Balancing bei hohem Ladestrom verhindern (Lifepo4, JKBMS, Victron)

Akku, BMS und Ladegeräte JK BMS
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Liebes Forum,

ich habe folgendes Problem beim Balancen der 16 Zellen in meinem Heimspeicher (EVE 280Ah-Zellen mit JKBMS und 3-Phasen Victron Multiplus):

Im JKBMS kann ich nur eine Zellspannungs-Startschwelle für das Balancing angeben. Diese habe ich aktuell auf 3.4V bedatet.
Der Speicher wird vom Victron-System auf 55V (=3,4375V mittlere Zellspannung) geladen (Absorbtion-Spannung).

Im Absorbtion-Zustand (Ladephase, in der mit konstanter Ziel-Spannung und fallendem Ladestrom geladen wird) wird die Zellspannung für die Aktivierung des Balancing bereits erreicht. Bei hohen Ladeströmen hat aber in diesem Zustand genau die Zelle die höchste Spannung, die den höchsten Innenwiderstand hat, und nicht die Zelle die die höchste Ladung hat. Deswegen wird in diesem Zustand aus meiner Sicht die falsche Zelle gebalanced. D.h. dieser Zelle mit dem höchsten Innenwiderstand wird fälschlicherweise durch den Balancer Ladung entnommen. Zu allem Überfluss geht das praktisch auch unbegrenzt lang so, da die Zellen sich ja noch im flachen Teil der Ladekurve befinden und die entnommene Ladung sich praktisch überhaupt nicht auf die Spannung auswirkt.

Kommt dann der Speicher wirklich an seine Ladegrenze, also in den steilen Teil der Ladekurve, dann fehlt dieser Zelle Ladung und ihre Spannung liegt auf einmal (wegen der zuvor fälschlicherweise vom Balancer entnommenen Ladung) unterhalb der anderen Zellen. Jetzt muss der Balancer (diesmal korrekterweise) eingreifen und diese Zelle wieder hoch holen.

Hier mal ein Screenshot von dem Problem:

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Gleiches Bild reingezoomt mit Achsenbeschriftung:

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Die rote Zelle wird während dem Ladevorgang fälschlicherweise runter-gebalanced und die lila-Zelle wird fäschlicherweise hoch-gebalanced. Fällt der Ladestrom weg hat die rote Zelle nach unten ab und die lila-Zelle nach oben.

Die Lila-Zelle kriegt der Balancer wieder eingefangen. Bei der roten Zelle fehlt zu viel Ladung. Sie bleibt unten bis der Entladevorgang wieder beginnt. D.h. sie kann nicht vollständig gebalanced werden und geht mit fehlender Ladung in den nächsten Entlade-/Ladezyklus rein.
Kennt jemand das Problem?
Es wäre so einfach, wenn es im BMS neben der Mindest-Zellspannung auch eine Maximal-Ladestrom-Schwelle für die Aktivierung vom Balancing geben würde. Gibt es aber leider im JKBMS nicht.

Würde mich sehr interessieren wie ihr das gelöst habt.

Ich schwanke zwischen folgenden Ansätzen:

  1. Absobtion-Spannung und Balancing-Start-Spannung rauf (55v=>56v; 3.4V=>3.5V) und Ladeleistung begrenzen. Damit könnte man eventuell im großen Teil des Ladevorgangs unterhalb der Balancing-Start-Spannung bleiben. Geht aber vermutlich auf die Lebensdauer des Speichers.
  2. dbus-serialbattery von Louis einsetzen. Hier gibt es Möglichkeiten den Ladestrom abhängig von SOC und Zellspannung im Treiber zu begrenzen. Leider steht der SOC in meinem JKBMS leider völlig im Wald, ist also wertlos (mein SOC kommt aus dem SmartShunt, der das sehr gut macht). Bei den Zellspannungen habe ich Angst wegen der Regelstabiliät. Die Zellspannung hängt ja entscheidend auch am Ladestrom. Den Ladestrom mittel Zellspannung zu regeln sehe ich kritisch.
  3. Victron ESS-Mode 2: Über den Raspi den SOC abfragen und das Lade-Strom-Limit im kritischen Bereich (90%-100% SOC) deutlich begrenzen.
Erscheint mir aber alles sehr aufwändig und ich frage mich, ob es da nicht eine einfachere Lösung gibt.

Bin um jeden Tipp dankbar!

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3 Themen.

Von Hand balancieren.

BMS anzapfung umsetzen.

Differenz hochsetzen.

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@carolus :

Vielen Dank für Deine Rückmeldung!

