Ich möchte hiermit, aus meiner Sicht und meinem jetzigen Wissensstand, eine Zusammenfassung der verschiedenen Zellbalancing Verfahren darstellen. Diese Zusammenstellung soll in erster Linie allen Selbstbauer und Bezieher günstiger „blaue Becher- und Rundzellen helfen zu verstehen wo die Unterschiede liegen. Auch bei der Auswahl von „Plug n` Play“ oder „Drop In“ Akkus ist damit ein Blick in die Datenblätter erhellender. Bitte beachtet beim Balancing und meinen Aussagen den Unterschied einer Becherzelle zu einem parallel geschalteten Strang aus bis zu 50 Rundzellen.
Achtung: Das Zellbalancing ist kein Ersatz für einen initialen Ladungs- und Entladungszyklus!
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Zell Balancing Verfahren
Wie bei Bleibatterien wird auch bei Li-Batterien aus Einzelzellen ein 13V Akkublock geschaltet und gemeinsam geladen. Da jede Batteriezelle, egal ob Blei oder Lithium, aufgrund von Fertigungstoleranzen leicht unterschiedliche Eigenschaften hat oder sich diese im Laufe der Zeit geringfügig verändern, hat dies Auswirkungen (Drift) auf die individuelle Zellspannung.
Wenn einzelne Zellen eines Packs unterschiedlich driften, kann irgendwann ein Zustand erreicht werden, indem eine Zelle 100% SoC erreicht, andere Zellen aber noch bei 70% SoC liegen. Die nutzbare Kapazität der in Reihe geschalteten Zellen beträgt also in diesem Beispiel 70%. Da es bei Lithium aber keine Ausgleichsladung über die gesamte Batterie gibt muss man hier andere Wege gehen.
Dieser Weg heißt Zellbalancing.
Für dieses Zellbalancing gibt es Platinen, welche nur eine Zelle balancieren (1S) (Polbalancer) es gibt aber auch Platinen, die auf einer Platine von 4 bis zu 16 Zellen (4S, 16S) balancieren.
Dabei wird jede dieser Akkuzellen oder Zellstränge einzeln überwacht. Erreicht eine Zelle oder Strang gegenüber anderen Zellen/Strängen zuerst 100% SoC oder hinkt eine Zelle/Strang mit der Ladung nach, muss ein Zellbalancing für Ausgleich sorgen. Bei Zellsträngen aus Rundzellen wird aber nur der gesamte Zellstrang überwacht. Der kann allerdings, abhängig von der Zellgröße, aus bis zu 50 Einzelzellen bestehen.
Bei manchen Balancermodulen erfolgt das Balancing über die gesamte Zeit, bei anderen nur während der Lade- oder Entladephase und bei wieder anderen in der Ruhephase. Manche Balancer arbeiten mit analogem Strom, andere mit einem PWM Verfahren. Die Balancer sind unterschiedlich ausgelegt, manche arbeiten mit Strömen von 0,05A, andere mit 1,5-5A.
Deshalb muss man die Anwendung des Li-Blocks mit in die Betrachtung einbeziehen, ein Notstromakku (Stand-by Betrieb) wird anders geladen als der eines Wohnmobil (zyklischer Betrieb). Auch die Speicherkapazität einer Zelle (Winston Blockzelle zu 14250 Rundzelle) spielt dabei eine Rolle. Wie schnell der Ausgleich erfolgt hängt u.a. von der Qualität der Zellen und der Vorselektion ab.
Das Zell Balancing korrigiert also die individuellen Schwächen einer Li-Zelle in einem Akkuverbund, damit am Ende alle Zellen am Ende den gleichen Ladezustand (SoC) haben.
Für Zellbalancing gibt es verschiedene Methoden, die meist genutzten einmal erklärt:
Einmal das passive Top Level Balancing, hier wird die Ladespannung jeder Zelle (3,4 bis 3,65 V) überwacht. Sobald an einer Zelle oder Strang die Ladeschlussspannung erreicht wird, wird balanciert. Dies geschieht meist über einen, dann parallel geschalteten Widerstand (Bleed Resistor) als Bypass.
Dieser leitet dabei einen Teil des Ladestroms ab, bzw. entlädt diese Zelle. Dieses relativ einfache Verfahren wird bei den integrierten Balancern der Smart BMS Platinen eingesetzt.
Durch den Bypass wird die Ladespannung der Zelle mit einem bereits höheren Ladezustand verringert, während die anderen Zellen noch geladen werden. Diese Art von Balancing entspricht der Zellausgleichsladung einer Nassbatterie.
