Imbalance in Serie geschalteter Zellen

Prinzipien und Gefahren der Serienverschaltung

In einer Serienverschaltung fließt derselbe Strom durch alle Zellen, während sich die Einzelspannungen zur Gesamtspannung addieren.

Problem: Zell-Imbalance

Unterschiedliche Start-SoCs (oder Kapazitäten/Innenwiderstände) führen zu Imbalance.

• Beim Laden erreicht die Zelle mit dem höchsten Start-SoC zuerst \(V_{\text{max}}\).
• Beim Entladen erreicht die Zelle mit dem niedrigsten Start-SoC zuerst \(V_{\text{min}}\).

Gefahren durch Imbalance (ohne Balancing)

1. Überladung (Overcharging):
   • Ein einfaches Ladegerät stoppt oft erst, wenn die Gesamtspannung das Ziel erreicht (z.B. 12.6V).
   • Wenn eine einzelne Zelle \(V_{\text{max}}\) erreicht, bevor die Gesamtspannung am Ziel ist, wird diese Zelle überladen, wenn weiter geladen wird.
   • Folgen: Irreversible Schädigung, Gasbildung, Hitze, Brandgefahr.
2. Tiefentladung (Overdischarging):
   • Eine einfache Last oder Entladekontrolle stoppt oft erst, wenn die Gesamtspannung einen Minimalwert erreicht (z.B. 9.0V).
   • Wenn eine einzelne Zelle \(V_{\text{min}}\) erreicht, bevor die Gesamtspannung am Ziel ist, wird diese Zelle tiefentladen, wenn weiter entladen wird.
   • Folgen: Irreversible Schädigung, Kapazitätsverlust, Sicherheitsrisiko.
3. Reduzierte Pack-Kapazität: Die nutzbare Energie des gesamten Packs wird immer durch die schwächste Zelle (die als erste \(V_{\text{max}}\) oder \(V_{\text{min}}\) erreicht) begrenzt.
4. Maskierung durch Durchschnittsspannung: Wie im Spannungsplot sichtbar (gestrichelte Linie), kann die Durchschnittsspannung \(V_{\text{Avg}}\) noch weit im sicheren Bereich liegen, während eine einzelne Zelle bereits gefährlich überladen oder tiefentladen wird.

Was man beobachten kann:

• Stellen Sie unterschiedliche Start-SoCs ein.
• Starten Sie Laden/Entladen (beachten Sie die angezeigte Ziel-Gesamtspannung).
• Beobachten Sie das Auseinanderlaufen der Zellspannungen (Z1, Z2, Z3) im Vergleich zur Durchschnittsspannung (gestrichelt).
• Achten Sie auf das Blinken der Zelle, die zuerst ihre Grenze erreicht und die Simulation stoppt, oft lange bevor die Gesamtspannung ihr Ziel erreicht hätte.