Ausgleichsströme bei der Parallelschaltung von Akkus?

***** Dieses Thema hat einen eigenen Thread verdient ... und hier ist er! *****


Hallo,

ich hatte versprochen noch etwas über die Parallelschaltung von Akkus mit unterschiedlicher C-Rate nachzudenken.

Ich habe mal ein einfaches Akkumodell eines 1S mit 2Ah und 20C erstellt. Ich nähere den Akku durch einen Kondensator mit 3000F und 10mOhm Serienwiderstand an. Die zweite Zelle mit 10C wird mit 20mOhm modelliert.

Die Parallelschaltung wird für 30s mit 40A (also 10C für die Parallelschaltung) belastet. Direkt nach dem Einschalten der Last trägt die Zelle mit 10mOhm 27A und die anderen Zelle 13A des Gesamtstroms. Nach 30s liefert die stärkere Zelle 24A und die schwächere 16A. Das liegt daran, dass die stärkere Zelle mehr entladen wird und die Zellenspannung (vor dem Serienwiderstand) bereits tiefer liegt.

Nach dem Abschalten der Last gleichen sich die Spannungen wieder aus. Es ist tatsächlich so, dass die schwächere Zelle die stärkere Zelle lädt. Im konkreten Fall mit 3,3A. Der Ausgleichsvorgang ist in ca. 70s abgeschlossen.

Es gibt also tatsächlich Ausgleichsströme bei der Parallelschaltung von Akkus mit unterschiedlicher C-Rate. Bei gleicher C-Rate tritt dies nicht auf. Egal ob die Kapazität gleich oder unterschiedlich ist.

Was sagt Ihr dazu? Ist das nachvollziehbar? Gibt es Kritik an der Modellierung? Mir ist klar, dass ein Akku eigentlich komplexer ist, aber reicht das Modell für eine Abschätzung?

Stefan

Fehler im Ansatz!

Es gibt kein vorher-nachher bei Parallelschaltung! Die Spannung nzen sind IMMER gleich. Das ist die Grunddefinition.

Auswirkung ist, dass die Akkus sich unterschiedlich stark entladen (also Strom und Kapazität) umgekehrt proportional zu ihrem Innenwiderstand. Und zwar immer und sofort!

Wahrsscheinlich hast Du das Richtige gemeint...

Ausgleichströme können so garnicht entstehen. Bestenfalls bei unterschiedlicher Selbstentladung der Zellen.

Hallo Dirk,

nix Fehler im Ansatz.

In der Parallelschaltung sind die Klemmenspannung gleich, aber nicht unbedingt die Leerlaufspannung der Einzelzellen. Und natürlich gibt es ein zeitlichen vorher und nachher. Es gibt den Gleichgewichtszustand, den Lastfall und den Übergang in den neuen Gleichgewichtszustand.

Ich glaube auch, dass Du das richtige meinst. Denn die Entladung umgekehrt proportional zum Innenwiderstand muss ja zu einem Ausgleichseffekt führen.

Was sagst Du zu den Diagrammen?

Stefan

Hallo

Verzeiht meine Frage. Der Ladungsausgleich bei parallel geschaltenen Akkumulatoren ist etwas Unbekanntes?

Ok, wenn das allgemein bekannt ist, dass Akkus, die lange Zeit parallel verschalten waren im Betrieb einen Ladungsausgleich durchführen genau dann wenn sie eine unterschiedliche C-Rate aufweisen, oute ich mich als unwissend.

Da hier offensichtlich unterschiedliche Meinungen existieren, bin ich zum Glück nicht allein.

Stefan

Dix in Posting 27 hat recht.

Wäre es möglich, dass einer der Experten etwas wortreicher auf mein Modell eingeht?

