Welche Anwendung findet der Zellausgleich bei Lithiumbatterien?

Ich beschäftige mich seit fast 12 Jahren mit dem Zerlegen von Akkus und dem Entwerfen von BMS. Jedes Mal, wenn mich jemand fragt: „Was genau bewirkt das Balancieren?“, zeige ich ihm einfach zwei Fotos: Das eine ist ein 2-Jahre-alter 36-V-E-Bike-Rucksack ohne Balancing (die Hälfte der Zellen bei 1,8 V, der Rest bei 4,18 V), das andere ist die gleiche Charge mit einem 100-mA-Passiv-Balancer (alle Zellen liegen nach drei Jahren immer noch innerhalb von 12 mV). Das ist der springende Punkt in einem Bild.

In echten Rudeln sind die Zellen niemals gleich. Nehmen Sie 100 brandneue Samsung 50E-Zellen aus demselben Fach: Die Kapazitätsverteilung beträgt normalerweise ±30 mAh, die Selbstentladungsrate kann um das Zwei- bis Dreifache variieren und der Innenwiderstand kann um 3 bis 5 mΩ variieren. Nach 200 Zyklen fallen die Schwachen noch mehr zurück. Ohne Ausgleich wird die Akkukapazität durch die schwächste Zelle beim Laden und die stärkste Zelle beim Entladen bestimmt. Allein im ersten Jahr verlieren Sie 20–40 % der nutzbaren Kapazität.

Active Cell Balancing

Es gibt nur zwei Möglichkeiten, wie Menschen in der Produktion tatsächlich ein Gleichgewicht herstellen:

Das verbrauchen 95 % der Akkus unter 20 kWh.
Echte Chips, die Sie auf den Brettern sehen werden:

TI BQ769x2 / BQ769x3 / BQ78z100

Analoge Geräte LTC6804 / LTC6811 / LTC6813

Maxim MAX14920 / MAX14921

NXP MC33771 / MC33772

Typischer Ableitstrom: 80–150 mA (BQ76952 kann 220 mA schieben, wenn zwei Pins parallel geschaltet werden).
Widerstandswert in der Massenproduktion: fast immer 27 Ω oder 33 Ω 2512 1 W-Gehäuse.
Triggereinstellungen, die ich tatsächlich verwende:
Beginnen Sie mit der Blutung bei 15–25 mV über dem Packungsdurchschnitt während des CV und stoppen Sie, wenn Delta unter 6–8 mV fällt.
Wenn Sie versuchen, 2 mV zu erreichen, wird die Platine für immer kaputt gehen.

Hitze ist das eigentliche Problem. Ein 16-s-Scooter-Pack mit 100-mA-Ableitung kann 7–8 W direkt an die BMS-Platine abgeben. Deshalb verziehen sich diese billigen 20-Dollar-E-Bike-Boards nach einem Sommer in der Sonne und bekommen Risse.

Sobald Sie ~30 kWh überschreiten, schaltet fast jeder auf Aktiv um.

Beispiele aus der Praxis-, die ich heruntergenommen habe:

Tesla Model S/X (2012–2021): kleine DC-DC-Blöcke auf dem HVJB, ~1 A pro Modul

BMW i3 (alle Baujahre): Induktives Transformatormodul, Übersetzung 24 zu 1, ca. 2 A

BYD Blade-Pakete: fliegende{0}}Kondensatorplatinen basierend auf dem Infineon TLF35568-Referenzdesign

Chinesische stationäre Speichermonster: isolierte DC-DC-Module, die 15–20 A über den gesamten 700-V-Strang bewegen

Standard-Boards, die die Leute tatsächlich kaufen:

1–2 grüne AliExpress-Kondensatorplatinen (die mit 8–16 kleinen Relais)

Heltec / Orion BMS Gen4 / REC Q / Dilithium: 5–8 A bei ordentlicher Kühlung

Cell Balancing

Die meisten OEMs balancieren nur in den oberen 10–15 % des SoC, weil die Spannungskurve unter 3,45 V (NMC) oder 3,40 V (LFP) zu flach ist.
Tesla waits until >90 % SoC und balanciert nur in den letzten 30–60 Minuten des Ladevorgangs.
Meine 2017 BMW i3-Protokolle zeigen, dass der induktive Balancer nur dann aufwacht, wenn Delta > 30 mV und Packstrom < 5 A sind.

Ich habe eine Schublade voller Low-Speed-EV-Pakete aus den Jahren 2016–2018 vom chinesischen Festland, die durch den Wegfall der Entlüftungswiderstände 0,80 $ eingespart haben. Nach 18 Monaten werden die schwachen Zellen bei jeder Entladung negativ, Kupfer löst sich auf, Dendriten wachsen, der Separator schmilzt, es kommt zu einem Brand. Ich habe beobachtet, wie Akkus mit 72 V und 20 Ah innerhalb von 14 Monaten auf 8–9 Ah sanken. Wenn man ihnen einen aktiven Balancer für 12 US-Dollar anlegt, kommen sie auf 18–19 Ah zurück. Lektion auf die harte Tour gelernt.

Unter 15 kWh → passiv ist in Ordnung und bleibt für immer (Roller, Elektrowerkzeuge, Drohnen)

400 V+ or >50 kWh → aktiv, sonst tauschen Sie jedes Jahr die Module aus

Jedes einzelne richtige Elektrofahrzeug, das heute verkauft wird, verfügt über eine Auswuchtung. Die einzige Variable ist, ob es sich um einen 33-Ω-Widerstand oder eine 300-Dollar-Aktivplatine handelt.

Das ist Zellausgleich. Nichts Magisches. Nur um zu verhindern, dass die guten Zellen von dem einen faulen Bruder, der beschlossen hat, schneller zu altern, heruntergezogen werden.

Cell Balancing