  • Ich habe bereits von Hand balanciert, d.h. wir haben dem BMS bei 55V Speicherspannung 40 Stunden Zeit gegeben und in dieser Zeit wurden die Zellen komplett aufeinander gezogen. Aber das wollen wir ja nicht alle 14 Tage machen.
  • BMS-Anzapfung umsetzen: Auf was würdest Du da regeln (SOC oder Zellspannungen)? Kann das JKBMS in der Kombination mit Victron überhaupt einen vernünftigen SOC liefern? So wie ich das aus verschiedenen Forenbeiträgen gelesen habe kalibiert das JKBMS den SOC offensichtlich mit dem überschreiten des OVP-Limits, also beim Deaktivieren des LAdens. Soweit soll es ja aber eigentlich gar nicht kommen.
  • Welche Differenz meinst Du? Die Zellspannungs-Differenz oberhalb der das BMS Balanced? Wäre eine Option. Müsste man deutlich hochsetzen. Bei 2kW Ladeleistung sehe ich vielleicht 0.08V Zelldifferenz. D.h. ich müsste die Ladeleistung auf 2kW begrenzen und die Balancing-Differenz-Spannungsschwelle von heute 0.005V auf 0.08V hochbedaten. Würde natürlich dann auch heißen, dass er in dem Bereich wo er eigentlich gut balanced (bei Ladestrom praktisch =0A) recht früh mit dem Balancen aufhört und deutliche unterschiede zwischen den Zellen toleriert. Aber im steilen Ast der Ladekurve wäre das eventuell zu verkraften. Das wären dann 3,4375V+ / -0.04V Die niedrigsten Zelle hätte dann vermutlich ca. 3.39V, wo der steile Ast noch nicht so richtig steil ist. Aber auf jeden Fall ein guter Vorschlag. Das muss ich mir überlegen. Danke!
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Probiere das Mal als Versuch aus. Schau dir das Verhalten wenn an.

Thema BMS anzapfung erkläre ich nach meinem Urlaub.

Schau dir Mal an, ob die hohen innenwiderstände von der Zelle kommen oder von schlechter Verbindung.

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Nach meinem Verständnis wird hier die Balancerfunktion falsch verstanden. Ich glaube, der ist nicht dazu da, die Kapazitäten der Zellen anzugleichen, sondern die primäre Aufgabe ist es zu verhindern, daß eine Zelle zuviel Spannung bekommt. Darum ist es auch richtig, daß die Zelle mit dem höchsten Innenwiderstand heruntergebalanced wird. Diese Zelle bestimmt am Ende die mögliche Kapazität des Akkupacks.

Natürlich sollten die Übergangswiderstände der Verkabelung bzw. Busbars möglichst bei allen Zellen gleich sein (zumindest ähnlich; der Balancer misst ja anscheinend nicht bei Vollstrom, sondern dieser wird zur Messung ausgesetzt->siehe Themen wie "Balancerkabel gleich lang?").

In deinem Fall @cflenker würde ich entweder die Absorptionsspannung heruntersetzen, oder die Zellspannungs-Startschwelle des Balancers hoch. Damit setzt das Balancing erst bei niedrigerem Ladestrom ein. In kleinen Schritten testen.

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Danke @Jp911 für Deine Gedanken und Deine Antwort!

Aus meiner Sicht ist es wenig sinnvoll die Unterschiede im Innenwiderstand der Zellen weg-zu-balancen. Ich stelle mir eine Batteriezelle immer als Reihenschaltung von einer idealen Spannungsquelle (die eine lastunabhängige Spannung liefert und deren Spannung nur von der Ladung abhängt) und einem ohmschen Widerstand vor (Innenwiderstand). Die Gesamtspannung ergibt sich dann aus der Summe beider Spannung. Da der Spannungsanteil, der aus dem Innenwiderstand kommt nur von der Last abhängt (und ohne Last komplett weg fällt) macht es aus meiner Sicht keinen Sinn diesen zu balancen. Der Balancer kann ja nix an der Last des Speichers ändern. Der Balancer kann nur Ladung verschieben und deswegen sinnvoll nur auf den ersten Spannungsanteil (den er idealen ladungsabhängigen und lastunabhängigen Spannungsquelle) einwirken.

Wo ich generell noch ein wenig Verständnis-Probleme habe ist die Größenordnung des Innenwiderstands. EVE gibt den für die Lifepo LF280K-Zellen mit < 0.25mOhm an. In den Messschrieben von meinen Zellen stehen auch Werte von 0.15-0.16mOhm.

