Das Ausbalancieren von LiFePO4-Batterien: Wesentlicher Praxisleitfaden

Einführung: Die Erweiterung des Batterieparks, eine große technische Herausforderung

Die Annahme von Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LiFePO4) für die Speicherung von Solarenergie erlebt in Belgien ein außergewöhnliches Wachstum. Angesichts des steigenden Energiebedarfs oder des Wunsches, den Eigenverbrauch zu optimieren, möchten viele Besitzer von Photovoltaikanlagen die Kapazität ihres bestehenden Batterieparks erhöhen. Obwohl das Hinzufügen neuer Batterien eine einfache und kostengünstige Lösung zu sein scheint, birgt dieser Vorgang erhebliche technische Risiken, die eine sorgfältige Vorbereitung erfordern.

Dieser technische Artikel erklärt, warum ein vorheriges Ausgleichen aller Batterien ein absolut nicht verhandelbarer Schritt ist und schlägt eine praktische Feldmethode vor, die jedem erfahrenen Installateur oder Benutzer zugänglich ist, um diese Operation sicher ohne teure Laborausrüstung durchzuführen.

Die grundlegende Herausforderung: Alt und Neu kombinieren

Das Integrieren einer neuen Batterie in einen Park, der bereits Nutzungscyclen angesammelt hat, bedeutet, Elemente mit grundlegend unterschiedlichen elektrochemischen und elektronischen Eigenschaften zu koppeln. Dieser Unterschied ist nicht trivial und erfordert ein tiefes Verständnis.

Die unvermeidliche Alterung von LiFePO4-Batterien

Im Laufe der Zeit und der Lade-Entlade-Zyklen altert jede Lithiumbatterie unaufhaltsam, auch wenn die LiFePO4-Technologie im Vergleich zu anderen Lithiumchemien eine hervorragende Lebensdauer bietet:

• Abnahme der tatsächlichen Kapazität : Eine Batterie mit 100Ah kann nach mehreren Jahren intensiver Nutzung nur noch 90-95Ah bieten
• Zunahme des Innenwiderstands : Die elektrochemischen Reaktionen werden weniger effizient, was mehr Wärme und Verluste erzeugt
• Änderung der Ladekurve : Die Spannungseigenschaften variieren leicht mit dem Alter
• Unterschiede zwischen den Zellen : Selbst innerhalb einer Batterie altern die einzelnen Zellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten

Die Gefahr der direkten Kopplung

Das direkte Verbinden einer neuen Batterie mit einem älteren Park erzeugt ein erhebliches elektrisches Ungleichgewicht. Zum Zeitpunkt der parallelen Verbindung, wenn die Ladezustände (State of Charge - SOC) nicht genau gleich sind, tritt ein unvermeidliches physikalisches Phänomen auf:

Ein Strom von sehr hoher Intensität wird unkontrolliert vom Pack mit der höchsten Spannung zu dem mit der niedrigsten Spannung fließen, was einen potenziell zerstörerischen elektrischen und thermischen Stress verursacht.

Dieser brutale Ausgleichsstrom kann:

• Die empfindlichsten Lithiumzellen irreparabel beschädigen
• Die Überstromschutzfunktionen des BMS auslösen
• Gefährliche lokale Erwärmung verursachen
• Die Lebensdauer des gesamten Parks drastisch reduzieren
• Das System in den schwersten Fällen vollständig funktionsunfähig machen

Die trügerische Sicherheit: Die kritischen Grenzen des passiven BMS

Das Battery Management System (BMS) ist das elektronische Gehirn des Batterieparks. Es schützt vor Überladung, Tiefentladung, Kurzschlüssen und verwaltet den Zellausgleich. Allerdings verwenden die meisten auf dem Markt erhältlichen BMS für den Massen- und Profibereich eine sogenannte "passive" Ausgleichstechnologie, deren Einschränkungen oft unbekannt oder unterschätzt sind.

Das Prinzip des passiven Ausgleichs

Der passive Ausgleich funktioniert nach einem einfachen, aber begrenzten Prinzip: Wenn eine Zelle während des Ladevorgangs eine höhere Spannung als die anderen erreicht, aktiviert das BMS einen Parallelwiderstand, der die überschüssige Energie in Form von Wärme ableitet. Diese Methode hat zwei technische Einschränkungen, die sie für den anfänglichen Ausgleich zwischen neuen und alten Batterien völlig ungeeignet machen.