Ausgleichen von Heterogenitäten – oder warum ein LFP-Bus manchmal anhält [The Battery Cycle #5 | 2026 RELEASE]

Vor fünf Jahren haben wir mit Erkenntnissen von Claudius Jehle, CEO von volytica diagnostics GmbH, die Artikelreihe „The Battery Cycle“ gestartet, um Licht auf die Komplexitäten von Li-Ion-Batterien zu werfen.

Die Reihe lieferte eine Fülle wertvoller Erkenntnisse für alle, die sich mit der elektrischen Mobilität beschäftigen.

Nun, fünf Jahre später, kehren wir zu denselben Themen zurück – wieder in Zusammenarbeit mit Claudius Jehle – und bereichern sie mit Daten aus der Praxis sowie gelernten Erkenntnissen.

Die vollständig aktualisierte Artikelreihe wird außerdem in einer monografischen Sonderausgabe, die den Ausgaben von Sustainable Bus (sowie den Schwestermagazinen Sustainable Truck & Van und Powertrain International) im gesamten Jahr 2026 beiliegt, veröffentlicht.

Ihre Fragen, Rückmeldungen und Beiträge sind uns unter info@sustainable-bus.com willkommen.

Bildnachweis: Forsee Power

Eine Batterie besteht nicht aus nur einer Zelle, obwohl wir im Alltaggespräch sie gerne auf diese reduzieren möchten. Idealerweise sollte sie sich so verhalten, doch wie immer sind die Realitäten komplizierter.

In einem Batteriesystem sind Dutzende oder typischerweise Hunderte von Einzelzellen in Reihe miteinander verbunden (d.h. der Pluspol einer Zelle ist mit dem Minuspol der nächsten verbunden usw.), wodurch eine Kette entsteht. Jede zusätzliche Zelle erhöht die Gesamtsystemspannung. Da „Leistung“ gleich „Spannung mal Strom“ ist, verringert das Verdoppeln der Spannung (durch Anschluss von Zellen in Reihe) den erforderlichen Strom auf die Hälfte. Da der Durchmesser von Kabeln hauptsächlich durch den maximalen Strom bestimmt wird, hilft das Erhöhen der Systemspannung durch Anschluss von Zellen in Reihe im Grunde dabei, die Kabelgröße, das Gewicht und die Kosten zu verringern. So einfach ist das*. Wenn wir mehr Kapazität benötigen, fügen wir ganze Ketten parallel hinzu.

Durch diesen einfachen Trick entstehen jedoch neue Probleme: Ungleichgewicht, Inhomogenität, unzugängliche Energie sowie die Notwendigkeit zur Ausgleichung.

Inhomogenität: Ein Gedankenexperiment

Falls wir uns von einem System entfernen, in dem alle Zellen gleich sind, stoßen wir auf ernsthafte Probleme, die wir hier erläutern werden. Wie üblich beginnen wir mit einfachen Analogien, die (fast) perfekt für alltägliche Gespräche geeignet sind. Betrachten wir ein System aus einer einzigen Schnur (das funktioniert genauso gut mit Mehrfach-Schnursystemen) und stellen wir es – Achtung: Metapher – als eine Kaskade der bereits vorgestellten Gläser vor, die miteinander in Verbindung stehen.

Sind Sie damit einverstanden, dass, solange es keine Lecks gibt, die Menge an Flüssigkeit, die von oben zugeführt wird, vollständig unverändert durch jede einzelne Zelle fließt?

Falls nun alle genau die gleiche Kapazität haben (SoH, in späteren Artikeln) und alle bei derselben Ladehöhe (Spannung) beginnen, dann haben sie alle denselben Ausgangsinhalt (SoC). Wenn Strom durch die Kaskade fließt, wird jede Zelle in diesem perfekten Beispiel genau mit derselben Menge an Flüssigkeit gefüllt/entleert. Wenn man sie weiter entlädt, nähern sich alle gleichzeitig einem SoC von 0 %. Umgekehrt werden sie, wenn man sie weiter auflädt, alle zur gleichen Zeit zu 100 % voll sein.

Die Batterie erscheint plötzlich leer. Die Folge ist ein Notabschaltung des Systems, die wir manchmal als plötzliches Entladungsereignis (SDE) bezeichnen – ein Fahrzeug, das bis vor wenigen Minuten noch einen erheblichen und problemlosen SoC-Anteil zeigte, stoppt plötzlich und der SoC-Anteil fällt auf 0 %. Übrigens: Wenn Sie alle bisherigen Artikel verfolgt haben, sollten Sie eine Vorstellung davon haben, warum insbesondere LFP-Batterien anfällig für dieses Phänomen sind.

