Welche Gefahren bergen inkonsistente Solar-Lithiumbatterien?

Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus ist hoch. Aus Sicherheitsgründen wird das Gesamtvolumen nicht zu groß ausgelegt. Stattdessen werden mehrere einzelne Lithium-Eisenphosphat-Zellen über leitfähige Anschlüsse in Reihe und parallel zu einer Stromversorgung geschaltet, wodurch ein Solar-Lithium-Akkumodul entsteht. Dabei besteht jedoch das Problem der Konsistenz.

Inkonsistenz vonSolar-Lithium-BatterieZu den Parametern gehören üblicherweise Kapazität, Innenwiderstand und Leerlaufspannungsinkonsistenz. Die Leistungsinkonsistenz der Batteriezelle entsteht im Produktionsprozess und verschlimmert sich im Gebrauchsprozess weiter. Im selben Batteriepack wird die Leistung innerhalb einer Zelle immer schwächer und wird schneller schwächer. Der Grad der Streuung der Parameter zwischen den Monomerzellen nimmt mit zunehmender Alterung zu und wird größer.

Weiterführende Literatur: Was ist die Konsistenz einer Solar-Lithiumbatterie?

In diesem Artikel werden inkonsistente Zellen vorgestellt, wenn sie in Reihe und zusammen verwendet werden. Es wird erläutert, welchen Schaden sie dem Lithium-Ionen-Akkupack zufügen und wie wir mit dem Problem inkonsistenter Solar-Lithium-Batterien umgehen sollten.

Welche Gefahren bergen inkonsistente Solar-Lithium-Batterien?

Verlust der Speicherkapazität des Solar-Lithium-Akkupacks

Bei der Konstruktion von Solar-Lithium-Akkupacks folgt die Gesamtkapazität dem „Fassprinzip“. Die Kapazität der schlechtesten Lithium-Eisenphosphat-Zelle bestimmt die Kapazität des gesamten Solar-Lithium-Akkupacks. Um Überladung und Tiefentladung zu vermeiden, verwendet das Batteriemanagementsystem die folgende Logik:

Beim Entladen: Wenn die niedrigste Einzelzellenspannung die Entladeschlussspannung erreicht, wird die Entladung des gesamten Akkupacks beendet.
Während des Ladevorgangs: Wenn die höchste Einzelspannung die Ladeschlussspannung berührt, wird der Ladevorgang gestoppt.

Darüber hinaus wird, wenn die Batteriezelle mit der geringeren Kapazität in Reihe mit der Batteriezelle mit der größeren Kapazität verwendet wird, die Batteriezelle mit der geringeren Kapazität immer vollständig entladen, während die Batteriezelle mit der größeren Kapazität immer einen Teil ihrer Kapazität nutzt, was dazu führt, dass im Leerlaufzustand immer ein Teil der Kapazität des gesamten Batteriesatzes verfügbar ist.

Reduzierte Lagerlebensdauer von Solar-Lithium-Akkupacks

Ebenso ist die Lebensdauer einesLithium-SolarbatterieDie kürzeste Lebensdauer hängt von der Lithium-Eisenphosphat-Zelle ab. Wahrscheinlich ist die Zelle mit der kürzesten Lebensdauer die Lithium-Eisenphosphat-Zelle mit der geringsten Kapazität. Die LiFePO4-Zelle mit geringerer Kapazität erreicht wahrscheinlich als erste das Ende ihrer Lebensdauer, da sie jedes Mal vollständig geladen und entladen wird. Wenn eine Gruppe von Lithium-Eisenphosphat-Zellen am Ende ihrer Lebensdauer verschweißt wird, erreicht auch der gesamte Solar-Lithium-Akkupack das Ende seiner Lebensdauer.

Erhöhung des Innenwiderstands von Solarbatteriepacks

Fließt der gleiche Strom durch Zellen mit unterschiedlichem Innenwiderstand, erzeugt die LiFePO4-Zelle mit höherem Innenwiderstand mehr Wärme. Dies führt zu einer hohen Solarzellentemperatur, die den Alterungsprozess beschleunigt und den Innenwiderstand weiter erhöht. Zwischen Innenwiderstand und Temperaturanstieg entsteht ein negatives Rückkopplungspaar, das den Alterungsprozess von Zellen mit hohem Innenwiderstand beschleunigt.

Die drei oben genannten Parameter sind nicht völlig unabhängig voneinander. Stark gealterte Zellen weisen einen höheren Innenwiderstand und einen stärkeren Kapazitätsabbau auf. Obwohl sich diese Parameter gegenseitig beeinflussen, hilft eine separate Erklärung ihrer jeweiligen Einflussrichtung, die Schäden durch Inkonsistenzen bei Solar-Lithiumbatterien besser zu verstehen.

Wie gehe ich mit Inkonsistenzen bei Lithium-Solarbatterien um?

Wärmemanagement

Um dem Problem der unterschiedlichen Wärmeentwicklung von Lithium-Eisenphosphat-Zellen mit inkonsistentem Innenwiderstand entgegenzuwirken, kann ein Wärmemanagementsystem integriert werden, das die Temperaturdifferenz im gesamten Batteriepack reguliert und so in einem kleinen Bereich hält. Selbst wenn die wärmeerzeugende Zelle dennoch einen hohen Temperaturanstieg aufweist, wird sie sich so nicht von den anderen Zellen absetzen, und der Alterungsgrad bleibt unverändert. Gängige Wärmemanagementsysteme sind luft- und flüssigkeitsgekühlte Systeme.

Sortierung

Der Zweck der Sortierung besteht darin, unterschiedliche Parameter und Chargen von Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen durch Auswahl zu trennen. Selbst wenn es sich um dieselbe Charge von Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen handelt, muss zusätzlich die relative Konzentration der Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen in einem Batteriepack geprüft werden. Zu den Sortiermethoden gehören statische und dynamische Sortierung.

Ausgleich

Aufgrund der Inkonsistenz von Lithium-Eisenphosphat-Zellen liegt die Klemmenspannung einiger Zellen vor der anderer Zellen und erreicht zuerst den Regelschwellenwert, was zu einer Verringerung der Kapazität des gesamten Systems führt. Die Ausgleichsfunktion des Batteriemanagementsystems BMS kann dieses Problem sehr gut lösen.

Wenn eine Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle zuerst die Ladeschlussspannung erreicht, während die Spannung der übrigen Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen zurückbleibt, startet das BMS die Ladeausgleichsfunktion oder greift auf den Widerstand zu, um einen Teil der Leistung der Hochspannungs-Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle zu entladen oder die Energie auf die Niederspannungs-Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle zu übertragen. Dadurch wird die Ladeschlussspannung aufgehoben, der Ladevorgang startet erneut und der Akkupack kann mit mehr Leistung geladen werden.