Standarddefinitionen für Laden/Entladen sowie SOH/SOC von Energiespeichersystemen

D-Cube Energiespeichersystem – Standarddefinitionen für Laden/Entladen sowie SOH/SOC

Anwendungsbereich: Drei typische Spezifikationen der Hoenergy D-Cube-Serie mit 261 / 418 / 5016 kWh

1 Typische Modell-Nennparameter

Hinweis: Die Nennkapazität wird nach $S(rated) = E(rated) / U(avg,cell)$ berechnet, wobei die mittlere Betriebsspannung der Zelle mit dem typischen LFP-Wert von 3,2 V angesetzt wird. Die detaillierte elektrische Konfiguration (Anzahl der Packs, Anzahl der in Serie geschalteten Zellen, Serien-Parallel-Topologie) ist dem jeweiligen technischen Datenblatt des Modells zu entnehmen.

2 Lade- und Entladezyklen von Lithium-Ionen-Zellen

Vollständige Definition: Zuerst wird die Zelle auf 2,9 V entladen, anschließend mit Konstantstrom (CC) auf 3,65 V geladen und danach wieder auf 2,9 V entladen – diese gesamte Abfolge zählt als 1 Zyklus.

Schlüsselelemente:

• Abbruchbedingung: Zellenspannung (nicht System-SOC)
• Entladeschlussspannung: 2,9 V (Untergrenze des Arbeitsspannungsfensters des D-Cube)
• Ladeschlussspannung: 3,65 V
• Ladeverfahren: Konstantstrom (CC)
• Zellen-DoD: 100 % (relativ zum Zellenspannungsbereich)

Abgrenzung zum Zellenspezifikationsdatenblatt: Das in diesem Abschnitt angegebene Spannungsfenster von 2,9 V–3,65 V ist das vom BMS des D-Cube-Systems erzwungene Arbeitsspannungsfenster; die im Zellenspezifikationsdatenblatt angegebene sichere Arbeitsspannung der Zelle liegt in der Regel bei 2,5 V–3,65 V (Herstellerspezifikation). Der breitere Spannungsbereich ist als konstruktive Reserve für Grenzwertprüfungen vorgesehen und wird im Systembetrieb nicht erreicht.

3 D-Cube Systemzyklus

Vollständige Definition: Das System wird von 100 % SOC auf 5 % SOC entladen und anschließend wieder auf 100 % SOC geladen – dies ergibt 1 Systemzyklus.

Wesentliche Elemente:

• Abbruchbedingung: System-SOC (nicht Zellspannung)
• SOC-Entladungsgrenze des Systems: 5 %
• SOC-Ladegrenze des Systems: 100 %
• Tatsächlich nutzbare Energie = 95 % × Nennenergie
• System-DoD: 95 % (bezogen auf den nutzbaren Energiebereich)

3.1 Vergleich Einzelzellen-Zyklus vs. System-Zyklus

4 SOH-Berechnung mittels Amperestunden-Integrationsverfahren

Beim Amperestunden-Integrationsverfahren wird der Lade- oder Entladestrom der Batterie über die Zeit integriert, um die ein- oder ausgeführte Ladungsmenge zu berechnen. Daraus wird die verbleibende Kapazität der Batterie (SOC) abgeleitet bzw. der Gesundheitszustand der Batterie (SOH) bewertet.

4.1 Kernformeln

Echtzeitberechnung des SOC:

$$SOC(t) = SOC(t_0) + \frac{1}{C_{rated}} \times \int_{t_0}^{t} I(\tau) \, d\tau$$

Wobei:

• I(τ) = Momentanstrom (Laden positiv, Entladen negativ)
• C(rated) = Nennkapazität der Batterie (Ah)
• SOC(t₀) = Anfangswert des SOC

SoH-Berechnung:

$$SOH(t) = \frac{\text{tatsächlich verfügbare Kapazität}(t)}{S_{rated}}$$

Die tatsächlich verfügbare Kapazität wird vom BMS durch langfristige Akkumulation der Lade- und Entlade-Ah-Werte berechnet – wenn die kumulierte entladene Ah-Zahl beispielsweise S(rated) erreicht, wird dies als eine vollständige Entladung erfasst, und in Kombination mit automatischen Kalibrierungspunkten bei voller Ladung korrigiert.

4.2 Funktionsprinzip

Ladevorgang: Der Stromsensor misst den Ladestrom in Echtzeit (positiver Wert). Das BMS akkumuliert mit einer Abtastrate im Millisekundenbereich ∫I dt, ermittelt die „bereits geladene Ah-Zahl" und leitet daraus den SOC-Anstieg ab.

Entladevorgang: Der Stromsensor misst den Entladestrom in Echtzeit (negativer Wert). Das BMS akkumuliert weiter, jedoch in entgegengesetzter Richtung, ermittelt die „bereits entladene Ah-Zahl" und leitet daraus das SOC-Sinken ab.

