Kreisstrom in parallelen Batteriesträngen: Warum er auftritt und wie die BMS-Architektur ihn verhindert | JKESS

Das fehlgeschlagene Erweiterungsszenario

Betrachten Sie ein anschauliches Beispiel für eine gewerbliche und industrielle (C&I) Erweiterung: Eine Fabrik installiert 2024 ein 128-kWh-Batteriesystem und benötigt 2026 aufgrund steigender Last 256 kWh. Der Einkauf schlägt vor, ein weiteres identisches System zu beschaffen und parallel anzuschließen. Drei Monate später stellt das Betriebsteam eine anhaltende Stromungleichverteilung sowie einen schnelleren, gemeldeten SOC-Abfall in einem Strang fest. Die Typenbezeichnungen stimmen überein, doch die Batterien weisen nicht mehr dieselbe Betriebsgeschichte auf.

Kreisstrom ist eine mögliche Erklärung – neben ungleichmäßiger Lastverteilung, Temperaturunterschieden, Übergangswiderständen, Sensorfehlern oder Zellfehlern. Neue und gealterte Stränge können unterschiedliche Kapazitäten und innere Widerstände aufweisen; daher weichen ihre interne Spannung und ihre SOC-Verläufe während des Betriebs voneinander ab, selbst wenn ihre anfänglichen SOC-Anzeigen übereinstimmen. Eine höhere Quellspannung kann dann Strom in den anderen Strang treiben. Überprüfen Sie vor der Diagnose der Ursache die vorzeichenbehafteten Zweigströme und die Zelldaten.

Unkontrollierter interner Stromfluss erzeugt ohmsche Verluste und zusätzlichen Batteriedurchsatz. Er kann thermische und zyklische Belastung erhöhen, dazu führen, dass Zellspannungsgrenzen erreicht werden, und die Batteriemanagement-System-(BMS-)Schutzfunktion auslösen; ausreichend hohe Ströme können eine Sicherung oder einen Leistungsschalter betätigen. Einige Probleme treten bereits beim Anschluss augenblicklich auf, während andere sich erst über Wochen von Betriebsdaten deutlicher zeigen. Diese Anleitung erläutert die zugrundeliegende Physik, drei technische Gegenmaßnahmen sowie die Rolle der JKESS-Master- und -Slave-Hardware in einem ingenieurmäßig ausgelegten Parallel-String-Design.

Die Physik: Warum ein Kreisstrom entsteht

Ein Kreisstrom beweist an sich nicht eine schlechte Batteriequalität. Er folgt den Gesetzen der Schaltungstechnik, wenn parallele Quellen unterschiedliche innere Spannungen aufweisen. Eine nützliche erste Abschätzung für zwei Strings bei null äußerer Last lautet:

I_circulating = ΔV / R_loop

Sobald verbunden, teilen sich die Strings eine gemeinsame Busspannung – abgesehen von den Spannungsabfällen in den Verbindungen. Der treibende Ungleichheitsfaktor liegt zwischen ihren äquivalenten Quellen, nicht zwischen zwei unterschiedlichen Spannungen am selben idealen Busknoten. Unter externer Last umfasst jeder Zweigstrom sowohl die Lastverteilung als auch die Auswirkung der Spannungsungleichheit. Diese widerstandsbezogene Abschätzung modelliert weder Verbindungsübergangserscheinungen noch Induktivität oder elektrochemische Relaxation.

2V ÷ 0.05Ω = 40A

P_loss = I² × R_loop       = 40² × 0.05 = 80W

Technische Referenz: Weng et al., Forschung zur Stromungleichverteilung bei parallelgeschalteten, unterschiedlichen Batterien , entwickeln ein Ersatzschaltkreismodell und untersuchen, wie Kapazitäts- und Widerstandsunterschiede Strom, SOC und Alterung beeinflussen. Das numerische Beispiel oben ist eine veranschaulichende Schaltkreisberechnung, kein Produkttestergebnis.

Unge schützte Parallelanordnung versus unabhängiger String-Schutz

Ein unabhängiger Zweigschutz erleichtert die Erkennung und Isolierung von Fehlern. Er muss mit einer stringbezogenen Messung und einer koordinierten Steuerreaktion kombiniert werden; Schutzvorrichtungen allein beseitigen keinen Kreisstrom.

