Balancer

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Dieser Artikel behandelt das Thema Balancer in der Elektrik; zu dem gleichnamigen gentechnischen Konstrukt siehe Balancer-Chromosom.
Balancer (Robbe LIPOLY EQUALIZER) für Lithium-Polymer-Zellen beim Ausbalancieren eines 3-zelligen Akkus

Der Begriff Balancer, zu deutsch ‚(Zellen-Ladungszustands-) Ausgleicher‘ oder Ausgleichsregler, bezeichnet ein elektrisches Gerät, das die gleichmäßige Spannung aller Zellen innerhalb eines Akkupacks oder einer Batterie aus Akkumulatoren gewährleistet.

Problemstellung[Bearbeiten]

unbalancierter 5-Zellen-Akku, Zelle 5 mit geringerer Kapazität; A: unbalanciert; B: Zelle 3 und 5 werden tiefentladen; C: Zelle 2 und 5 werden überladen; D: Akku wird mit Balancer aufgeladen, Balancer aktiv an Zelle 2 und 5

Batterien bestehen zur Erhöhung der Nennspannung in der Regel aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen oder Zellblöcken. Fertigungsbedingt gibt es Schwankungen in der Kapazität und im Innenwiderstand dieser Zellen. Im praktischen Einsatz von mehrzelligen, seriell verschalteten Batterien führt dieser Umstand dazu, dass die Zellen unterschiedlich ent- und geladen werden und kritische Ladezustände einnehmen können. Dabei führen die unterschiedliche Spannungslagen der einzelnen Zellen innerhalb eines seriellen Verbundes bei der Entladung zur Gefahr der Tiefentladung einzelner Zellen. In Reihe geschalteten Zellen erreichen beim gemeinsamen Laden auch nicht die gleiche Lade-Endspannung, was zu Überladungen einzelner Zellen führen kann. Besonders relevant sind Balancer bei Akkus der verschiedenen Lithium-Technologien aber auch für Blei-Säure-Akkumulatoren in Lastkraftwagen[1] sind Geräte verfügbar.

Der Ladezustand einer Batterie wird in der Regel über die Spannung an den Enden der Serienschaltung ermittelt (Gesamtspannung). Ob sich dazwischen stärkere oder schwächere Zellen befinden lässt sich auf diese Weise nicht feststellen. Bei Erreichen der Entladeschlussspannung können sich schwache Zellen bereits im Tiefenentladebereich befinden, während die stärkeren Zellen noch Energie enthalten. Beim Aufladen erreichen kapazitätsärmere Zellen und Zellen, die nicht vollständig entladen waren, früher die Ladeschlussspannung und werden überladen. Die restlichen Zellen werden hingegen nicht vollständig aufgeladen. Auch dieser Umstand lässt sich anhand der Gesamtspannung nicht erkennen. Das Auseinanderlaufen der Ladezustände innerhalb eines Akkupaketes wird als Zelldrift bezeichnet. Zellen, die über- oder tiefenentladen werden, altern schneller und verlieren ihre Kapazität, was die Gesamtbatterie schädigt und die Zelldrift noch verstärkt. Bei ungleich geladenen Zellen lässt sich auch die gesamte Summe der Kapazitäten der Einzelzellen nicht ausnutzen, da die schwächste Zelle die Gesamtkapazität bestimmt.

Bei althergebrachten Akkutypen (Pb-, NiCd-, NiMh-Akkus) wird durch gezieltes Überladen des gesamten Packs das vollständige Laden aller Zellen erreicht. Der Zellwiderstand steigt beim Erreichen des Ladeschlusses an. Die überschüssige Energie der bereits vollen Zellen wird dann in Wärme umgewandelt oder bei Bleiakkus durch Gasung abgebaut. Innerhalb gewisser Grenzen nehmen diese Akkumulatoren dabei keinen Schaden. Anders verhält es sich bei modernen Akkus auf Lithium-Basis. Hier führt Überladen sofort zu Zellschädigungen durch Zersetzung des Elektrolyten, bei einigen Typen sogar zu starker Erwärmung bis hin zu Brandgefahr. Balancerschaltungen haben die Aufgabe, alle Zellen innerhalb eines Akkupacks auf dieselbe Ladeschlusspannung zu bringen und damit eine vollständige Ladung aller Zellen zu erreichen. Auf diese Weise kann dauerhaft die gesamte Kapazität des Akkupacks genutzt und dem Zelldrift entgegengewirkt werden.

