Batteriemanagementsystem
Ein Batteriemanagementsystem (BMS) oder einfach Batteriemanagement ist eine Maßnahme, meist jedoch eine elektronische Schaltung, welche zur Überwachung, Regelung und zum Schutz von Akkumulatoren dient.
Dabei handelt es sich z. B. um Ladezustandserkennung, Tiefentladeschutz, Überladeschutz oder auch um komplexe Systeme[1] mit Datenschnittstellen. In vielen mobilen Geräten umfasst das BMS auch die automatische Umschaltung der Stromversorgung je nachdem, ob ein Ladegerät oder eine begrenzt speisefähige Datenschnittstelle (USB) angeschlossen ist.
Teilweise werden auch Betriebsdaten angezeigt oder für Servicezwecke gespeichert. Das Batteriemanagement umfasst bei offenen Blei- oder NiCd-Zellen ggf. auch das manuelle Ergänzen fehlenden Wassers.[2]
BMS können insbesondere bei der Reihenschaltung mehrerer Akkuzellen zu einer Batterie und hier insbesondere bei Lithiumakkus notwendig werden.[3]
Verwendung
BMS finden sich in verschiedensten Zusammenschaltungen von Akkumulatorzellen, beispielsweise Antriebsbatterien von Elektroautos, unterbrechungsfreien Stromversorgungen, Mobiltelefonen oder Notebooks. Eine der großen Herausforderungen ist die Bestimmung des Ladezustandes, der bei vielen Akkumulatortypen nur ungenau anhand der Zellenspannung und des Innenwiderstandes zu ermitteln ist. Die Anzeige des Akkuzustandes bzw. der Rest-Betriebsdauer wurde zwar deutlich verbessert, ist jedoch dennoch oft nicht verlässlich.
Die einfachste Form eines Batteriemanagementes ist ein Laderegler. Insbesondere Systeme für größere Lithiumakkus verfügen jedoch oft über Baugruppen, die alle in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen einzeln überwachen und Informationen über deren Zustand bereitstellen.
Im Massenmarkt wurden Batteriemanagementsysteme im Zuge immer günstiger werdender elektronischer Leistungsbauteile und mit dem Aufkommen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren relevant. Bei diesen müssen Überladung und Tiefentladung der Einzelzellen vermieden werden, um Ausfälle und weitergehende Schäden bis hin zur Brandgefahr des Akkupacks zu vermeiden.
Bleiakkumulatoren
Bleiakkumulatoren lassen sich aufgrund der Ladekennlinie mit einer Spannungsbegrenzung gegen Überladung schützen. Bei Starterbatterien in Automobilen mit Verbrennungsmotor besteht das Batteriemanagement aus dem Lichtmaschinenregler, der eine konstante Spannung liefert. Offene Bleiakkus sind robuster gegen Überladung – die nicht speicherbare Energie wird in Wärme und Knallgas umgesetzt, es geht jedoch Wasser verloren. Beim Einsatz als Traktionsbatterie macht sich durch das zyklische Laden und Entladen das Fehlen eines BMS im Auseinanderdriften der Zellen und Blöcke bemerkbar. Es führt zur Tiefentladung und nachfolgendem Ausfall der defekten Zellen. Bleiakkumulatoren (insbesondere Blei-Gel-Akkus) benötigen einen Tiefentladeschutz, der verhindert, dass die Zellspannung durch die Last oder durch die Selbstentladung unter einen bestimmten, vom Hersteller angegebenen Wert sinkt.
NiCd/NiMh-Akkumulatoren
Nickel-Cadmium-Akkumulatoren und Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren mit nominal 1,2 V Zellspannung und einer nichtproportionalen Ladekennlinie benötigen spezielle Ladeverfahren (Delta Peak) mit höherem Regelaufwand und sicherer Ladeendabschaltung, um ein Überhitzen oder Gasen zu verhindern. Demgegenüber ist Tiefentladung nicht schädlich. Führerlose Transportfahrzeuge mit NiCd-Akkumulatoren werden in einem Beispiel bis auf Zellebene überwacht und protokolliert und z. B. auf eine Ladeschlussspannung von 1,55 V begrenzt, um übermäßigen Wasserverlust zu vermeiden[2]. Dadurch kann die Lebensdauer der Akkumulatoren wesentlich verlängert werden.
Lithium-Ionen-Akkumulator
Lithium-Ionen-Akkumulatoren haben kompliziertere Ladekennlinien als Bleiakkumulatoren, die Ladeschlussspannung muss sehr genau eingehalten werden, Tiefentladung führt zum Ausfall. Lithiumakkus benötigen einen Tiefentladeschutz, der verhindert, dass die Zellspannung durch die Last oder durch die Selbstentladung unter einen bestimmten, vom Hersteller angegebenen Wert sinkt.