Wenn ein String getrennt wird, können die verbleibenden Strings mehr Strom aufnehmen. Das EMS/PCS muss bei Bedarf die Leistung reduzieren oder den Betrieb stoppen, um einen kaskadierenden Abschaltvorgang zu verhindern. Unabhängiger Schutz berechtigt nicht zur Wartung unter Spannung.

Die drei technischen Gegenmaßnahmen

1. Jedem String unabhängige Leistungsschalter und Sicherungen vorsehen

   Der Zweck des Strangschutzes ist die selektive Fehlerisolierung. Geben Sie für jeden Strang einen Gleichstrom-gerechten Leistungsschalter und eine Sicherung vor, zusammen mit BMS-gesteuerten Schützen oder einem geeigneten automatischen Auslösemechanismus. Ein mäßiger Kreisstrom kann unterhalb der Überstromauslöseschwelle bleiben; daher stellt eine Sicherung keinen Ersatz für eine gesteuerte Isolierung dar.

   Auswahlkriterien: stimmen Sie die Dauerstromnennleistung, die Zeit-Strom-Kennlinien, die Gleichspannungsnennung, den verfügbaren Kurzschlussstrom, die Ausschaltleistung, den Leiterschutz und die zulässigen Betriebsspitzen ab. Bewerten Sie die Fehlerbeiträge aller angeschlossenen Stränge. Die selektive Unterbrechung und der fortgesetzte Betrieb sind auf Systemebene zu verifizieren.

   Installationsort: verwenden Sie das genehmigte einzeilige Schaltbild und die Erdungsanordnung, um zu bestimmen, welche Leiter Schutz und Trennung benötigen. Es gibt keine allgemeingültige Regel, wonach der Leistungsschalter am positiven Leiter und die Sicherung am negativen Leiter angeordnet sein müssen. Bestätigen Sie die Vorlade- und Anschlussreihenfolge für die gelieferte Ausrüstung; eine DC-Zwischenkreis-Vorladeschaltung ist nicht automatisch für den Ausgleich nicht übereinstimmender Batteriestränge ausgelegt.

2. Überwachen Sie jeden String während Lade-, Entlade- und Standby-Betrieb.

   Platzieren Sie auf jedem parallelen String einen unabhängigen bidirektionalen Strommesskanal und behalten Sie dessen Vorzeichen bei. Ein System mit nur einem Gesamtstromsensor kann den internen Stromtransfer, der durch Summierung verborgen bleibt, nicht identifizieren. Zum Beispiel ergibt sich bei Entladung mit positiver Polarität +40 A in einem String und −40 A in einem anderen String an der externen Verbindung annähernd 0 A.

   Protokollieren Sie aktuelle Werte für Zellspannungen, Strangspannung, Temperatur, SOC, Schützstatus und Betriebsmodus. Konfigurieren Sie Schwellenwerte und Zeitverzögerungen unter Berücksichtigung der Sensor-Genauigkeit, der erwarteten Lastverteilung, der Strang-Nennwerte und der genehmigten Regelstrategie. Reagieren Sie angemessen mit Alarmen, Verbindungsverbot, Leistungsbegrenzungen oder Isolation; das Setzen der externen Leistung auf null stoppt möglicherweise nicht den internen Strom.

   Bei einem Vergleich zweier Stränge mit Strömen in gleicher Richtung und oberhalb der Messschwelle ist eine beschreibende Ungleichgewichtskenngröße:

   Current imbalance (%) =100 × |I1 − I2| / max(|I1|, |I2|)

   In der Nähe des Standby-Betriebs verwenden Sie vorzeichenbehaftete Ampere und absolute Schwellenwerte. Prozentsätze werden nahe null instabil. Entgegengesetzte Stromrichtungen erfordern eine getrennte Bewertung, und Stränge mit unterschiedlicher Kapazität dürfen legitim unterschiedliche Ströme führen; vergleichen Sie jeden Zweig mit seiner erwarteten Stromzuweisung und seinen Grenzwerten.

3. Verwenden Sie eine übergeordnete Überwachungsebene, um SOC- und Spannungsunterschiede zu begrenzen

   Eine SOC-Abweichung ist ein Faktor, der zu zirkulierendem Strom beiträgt; die Spannungsreaktion hängt jedoch auch vom Widerstand, von der Temperatur, vom Zellzustand und von der jüngsten Betriebsgeschichte ab. Die String-Master und die Systemüberwachungseinheit müssen validierte Messwerte und Grenzwerte über das genehmigte CAN/RS485-Protokoll austauschen und vor dem Anschließen eines Zweigs die Kriterien für Spannungs- und SOC-Abgleich durchsetzen.

