Batteriemanagement
Zwillingsgleiche Zellen? Braucht’s nicht mehr!
Damit eine Batterie funktionstüchtig ist, galt bisher, dass darin zwillingsgleiche Zellen verbaut sein müssen. Das ist mit ETA-Leveling nicht länger nötig: Der Algorithmus für Batteriemanagementsysteme gleicht unterschiedliche Wirkungsgrade von Zellen während der Anwendung aus.
Gleicher Hersteller, gleicher Zelltyp, gleiche Zellchemie, gleiche Produktionscharge, identischer Innenwiderstand, Lade- und Gesundheitszustand – das waren bisher die Voraussetzungen dafür, dass Zellen in derselben in Reihe geschalteten Batterie zum Einsatz kommen konnten. Denn nur dann funktionierten diese Batterien. Es wurde und wird also ein massiver Aufwand betrieben, um Zellen zu produzieren, die in all diesen Punkten möglichst ähnlich sind. Bei der Produktion von Lithium-Ionen-Batterie-Zellen (LIB-Zellen) lässt sich, gemäß der „Roadmap Batterie-Produktionsmittel 2030“ des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V. (VDMA), davon ausgehen, dass mindestens 10 Prozent der Zellen Ausschuss seien, weil sie diesen Anforderungen nicht genügen; und das bei laufender Produktion. Während des Anfahrens einer Produktion könne der Ausschuss sogar bei 30 bis 50 Prozent liegen. Das heißt im Klartext: Zumindest ein Teil dieser neuen Zellen sind für sich allein betrachtet völlig einwandfrei und werden nur deshalb aussortiert, weil sie vielleicht in einem der oben genannten Werte nicht mit ihren Chargen-Geschwistern mithalten können. Angesichts der globalen Nachfrage nach LIB-Zellen im Jahr 2021, die gemäß der VDMA-Roadmap bei 460 bis 500 GWh lag, wird klar, von welchen Dimensionen hier die Rede ist. Der Ausgangspunkt für dieses Problem liegt im Batteriemanagement. Doch zwischenzeitlich gibt es eine Lösung, um auch unterschiedliche Zellen völlig unproblematisch in einer in Reihe geschalteten Batterie zu betreiben.
ETA-Leveling ist die Lösung für den Betrieb ungleicher Zellen – egal ob direkt ab Werk oder in Second-Life-Anwendungen.
Unterschiedliche Zellen werden zu ‚Twins in Operation‘
Arbeitet ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit dem Algorithmus ETA-Leveling, sind zeit- und kostenaufwendige Maßnahmen für die Produktion möglichst ähnlicher Batterien nicht mehr notwendig. Denn ETA-Leveling sorgt dafür, dass sich Zellen wie Zwillinge verhalten, selbst wenn sie von ihren Eigenschaften her keine sind. Es behandelt die Zellen wie in einer Einzelzellanwendung; dabei stehen – anders als bei herkömmlichen BMS – die individuellen Voraussetzungen der Zellen im Fokus. Deren Berücksichtigung führt zu anderen Schlüssen und anderen Reaktionen als bei herkömmlichen BMS, die rein spannungsbasiert agieren. Denn mit dem Algorithmus von ETA-Leveling lässt sich erkennen, ob ein Spannungsunterschied zwischen einzelnen Zellen aufgrund von Kapazitäts- oder Selbstentladungsunterschieden der einzelnen Zellen entsteht – oder auch aufgrund von Unterschieden des für die Funktionstüchtigkeit des Batterieblocks so wichtigen Wirkungsgrades. Wenn ETA-Leveling auf Basis dieser Informationen über die einzelnen Zellen agiert, also: levelt, werden die Unterschiede der Zellen im laufenden Betrieb automatisch ausgeglichen. Die Zellen verhalten sich in der Anwendung wie Zwillinge – sind also ‚Twins in Operation‘.
Herkömmliche BMS führen zu vorzeitiger Zellalterung
Die zwingende Gleichheit der Zellen ist also für den Betrieb mit herkömmlichen BMS gedacht und dafür unabdingbar. Paradox dabei: Die anfängliche Gleichheit der Zellen wird von den BMS über die Ladezyklen hinweg systematisch zerstört. Das liegt am Balancing, das anstatt des Levelings zum Einsatz kommt. Das Batteriemanagement erfolgt hier ausschließlich auf der Basis der Spannungswerte der Zellen – ohne nach der Ursache zu fragen. So führt das Vorgehen dazu, dass einzelne Zellen falsch behandelt werden und vorschnell altern. Mit dem Alterungsprozess gehen Unterschiede bei der Kapazität und beim Wirkungsgrad der Zellen einher, die sich mit jedem Ladezyklus vergrößern. Die ursprünglich zwillingsgleichen Zellen weichen mehr und mehr voneinander ab und der gesamte Block gerät so sehr in Schieflage, dass die jeweilige Anwendung nicht mehr ausreichend mit Energie versorgt werden kann; die Batterie erreicht ihr End of Life – und zwar vorzeitig. Denn die Verluste durch die erzwungene vorzeitige Alterung sind etwa ebenso groß, wie die normale Degradation der Zelle gemäß Datenblatt, an der sich nichts ändern lässt.
Leveling im mittleren SoC-Bereich. Selbst Zellen, die zu Beginn absichtlich in Schieflage versetzt wurden, gleichen sich nach kurzer Zeit aneinander an und befinden sich dann in nahezu perfektem Betriebszustand. Am Ende wird die Batterie wieder vollgeladen.
Sind Zellen von Anfang an mit ETA-Leveling in Betrieb, kommen diese Wirkungsgradverluste durch vorzeitige Alterung erst gar nicht zustande. Bereits mit herkömmlichen BMS betriebene Zellen, die vorzeitig gealtert sind, lassen sich durch ETA-Leveling wieder heilen und weiter nutzen. Insofern ist ETA- Leveling die Lösung für den Betrieb ungleicher Zellen – egal ob direkt ab Werk oder in Second-Life-Anwendungen.