Abhängig von den chemischen Vorgängen in den Zellen treten Nichtlinearitäten auf, unter anderem bei Lithium-Mangan-Akkumulatoren, oder die Zellspannung ist über weite Ladezustände nahezu konstant, wie etwa bei Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren. Dies erfordert sowohl bei Einzelzellen als auch bei Verschaltung mehrerer Zellen eine Überwachung, um einen vorzeitigen Ausfall oder die Überhitzung einzelner Zellen bei Überladung oder Tiefentladung sicher zu verhindern. Die Entwicklung der BMS wurde daher mit der Verbreitung von Lithium-Akkus verstärkt vorangetrieben.
Beim Einsatz von BMS bei Lithium-Ionen-Akkus kommt auf der Basis der Temperaturkontrolle, Spannungsdiagnose und der Ladezustandsermittlung eine Ladungs- und Entladungs-Steuerung inklusive Balancierung zum Einsatz, wobei letztere bei ungleichen Ladungszuständen der Einzelzellen für eine Angleichung sorgt.[3]
Einsatz im Fahrzeug
Bei Einsatz in der Fahrzeugtechnik dient ein BMS zusätzlich als Schnittstelle zwischen dem Fahrzeug und den in der Batterie verbauten elektronischen Komponenten. Das BMS steuert dabei Funktionen, die für die aktuellen Betriebszustände des Fahrzeugs nötig sind. So wird bei abgeschaltetem Fahrzeug das Batteriesystem in einen Schlafmodus versetzt. Das BMS wird dabei regelmäßig gemäß einer im BMS programmierten Software-Zykluszeit kurz gestartet. Während dieser „Wachzeit“ wird vom BMS eine Prüfung des Batteriesystems durchgeführt, um sämtliche Daten (Spannungen, Temperaturen usw.) auf mögliche Fehler zu untersuchen. Gleichzeitig steuert ein BMS Maßnahmen, um Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Akkumulators zu optimieren. Das heißt beispielsweise: durch Kühlen und gegebenenfalls Beheizen für ein geeignetes Temperaturniveau zu sorgen.
Wird das Fahrzeug gestartet, so wird ein Befehl vom Steuergerät des Fahrzeugs zum BMS geschickt, welches daraufhin den Zustand des Fahrakkus kontrolliert und die Schütze des Batteriesystems schließt, um den Motor mit Strom zu versorgen. Tritt während des Betriebs ein Fehler im Batteriesystem auf, so wird dieser vom BMS verarbeitet und einer Fehlerkategorie zugeordnet – dem Fehler entsprechend wird dieser für spätere Wartungen gespeichert oder dem Fahrer angezeigt. Im schlimmsten Fall wird das Batteriesystem in einen sicheren Zustand gebracht, indem Fahrstrom unterbrochen oder die Batterie ganz abgeschaltet wird.
Funktionen von Batteriemanagementsystemen
Als Standardfunktionen bei Batteriemanagementsystemen können gelten:[4]
- Zellenschutz
- Ladekontrolle
- Lastmanagement
- Bestimmung des Ladezustandes
- Bestimmung der „Zellgesundheit“ (Alterung, Restkapazität, Innenwiderstand etc.)
- Ausbalancieren der Zellen
- Historie
- Authentifizierung und Identifizierung
- Kommunikation
- Temperaturüberwachung und Anpassen der Ladeschlussspannung
Standardisierungsfragen
Nachdem die Lebensdauer der Zellen geringer als die des Fahrzeuges ist, und um dem Kunden eine Auswahl aus mehreren Mitbewerbern zu ermöglichen, wäre eine standardisierte Schnittstelle vom BMS zum Fahrzeug wünschenswert. Damit könnte sich bei Integration des Lademanagement in das BMS die Zellchemie unabhängig weiter entwickeln.
Einzelnachweise
- Batteriesystem und Ladestrategie beim Audi e-tron heise.de, am 20. April 2018
- http://www.flurfoerderzeuge.de/batterieueberwachungssystem-fuer-fahrerlose-transportsysteme-nicd-batterienblei-akkumulatoren.html Wolfgang Degenhard: Batterie-Management-System sorgt für mehr Wirtschaftlichkeit, abgerufen am 21. Jan. 2018
- Simulierte Lithium-Ionen-Akkus. (Memento vom 11. Oktober 2010 im Internet Archive) elektroniknet.de, am 16. Juni 2009
- Battery Management Systems (BMS) www.mpoweruk.com-Internetportal, Rubrik „Electropaedia“, Sektion „Battery and Energy Technologies“ (englisch)