Stefan

Aber immer gilt doch das gute alte Ohm-sche Gesetz. U = R x I.
Du erzwingst zu jeder Zeit eine gleiche Spannung an beiden Packs (*) . Vor der Entladung, während der Entladung und danach auch! (Wenn keine Last anliegt, dann ist die Leerlaufspannung zwangsweise ebenfalls gleich.)
Zum Zeitpunkt des Anklemmens fließt ein Ladungsausgleich (=Strom) so lange, bis die Gesamt-Spannungen der beiden Packs angeglichen sind. Danach gibt jeder Akku anteilig zu seinem Innenwiderstand seinen Strom ab.

Es kann sein, dass das verhältnis der innenwiderstände und damit auch der Ströme von der Gesamtbelastung abhängt. Also bei kleiner Last nochmals das Verhältnis der Ströme aus jedem Akku zueinander anders ist, als bei hoher Belastung. (**)

Zu Deinen Diagrammen kann ich nicht viel sagen, weil ich mich da jetzt grad nicht reinlesen will. Scheint aber erstmal zu passen.
Ich hoffe jedoch, dass Du den Spannungsabgriff nicht direkt an den beiden C gesetzt hast, sondern jeweils an den C+R.
Sonst hast Du eine physisch nicht existente Schnittstelle geschaffen. Du modellierst den Akku nur mit C und R, um dessen Eigenschaften abzubilden, dort darfst Du aber nicht dazwischen gehen.
Und wir reden hier von DC! Somit sind die beiden Akkus untereinander kein Schwingkreis. Bei AC geht das aber, dass die Ladung dazwischen munter hin und her schwingt...

EDIT:
(*) Nicht nur die gleiche Spannung, sondern sogar die SELBE! ;-)
(**) Mit Sicherheit sogar, denn die Akkus haben ein eindeutiges Temperaturverhalten.

fireball412 schrieb:

Experten

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Findest Du hier keine... ;-)
Da musst Du schon in ein E-Technik-Forum gehen.

fireball412 schrieb:

ich hatte versprochen noch etwas über die Parallelschaltung von Akkus mit unterschiedlicher C-Rate nachzudenken.

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Übrigens: das Thema hier lautet

in Reihe schalten

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.

Das ist richtig. Ich mache heute Abend ein neues Thema auf.

Ohne ganz konkreten Bezug zu meinem Modell kommen wir nicht weiter.

In Reihe schalten ist langweilig, da sehr einfach zu durchschauen.

Beim Parallelschalten verschiedener C-Raten müsste folgendes passieren:
Die Akkuspannung setzt sich zusammen aus dem chemischen Potenzial, abhängig vom Ladezustand, minus dem Spannungsabfall über den Innenwiderstand.
Diese Summe ist bei allen parallel verschalteten Akkus immer gleich.
Der Akku mit niedrigerem Spannungsabfall hat dementsprechend ein niedrigeres chemisches Potenzial, um beim gleichen Spannungswert zu landen wie der Akku, wo beides höher ist.
Es wird also der "bessere" Akku zuerst entladen. In Belastungspausen kann so ein Ausgleichsstrom vom schwächeren zum stärkeren Akku entstehen. Ansonsten wird der stärkere Akku über den Verlauf der Entladung hinweg immer mehr vom schwächeren Akku abgelöst.

Julian, Du bist mein Held.

Danke
Stefan

Nicht ganz korrekt.

Richtig ist, das man den Akku als Ersatzschaltbild von Quelle ud Innenwiderstand betrachten muß. Dabei ist der Innenwiderstand erstmal das Hauptthema in der Betrachtung. In einer Parallelschaltung teilt sich der Strom dann im Verhältnis der Innenwiderstände auf. Am Akku mit dem kleinsten Ri wird an selbigem die geringste Spannung abfallen, damit die Verlustleistung auch am geringsten sein. Da durch den Akku mit dem größeren Ri ein kleinerer Strom fließt wird der Spannungsabfall an diesem Ri geringer sein, so das unterm Strich die Spannungen in den Zellen identisch ist, da die Belastung unterschiedlich ist - und da die Lastverteilung gleich ist wird es keine Potentialunterschiede geben und somit keine Ausgleichsströme.

