Technologie | Die Gefahren von Inkonsistenzen bei Lithiumbatterien verstehen und wie man sie behebt

Leistungsinkonsistenzen von Batteriezellen entstehen während des Produktionsprozesses und verstärken sich mit der Zeit. Innerhalb eines Akkupacks werden schwächere Zellen schwächer und ihre Degradation beschleunigt sich. Die Streuung der Parameter zwischen einzelnen Zellen nimmt mit zunehmendem Alter zu.

Lithium-Power-Batterien haben sich als führende Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge etabliert. Sie bieten eine lange Lebensdauer, eine hohe Energiedichte und erhebliches Verbesserungspotenzial. Die Sicherheit lässt sich verbessern und die Energiedichte weiter steigern. In absehbarer Zukunft (vermutlich um 2020) werden sie in Reichweite und Wirtschaftlichkeit mit Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor konkurrieren und damit die erste Phase der Elektromobilität einläuten. Lithium-Batterien bringen jedoch auch Herausforderungen mit sich.

Warum sind die meisten Lithiumbatterien klein?

Die Lithiumbatterien, die wir heute sehen – ob zylindrisch, in Beutelform oder prismatisch – haben im Allgemeinen ein elegantes Aussehen, im Gegensatz zu den sperrigen, herkömmlichen Blei-Säure-Batterien. Warum ist das so?

Aufgrund ihrer hohen Energiedichte sind Lithiumbatterien häufig nicht für große Kapazitäten ausgelegt. Blei-Säure-Batterien haben eine Energiedichte von etwa 40 Wh/kg, während Lithiumbatterien 150 Wh/kg überschreiten. Mit zunehmender Energiekonzentration steigen die Sicherheitsanforderungen.

Erstens kann eine einzelne Lithiumbatterie mit zu hoher Energiekapazität im Falle eines Unfalls einen thermischen Durchgehen auslösen. Diese schnelle Reaktion innerhalb der Batterie kann zu schnell überschüssige Energie freisetzen und eine gefährliche Situation schaffen. Insbesondere wenn Sicherheitstechnologie und Steuerungsmöglichkeiten noch nicht vollständig entwickelt sind, sollte die Kapazität jeder Batterie begrenzt werden.

Zweitens ist die im Gehäuse der Lithiumbatterie eingeschlossene Energie im Falle eines Unfalls für Feuerwehrleute und Feuerlöscher unzugänglich. Feuerwehrleute können den Brandort nicht erreichen und den Brand nicht löschen. Sie können lediglich den Brandort isolieren und die Batterie reagieren lassen, bis die Energie aufgebraucht ist.

Natürlich sind in aktuelle Lithiumbatterien aus Sicherheitsgründen mehrere Sicherheitsfunktionen eingebaut. Nehmen wir zylindrische Batterien als Beispiel.

Sicherheitsventile: Wenn die interne Reaktion der Batterie den Normalbereich überschreitet, steigt die Temperatur und es entstehen Nebenreaktionsgase. Erreicht der Druck den Sollwert, öffnet sich das Sicherheitsventil automatisch und lässt den Druck ab. Sobald das Sicherheitsventil öffnet, versagt die Batterie vollständig.

Thermistoren: Einige Batteriezellen sind mit Thermistoren ausgestattet. Bei Überstrom steigt der Widerstand ab einer bestimmten Temperatur stark an, wodurch der Strom im Stromkreis reduziert und ein weiterer Temperaturanstieg verhindert wird. Sicherung: Die Batteriezelle ist mit einer Sicherung mit Überstromschmelzfunktion ausgestattet. Sobald ein Überstromrisiko besteht, wird der Stromkreis getrennt, um schwere Unfälle zu vermeiden.

Probleme mit der Konsistenz von Lithiumbatterien

Lithiumbatterien lassen sich nicht in großen Einheiten herstellen, sondern müssen in zahlreichen kleinen Zellen organisiert werden. Durch die Zusammenarbeit und das gemeinsame Arbeiten können Elektrofahrzeuge auch in die Höhe schnellen. Die Herausforderung dabei ist die Konsistenz.

