Wie wirkt sich die Konsistenz der Lithiumzelle auf den Akku aus?

Die Wassermenge, die ein Holzfass fassen kann, wird durch seinen kürzesten Dauben bestimmt. Dies ist als "Fassprinzip" bekannt.

Wenn wir einen Lithium-Ionen-Akkupack mit einem Wasserfass vergleichen, dann sind die einzelnen Lithiumzellen, aus denen der Akkupack besteht, die Holzdauben. Die Leistung der einzelnen schlechtesten Zelle bestimmt die Gesamtleistung des gesamten Akkupacks.

Bei der Montage von Lithium-Ionen-Akkupacks (PACK) ist die Zellkonsistenz von entscheidender Bedeutung. Ein Pack mit schlechter Zellkonsistenz wird eine Beeinträchtigung seiner Leistung erfahren—einschließlich Kapazität, Zyklenlebensdauer und Lade-/Entladeeigenschaften. Mit zunehmender Anzahl von Lade-/Entladezyklen wird diese Auswirkung größer. Aber wie signifikant ist die Auswirkung dieses "Fassprinzips"?

Lithium-Ionen-Akkupack PACK folgt dem "Fassprinzip"

Ein wesentlicher Grund dafür ist die Verwaltung und Steuerung durch das Batteriemanagementsystem (BMS). Das BMS eines Lithium-Akkupacks beinhaltet den Schutz vor Überladung und Tiefentladung einzelner Zellen. Dies stellt sicher, dass die Lithium-Ionen-Zellen während des Lade- und Entladevorgangs innerhalb eines sicheren und zuverlässigen Spannungsbereichs arbeiten, wodurch Leistungsverschlechterung, verkürzte Lebensdauer oder sogar Sicherheitsrisiken durch Überladung oder Tiefentladung verhindert werden.

Auswirkungen der Konsistenz während der Akkupack-Entladung

Nehmen Sie eine ternäre Lithiumzelle (NMC/NCA) als Beispiel. Ihre Einzelzellen-Abschaltspannung beträgt typischerweise 2,5 V, und das BMS stellt den Einzelzellen-Tiefentladungsschutz in der Regel auf 2,8 V ein. Die BMS-Schutzlogik ist so, dass, wenn die Spannung von irgendeiner Zelle im Pack 2,8 V erreicht, der Tiefentladungsschutz ausgelöst wird. Die Entlade-MOSFETs oder -Relais öffnen sich, und der gesamte Pack stoppt die Entladung.

Betrachten Sie einen 10-Serien-, 1-Parallel- (10S1P) ternären Lithium-Akkupack. Angenommen, unter den 10 Zellen hat die Zelle mit der niedrigsten Kapazität 2000 mAh, während die anderen 9 Zellen alle eine Kapazität von 2500 mAh haben. Wenn der Pack entladen wird, entladen sich alle 10 Zellen gleichzeitig. Die Zellspannung sinkt mit abnehmender Kapazität. Wenn die Zelle mit der geringeren Kapazität von 2000 mAh vollständig entladen ist, erreicht ihre Spannung 2,8 V. In diesem Moment haben die anderen 9 Zellen (2500 mAh) noch Restkapazität, mit Spannungen über 3,0 V. Da das BMS jedoch festgestellt hat, dass die Spannung eines Zellstrangs 2,8 V erreicht hat, löst es den Tiefentladungsschutz des Packs aus und stoppt die Entladung für den gesamten Pack. Folglich ist die nutzbare Entladekapazität des gesamten Packs auf 2000 mAh begrenzt.

Die Auswirkungen der Konsistenz während des Ladens sind ähnlich wie im Entladeszenario.

Eine ternäre Lithiumzelle ist bei 4,2 V vollständig geladen. Das BMS stellt den Einzelzellen-Überladeschutz typischerweise auf 4,25 V ein. Wenn sich die Zellen laden, steigt ihre Spannung mit zunehmender Kapazität. Wenn die Zelle mit der geringeren Kapazität von 2000 mAh vollständig geladen ist und ihre Spannung 4,25 V erreicht, sind die anderen 9 Zellen noch nicht vollständig geladen (wahrscheinlich unter 4,1 V). Dennoch erkennt das BMS, dass ein Zellstrang 4,25 V überschreitet, und löst den Überladeschutz des Packs aus, wodurch das Laden für den gesamten Pack gestoppt wird. Dies führt dazu, dass der Pack nur eine Ladung von 2000 mAh akzeptiert.

So manifestiert sich der "Fasseffekt": Die Zelle mit der niedrigsten Kapazität bestimmt sowohl die Lade- als auch die Entladekapazität des gesamten Akkupacks.

Der Einfluss der Konsistenz auf die Zyklenlebensdauer und die Lade-/Entladeeigenschaften des Packs folgt ebenfalls dem "Fassprinzip". Die Gesamtleistung des Packs wird durch die einzelne Zelle mit der schlechtesten Zyklenlebensdauer und den schlechtesten Lade-/Entladeeigenschaften bestimmt.

Wie kann die Konsistenz des Akkupacks kontrolliert werden?

Die Konsistenz des Akkupacks umfasst Parameter wie Leerlaufspannung, Kapazität und Innenwiderstand. Auf einer tieferen Ebene umfasst sie auch Faktoren wie den K-Wert (Selbstentladungsrate), die Zyklenlebensdauer und die Lade-/Entladekurvenmerkmale.

Vor der PACK-Montage werden die Zellen sortiert und abgeglichen. Häufige Abgleichkriterien sind:

• Kapazitätsabweichung: Innerhalb von 1 % kontrolliert

• Spannungsdifferenz: Innerhalb von 3 mV

• Innenwiderstand (IR)-Differenz: Innerhalb von 2 mΩ

Was Faktoren wie K-Wert, Zyklenlebensdauer und Lade-/Entladeeigenschaften betrifft, muss die Konsistenz an der Zellfertigungsquelle kontrolliert werden. Dies beinhaltet:

• Verwendung identischer Materialsysteme für Zellen innerhalb derselben Produktionscharge.

• Kontrolle der Fehlerquote in der Massenproduktion.

• Standardisierung und Automatisierung des Massenproduktionsprozesses für Zellen.

Zusammenfassend:

Durch die rigorose Kontrolle der Konsistenz der Zellen innerhalb eines Lithium-Akkupacks können wir die Leistung des Packs bis zu seinem vollen Potenzial optimieren, selbst unter dem bestimmenden Einfluss des "Fassprinzips".