   Während des Betriebs kann die übergeordnete Steuerung Abweichungen überprüfen, die Systemleistung reduzieren, eine erneute Verbindung unterbinden oder einen ungeeigneten Zweig isolieren. Eine SOC-Abweichung von fünf Prozentpunkten kann lediglich als anschauliches Auslösekriterium für eine solche Überprüfung dienen – vorausgesetzt, sie wird für das Projekt akzeptiert; sie stellt jedoch keine universelle Verbindungs-Schwellenwert dar. Auf einem direkt parallelgeschalteten Gleichstrom-Bus kann die BMS-Software den kontinuierlichen Strom jedes Strings nicht unabhängig festlegen, sofern nicht geeignete Leistungselektronik vorhanden ist, beispielsweise eine stringindividuelle DC/DC-Stufe.

   JKESS beschreibt das Daisy-Chain-Management von 4 bis 16 Slave-Boxen pro Master. Kombinieren Sie die geeignete Modul-Management-Hardware mit einem definierten Schutz- und Erfassungskanal für jede parallele String, und bestätigen Sie die querverbindenden Überwachungsfunktionen für die ausgewählte Firmware und das Systemdesign. Das aktive Zell-Level-Balancing unterstützt die Konsistenz innerhalb der Module; es ersetzt jedoch nicht die Stromsteuerung zwischen Strings.

Architektur-Referenz: Anwendungshinweis zu parallelen Strings: Schutz- und Topologieaspekte (PDF) dieser externe technische Referenztext behandelt die unabhängige String-Überwachung, die automatische Isolierung sowie Kompromisse bei der Topologie; er stellt weder eine Funktion eines JKESS-Produkts noch eine Kompatibilitätsaussage dar.

So verwaltet die JKESS-HV-BESS-Architektur parallele Strings

Eine Master-Box, Slave-BMUs und ein System-Controller auf Systemebene übernehmen unterschiedliche Aufgaben. Die JKESS-Master-Slave-Plattform bietet Bausteine für Modulmessungen, Kommunikation und Schutz. Bei einem Parallel-String-Projekt muss zudem die Erfassung, Isolierung und Überwachungssteuerung jedes vollständigen Strings definiert werden.

Die Konfiguration ist entscheidend. Auf der Hauptproduktseite werden zwei Serienzellenbereiche veröffentlicht; dieser Leitfaden behandelt sie daher nicht als austauschbar. Die Energiespeicherkapazität ergibt sich aus den gewählten Zellen und der elektrischen Konfiguration – nicht allein aus der Anzahl der Gehäuse. Passen Sie die Kaufspezifikation exakt an die verwendete Hardware, Firmware und die genehmigte Systemzeichnung an.

