Ausbalancierungsalgorithmus

OSEG Projekte LibreSolar und OpenNanoGrid
1

Hallo.

Da wir eine Art Ausgleichsalgorithmus (Balancing-Algorithmus) in das BMS implementieren müssen, habe ich mich gefragt, welches der beste Weg dafür wäre, da es verschiedene Möglichkeiten gibt, z. B. spannungspegelgesteuertes „Bleeding“ oder einen geringen Ausgleichsstrom für eine bestimmte Zeit usw.

Also habe ich Dacian Todea, den Entwickler des großartigen SBMS4080 und SBMS100, um eine Expertenempfehlung gebeten. Hier ist ein Auszug aus seiner Antwort, der den im SBMS implementierten Balancing-Algorithmus beschreibt:

Die Vorgehensweise ist so, dass die Zellen gemessen werden, und sobald ein Delta von mehr als 10 mV zwischen den Zellen besteht und ein Ladestrom von mindestens 300 bis 500 mA fließt, werden die Zellen mit der höchsten Spannung mit einem 24-Ohm-Widerstand entladen (zwei 12-Ohm 0,5W 0805 SMD Panasonic-Widerstände in Reihe) – im Fall von SBMS60 und SBMS100 beträgt der maximale Strom also 150 mA bei einer 3,6V-Zelle.
Das Zell-Balancing wird für eine Anzahl von Sekunden durchgeführt, sagen wir 6 Sekunden, und dann gibt es eine Pause von 1 oder 2 Sekunden, in der der Controller die Zellspannung überwachen kann, während der Spannungsabfall an den Balancing-Leitungen eliminiert wird, um dann erneut für 6 Sekunden mit dem Zell-Balancing zu beginnen, falls dies immer noch erforderlich ist.
Auf diese Weise beträgt der durchschnittliche Strom bei 6 Sekunden EIN und 2 Sekunden AUS nur 112,5 mA, und die Verlustleistung beträgt maximal 400 mW. Da maximal 7 von 8 Zellen gleichzeitig balanciert werden, beträgt die maximale Wärmeabgabe 2,835 W, was selbst auf einem kleinen Teil der Hauptplatine (PCB), wie beim SBMS, leicht abgeführt werden kann.

Das Zell-Balancing ist genauso effektiv oder sogar effektiver als die Verwendung eines großen Leistungswiderstands, da das Zell-Balancing über einen langen Zeitraum von bis zu mehreren Stunden durchgeführt werden kann, abhängig von der Laderate und dem Grad der Zell-Imbalance.

Dann habe ich um Klärung gebeten:
Das Balancing findet unabhängig vom SOC statt? Das heißt: nicht nur am Ende des Ladevorgangs, wenn die Zellen fast voll sind? Also hast du sowohl Top-Balancing als auch Bottom-Balancing und Balancing dazwischen?

Und er antwortete:

Ja, das Zell-Balancing erfolgt bei fast jedem SOC, solange ein Zelldelta über dem von dir eingestellten Wert liegt, vielleicht 10 oder 20 mV. Das ist immer Top-Balancing, selbst wenn das Balancing bei einem SOC von 60 % durchgeführt wird; es geht nur darum, rechtzeitig zu reagieren, damit man einen kleinen Strom über einen langen Zeitraum verwenden kann, anstatt eines hohen Balancing-Stroms über einen kurzen Zeitraum am Ende.
Bottom-Balancing ist in allen Anwendungen nutzlos (es wird nur von Heimwerkern verwendet, die nicht viel über das Laden von Lithium-Zellen wissen).

Da dies für mich einleuchtend klingt und ich gute Erfahrungen mit dem SBMS gemacht habe (die Zellen sind immer gut ausbalanciert und extrem nah beieinander), möchte ich diesen Balancing-Algorithmus verwenden. Und für eine einheitliche Terminologie würde ich vorschlagen, ihn als „Micro-Balancing“ zu bezeichnen.

