Warum eine Serienschaltung von Zellen auseinanderdriftet und was Balancing tatsächlich bewirkt

Verwende die vier beschrifteten Zellen von Sprosse 6 im Vierzellenhalter. Miss zuerst jede Zelle **einzeln und außerhalb des Halters**, im Ruhezustand, auf drei Dezimalstellen genau, und notiere die vier Werte zusammen mit dem Datum. Messe dann die tatsächliche Kapazität jeder Zelle, eine nach der anderen. Lade sie auf 4,20 V, lass sie dreißig Minuten ruhen und entlade sie anschließend über den Leistungswiderstand mit einem gleichmäßigen Strom, wobei du die Zeit misst, bis sie 3,00 V erreicht. Amperestunden ergeben sich aus Strom mal Stunden. Dafür braucht es vier Sitzungen, und es ist der einzige Weg, um zu wissen, was du tatsächlich hast: Die Zahl auf der Verpackung ist ein Nennwert, keine Messung, und eine Zelle, die zwei Jahre in einer Schublade gelegen hat, wird diesen Wert nicht erreichen. Schreibe die vier Kapazitäten als Tabelle in dein Heft. Diese Tabelle ist die Eingabe für die Berechnung in Schritt 3, und du wirst sie am Ende von Schritt 5 wieder heranziehen. Sollten alle vier Werte innerhalb von ein paar Prozent voneinander liegen, erzeuge vor dem Weitermachen bewusst eine Unausgewogenheit im String: Lade drei davon vollständig und lass die vierte bei etwa 60 %. Du brauchst einen messbaren Effekt, und ein gut abgestimmter String liefert dir den an einem Nachmittag nicht. Lade jeweils nur eine Zelle am Ladegerät. Lade niemals einen Reihenstring ohne Überwachung jeder einzelnen Zelle, denn genau darum geht es in dieser Sprosse und genau deshalb gibt es Schritt 5.

Schalte den Vierzellen-Halter in Reihe und führe von jedem Zellübergang einen dünnen Abgriffdraht heraus, genau wie in Stufe 3 Schritt 5. Diese Abgriffe ermöglichen es, einzelne Zellen zu überwachen, während der Strang arbeitet. Entlade den gesamten Strang über den Leistungswiderstand mit einem gleichmäßigen Strom – ein Ampere genügt und hält den Widerstand handhabbar. Lies alle fünf Minuten **alle vier Zellspannungen nacheinander** sowie die Gesamtspannung des Strangs ab und trage sie in einer Zeile ein. Stoppe in dem Moment, in dem **irgendeine einzelne Zelle** 3,00 V erreicht. Nicht der Strang, sondern eine Zelle. Darum geht es bei der ganzen Übung: Die Gesamtspannung des Strangs wirkt weiterhin völlig gesund – vier Zellen mit durchschnittlich 3,4 V ergeben einen Strang mit 13,6 V, gegen den keine Abschaltung über die Gesamtspannung etwas einzuwenden hätte – während eine Zelle darin bereits an ihrer Untergrenze liegt und darunter gezogen wird. Sieh dir nun deine Zeilen an. Die Spannung der schwachen Zelle löst sich früh von den anderen und fällt dann steil ab; die starken Zellen befinden sich beim Stoppen noch auf ihrem Plateau. Berechne, wie viel Ladung der Strang abgegeben hat, und vergleiche sie mit der Kapazität der stärksten Zelle aus Schritt 1. Die Differenz ist Kapazität, die dir gehört, du aber nicht erreichen kannst. Eine Lithiumzelle unterhalb von etwa 2,5 V zu tiefentladen beschädigt sie dauerhaft und macht sie beim Wiederaufladen gefährlich. Die Zellen statt der Gesamtspannung zu überwachen ist keine Vorsicht, sondern die einzig richtige Methode, einen Strang zu betreiben.

Bevor du eine Platine einbaust, die dies unsichtbar erledigt, baue einen Kanal, damit du sehen kannst, was er tut. Ein passiver Balancer ist tatsächlich genau so einfach. Über einer Zelle legst du einen **100-Ω-Widerstand in Reihe mit einem Logikpegel-MOSFET**: Drain an den Pluspol der Zelle, Source an den Minuspol der Zelle. Steuere das Gate über einen Komparator an, der sich immer dann einschaltet, wenn diese Zelle die Referenz übersteigt. 4,15 V ist ein sinnvoller Schwellwert, der mit dem Potentiometer eingestellt und am Messgerät überprüft wird. Verwende einen Widerstand mit 1 W oder mehr: Schritt 3 hat 0,18 W berechnet, und ein Viertelwatt-Bauteil, das in einem geschlossenen Akku nahe seiner Nennleistung arbeitet, ist eine schlechte Idee. Teste es zuerst am Labornetzteil, ganz ohne Zelle: Fahre die Versorgungsspannung langsam durch den Schwellwert und prüfe, ob der MOSFET einschaltet und der Widerstand seine 42 mA zu ziehen beginnt. Miss den Strom, statt ihn nur anzunehmen; ein MOSFET, der nicht vollständig durchgeschaltet ist, wird zur Heizung. Setze es nun an die Zelle, die in deiner Reihe am höchsten liegt, und lade den Strang behutsam. Diese Zelle sollte aufhören zu steigen, während die anderen aufholen. Du wirst spüren, wie der Widerstand warm wird, und diese Wärme ist die Energie, die du absichtlich vernichtest: Passives Balancieren verschiebt keine Ladung von einer vollen Zelle in eine leere, es verbrennt die Differenz. Vier davon, eine pro Zelle, ergeben einen vollständigen passiven Balancer. Das ist, fast genau, was auf der Platine im nächsten Schritt aufgebaut ist.