Speziell bei vielzelligen Akkusystemen kann auch weiterhin anhand der Gesamtspannung nicht erkannt werden, ob einzelne Zellen defekt sind. Einzelne Balancer gleichen kleine Schwankungen des Ladezustands der Zellen aus. Sie können die Zellspannung jedoch nur begrenzen, wenn der Ladestrom ihre Kapazität zur Strombegrenzung oder Stromableitung nicht übersteigt. Sie erfüllen daher nicht die Funktion einer Schutzschaltung der Einzelzellen gegen Über- und Unterspannung. Viele Balancer signalisieren, an welchen Zellen sie aktiv sind, und erlauben so die gezielte Kontrolle verdächtiger Zellen oder sind Teil eines umfassenderen Batteriemanagementsystems.

Arbeitsweisen[Bearbeiten]

Balancer arbeiten im Bereich des Ladeschlusses, also wenn die Zellen praktisch vollgeladen sind. Es haben sich zwei Hauptmethoden etabliert, die unterschiedlichen Zellenspannungen auszugleichen. Die am häufigsten genutzte Variante vernichtet die Ladeenergie der Zellen, welche ein höheres Spannungslevel besitzen, indem diese durch einen parallel zur Zelle geschalteten Widerstand in Wärme umgewandelt wird. Alternativ können Zellen mit niedrigerem Ladestand auch gezielt mit höherem Strom geladen werden, bis sie ebenfalls den Ladeschluss erreichen. Dabei geht weniger Energie verloren, es ist jedoch eine sehr viel komplexere Ladesteuerung notwendig, die sich über die erzielbare Energieeinsparung meist nicht rechtfertigen lässt.

Das Ausbalancieren von Zellen im Bereich des Entladeschlusses ist auch möglich, jedoch kann dann bedingt durch Schwankungen zwischen den Zellen kein gemeinsamer Ladeschluss erreicht werden. Die Gefahr der Überladung einzelner Zellen beim Aufladen droht. In der Praxis ist diese Option daher nicht von Bedeutung. Das Balancieren im teilgeladenen Zustand ist ebenfalls ohne praktische Bedeutung. Der Ladezustand lässt sich nur im Bereich des vollgeladenen oder fast leeren Zustands präzise über die Zellspannung bestimmen. Auch Zellen mit gleicher Ruhespannung können im teilgeladenen Zustand stark unterschiedliche Ladezustände aufweisen. Lediglich Geräte, die mit geringen Ausgleichsströmen die 12V-Blockspannungen bei Bleiakkumulatoren ausgleichen (PowerCheq), haben bspw. im CityEl eine gewisse Verbreitung erlangt.[2][3]

Das Laden von zusammen genutzten Akkuzellen, beispielsweise aus Taschenlampen oder Kinderspielzeug in Ladegeräten mit einzeln überwachten Ladeschächten stellt ebenfalls eine Form des Balancings dar. Auf diese Weise werden die Akkuzellen unabhängig voneinander bis zum Abschaltkriterium vollgeladen. Ladegeräte, bei denen mehrere Akkus gleichzeitig eingelegt sein müssen, berücksichtigen unterschiedliche Ladezustände nicht und tragen bei regelmäßiger Nutzung zum schnelleren Akkuverschleiß bei.