Der Fallstrick an dem obigen Versuch ist die Zusatzbeschaltung mit externen Widerständen, denn auch ein Kondensator hat einen Ri. Somit hat man eine Quelle mit Innenwiderstand plus Widerstandsbeschaltung. Will man Ausgleichsströme nachweisen müßte ein Amperemeter zwischen die beiden Quellen geschaltet werden, ohne externe Widerstände. Denn in dem Moment wo die Senke abgeschaltet wird ist ihr Widerstand annähernd unendlich, d.h. es fließt kein relevanter Strom über die Senke, ergo kann in dem Zustand ein Strom nur zwischen den Quellen fließen.

Anders sieht die Geschichte aus, wenn man mehrzellige PAcks miteinander parallel verschaltet. Dann können zwischen den jeweils gleichnamigen Zellen der beiden Packs ( also z.b. Z2 aus Pack1 und Z2 aus Pack2 ) Potentialunterschiede auftreten, da käme dann das vieldiskutierte Thema der Parallelschaltung der Balancer zum tragen. Allerdings wird bei einer solchen Schaltung das Ersatzschaltbild schon lustig : mehrere Quellen mit Ri in Serie, dazu das gleiche nochmnal parallel - und dann fängt man an zwischen den Zellen der Packs diese Überlegungen anzustellen. Spätestens da wird es für ca. 90% der User total unverständlich werden - unterm Strich sieht das Ergebnis auf den PAck als Quelle betrachtet aber genauso aus wie bei bei zwei parallelen Quellen mit Ri als Ersatzschaltbild.

Und die Quelle mti dem geringsten Ri wird immer stärker belastet, da der Ri die strombegrenzende Komponente in der Betrachtung ist

Hallo Crizz,

ich bin noch nicht ganz überzeugt. Bezüglich der Stromaufteilung sind wir uns einig. Ich kann nicht nachvollziehen, warum die Spannung in der Zelle (vor dem Innenwiderstand also die Leerlaufspannung) unter Last bzw. nach eingesetzter Entladung identisch sein soll.

Vielleicht mal eine andere mögliche Denkweise. Man stelle sich eine Zelle mit 4Ah und 1Ohm Innenwiderstand vor. Die zweite Zelle hat auch 4Ah aber 2Ohm. Wenn man diese parallel schaltet und dann kurzschließt liefert die erste Zelle 4A und die zweite Zelle 2A. Nach einer Stunde ist die erste Zelle leer und die zweite noch halb voll. Wenn man den Kurzschluss jetzt aufhebt wird die Ladung der halbvollen Zelle auf beide verteilt.

Ich denke der entscheidende Unterschied betrifft die Modellierung des Speichers. Man darf keine Spannungsquelle annehmen. Es muss ein Kondensator oder besser eine ladungsgesteuerte Spannungsquelle sein. Diese verhält sich aber bezüglich der aktuellen Thematik gleich.

Ich sehe überhaupt keinen Unterschied zwischen der Parallelschaltung von zwei Zellen und von zwei Packs (bestehend aus mehreren Zellen) bezüglich der Ausgleichsproblematik. Der Pack kann wie die Zelle als Speicher und Serienwiderstand modelliert werden.

Nochmal zu meiner Simulation. Sie zeigt den Ausgleichstrom eindeutig. Was könnte an der Modellierung falsch sein?

Stefan

PS: Ich hatte heute Mittag angekündigt, ein eigenes Thema aufzumachen. Ist das erforderlich? Ich bitte um kurzes Feedback vom TS oder Moderator

Wenn man diese parallel schaltet und dann kurzschließt liefert die erste Zelle 4A und die zweite Zelle 2A.