Beste Grüße,
Oliver

2

hier können Sie ein Beispiel des SBMS sehen, das zeigt, wie nah die Zellen wirklich beieinander liegen. Der Unterschied beträgt etwa 3 mV, und das sogar, während sich die Zellen noch im „Ansturm“-Modus befinden … das bedeutet: Wenn die Zellen im Ruhezustand bei geringer Last sind, ist es normal, einige „zugrunde liegende“ Unterschiede zwischen ihnen zu sehen. Sobald sie wieder geladen werden, was in diesem Fall durch die aufgehende Morgensonne gegen 6:40 Uhr geschieht, liegen sie sehr bald nah beieinander, und das umso mehr, je weiter sie sich dem oberen Bereich nähern, der um 9:57 Uhr noch nicht einmal vollständig erreicht ist.

Ich sage nicht, dass dies ein Ergebnis des kürzlichen Ausgleichs ist, der möglicherweise in diesem Moment während des Zeitraums zwischen 6:00 und 9:57 Uhr stattfindet, sondern ich interpretiere es lediglich als ein Zeichen für den Gesundheitszustand, der sich im Allgemeinen aus dem gesamten „Mikro-Ausgleich“ ergibt.

Beste Grüße,
Oliver

3

Ich betrachte kleine Ströme (ca. 200 mA max.) innerhalb eines bestimmten SOC-Fensters nach einer gewissen Ruhezeit als „normales“ Balancing. So wird es auch bei Autobatterien gehandhabt.

Das Balancing mit kleinen Strömen als „Micro Balancing“ zu bezeichnen, erscheint mir verwirrend. Ich sehe in keiner Anwendung die Notwendigkeit für höhere Balancing-Ströme.

Als Beispiel betrachten Sie hier das Tesla Model S BMS Slave-Board: http://files.wizkid057.com/teslapack/update2/Tesla%20BMS%20Module%20-%20Front.jpg

Es verfügt über 4x 158-Ohm-Widerstände parallel, was insgesamt 39,5 Ohm und einen maximalen Balancing-Strom von 100 mA ergibt. Die Gesamtkapazität des Tesla-Zellverbunds beträgt etwa 240 Ah (= 85 kWh / 350 V), was eine recht große Kapazität zum Ausbalancieren bedeutet.

Ich würde jedoch nicht zustimmen, dass es sinnvoll ist, das Balancing bei jedem beliebigen SOC einzuschalten. Betrachten Sie einen gut ausbalancierten Batteriepack bei 90 % SOC, der eine schlechte Zelle enthält (d. h. geringere Kapazität als die anderen Zellen). Wenn Sie das Balancing auch bei niedrigem SOC starten, würden Sie alle anderen Zellen entladen, um das Potenzial der schlechten Zelle zu erreichen. Wenn Sie danach wieder aufladen, müssten Sie die schlechte Zelle erneut an die anderen anpassen. Je nachdem, wie unterschiedlich die Kapazitäten der Zellen sind, würden Sie möglicherweise nie einen gut ausbalancierten Zustand erreichen.

Sie müssen also ein mehr oder weniger enges SOC-Fenster definieren, in dem Sie das Balancing zulassen.

Martin

4

Ok, ich bestehe nicht auf dem Begriff „micro“ :wink:

Ja, du hast recht, basierend auf der Art des Balancierens, die du beschrieben hast. Aber die andere Methode ist so gedacht, dass während des Balancierens ein Ladestrom angelegt wird. Das bedeutet, dass keine der Zellen wirklich „blutet“ (entladen wird), sondern dass lediglich die oberste Zelle (oder genauer gesagt alle Zellen mit einem größeren Delta als 10 mV gegenüber der untersten Zelle) etwas weniger Ladestrom erhält als die unterste Zelle (oder alle unteren Zellen mit einem kleineren Delta innerhalb des Grenzwerts), sodass die unteren Zellen sich mehr erholen und sich somit dem Niveau der oberen Zellen annähern können.

Als Fazit würde ich also bisher zwischen zwei möglichen Arten des Balancierens unterscheiden, die wir oben beschrieben haben:

  1. Echtes „Bleeding“ (Entladen), das stattfindet, wenn nicht geladen wird, und durch Spannungsschwellenwerte gesteuert wird.

  2. Weniger Strom während des Ladens, was ebenfalls spannungsabhängig ist, aber innerhalb bestimmter Zeitschritte angewendet wird.

Das ist vielleicht kein großer Unterschied, kann aber bei der Software-Implementierung der Zustandsmaschine (State-Machine) einige kleinere Unterschiede bewirken, weshalb ich es erwähnt habe.

Beste Grüße,
Oliver