Ein paar Dinge sollte man über dieses Verfahren im Hinterkopf behalten:
• Die integrierten Smart BMS Balancer balancieren nur mit 0,03-0,05A. Die Spannung ab wann balanciert wird ist per Parameter einstellbar.
• Wichtig ist, dass die Balancer Einschaltschwelle auch den Gegebenheiten der Ladequellen entspricht. Wenn der Balancer erst ab 14,2V arbeitet und die Ladequellen nur 13,6V liefern wird nicht balanciert!
• Balancingströme von 0,05A sind für Stränge aus bis zu 50 Rundzellen zu wenig. Bei einem 50 Zellen Strang stehen im schlimmsten Fall gerade mal 0,001A zur Verfügung.
• Externe Balancer (Polbalancer) balancieren mit 1-8A.
• Top Level Balancing erfolgt während der Ladung oder im Stand By, dies ist per Parameter einstellbar.
• Top Level Balancing vernichtet die überschüssige Ladung.
• Es ist ein Ruhestrom, der vom Smart BMS BC nicht erfasst wird.
Außerdem gibt es noch das aktive dynamische Balancing (Differenz zwischen höchstgeladener und niedrigstgeladener Zelle). Hier wird der nicht benötigte Ladestrom einer vollen Zelle in eine Zelle geleitet, die den Ladelevel noch nicht erreicht hat. Diese Art von bidirektionalen Balancing orientieren sich nicht an einer Maximal oder Minimalspannung sondern nur am Spannungsunterschied zwischen einzelnen Zellen oder Stränge. Sie können sowohl während des Ladens, der Entladung oder auch in der „Stand By“ Phasen genutzt werden.
Der Wirkungsgrad der Ladung ist hier größer, denn kein Strömchen geht verloren.
Auch hier gibt es einige interessante Besonderheiten:
• Die externen Balancer (z.B. Heltec) arbeitet zwischen 2,7V bis 4,2V und balancieren mit bis max. 5A. Bei einer Differenzspannung von 0,1V wird mit 1A balanciert. Wird dieser Balancer für einen 50 Zellen Strang verwendet liegt der Balancingstrom immerhin bei 0,1A!
• Es vernichtet keine Ladung, diese wird zwischen den Zellen oder Zellsträngen umgelagert.
Über die Notwendigkeit eines Balancing und über die Höhe des Balancerstroms gibt es große Diskussionen, aber egal ob passives oder aktives Balancing, je größer der Ausgleichsstrom, desto schneller geht es.
Die Frage ist nun, was ist besser 0,03A pro Zelle bzw. Zellenstrang oder 2A? Die Frage ist eigentlich so nicht zu beantworten, solange man nicht den originären Ladestand bzw. die Differenz zwischen den zusammengeschalteten Zellen kennt.
Kauft man selektierte Zellen erster Wahl und zu 90% geladen, liegen die einzelnen Zellspannungen bzw. der SoC nicht sehr weit auseinander. Bei einer SoC Differenz von 2%, und um diese geht es im Endeffekt, beträgt der Unterschied einer 100Ah Zelle ca. 2 Ah. Hier genügt das mehr oder weniger kontinuierliche Zellbalancing mit 0,05A, um eine abweichende Zelle in 40 Stunden anzugleichen.
Übrigens, auch bei meiner Li 105Ah lag eine Zelle um 0,7V zu tief („Umbau auf Lithium“ und hatte damit eine Abweichung von ca. 22% (23Ah). Der aktive Balancer hat dem aber relativ schnell ein Ende gemacht.
Kauft man aber nur vorgeladene, nicht selektierte Zellen sehr preisgünstig als B- oder C-Ware, kann man schon mit 5-10% Fertigungstoleranzen rechnen. Dann ist die Differenz u.U. 10Ah, und der 0,05A Balancer arbeitet 200 Stunden! Dies gilt sowohl für polmontierte als auch für Smart BMS Balancer.
Deshalb hängt die Wahl eines geeigneten Balancers, bzw. dessen Ausgleichsstrom nicht unerheblich von der Qualität der verwendeten Zellen ab.
Ist die Erstladung und das Initialbalancing aber abgeschlossen und die Batterie im Normalbetrieb, ist die Anforderung an das Balancing wieder geringer.
Das BMS, das Zellbalancing und die ständige Bt-Anbindung benötigen natürlich Strom. Bei durchdachten Systemen geht das BMS nach einer gewissen Zeit der Inaktivität in einen Schlaf- oder Hibernate Modus, um diesen Strombedarf zu unterbinden. Eine Stromanforderung weckt es dann wieder auf.