Ausgleich ist entscheidend!

Was macht das Ausgleichssystem derzeit? Auf sehr einfache Weise ausgedrückt: Der Ausgleichsschaltkreis im Batteriemanagementsystem muss sicherstellen, dass alle Zellen stets denselben SoC (Ladestand) aufweisen, damit der schwächste Gliedteil nicht die Gesamtleistung auf die beschriebene Weise einschränkt. Der einfachste, aber auch häufigste Ansatz wird oft als passiver Ausgleich bezeichnet und erscheint verschwenderisch – eine Master-Logik bestimmt den SoC der „schlechten“ Zelle(n) und entlädt alle anderen Zellen****. Ja, im oben genannten Beispiel würde ein passives Ausgleichssystem etwa 5 % Energie aus allen 99 guten Zellen abziehen, sie quasi „auslaugen“*****. Diese Energie geht verloren.

Es gibt auch aktive Ausgleichssysteme, die weitaus komplexer sind und aufgrund ihrer Komplexität selbst anfällig für Ausfälle sowie kostspieliger in der Anwendung sind. Das Ergebnis ist, dass alle 100 Zellen letztendlich denselben SoC erreichen würden, doch durch das aktive Umleiten von überschüssiger Ladung von den 99 anderen Zellen, um die schwächere zu unterstützen, geht im Prozess keine Ladung verloren.

Wann findet der Ausgleich statt?

In großen und sehr stark genutzten stationären Systemen gewinnt der aktive Ausgleich allmählich an Bedeutung. Die Einfachheit und Zuverlässigkeit passiver Systeme machen sie jedoch weiterhin zur bevorzugten Lösung in nahezu allen Anwendungen, einschließlich Bussen und Lastwagen. Um es einfach zu halten, gilt Folgendes nur für passive Systeme.

Wie bereits erwähnt, muss ein Ausgleichssystem zunächst den SoC jeder Zelle bestimmen. Wie Sie im vorherigen Artikel erfahren haben, ist dies insbesondere für Elektronik in dynamischen oder „schwankenden“ Situationen – also während des Betriebs oder Ladevorgangs – sowie für Batterietypen mit flachen OCV-Kurven wie LFP besonders schwierig. Daher benötigt das Ausgleichssystem lange, „ruhige“ Leerlaufzeiten ohne Stromfluss und ist umso zufriedener, wenn der SoC sehr hoch ist, da die „Glasform“ der meisten Batterietypen eine genaue Umrechnung von Spannung in SoC ermöglicht, wenn die Batterie fast voll (oder leer) ist. Je länger der Leerlauf, desto mehr Ungleichgewichte können durch Leckströme beseitigt werden.

Praktische Tipps: 1) Planen Sie das passive Ausgleichen ein. Nach dem Aufladen auf 100 % sollten Sie den vom Hersteller empfohlenen Ruhezustand einhalten, damit das BMS die Zellen effektiv ausgleichen kann. 2) Fordern Sie detaillierte Diagnosedaten der Batterie an. Fragen Sie nach dem SoC-Unterschied, den Zellspannungen sowie Abweichungsmetriken – idealerweise auf Zelleniveau oder zumindest pro Modul oder Reihe. 3) Gehen Sie diese Anforderungen in Ausschreibungen ein. Legen Sie eine definierte Ausgleichsstrategie, einen maximal zulässigen Zellunterschied sowie langfristigen Zugang zu den Rohdaten der Batterie fest.

Nun verstehen Sie, warum Hersteller einen verlängerten Ruhezustand direkt nach dem Aufladen auf 100 % empfehlen? Genau: Ein Ruhezustand bei hohem SoC erleichtert das Ausgleichen – je länger, desto besser.

Wir haben die Frage nicht beantwortet, warum sich überhaupt nicht alle Zellen gleich verhalten. Wir haben das Beispiel angeführt, bei dem eine Zelle etwas weniger geladen ist als die anderen (d.h. SoC). In Wirklichkeit ist die Situation sehr komplex und von vielen Wechselwirkungen geprägt. Um einen besonders wichtigen – und selbstverständlich greifenden – Grund hervorzuheben: Aufgrund von Fertigungsfehlern, ungleichmäßigen Kühl- oder Heizströmen, Schweißproblemen, Defekten in der Elektronik usw. verschlechtern sich einige Zellen etwas schneller als andere – tatsächlich nur geringfügig – was zu Unterschieden in der Kapazität (SoH) führt. Wenn die Zellen kontinuierlich aufgeladen und entladen werden, führen diese Unterschiede in der SoH dazu, dass die SoCs aller Zellen auf eine Weise auseinanderdriften, die dem ersten Beispiel ähnelt.

