klemmenspannung führt den Ausgleich in die Irre; die tatsächliche OCV wird benötigt. | OCV nach Ruheperioden oder eine widerstandskompensierte Spannung verwenden. |
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