Die grüne Platine auf dem Foto dieser Seite ist ein 4S-Batteriemanagementsystem und entspricht der handelsüblichen Version von allem in den Schritten 2 und 4. Ihre Klemmenleiste nimmt **B−, dann einen Draht pro Zellverbindung, dann B+** auf – dieselben Abgriffe wie der Packstecker in Sprosse 3. Verdrahten Sie sorgfältig und in der richtigen Reihenfolge, von B− aufwärts. Wenn eine Balancer-Leitung an die falsche Verbindung gelangt, wird ein Zelleneingang verpolt, und die Platine übersteht das nicht. Messen Sie jeden Draht mit dem Multimeter gegen B−, bevor Sie den Stecker einstecken, und prüfen Sie, ob die Spannungen Zelle für Zelle ansteigen. Führen Sie diese Prüfung jedes Mal durch. Was die Platine in drei Aufgaben leistet: - **Überladeschutz** – sie trennt, wenn eine Zelle etwa 4,25 V überschreitet. - **Tiefentladeschutz** – sie trennt, wenn eine Zelle unter etwa 2,5 V fällt. Dies ist der Schutz, den Sie in Schritt 2 mit dem Multimeter von Hand übernommen haben. - **Balancing** – die kleinen Widerstände an einer Kante, die das tun, was Sie in Schritt 4 aufgebaut haben. Laden Sie den Strang mit eingebauter Platine und beobachten Sie, wie sich die vier Zellspannungen über mehrere Stunden angleichen. Halten Sie das Infrarot-Thermometer während des Vorgangs auf die Balancer-Widerstände; sie werden die wärmsten Teile der Platine sein, und das ist korrekt. Wiederholen Sie dann die Entladung aus Schritt 2 und vergleichen Sie die abgegebenen Amperestunden mit dem ersten Durchlauf. Dieser Unterschied ist die Antwort auf die Frage dieser Sprosse, gemessen an Ihrem eigenen Labortisch. Ein BMS schützt Zellen. Es kann sie nicht reparieren: Eine Zelle, deren Kapazität tatsächlich stark eingebrochen ist, begrenzt weiterhin den Akku, und kein Balancing ändert daran etwas. Das Ersetzen einer Zelle in einem alten Akku durch eine neue verschlimmert die Ungleichheit, anstatt sie zu verbessern.

**Zuordnung, ehrlich dargelegt.** Es gibt kein einzelnes Patent für Zellenbalancierung, und keines wird hier beansprucht. Das Problem ist Arithmetik – identischer Strom, unterschiedliche Kapazität – und es wurde erkannt, sobald jemand Zellen in Reihe schaltete, also bereits 1800 mit Volta's Säule. Was sich bei Lithium-Ionen geändert hat, ist die *Folge*: Eine Nickelzelle, die überladen wird, gast aus und wird heiß, während eine Lithiumzelle, die überladen wird, das tun kann, was Sprosse 9 beschreibt. Balancierung hörte auf, eine Effizienzmaßnahme zu sein, und wurde zu einer Sicherheitsanforderung. Deshalb bekam der Packverbinder Zellabgriffe, und deshalb besitzt heute jeder verkaufte Lithium-Akku eine Schutzplatine im Inneren, während ein Nickel-Cadmium-Akku derselben Epoche nur Zellen und einen Thermistor hatte. **Passiv gegen aktiv.** Alles hier Beschriebene ist *passive* Balancierung: Die hohen Zellen werden abgebaut und die Differenz verschwendet. *Aktive* Balancer verschieben Ladung von der hohen zur niedrigen Zelle über eine Induktivität oder einen Transformator, sodass nichts verloren geht, und sie sind entsprechend teurer und komplexer. Für einen Vier-Zellen-Werkzeugakku ist die passive Variante richtig; bei einem Autoakku mit hundert Zellen in Reihe ist sie es nicht mehr, weil die verschwendete Energie mit der Reihenschaltung wächst. **Ehrliche Grenzen.** Passive Balancierung ist langsam, wie Schritt 3 gezeigt hat: 300 mAh Ungleichgewicht benötigen sieben Stunden Abbau. Sie funktioniert nur am oberen Ende der Ladung, wo die Spannungskurve steil genug ist, um die Zellen zu unterscheiden – auf dem flachen Plateau von Sprosse 4 könnte ein Unterschied von 50 mV nahezu jeder Unterschied im Ladezustand sein. Und sie kann keine Fehlanpassung beheben, die schneller wächst, als sie abgebaut werden kann, was ein alternder Akku irgendwann wird.