Nur wenn die Zellen einer Batterie nahezu identisch sind, lässt sich zuverlässig eine lange Lebensdauer erreichen. ETA-Leveling, ein Algorithmus für Batteriemanagementsysteme (BMS) trägt dazu bei. Die BENNING CMS Technology GmbH und die PEM Motion GmbH haben gemeinsam ein Matlab-basiertes Software-Modell entwickelt, mit dem dieser Algorithmus in industrielle BMS-Lösungen integriert werden kann – ohne teure Hardware, ohne sicherheitskritische Änderungen am Gesamtprodukt und ohne lange Implementierungsphasen.
Im Mittelpunkt steht das Verfahren ETA-Leveling, das dafür sorgt, dass Batteriezellen über viele Ladezyklen hinweg ihre Leistungsfähigkeit behalten, und so die Lebensdauer kompletter Batteriesysteme verlängert. Der Algorithmus verhindert das Auseinanderdriften von Zellen, im Sinne von Unterschieden der Ladezustände (State of Charge, SoC), wie es bei herkömmlichen BMS unweigerlich vorkommt. Diese unerwünschten Unterschiede bleiben lange auf sehr niedrigem Niveau, werden erst auf Dauer spürbar, vermindern aber schlussendlich deutlich die Lebensdauer der Batterie.
ETA-Leveling – und was es leistet
Die Wirkungsgrade einzelner Zellen innerhalb eines Batterieblocks verändern sich im Zeitablauf unterschiedlich. Hinzu kommen von außen, durch die BMS-Hardware eingetragene, ungleichmäßige Belastungen der Batterie. Dadurch hervorgerufene geringste Unterschiede der SoC entstehen bereits mit den ersten Ladevorgängen. Das sorgt auf Dauer für eine beschleunigte individuelle Zellalterung und Abnahme der nutzbaren Kapazität der gesamten Batterie, die in der Anwendung aber erst sehr viel später spürbar wird. Denn irgendwann kommt die gesamte Batterie so weit in Schieflage, dass die verbleibende Nutzkapazität nicht mehr ausreicht und zu einem verfrühten ‚Defekt‘ des Batterie-Blocks führt. Das heißt: Die Wirkungsgrad-Unterschiede zwischen den einzelnen Zellen verschieben die Ladezustände der einzelnen Zellen so weit, dass sie die gemeinsame nutzbare Kapazität im Zellverbund bis zur Unbrauchbarkeit einbüßen.
Regelmäßig definierte Abschaltgrenzen im oberen oder unteren Spannungsbereich werden permanent überschritten und verhindern damit schlussendlich, dass der Block für seine Anwendung ausreichend ge- und entladen werden kann. Spätestens dann gilt der komplette Block als defekt und wird aussortiert. Mit ETA-Leveling lässt sich innerhalb dieser Problematik an mehreren Punkten ansetzen: Von vornherein im BMS verwendet, verhindert es die vorzeitige Alterung einzelner Zellen, gleicht von außen eingetragene Wirkungsgrad-Unterschiede auf Systemebene aus und verlängert so die Lebensdauer von Batterieblöcken ganz erheblich. Kommt dieses Ladeverfahren bei defekten Blöcken zum Einsatz, kann es die Zellen im besten Fall wieder leveln, also den vorzeitigen Kapazitätsverlust der Batterie heilen, sodass der Block weiterbetrieben werden kann. Auch für Second Life ist ETA-Leveling geeignet, weil sich damit gebrauchte Batterien mit unklarem Zustand problemlos in Anwendungen einsetzen lassen, was mit herkömmlichen BMS nicht funktioniert.
Vorteile durch ETA-Leveling ins eigene BMS implementieren
Das ETA-Leveling-Modul für die Entwicklungsumgebung Matlab steht ab sofort bereit und ermöglicht realistische Simulationen, mit denen sich ETA-Leveling umfassend testen lässt. Anschließend kann der Algorithmus direkt in bestehende Entwicklungsprozesse integriert werden.