Wenn ich mir die Zellspannungen bei Lastsprüngen in meinem System anschaue, so sehe ich, dass z.B. die "rote" Zelle bei einem Last-Sprung von 60A um fast 0.1V einbricht. Das würde aber bedeuten, dass der Innenwiderstand dieser Zelle 0.1V / 60A = 1,67mOhm ist (also Faktor 10 höher !!!).

Entweder wir haben schlechte Zellen, oder eine schlechte Kontakte oder die Messung beim Hersteller hat nicht viel mit diesem UseCase zu tun.
Habe mal gehört, dass die Messgeräte das anhand eines 1kHz Wechselstromanregung und deren Antwort auswerten.

Aber das ist ein anderes Thema. Vielleicht poste ich das mit einer passenden Messung mal in einem anderen Teil dieses Forums.

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Das funktioniert sehr gut. Ich mache das auch so, zwar nicht mit dem Treiber von Louis, aber meiner macht das ähnlich.

Der Ladestrom sinkt mit steigender Zellspannung kontinuierlich, nicht schlagartig. Das muss man natürlich auf seine Akkus anpassen, beginnend vor der Schwellspannung des Balancers. Wenn man die Einstellungen des Balancers sowie der Ladestromabsenkung im Einklang hat, pumpt dann der Victron genausoviel Strom in den Akku daß die Spannung der höchsten Zelle auf einem Konstanten Niveau bleibt bis der Balancer fertig ist.

Mag sicher nicht die effizienteste Lösung sein, aber regeltechnisch funktioniert das ohne irgendwelche Resonanzen.

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Hallo @chp,

Vielen Dank für Deine Antwort. Das freut mich sehr zu lesen! Ich war etwas skeptisch, weil ich bisher noch wenig drüber gelesen habe. Deine Aussage macht mir Mut und gibt mir Zuversicht, dass ich damit nicht komplett auf einem Holzweg bin. Danke!!!

Bin noch unschlüssig, wie ich es umsetze.

Aktuell habe ich mir schon die Zellspannungen über einen esp32 in den Raspi geholt. Im Raspi hätte ich auch den SOC vom SmartShunt (über MQTT). Insofern wären eigentlich alle Eingänge für eine entsprechende Regelung vorhanden. Jetzt muss ich nur noch schauen, wie ich über den ESS-Mode 2 die Victron-Anlage steuern kann und den Ladestrombegrenzen kann.

(zusätzliche Herausforderung werden die DC-gekoppelten MPPTs sein, die sich bei aktiviertem "DC-Überschuss-Einspeisung" nicht an die Ladestrom-Begrenzen halten).

Danke Dir!

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Wenn du dbus-serialbattery benutzt, wird der Ladestrom durch diesen BMS Treiber begrenzt. Du kannst auch deinen eigenen Treiber schreiben der die Werte verwendet die du über den esp32 einliest. Hier mal ein weiteres Beispiel.

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Generell solltest du erst ab 3,45V balancen und nicht schon bei 3,4V.

Bei 3,4V sind die Zellen noch nicht in der steilen Spannungskurve und die Zellen können zwischen SOC 73% und SOC 95% liegen.

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Wenn du erst ab 3,45V balanced sollte sich dein Problem von selbst erledigen.

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Das ist genauso falsch wie deine Ausgangsbetrachtung und deine Schlussfolgerungen.

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Danke @stromsparer99 für Deinen Beitrag. Vermutlich hast Du recht, dass ich die Balancing-Spannung etwas anheben muss.

Trotzdem eine kleine Anmerkung dazu:

Deine Bilder zeigen eine nahezu konstante Zellspannung über einen Ladebereich 73% bis 95%. Der Zeitbereich, den Du mit diesen Punkten absteckst ist allerdings der Absorbtions-Bereich der Victron-Anlage, d.h. in diesem Zeitbereich wird die Gesamt-Spannung des Speichers konstant gehalten und der Strom sinkt kontinuierlich. D.h. bei 73% hast Du vermutlich einen viel höheren Ladestrom als bei 95%. Entsprechend ist der Anteil des Spannungsabfalls, der aus dem Innenwiderstand kommt bei 73% deutlich höher als bei 95%. Entsprechend ist bei 95% der Anteil der idealen Zellspannung vermutlich doch etwas höher als bei 73%.

Auf der Homepage von dem Youtuber Battery Data – the Off-Grid-Garage sind die Ladekurven (bei konstantem Ladestrom) für verschiedene Batterien super dargestellt. Und ich gebe Dir recht, dass 3.4Vwohl noch nicht zum Balancen ausreichen.

Ich werde dann wohl auch meine Absorbtion-Spannung auf 55.2V anheben (aktuell 54.5V) und entsprechend die Balancing-Schwelle auf 3.45V setzen.