Bei der Verwendung von kleineren Rundzellen ergibt sich allerdings bei mangelnder Qualität und/oder Vorselektion ein weiteres Thema. Natürlich ist bei Rundzellenakkus die Wahrscheinlichkeit gering dass viele Zellen in einem Strang nicht den Erfordernissen entsprechen, aber man weiß es nicht. Ein Top Level Balancer misst die Spannung des Stranges und die ist ein Mittelwert aller Zellen im Strang. Der Bypass wird am Strang angelegt und es werden, innerhalb eines gewissen Spannungsbereiches, auch Zellen entladen die es eigentlich nicht nötig hätten.
Ein dynamisches Balancing sieht zwar auch nur den Mittelwert, arbeitet aber im Gegensatz zu den Smart BMS Balancers mit wesentlich höheren Ausgleichsströmen. Deshalb sollte man bei Strängen aus Rundzellen eigentlich auf ein niederstromiges Top Level Balancing verzichten und stattdessen ein dynamisches Balancingverfahren einsetzen. Eines muss man aber zu dieser Problematik in Zellsträngen aber auch sagen: Lässt man den parallel geschalteten Zellen im Zellstrang ohne Ladung/Entladung genügend Zeit (3-4 Tage) dann gleichen sich die Zellladungen auch ohne Hilfe von außen aus. Wer aber alle zwei Stunden auf seine App schaut, permanent lädt und entlädt wird immer Differenzen sehen.
I
Ich versuche hier einmal die Frage "passives Top Balancing" oder aktives Balancing" aus meiner Sicht zu beantworten. Beide Systeme haben ihre Vor- und Nachteile, man muss hier abwägen.
Passives Balancing, 30-50mA, onboard Balancing, dann
• wenn gute, vorselektierte Zellen verwendet werden,
• wenn die Zellen vor dem Einbau mindestens 2x komplett entladen und wieder geladen werden,
• wenn das Balancing in der Winterpause (ohne Ladung/Entladung) abgeschaltet werden kann,
• wenn die Zeitdauer des Balancing nicht so wichtig ist. Bei preisgünstigen Zellen mit großer Kapazität (10% Unterschied) kann das mit 30-50mA Balancingstrom schon mal 60h dauern!
Aktives Balancing, 0-8A, externer Balancer, Pol Balancer, dann
• wenn preisgünstige, nicht vorselektierte Zellen verwendet werden,
• wenn keine Möglichkeit besteht die Zellen Bei der Erstladung mit ca. C5-C10 zu laden und entladen,
• wenn ganzjährig Solareinspeisung oder Landstrom anliegt,
• wenn das Balancing nicht zu lange dauern (5-6h) soll.
Einen Mischbetrieb (passive & akt. Bal.) würde ich nicht führen, das verwirrt nicht nur die Balancer sondern auch die Nutzer.
Im Falle der Balancer bin ich auch für einen "Automatikbetrieb", der Balancer misst öfters und besser als ich.
Balancing sollte immer stattfinden, also sowohl beim Laden und Entladen als auch im Stand By Betrieb (Winterpause).
Ich hoffe es hilft manchem hier zu einem besseren Verständnis
Gruß Andreas
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Zellbalancingverfahren für Lithiumbatterien
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Wow, was für eine Arbeit und Zusammenfassung. Da muß man(n) sich erstmal durcharbeiten! Danke Andreas, Gottfried :top: :daumen2: :respekt: Coole Arbeit Andreas! :gut: Danke! Das Forum, mit solchen Experten, erweitert den Horizont. :lol: Jetzt wird mir einiges klarer.......Danke!! Ciao baeckus Danke, gut geschrieben. Bei den aktiven Balancern könntest du noch ergänzen, dass die einfachen nur zwischen benachbarten Zellen ausgleichen, und damit die Ladung ggfs mehrfach durchreichen. Für 4s ok, bei höheren Spannungen ist das irgendwann nicht mehr optimal. Eine etwas andere Meinung habe ich zu parallelen Zellen, die haben alle dieselbe Spannung und verhalten sich genau wie eine Grosse. Ausserdem werden alle Balancer durch anliegende Spannung gesteuert, man kann daher beliebig viele Balancer parallel verwenden. Die Kombination aktiv + passiv ist deshalb interessant, weil der Passivbalancer Überspannung verbrät, zB bei Limabetrieb, und der aktive bei Tiefentladung die Zellen beinanderhält. Für Starterbatterien halte ich diese Kombi für ideal. Gruss Manfred Sehr gut erklärt Andreas...dafür ein + ....ich hoffe mal das in Zukunft einige lesen und verstehen das eine LiFePO4 kein Selbstläufer ist...aber auch kein Hexenwerk.
