Batteriemanagementsystem

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Ein Batteriemanagementsystem (BMS) ist eine elektronische Schaltung, welche zur Überwachung und Regelung einer nachladbaren Batterie-, also eines Akkumulatorsystems dient. Die Notwendigkeit eines BMS ergibt sich bei der Zusammenschaltung mehrerer Akkuzellen zu einer Batterie. Das BMS soll dabei die unvermeidbaren fertigungsbedingten Streuungen verschiedener Parameter der Akkuzellen, etwa Kapazität und Leckströme, erkennen, überwachen und ausregeln.[1] Teilweise werden auch Betriebsdaten angezeigt oder für Servicezwecke gespeichert.

Akkubox eines Elektroautos Modell Hotzenblitz mit 56 Lithium-Eisenphosphat-Akkuzellen von Winston Battery, BMS-Modul für jede Einzelzelle und Busverkabelung

Verwendung[Bearbeiten]

BMS finden sich in verschiedensten Zusammenschaltungen von Akkumulatorzellen, beispielsweise Traktionsbatterien von Elektroautos, unterbrechungsfreien Stromversorgungen oder Notebooks.

Die einfachste Form ist ein Laderegler für wenige Zellen. Moderne Systeme verfügen jedoch oft über komplexe Steuerungen, die eine Vielzahl Akkumulatorzellen überwachen und Informationen über deren Zustand bereitstellen.

Eine der großen Herausforderungen ist die Überwachung des Ladezustandes, der bei vielen Akkumulatortypen nur schwierig zu bestimmen ist. Ganz neue Relevanz erfährt ein Batteriemanagementsystem im Zusammenhang mit immer günstiger werdenden elektronischen Leistungsbauteilen und dem Aufkommen von Akkumulatoren auf Lithiumbasis, bei denen auch die Einzelzellen genau überwacht werden müssen.

BMS-Einsatz bei verschiedenen Akkutypen[Bearbeiten]

Einsatz bei Bleiakkumulatoren[Bearbeiten]

Bleiakkumulatoren mit einer Zellspannung von 2 V/Zelle haben eine einfache Ladekennlinie und sind relativ robust gegen Überladung. Die nicht speicherbare Energie wird in Wärme umgesetzt. Bei gebräuchlichen Bleibatterien mit 3,6,12 Zellen (6,12,24 V) wird daher meist auf ein BMS verzichtet. Beim Einsatz als Traktionsbatterie macht sich durch das zyklische Laden/Entladen das Fehlen eines BMS im Auseinanderdriften der Zellen und Blöcke bemerkbar. Es führt zur Tiefentladung und nachfolgendem Ausfall der defekten Zellen.

Versuche zum Einsatz von Schaltungen zum Zellausgleich, z.B. das BMS, gab es mit der Entwicklung der Elektroautos ab ca. 1990. Jedoch konnten sich die Lösungen auch auf Grund der damals zu teuren Elektronik nicht durchsetzen.

Einsatz bei NiCd/NiMh-Akkumulatoren[Bearbeiten]

Diese Akkuzellen mit nur 1,2 V Zellspannung und einer nichtproportionalen Ladekennlinie benötigen spezielle Ladeverfahren (Delta Peak) mit höherem Regelaufwand und sicherer Ladeendabschaltung, um ein Überhitzen zu verhindern. Der Einsatz von BMS wird allerdings durch die geringe Zellspannung erschwert. Im Traktionsbetrieb mit 180 V wären 150 Einzelzellen zu überwachen.

Einsatz bei Lithium-Ionen-Akkus[Bearbeiten]

Akkumulatoren auf Lithiumbasis haben eine einfache, proportionale Ladekennlinie, ähnlich der Bleiakkumulatoren. Sie reagieren aber sehr empfindlich auf Über- bzw. Unterspannung und bedingen in Reihenschaltung mehrerer Zellen eine Überwachung, um vorzeitigen Ausfall oder Überhitzung bei Überladung sicher zu verhindern. Die Entwicklung der BMS wurde daher mit der Verbreitung der Lixx-Akkus forciert.

Beim Einsatz der BMS bei Lithium-Ionen-Akkus kommt neben der Temperaturkontrolle, der Diagnose und der Ladezustandsermittlung daher vor allem die Ladungs- und Entladungs-Steuerung inklusive Balancierung zum Tragen, wobei Letzterer bei ungleichen Ladungszuständen der Einzelzellen für eine Angleichung sorgt.[1]

Einsatz im Fahrzeug[Bearbeiten]

Beim Einsatz in der Fahrzeugtechnik dient ein BMS zusätzlich als Schnittstelle zwischen dem Fahrzeug und den in der Batterie verbauten elektronischen Komponenten. Über ein BMS werden dabei Funktionen gesteuert, die für die aktuellen Betriebszustände des Fahrzeugs nötig sind. So wird bei einem abgeschalteten Fahrzeug das Batteriesystem in den Schlafmodus gesetzt. Das BMS wird dabei regelmäßig nach 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 die 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 Fahrakku kontrolliert und die Schütze des Batteriesystems schließt, um den Motor in den dafür programmierten Fällen mit Strom zu versorgen. Tritt während des Betriebs ein Fehler im Batteriesystem auf, so wird dieser vom BMS verarbeitet und einer Fehlerkategorie zugeordnet – entsprechend dem Fehler wird nun eine Meldung an den Fahrer geschickt und im schlimmsten Fall wird das Batteriesystem in einen sicheren Zustand gebracht (die Schütze öffnen).

Funktionen von Batteriemanagementsystemen[Bearbeiten]

Einfaches BMS für 4-Zellen-Akkupack: Kurzschlusssicherung, Einzelzellenüberwachen gegen Über- und Unterspannung, Balancer

Als Standardfunktionen bei Batteriemanagementsystemen können gelten:[2]

  1. Zellschutz
  2. Ladekontrolle
  3. Lastmanagement
  4. Bestimmung des Ladezustandes
  5. Bestimmung der Zellgesundheit
  6. Ausbalancieren der Zellen
  7. Historie
  8. Authentifizierung und Identifizierung
  9. Kommunikation
  10. Thermomanagement

Standardisierungsfragen[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

  1. a b Simulierte Lithium-Ionen-Akkus. Eingefügt 12. Februar 2012
  2. Battery Management Systems (BMS) www.mpoweruk.com-Internetportal, Rubrik "Electropaedia", Sektion "Battery and Energy Technologies" (englisch)