Battery balancing

Nanu? Die Ladeanzeige verharrt schon länger bei 99 Prozent, das letzte Prozent scheint einfach nicht in den Akku hineinzuwollen. Stöpselt man das Auto vorzeitig ab und lässt es nach dem Laden eine Weile stehen, kann es sein, dass plötzlich nur noch 97 Prozent angezeigt werden. Diese Phänomene irritieren manch frischgebackenen Elektromobilpiloten – geht der Akku etwa nach wenigen Wochen oder Monaten Betrieb schon in die Knie?

Keine Sorge, es geht alles mit rechten Dingen zu. Um dies zu verstehen, muss man sich den Aufbau eines Automobilakkus näher anschauen. Dieser ist nämlich kein monolithischer Block, sondern besteht aus Hunderten oder gar Tausenden von Akkuzellen, die jeweils in Strängen hintereinander geschaltet sind. Mehrere solcher Stränge werden dann wiederum parallel geschaltet. Diese Kombination von Serien- und Parallelschaltung ist erforderlich, um die nötigen hohen Spannungen und Ströme für die Traktion eines Elektroautos zu erreichen.

Zum Beispiel enthält ein Tesla Model S insgesamt 7104 Zellen mit einer Zellspannung von (geladen) 4,208 V und einem Zellstrom von 13,4 A. Von diesen sind jeweils 96 in einem Strang in Serie geschaltet, die Strangspannung beträgt somit 404 V. Im gesamten Akkupack sind 74 solcher Stränge parallel geschaltet, wobei sich die Strangströme zu 990 A addieren.

Obwohl alle Akkuzellen theoretisch identisch sind, sind sie in der Praxis doch nicht exakt gleich, sondern es gibt – aufgrund von Fertigungstoleranzen oder chemischen Effekten – immer Zellen mit geringerer und solche mit höherer Kapazität. Auch die Selbstentladungsraten unterscheiden sich. Um ein Überladen einzelner Zellen – und damit eine mögliche Schädigung – zu vermeiden, bricht das Batteriemanagementsystem den Ladevorgang ab, wenn die schwächste Zelle in einem Strang „voll“ meldet, auch wenn andere Zellen mit höherer Kapazität noch aufnahmefähig wären. Umgekehrt verhindert das System ein weiteres Entladen des Akkus, sobald die schwächste Zellen an ihre (Tiefentladungs-)Grenze gelangt.

Diese Abweichung zwischen starken und schwachen Zellen – auch Zelldrift genannt – nimmt bei jedem Ladevorgang zu, sodass die nutzbare Gesamtkapazität des Akkus immer weiter abnimmt – obwohl sich der Akkuzustand in Wirklichkeit nicht verschlechtert hat. Um die verborgenen Reserven, also die noch nicht voll aufgeladenen Zellen, zu aktivieren, wird eine Ausgleichsregelung – üblicherweise als Battery Balancing bezeichnet – benötigt. Sie ist bei allen Automobil-Traktionsakkus Teil des Batteriemanagementsystems.

Der Balancing-Vorgang wird automatisch vom Batteriemanagementsystem ausgelöst, wenn die Zelldrift einen bestimmten Wert überschreitet. Dies geschieht entweder nach Abschluss des Ladevorgangs, wenn man den Ladestecker nicht sofort von der Ladesäule abzieht. Das letzte Prozent, das sich scheinbar so mühsam in den Akku hineinbewegen lässt, ist also in Wirklichkeit dem Balancing geschuldet. Der Ladevorgang wird so lange fortgesetzt, bis auch die schwächste Zelle im Akkupack ihre maximale Kapazität erreicht hat, ohne dabei die bereits vollen Zellen zu überladen.

Die schwachen Zellen, die es in jedem Akkupack gibt, werden durch das „Ausbalancieren“ natürlich nicht besser, aber zumindest wird jede Zelle nach ihren Möglichkeiten optimal geladen. Ohne Balancing würde die schwächste Zelle die Kapazität des gesamten Akkupacks bestimmen und so wertvolle Reichweite verschenkt.

Wie wird das Balancing technisch realisiert? Hierfür gibt es zwei Verfahren: Beim passiven Balancing wird der Ladestrom einer bereits vollen Zelle über einen parallel geschalteten Widerstand abgeleitet, also in Wärme umgewandelt. Die schwächeren Zellen, die in ihrem Ladezustand hinterherhinken, können also weiter geladen werden, ohne die bereits vollen Zellen zu überladen. Die beim passiven Balancing entstehenden Energieverluste sind laut Angabe von Automobilherstellern gering – Renault gibt beispielsweise einen Wert von 0,5 Prozent je Vollladung an.

Raffinierter ist die Funktionsweise des aktiven Balancing: Hierbei wird der überschüssige Strom einer guten Zelle nicht einfach „verbraten“, sondern aktiv zu den schlechteren Zellen umgeleitet, bis alle Zellen einen gleichmäßigen Ladezustand erreicht haben. Dies vermeidet Energieverluste und unerwünschte Wärmelasten im Akku. In den Modellen der hierzu befragten Hersteller (Tesla, BMW, Mercedes-Benz, Renault und Volkswagen) wird dieses technisch komplexere Verfahren trotz seiner Vorteile allerdings nicht angewandt, sondern ausschließlich mit passivem Balancing gearbeitet. Den Verzicht auf die aktive Technologie begründet BMW mit dem „geringen Balancing-Bedarf für die im BMW i3 eingesetzten Zellen“. Das passive Balancing sei daher hinsichtlich „Funktion, Qualität und Kosten das optimale Konzept“. Die aufwändigeren aktiven Systeme stellten „bei aktuellen Speichersystemen deshalb keine zielführende Option dar“.