Prüfliste vor Erweiterung: 8 Punkte vor dem Parallelbetrieb eines neuen Strings

1. Überprüfen Sie die elektrische Kompatibilität. Bestätigen Sie identische, genehmigte Chemie und identische Anzahl von Zellen in Serie, kompatible Spannungsfenster sowie korrekte Polarität. Messen Sie die Ruhe-OCVs der Strings und verwenden Sie die vom Hersteller genehmigte Anschlussgrenze; ≤ 2 V ist nicht generell sicher in einer Schleife mit geringem Widerstand.
2. Überprüfen Sie die Zellen und deren Zustand. Vergleichen Sie Modell, Chargenunterlagen, Kapazität, Innenwiderstand, Alter, Zustand der Gesundheit (State of Health) sowie Spannungsstreuung der Zellen. Eine übereinstimmende Produktkennzeichnung oder eine initiale SOC-Anzeige belegen keine Kompatibilität.
3. Bestätigen Sie unabhängigen Zweigschutz. Überprüfen Sie für jeden String den Leistungsschalter, die Sicherung, den gesteuerten Trennpfad, die Koordination bei Kurzschlussstrom sowie die vom Hersteller genehmigte Vorlade-/Anschaltanordnung.
4. Überprüfen Sie die Strommessung. Bestätigen Sie unabhängige bidirektionale Strommessung für jeden String, einschließlich Sensorpolarität, Nullpunktverschiebung, Genauigkeit, Datenaufzeichnung sowie Messfähigkeit im Standby-Betrieb.
5. Überprüfen Sie die Überwachungsstrategie. Bestätigen Sie die SOC- und Spannungsannahmegrenzen, Verbindungs­erlaubnisse, Stromgrenzen, Reaktionen bei Kommunikationsverlust sowie Leistungsreduktion nach Trennung einer Stringverbindung.
6. Überprüfen Sie die thermischen Bedingungen. Vergleichen Sie Zell- und Umgebungstemperaturen und prüfen Sie die Leistung der Luftzufuhr oder Flüssigkeitskühlung. Eine Temperaturdifferenz von ≤ 3 °C kann ein Projektziel darstellen, nicht jedoch eine universelle Freigabe-/Ablehnekriterium; wenden Sie die genehmigten thermischen Kriterien an.
7. Führen Sie die vorgeschriebenen Isolationsprüfungen durch. Qualifiziertes Personal muss das gerätespezifische Isolationsverfahren, die Prüfspannung und den zulässigen Isolationswiderstand verwenden. Ein Kriterium wie ≥ 1 MΩ bei 1.000 VDC gilt ausschließlich dann, wenn es ausdrücklich festgelegt ist; führen Sie keinen Hochspannungs-Isolationstest an angeschlossenen elektronischen Komponenten durch, es sei denn, das Verfahren erlaubt dies ausdrücklich.
8. Planen Sie die Inbetriebnahme und die anschließende Überwachung. Stellen Sie vor der Verbindung Alarme ein, überprüfen Sie die genehmigte Inbetriebnahme-Reihenfolge und protokollieren Sie während einer initialen Beobachtungsphase von 72 Stunden den Zweigstrom, den SOC, die Zellspannungen und die Temperaturen. Setzen Sie die Trendüberwachung danach fort.

5 häufige Fehler beim Parallelschalten von Batteriesträngen

1. 1. Direktes Parallelschalten von Strängen mit unterschiedlichem SOC

   Ein vollständig neuer Strang und ein bestehender Strang mit 80 % SOC können beim Anschließen einen erheblichen Strom austauschen. Passen Sie Spannung und SOC gemäß dem genehmigten Verfahren an und prüfen Sie sowohl die Zellgrenzwerte als auch die Packspannung. Verwenden Sie den Hauptkontaktor nicht, um eine nicht genehmigte Diskrepanz auszugleichen.

2. 2. Schutz der gesamten Gruppe nur durch einen einzigen Leistungsschalter

   Ein gemeinsamer Leistungsschalter kann keine selektive Trennung für jeden einzelnen Zweig gewährleisten. Geben Sie koordinierte, strangspezifische Leistungsschalter und Sicherungen sowie einen gesteuerten Trennmechanismus vor. Mäßige interne Ströme erreichen möglicherweise niemals die Auslöseschwelle einer Sicherung.

3. 3. Überwachung nur des gesamten Batteriestroms

   Die Gesamtspannung kann normal erscheinen, während eine String-Batterie in eine andere entlädt. Stellen Sie bidirektionale Einzel-String-Messungen bereit und prüfen Sie Richtung, absoluten Betrag sowie erwartete Lastverteilung in jedem Betriebsmodus.

4. 4. Temperaturunterschiede ignorieren

   Ungleichmäßige Kühlung verändert den Innenwiderstand, die nutzbare Kapazität und das SOC-Verhalten. Prüfen Sie gemessene Zelltemperaturen und thermische Trends – nicht nur die Raumtemperatur. Halten Sie die Installation innerhalb der zugelassenen Grenzen für Temperaturgleichmäßigkeit ein; 3 °C ist keine universell gültige Akzeptanzregel.

5. 5. Die ersten 72 Stunden der Trendauswertung überspringen

   Ein kurzer Inbetriebnahmetest kann Verhaltensweisen übersehen, die bei einem anderen SOC, einer anderen Last oder einer anderen Temperatur auftreten. Überprüfen Sie während einer initialen 72-Stunden-Beobachtungsphase vorzeichenbehaftete Zweigströme und zugehörige Alarme, anschließend fortlaufende Langzeitüberwachung. Weder der erste Anschluss noch 72 Stunden ohne Alarm beweisen eine lebenslange Kompatibilität.

Häufig gestellte Fragen