Wenn wir im Alltag die Plus- und Minuspole zweier Trockenbatterien miteinander verbinden, leuchtet eine Taschenlampe auf. Und wen kümmert es, wenn die Pole inkonsistent sind? Bei der großflächigen Anwendung von Lithiumbatterien ist die Situation jedoch deutlich komplexer.

Inkonsistenzen bei Lithiumbatterieparametern beziehen sich hauptsächlich auf Inkonsistenzen bei Kapazität, Innenwiderstand und Leerlaufspannung. Die Verwendung inkonsistenter Zellen in Reihe kann zu folgenden Problemen führen:

1) Kapazitätsverlust. Zellen bilden eine Akku , und ihre Kapazität folgt dem „Fassprinzip“: Die Kapazität der schwächsten Zelle bestimmt die Kapazität des gesamten Packs.

Um ein Überladen und Überentladen zu verhindern, ist die Logik des Batteriemanagementsystems wie folgt konfiguriert: Während des Entladens wird der gesamte Akkupack nicht mehr entladen, wenn die niedrigste Zellspannung die Entladeschlussspannung erreicht; während des Ladens wird der Ladevorgang beendet, wenn die höchste Zellspannung die Ladeschlussspannung erreicht.

Betrachten wir beispielsweise zwei in Reihe geschaltete Batterien. Eine hat eine Kapazität von 1 C, die andere nur von 0,9 C. Bei einer Reihenschaltung fließt durch beide Batterien der gleiche Strom.

Beim Laden wird zwangsläufig zuerst die kleinere Batterie vollständig aufgeladen, bis die Ladeunterbrechung erreicht ist und das System den Ladevorgang beendet. Beim Entladen verbraucht die kleinere Batterie zwangsläufig zuerst ihre gesamte verfügbare Energie und das System beendet den Entladevorgang sofort.

Auf diese Weise wird die kleinere Zelle immer vollständig geladen und entladen, während die größere Zelle immer einen Teil ihrer Kapazität nutzt. Ein Teil der Kapazität des Akkupacks bleibt immer ungenutzt.

2) Lebensdauerverlust: Ähnlich verhält es sich mit der Zelle mit der kürzesten Lebensdauer. Diese Zelle ist höchstwahrscheinlich die kleinere. Die kleinere Zelle, die ständig voll geladen und entladen wird, erreicht wahrscheinlich zuerst das Ende ihrer Lebensdauer, da sie dadurch überbeansprucht wird. Wenn diese Zelle das Ende ihrer Lebensdauer erreicht, erreicht auch der gesamte Akku das Ende seiner Lebensdauer.

3) Steigender Innenwiderstand: Bei unterschiedlichen Innenwiderständen und gleichem Strom erzeugt die Zelle mit dem höheren Innenwiderstand mehr Wärme. Eine zu hohe Batterietemperatur beschleunigt die Degradation und erhöht den Innenwiderstand weiter. Innenwiderstand und Temperaturanstieg bilden eine negative Rückkopplungsschleife, die die Degradation hochohmiger Zellen beschleunigt.

Die drei oben genannten Parameter sind nicht völlig unabhängig. Zellen mit fortgeschrittenem Alter haben einen höheren Innenwiderstand und einen stärkeren Kapazitätsverlust. Ich erkläre sie separat, um ihre jeweiligen Auswirkungen zu verdeutlichen.

So beheben Sie Inkonsistenzen

Leistungsinkonsistenzen von Batteriezellen entstehen bereits während des Produktionsprozesses und verstärken sich im Laufe der Nutzung. Innerhalb eines Batteriepacks bleiben schwächere Zellen schwächer und schwächen sich schneller ab. Die Streuung der Parameter zwischen einzelnen Zellen nimmt mit zunehmendem Alter zu.