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Falsch

Falsch. Wenn du die kurzschließt fließt ein Strom der durch den RiGEs. begrenzt wird, ausgehend davon die Zellen wären stabil in der Spannung noch über 3 V würde das bedeuten das I = 3 V : 0,667 mOhm = 4500 A fließen, die Ableiter würden wohl verdampfen und die Zellen wären auf jeden Fall Schrott.

Geh das mal anders an.

Quelle 1 hat einen Ri von 1 mOhm, Quelle 2 von 2 mOhm. Der angeschlossene Verbraucher hat einen Widerstand von 1 Ohm. Dadurch würde der maximale Strom durch die Quelle entsprechend begrenzt. Gehen wir mal von stabilen 3 V aus - nur zum rechnen. Dann würde das bei Quelle 1 bedeuten das der max. mögliche Strom 3 V : 1,001 Ohm = 2,997 A betragen.

Für Quelle 2 wäre der max. mögliche Strom 3V : 1,002 Ohm = 2,994 A

Schaltest du die Quellen parallel hast du einen Ri-Gesamt von 0,67 mOhm - und somit einen max. möglichen Strom durch den Verbraucher von 2,998 A, wobei sich die Last entsprechend der Ri der Quellen aufteilt und einen Spannungsabfall am jeweiligen Ri erzeugt der entsprechend des selben ist, die Klemmenspannung der Quellen bleibt identisch, aber am Ri von Quelle 2 fällt eine höhere Spannung ab und es wird mehr Verlustleistung erzeugt.

Ich bin da leider nicht so gut drin, diese Zusammenhänge plastisch zu erklären, aber vielleicht hilft das obige, den Zusammenhang ein wenig deutlicher zu verstehen. Man darf nur eines nicht machen und in der ganzen Sache den Verbraucher als Strombegrenzendes Element vergessen, oder man muß einen fiktiven festgelegten Strom für die Berechnung annehmen, denn der wird real nicht durch den Ri limittiert sondern wie oben gezeigt durch die Ersatzwiderstände dessen, was alles an den "klemmen" der Quellen noch dranhängt : Kabel, Stecker, Regler, Motor....

Im Prinzip müsstest Du Dir nen Excel-Sheet basteln, die zu jeder Spannung die Innenwiderstände listet und damit dann die jeweiligen Ströme berechnet.
Das ganze ist dynamisch. Das kann man schlecht an statischen Beispielen erklären.

Im übrigen:
Wie groß sollen denn diese Ausgleichsströme sein?
Das ist doch nur ein kleines Spannungsgefälle.

Hallo Crizz,

ich hatte im Beispiel von #40 extra Innenwiderstände von 1 Ohm (nicht mOhm) gewählt. Es sind ja nur Beispiele. Es geht auch nicht um Strombegrenzungen. Es geht um die unterschiedliche Entladung durch die unterschiedlichen Innenwiderstände, welche sich nach der Belastung wieder ausgleicht.

Bitte erklär mit, wie die beiden Zellen über längere Zeit unterschiedlich viel Strom liefern sollen und nach bspw. 1 Minute nicht unterschiedliche Ladezustände aufweisen sollen. Was ist am Modell in #26 falsch?

@Dix: Das Beispiel aus #26 ist relativ realistisch für einen 2200mAh Akku. Der berechnete Ausgleichsstrom beträgt 3A.

Stefan

Dix schrieb:

Im Prinzip müsstest Du Dir nen Excel-Sheet basteln, die zu jeder Spannung die Innenwiderstände listet und damit dann die jeweiligen Ströme berechnet.
Das ganze ist dynamisch. Das kann man schlecht an statischen Beispielen erklären.

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Na ja, aber auch nicht so sehr dynamisch. In erster Näherung kann man da von konstanten Verhältnissen ausgehen. Somal beide Zellen dieser Entwicklung unterliegen. Es geht ja auch erst mal nur um den Effekt. Ob dieser durch das realistische Verhalten abgeschwächt oder verstärkt wird, ist zweitranging.

Stefan