Zuerst einmal Dank für die Antworten! Ich bin mir bei diesem Einwurf, und damit stehst du nicht allein, nicht ganz sicher ob wir von der gleichen Konstellation ausgehen. Theoretisch und bei ausgesuchten und sauber geladenen Einzelzellen gebe ich dir und diesen Einwürfen vollkommen recht. In der Praxis findest du bei Ali und Konsorten aber weder ausgesuchte noch vollgeladenen Zellen, und schon gar als Bundle von 18 Stück für einen (kleinen 100A) Strang. Also muss der Käufer/Selbstbauer diese Arbeit übernehmen. Wenn er weiß auf was es ankommt kann er das easy machen. Aber bei den Käufern von Plug n`Play Rundzellenakkus hat er darauf weder Einfuß noch kann er selbst was machen. Und hier gibt es genügend User, die mit diesem Problem kämpfen Und genau an diesen Käufer- und Anwenderkreis wendet sich mein Beitrag. Wenn man hinterher wenig ändern kann sollte man vielleicht bei der Produktauswahl am Beginn anfangen??? Die Bausätze von Lars sind Spitze, er umgeht das Thema mit Winstonzellen und Schutzschaltern. Das gilt auch für die anderen Selbstbauten mit Winstonzellen. Auch bei den blauen Bechern ist der nachträgliche Aufwand für Bastler noch in den Griff zu bekommen, da sind es nur 4 Zellen, aber bei Plug n`Play gilt das halt alles nicht, da geht es in die Menge. Aber die Leute wollen halt mehr Strom, damit Lithium und das Ganze preisgünstig und die Lösung heißt "just drop in" Das ganze war jetzt auch nicht nur eine Antwort an dich sondern noch ein bisschen Wunsch von mir an alle. Die Lithiumtechnik ist gut, aber wie man sieht sollte man gut auswählen und dann auch gut in die vorhandene Ladetechnik integrieren können. Gruß Andreas Hallo Andreas Sich hinzusetzen und so einen Artikel zu schreiben. Das hat schon was. Und jeder der sich für die Lithium Technik intressiert, aber keine Ahnung hat über die Zusammenhänge, ein gutes Nachschlagewerk. Dafür auch von mir einen Gutn. Wo Licht ist auch Schatten. Jeder der das hier liest, denkt sich vermutlich eines. Den Schaß brauchen wir bei den Bleibatterien ned. Im Forum kommt es ja immer wieder zu solchen Meldungen. Es gibt dort sehr wohl ein Zellenbalncing. Allerdings kann die Bleibattereie das selber machen. Nebenprodukt ist das Knallgas. Braucht nur länger auf der Absorbationsspannung bleiben. Das erklärt auch in geringen Ausmaß das stundenlange Ausharren auf 14.4 Volt. Eine Lithiumzelle kann das nicht. Dafür braucht es einen Elektronik. Nennt sich Balancer. Das mal als Ergänzung zu deinem Artikel. Es gibt noch einen Punkt, der mir Kopfzerbrechen macht.
Hier ist eine Mischung von Parallel und Serienschaltung in diesem Satz. Um auf dein Beispiel einzugehen. Parallelverbund eines Zellenblockes aus 50 Zellen. Die werden ja immer von dem selben Strom durchflossen. Und die Differenzen sind im hunderstel Bereich .Bei den geringen Strömen eines BMS habe ich starke Zweifel, ob das auch so in der Wirklichkeit passiert. Es kommt noch ein Faktor hinzu. Keine selektierten Zellen. Also hast du auch noch die Zellchemie und die Kapazitäts - Unterschiede dabei Der geringe Strom einer Einzelzelle ist sehr gering. Und die Spannung ebenfalls. Und mit der geringen Differenz 0,00xx. Wird es schwierig mit dem Zellausgleich. Und wirkungsvoll ist das Balancing erst bei Zellspannungen 3,55 bis 3,65. Noch besser wäre vermutlich 3,675. Aber hier stöst man an eine Grenze. Von den Einstellungen des BMS. Noch ein Wort zu den Zusatzbalancern. Diese Unterhaltung wird ja sehr kontrovers geführt. Speziel hier im Forum. Aber ich muß für mich sagen. Deine Sichtweise dazu. Die hat was. Denke schon lange darüber nach. Aber dieses Faß hier diskutieren ist nicht zielführend. Gruß Franz Moin, auch von mir ein herzliches Dankeschön für diese Zusammenfassung! Gerade für Themen-Einsteiger wie mich ist dies hilfreich, dass man die vielen verstreuten - und teilweise vehement polarisierten :wink: - Einzelinformationen nochmal in Ruhe reflektieren kann. Grüße Georg [quote="Stocki333"].....Lässt man den parallel geschalteten Zellen im Zellstrang ohne Ladung/Entladung genügend Zeit (3-4 Tage) dann gleichen sich die Zellladungen auch ohne Hilfe von außen aus. Hier ist eine Mischung von Parallel und Serienschaltung in diesem Satz./quote] Sorry, dann habe ich das missverständlich formuliert. Ich meinte keinen fertigen Akkublock, ich meinte einen Strang von Rundzellen, der in der Parallelschaltung 3,2V und z.B. 100Ah ergibt. Gruß Andreas