Derzeit befassen sich Ingenieure mit Inkonsistenzen einzelner Zellen aus drei Hauptperspektiven: der Sortierung einzelner Zellen, dem Wärmemanagement nach der Gruppierung und den Ausgleichsfunktionen, die durch die Batteriemanagementsystem wenn kleinere Unstimmigkeiten auftreten.

1) Sortieren

Batteriezellen aus unterschiedlichen Chargen sollten theoretisch nicht zusammen verwendet werden. Selbst Zellen aus derselben Charge müssen geprüft werden, um Zellen mit relativ ähnlichen Parametern im selben Batteriepack unterzubringen.

Der Zweck der Sortierung besteht darin, Zellen mit ähnlichen Parametern auszuwählen. Sortiermethoden werden seit vielen Jahren untersucht und im Wesentlichen in zwei Typen unterteilt: statische Sortierung und dynamische Sortierung.

Bei der statischen Sortierung werden Zellen anhand charakteristischer Parameter wie Leerlaufspannung, Innenwiderstand und Kapazität sortiert. Zielparameter werden ausgewählt, statistische Algorithmen eingesetzt und Sortierkriterien festgelegt, um Zellen derselben Charge schließlich in mehrere Gruppen zu unterteilen. Die dynamische Sortierung basiert auf den Eigenschaften der Batteriezellen während des Lade- und Entladevorgangs. Einige Methoden nutzen Konstantstrom und Konstantspannung, andere Pulsladung und -entladung, und wieder andere vergleichen die Beziehung zwischen ihren eigenen Lade- und Entladekurven.

Bei der kombinierten statischen und dynamischen Sortierung wird zunächst eine statische und anschließend eine dynamische Sortierung durchgeführt. Dieser Ansatz führt zu mehr Gruppen und verbessert die Sortiergenauigkeit, ist aber auch mit einem entsprechenden Kostenanstieg verbunden.

Dies verdeutlicht die Bedeutung der Skalierung bei der Produktion von Lithium-Ionen-Akkus. Großlieferungen ermöglichen den Herstellern eine detailliertere Sortierung, was zu Akkupacks mit konstanterer Leistung führt. Bei zu geringen Produktionsmengen und zu vielen Gruppen kann selbst eine einzelne Charge keinen einzigen Akkupack produzieren, was selbst die besten Methoden wirkungslos macht.

2) Wärmemanagement

Um das Problem der ungleichmäßigen Wärmeentwicklung in Zellen mit unterschiedlichem Innenwiderstand zu lösen, kann ein Wärmemanagementsystem die Temperaturunterschiede im gesamten Batteriepack regulieren und in einem engen Bereich halten. Zellen, die mehr Wärme erzeugen, erfahren zwar immer noch einen höheren Temperaturanstieg, jedoch nicht signifikant anders als andere Zellen, was zu einer weniger spürbaren Degradation führt. 3) Ausgleich

Inkonsistenzen zwischen einzelnen Zellen können dazu führen, dass die Spannungen an den Anschlüssen einiger Zellen dauerhaft höher sind als an anderen. Dadurch wird zuerst der Regelschwellenwert erreicht und die Gesamtkapazität des Systems verringert. Um dieses Problem zu lösen, verfügt das Batteriemanagementsystem (BMS) über eine Ausgleichsfunktion.

Erreicht eine Zelle zuerst die Ladeschlussspannung, während die Spannungen der übrigen Zellen deutlich zurückbleiben, aktiviert das BMS die Ladeausgleichsfunktion. Dabei wird entweder ein Widerstand eingefügt, um die Hochspannungszelle teilweise zu entladen, oder Energie an die Niederspannungszelle übertragen. Dadurch wird die Ladeschlussspannung aufgehoben, der Ladevorgang neu gestartet und der Akkupack kann weiter aufgeladen werden.

Die Zellinkonsistenz bleibt ein zentrales Forschungsgebiet der Branche. Selbst Zellen mit der höchsten Energiedichte können durch Inkonsistenz erheblich beeinträchtigt werden, was die Leistung des Akkupacks deutlich reduziert.