Zum Schlimmeren wird eine Zelle, die etwas kleiner ist als die anderen, bei derselben Kapazität einen höheren Stromfluss aufweisen (C-Rate), was den Degradierungsdruck erhöht und sie noch kleiner macht als die übrigen Zellen. Zudem weist sie wahrscheinlich einen leicht erhöhten Widerstand auf, was zu einer höheren Temperatur führt. Auch das SoC-Fenster wird beeinflusst. Eine „Vor-Lemon-Zelle“ neigt somit dazu, einen irreversiblen Abwärtstrend fortzusetzen.

Obwohl das Ausgleichssystem stets versucht, das SoC auszugleichen, kann es die irreversible Verbreiterung des SoH nicht beeinflussen. Dies kann durch ein Ausgleichssystem über mehrere Monate oder Jahre abgemildert werden, zumindest spürt der Betreiber den fortlaufenden Prozess nicht direkt. Doch zu einem bestimmten Zeitpunkt würden die Ausgleichszeiten so lange dauern, um alles vollständig auszugleichen, dass die Betriebsfähigkeit erheblich beeinträchtigt würde. Oder falls die Ausgleichszeiten zu kurz gehalten werden, steigt das Risiko für SDEs erheblich an.

Was also?

OEMs und Hersteller sind sich sehr wohl dessen bewusst, was wir oben geschrieben haben, und die Systeme sind in der Regel gut mit den richtigen Ausgleichsmaßnahmen ausgestattet. Es ist jedoch entscheidend, dass die Kunden sich des (Ungleich-)Gewichts sowie des dadurch entstehenden Risikos einer schlechten Systemleistung für jedes Asset bewusst sind und dass eine angemessene Ausgleichsstrategie sowie die Befolgung der Empfehlungen des OEM umgesetzt werden.

In Kürze

Batteriesysteme sind komplex. Sie bestehen aus Hunderten von Zellen, die so tun, als wären sie eine Einheit – andernfalls kann nicht die gesamte scheinbar verfügbare Energie gewonnen werden.

In den schlimmsten Fällen können ungleichgewichtige Systeme plötzlich bei sogenannten Plötzlichen Entleerungsvorfällen zu einem „Selbstentleeren“ führen, was zu plötzlichen, kostspieligen und potenziell gefährlichen Stillständen unterwegs führt.

Der Ausgleich erfordert Zeit und bestimmte Bedingungen. Am häufigsten findet er während langer Leerlaufphasen nach einer vollständigen Aufladung statt.

Die Ursachen für Ungleichgewicht und Heterogenität sind komplex. Ein vorliegendes Ungleichgewicht kann zu einer sich selbst verstärkenden inneren Degradation führen, die das Problem verschlimmert.

Es ist ratsam, sich an die Empfehlungen des Herstellers zu halten und selbstständig die Heterogenität (umkehrbar und nicht umkehrbar) sowie die Wirksamkeit der Ausgleichung zu überwachen.

* Viele Leser werden einwenden – die Leistungselektronik funktioniert auch bei höheren Spannungen besser! Richtig, aber hauptsächlich aus vergleichbaren Gründen, nämlich der Stromdichte.

** Beachten Sie, dass wir den Prozess derzeit als äußerst schnell ansehen, d.h. dass der Widerstand der Zellen extrem gering ist und wiederum bei jeder einzelnen Zelle gleich ist. In Wirklichkeit ist das natürlich nicht der Fall.

*** Tatsächlich beträgt er 49,95 % (1×45 % + 99×50 %), doch ein SoC wird niemals mit zwei Nachkommastellen angegeben.

**** Tatsächlich wird jede Zelle mit einem SoC-Wert über dem Schwellenwert mithilfe kleiner Heizwiderstände entladen.

****** Tatsächlich wird dieser Vorgang manchmal als „Bleeding“ bezeichnet, wobei für die Schaltungen „Bleeding-Widerstände“ verwendet werden.

Der Artikel „Ausgleich von Heterogenitäten – oder warum ein LFP-Bus manchmal aufhört zu funktionieren“ [The Battery Cycle #5 | 2026 RELEASE] erschien erstmals auf Sustainable Bus.