Das zieht sich hier schon den ganzen Faden durch! Ein Parallelverbund brauch weder BMS noch irgendwie gesteuerten Zellausgleich! Es ist auch egal wie gleich die einzelnen Rundzellen sind! Hier gleich sich alles selbst aus, einzig muss das BMS von außen die Randbedingungen (min V , max V, A, °C...) überwachen und halt das Balancing des Blocks zu den Anderen. Im Parallelverbund herrscht die selbe Spannung und wo wieviel Strom fließt regelt sich selbst. Theoretisch kann aus 49 Zellen Strom fließen und aus der 1 nichts, oder auch umgekehrt. Auch ist es egal ob die Zelle 2Ah oder 2,5Ah hat. Wenn an der Zelle mit wenig/viel Ah die Spannung steigt bzw. fällt wird das von den anderen Zellen aufgefangen. Wenn die Rundzellen schön gemischt verbaut werden ist es sogar statistisch eher wahrscheinlich das die 4 Block's die selbe Kapazität haben als eine aus vier großen Einzelzellen. Wenn das nicht so währe würdet ihr reihenweise explodierende E-Autos auf den Straßen sehen!
Und dieser "theoretische Anfang/Grundsatz zieht sich auch durch alle Beiträge. Aber: 1. diese theoretisch gleichen Zellen landen nicht auf dem Tisch des Bastlers. 2. Ja, wieviel "Ausgleichstrom" fließt regelt sich von selbst, richtig. Aber nur wenn der Benutzer dem Akku, den Zellen auch die Zeit dazu lässt. Und das ist genau der Knackpunkt. 3.Ja, eigentlich braucht man kein Balancing, aber wie gesagt nur wenn die Zellen alle die gleiche Qualität und Ladung haben. kleine unterschiedliche Selbstentladungen regeln sich durch die Parallelschaltung. 4. Und genau weil man weder ausgesuchte Zellen hat und denen auch keine Zeit geben will setzt man Balancingsysteme ein. 5. schlechter Vergleich, den die Batterie Hersteller bekommen durch Vorselektion und professionelle Ladung gleiche Zellen und haben wesentlich kompliziertere BMS Systeme, die nicht als Top Level Balancing sondern als "Multi Kondensator" oder "Multi Spulen" Balancer ausgelegt sind. Bitte nicht meine Cannon Kamaera mit dem Huble Teleskop vergleichen. Gruß Andreas Und nicht Lions mit LiFePO4 vergleichen. Da gibts einen grawierenden Unterschied. Den Spannungshub zwischen Voll und Leer. Beim LiFePO4 spillt sich ja 80 % im Bereich von 13-13,4 Volt ab. Bei Lions 2,9 . 4,1 Volt. Mit einer fast linearen Kennlinie. Franz
Cannon produziert keine Kameras.....
:daumen2: Beim Balancieren denken da die meisten noch drann, beim Parallel Ausgleich wird das aber gerne übersehen. :wink:
Schau her, was mischt du dich jetzt da ein? Du störst! Aber dein Beitrag ist nichts desto trotz ein entscheidender Hinweis zum Verständnis der Balancing Verfrahren. Danke dafür, Andreas Guter Beitrag zu Lipoakkus. Andwein, ich hätte Dich gern bewertet aber das geht ja erst wenn man mindest 10 erhalten hat. Sicher hätte der eine odere andere gute Beitrag schon mehr positive Punkte wenn es diese dumme Regelung nicht gäb. Mir hat dein Beitrag echt geholfen bei den Lipos besser durchzublicken. Mein Akku ist Eigenbau aus 4 mal 320Ah (die Blauen) und nun im Winterschlaf. Den will ich für eingehende Tests nutzen, mal sehen ob da wirklich 320Ah drinn sind. Erstmal am Labornetzteil bis 14,4V geladen und genau wie Du schreibst festgestellt das der BMS nur Balance macht wenn dann noch über 1,5A fließen. |
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