Beispiel: 261-kWh-Schrank (S(rated) = 81.640 Ah)

• Anfangs-SOC = 50 %, d. h. es wurden bereits 40.820 Ah geladen
• Konstante Entladung mit 314 A über 1 Stunde: Entladung von 314 Ah
• Neuer SOC = (40.820 − 314) / 81.640 = 49,62 %

6 SOC-Kalibrierverfahren

Der SOC (State of Charge, Ladezustand) wird vom BMS automatisch auf 100 % kalibriert, sobald das System vollständig geladen ist.

Funktionsprinzip:

1. Jedes Mal, wenn das System bis zur vollständigen Ladung aufgeladen wird (die Abschaltbedingung für den Ladevorgang ist erreicht), setzt das BMS den SOC automatisch auf 100 % zurück.
2. Kriterium für die Vollladung: Die Zellspannung erreicht 3,65 V und bleibt eine bestimmte Zeit lang konstant, oder der Ladestrom fällt unter den eingestellten Schwellenwert (CC-CV-Standardabschaltlogik).
3. Während des Kalibrierungsvorgangs verfolgt das BMS den SOC-Wert in Echtzeit mittels Ah-Integration.
4. Vollautomatische Ausführung, kein manueller Eingriff erforderlich.

Vergleich zwischen SOC-Kalibrierung und SoH-Kalibrierung

7 BMS-Zyklusaufzeichnung und EFC-Zählweise

Definition des Betriebsphasenzyklus (1 EFC, Equivalent Full Cycle):

1. Das System wird auf SoH × S(rated) geladen
2. Anschließend wird es auf 0,95 × SoH × S(rated) entladen

EFC-Zählregel: Jeder der oben beschriebenen Zyklen wird als 1 EFC gezählt. Die vertraglich zugesicherte Gesamtenergiekapazität wird nach folgender Formel berechnet:

$$E(total) = \text{EFC-Anzahl} \times S(rated) \times DoD$$

Datenfluss: BMS (lokale Zykluszählung) → lokales EMS (Aggregation, Speicherung) → übergeordnetes Kunden-EMS (Cloud-Anzeige, Berichte)

Werks-SAT-Zyklus vs. Betriebsphasen-Zyklus

8 Äquivalente EFC-Zyklen

EFC bedeutet, dass man sämtliche Lade- und Entladevorgänge der Batterie zusammenzählt und ermittelt, wie viele vollständig geladene Batteriekapazitäten dabei insgesamt entnommen wurden. Vergleichbar damit, die insgesamt getrunkene Wassermenge in „vollen Gläsern" zu berechnen – unabhängig davon, ob jeweils ein halbes oder ein Drittelglas getrunken wurde, erfolgt die Umrechnung stets auf ein „volles Glas".

8.1 Warum EFC benötigt wird

• In der Praxis wird eine Batterie nicht jedes Mal von 0 % auf 100 % entladen. Beim ersten Mal beträgt die Entladungstiefe vielleicht 30 %, beim nächsten Mal 50 % und beim darauffolgenden Mal 80 %.

• Zählt man nach „Zyklen": 3 Zyklen.

• Die tatsächliche Arbeitsleistung der Batterie beträgt jedoch insgesamt = 30 % + 50 % + 80 % = 160 % = 1,6 EFC.

• EFC spiegelt die tatsächliche „Belastung" der Batterie wesentlich genauer wider.

8.2 Ein Beispiel

D-Cube-261D Batterieschrank, Kapazität wird als 1 ganze Schrankeinheit berechnet:

Es ist ersichtlich, dass es sich zwar in allen Fällen um „Lade- und Entladevorgänge" handelt, der dritte Betriebsfall jedoch trotz der hohen Anzahl der Vorgänge jeweils nur sehr flache Entladungen aufweist, die für die Batterie weniger belastend sind. Daher ist die umgerechnete EFC in diesem Fall durchaus angemessen.

8.3 Wie wird die Lebensdauer berechnet

„8000 EFC oder 10 Jahre" – das bedeutet:

• Die Batterie hat das Ende ihrer Lebensdauer erreicht, sobald 8000 „volle Schrankkapazitäten" entladen wurden
• Oder sobald 10 Jahre Betriebsdauer verstrichen sind
• Es gilt, was zuerst eintritt

Wenn die Batterie täglich nur geringfügig genutzt wird (0,5 EFC pro Tag), kann sie 8000 ÷ 0,5 ÷ 365 ≈ 44 Jahre lang betrieben werden (theoretischer Wert). Wenn die Batterie täglich stark beansprucht wird (2 EFC pro Tag), hält sie nur 8000 ÷ 2 ÷ 365 ≈ 11 Jahre. Die tatsächliche Lebensdauer wird durch die realen Betriebsbedingungen bestimmt.

9 Schnellreferenz für Schlüsselparameter

10 Vergleichstabelle der zyklischen Grenzkapazität typischer Modelle (SoH = 100 % Bezugswert)