Praktische Ausführung[Bearbeiten]

Batteriemonitor mit aktiviertem Balancer an Zelle 2

Balancer werden überall dort eingesetzt, wo mehrere Lithium-Akkuzellen zu einem Akkupack verschaltet werden. Typische Beispiele sind Akkupakete für Notebook-Computer, Camcorder, Akkuwerkzeuge oder Elektrofahrzeuge. Bei den meisten Anwendungsfällen im Konsumbereich werden Balancer und Akkuzellen in einem gemeinsamen Modul zusammengefasst, das oft noch weitere Funktionen eines Batteriemanagementsystems enthält. An größeren Akkuzellen können Balancermodule direkt auf die Zellen aufgesetzt werden. Sie arbeiten unabhängig voneinander und begrenzen die Ladeschlusspannung der jeweiligen Zelle, indem sie sie oberhalb der Ladeschlusspannung gezielt über Heizwiderstände entladen.

Schutzschaltung für 4-Zellen-Akkupack mit Balancerfunktion (Bauelemente links)

Bei komplexen Systemen, beispielsweise bei Traktionsbatterien in Elektroautos, zählen die Balancer zum Batteriemanagementsystem. Die dort eingesetzten Module können teilweise auch Rückinformationen an die Ladesteuerung über den Zellzustand (z.B. Überspannung; Balancer aktiv, usw.) geben. Bei aktivem Balancer kann dann der Ladestrom reduziert werden, um die Balancermodule nicht zu überlasten, oder es können verschlissene oder defekte Zellen identifiziert werden.

Im RC-Modellbau werden dagegen Akku und Balancer getrennt voneinander verwendet, oder der Balancer ist im externen Ladegerät integriert. Während des Entladevorgangs im Modell werden die Balancer nicht benötigt. Sie können so bereits für den nächsten Ladevorgang eingesetzt werden. Die Verbindung zwischen Balancer und Akku erfolgt mit teilweise genormten Steckersystemen, mit denen jede Zelle einzeln überwacht werden kann. Daneben ist es vor allem bei der Inbetriebnahme neu zusammengestellter Akkusätze, vor allem solche großer Kapazität, möglich die Zellen manuell auszubalancieren. Dies geschieht in der Regel durch gezieltes Entladen der Zellen mit dem höchsten Spannungsniveau oder durch das Aufladen aller Zellen in Parallelschaltung bis zum Ladeschluss, bevor sie in Reihe verschaltet werden. Im Regelbetrieb übernimmt dann meist ein automatisches Blancingsystem kleinere Korrekturen.

Anschlusssysteme im Modellbau[Bearbeiten]

Da sich die Hersteller nicht auf einen einheitlichen Standard für ihre Balancer-Anschlüsse geeinigt haben, gibt es mittlerweile eine Vielzahl an Steckersystemen. Am weitesten verbreitet ist eine einreihige Buchsenleiste, welche außen Gesamtplus und Gesamtminus beinhaltet. Dazwischen befinden sich die Abgriffe jeweils zwischen den Zellen zur individuellen Messung jeder Zellspannung und Ausgleichsladung/entladung.

Steckersystem Hardware akkuseitig Hersteller
EHR (EH)
Stecker EH (4 Zellen)
  • robbe
  • Graupner
  • Simprop
  • TanicPacks (neu)
  • Hyperion
  • Emcotec
  • Carson
  • Kokam
  • Wellpower
  • Polyquest (neu)
  • Fullriver
  • Xcell
  • Model-Expert
  • Robitronic
  • LRP
  • SLS
XHP (XH)
einreihiger Stecker von XH
  • Dualsky
  • Hyperion
  • Walkera
  • Align
  • E-Flite
  • Flightmax
  • Rhino
  • Litestorm
  • Polyquest (alt)
  • Topfuel/Hacker
  • Die meisten Importe aus China
FTP (TP)
  • Flight Power
  • Thunder Power
  • Multiplex
PQ
  • Hyperion
MPX
  • Emcotec
Schulze Elektronik zweireihige Buchse
  • Schulze Elektronik

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Battery-Balancer 24V-Bordnetz http://www.power-trax.de/produkte/electrics/electrics.htm
  2. PowerDesigners: Powercharge Battery Equalizers’ Performance Comparison (PDF; 435 kB), aufgerufen 28. Juni 2013
  3. ElWeb: Powercharge Battery Optimizer, aufgerufen 28. Juni 2013