Danke für den Hinweis!

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Vielen Dank @chp!

Das klingt sehr interessant. Das werde ich mir mal in Ruhe anschauen.

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Da liegst du komplett falsch.

Schau mal auf die Uhrzeit und die SOC Anzeige.

Der 560Ah Akku wurde nicht mit PV Strom über den WR geladen sondern direkt vom DC BHKW mit konstannt 100A.

Erst kurz vor Ende sieht man beim SOC einen leichten knick, ab hier fällt der Strom etwas unter 100A

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Ich habe mir gerade seine EVE 280Ah Entlade/Lade Kuve angesehen, boah sind die Zellen grottig, nur 266Ah.

Gute Zellen sehen so aus (289AH):

EVE280Ah.jpg
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Hallo @stromsparer99,

Danke für Deinen Hinweis. Du hast vermutlich recht. Der SOC steigt bei Dir praktisch als Gerade (mit nur ganz wenig Krümmung) was auf einen relativ konstanten Ladestrom hinweist. Auch der Spannungsanstieg am Ende der Ladung zeigt, dass Du offensichtlich davor noch nicht im Zustand Absorbtion, sondern wirklich noch in Bulk warst. Schon krass wie konstant da die Zellspannungen über den doch nicht kleinen Bereich von 73-95% SOC sind

Auch die von Dir gepostete Ladekurve ist ja wirklich extrem flach. Nach der Ladekurve würde ich allerdings sagen, dass man bei 3.4V schon prima balancen kann. Bei 3.4V ist man demnach ja schon mitten im steilen Ast.
Vermutlich werde ich nicht drum rum kommen und einfach mal selbst eine LAdekurve von meinem Speicher aufzeichnen müssen.

Danke und viele Grüße!

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Das ist eine Entladekurve

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Faktor 10 ist zuviel. (additiv die Busbars) .

Ich komme auf Faktor 2: die letzten beiden Sätze hier:

meine Meßmethode:

https://www.akkudoktor.net/forum/anleitungen-tutorials/batteriepolpaste-polbehandlung-noalox/paged/10/#post-147395

Bezogen auf je 10 A Ladestrom Erhöhung bedeutet dieser tatsächliche Ri von etwa 8 mohm (Gesamtakku) :

Der 16er Akku erhöht seine Gesamtspannung bei gleichem SOC (!) um jeweils 80mv - auf die dann u.U. schon der Balancer reagiert.

(140A =1120mV !)

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Danke @regulus für die Links auf die aufschlussreichen Posts! Dann scheine ich da ja wirklich zu hoch zu liegen in meinen Widerständen. Habe mir gerade nochmal einen Lastsprung beim Entladen angeschaut von 5A => 40A und sehe dabei einen Spannungseinbruch von ca. 0.8V über den gesamten Speicher. Das wären 0.8V/35A=23mOhm und damit deutlich oberhalb von dem was Du bei Deinem Speicher gemessen hast. Deine Messung mit 90A ist sicherlich noch besser. Aber ich liege ja noch immer um den Faktor 3 über Deinem Gesamtwiderstand von 8mOhm. Das gibt mir schon zu denken. Vielleicht baue ich die Busbars nochmal runter. Ich habe das damals sicherlich nicht mit der Sorgfalt gemacht wie Du, aber dass das wirklich soviel Einfluss hat kann ich mir auch kaum vorstellen.

Achso: Meine Messungen beruhen auf den Werten vom JKBMS und vom Victron Smartshunt. Kann natürlich sein, dass ich den Spannungsabfall über das BMS da mit drinnen habe. Aber wenn das BMS 15mOhm hätte, dann würden alleine bei 40A schon 40x40x0,015=24 Watt am BMS anfallen. Kann ich mir nicht vorstellen, so warm wird es nicht. Ich werde mal mit einem Multimeter nachmessen.

Vielen Dank!

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Bezogen auf je 10 A Ladestrom Erhöhung bedeutet dieser tatsächliche Ri von etwa 8 mohm (Gesamtakku) :

Der 16er Akku erhöht seine Gesamtspannung bei gleichem SOC (!) um jeweils 80mv - auf die dann u.U. schon der Balancer reagiert.

(140A =1120mV !)

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Ja, das ist genau mein Problem. Bei mir nur verschärft, da ich offensichtlich ehr 23mOhm statt 8mOhm habe. Deswegen wegen bin ich z.B. bei 70% SOC und einer Ladeleistung von 2kW bereits in einem Spannungsbereich, bei dem der Balancer anfängt zu werkeln und natürlich das Balancing damit nur schlimmer, aber nicht besser macht.