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Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist eine Technologie zur Überwachung eines Batteriesatzes, d. h. einer Anordnung von Batteriezellen, die elektrisch in einer Zeilen- und Spalten-Matrixkonfiguration organisiert sind, um die Bereitstellung des angestrebten Spannungs- und Strombereichs für eine bestimmte Zeitspanne bei erwarteten Lastszenarien zu ermöglichen.

Was ist ein Batteriemanagementsystem?

BMS ist eine Technologie, die entwickelt wurde, um den Ladezustand (SOC) und den Gesundheitszustand (SOH) der Batterie vorherzusehen. Der SOC ist die verfügbare Energie, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in Arbeit umgewandelt werden kann. Der SOH ist ein Faktor, der den Lebenszyklus und die Haltbarkeit der Batterie angibt.

Wenn eine hohe Spannung erforderlich ist, können wir uns nicht auf eine einzelne Zelle verlassen, um sie zu erzeugen. Nur eine Reihen- oder Parallelschaltung von Zellen kann die Anforderungen erfüllen. Viele zusammengeschaltete Zellen bilden ein Modul, und mehrere Module und ein Batteriemanagementsystem bilden ein Batteriepaket. Ein Tesla Model S Plaid zum Beispiel besteht aus 7.920 Lithium-Ionen-Zellen, die in fünf Modulen angeordnet sind, und hat eine Kapazität von 99 kWh.

1. Zustand der Aufladung (SOC)

Ein effektives BMS-System überwacht den Lade- und Entladestatus der einzelnen Batterien und verteilt den Strom entsprechend. Es stellt sicher, dass keine Zelle überladen oder unter ihren unteren Grenzwert entladen wird und sorgt dafür, dass sie innerhalb des sicheren Betriebsbereichs (SOA) funktioniert. Es stellt sicher, dass die Spannungsgrenze nie überschritten wird.

Das BMS führt einige wichtige Berechnungen durch, um die Lade- und Entladestromgrenzen der Zelle zu ermitteln. Es berechnet die Betriebszeit, die im vorherigen Zyklus entnommene Energie und die Gesamtzahl der Lade- und Entladezyklen. Mit Hilfe dieser Berechnungen sagt es den SOC voraus, der wie eine Kraftstoffanzeige für Elektrofahrzeuge ist.

2. Gesundheitszustand (SOH)

Alle wiederaufladbaren Batterien können nur eine begrenzte Anzahl von Lade- und Entladezyklen durchlaufen, die sogenannte Zyklusdauer. Die Zyklusdauer kann optimiert werden, indem der Ladezustand des Akkus während des Ladens und Entladens effektiv überwacht wird. Unter den richtigen Bedingungen und bei entsprechender Wartung kann ein Akku sehr lange halten.

3. Wärmemanagement

Das Wärmemanagement ist die wichtigste Funktion, die das Batteriemanagementsystem erfüllt. Es überprüft stets die Temperatur und kühlt die Batterie bei Bedarf. Die Kühlung von Batterien ist nicht nur wichtig, um ein thermisches Durchgehen zu vermeiden, sondern auch, um die Effizienz zu optimieren. Wärmemanagementsysteme werden unter Berücksichtigung der Batteriegröße, des Spitzenspannungswerts, der Kosten und des geografischen Standorts entwickelt. Jede Batterie hat eine bestimmte Betriebstemperatur, bei der sie mit maximaler Effizienz arbeiten kann. Ein Anstieg der Batterietemperatur kann den Wirkungsgrad um bis zu 50% verringern.

Ein Batteriesatz kann mit Luft oder Flüssigkeit gekühlt werden, um den zulässigen Temperaturbereich einzuhalten. Der Wirkungsgrad von Luftkühlmitteln ist relativ geringer als der von flüssigen Kühlmitteln. Luftkühlsysteme sind oft passiv und benötigen zusätzliche Komponenten wie einen Luftfilter und einen Lüfter, was das Gewicht des Systems erhöht. Flüssige Kühlmittel haben ein höheres Kühlpotenzial, und die Batterien werden in die Flüssigkeit getaucht.

Das Batteriemanagementsystem steuert all diese Parameter durch effektive Überwachung. Es sammelt alle Daten in Bezug auf die Batterietemperatur, den Stromfluss in und aus der Zelle, den Kühlmittelfluss, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und den Leistungszustand. Sobald sich die Batterie erwärmt, signalisiert sie dem Pumpenaggregat, mehr Kühlmittel zu fördern. Ebenso sendet es bei erhöhtem Spannungsbedarf die Aufforderung, die Stromgrenzen zu senken. So trägt das Batteriemanagementsystem dazu bei, die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie zu gewährleisten.

Was ist die Funktion eines Batteriemanagementsystems?

Die Hauptfunktion des BMS besteht darin, die Batteriezellen vor Schäden zu schützen, die durch Überladung oder Überentladung verursacht werden. Darüber hinaus berechnet das BMS die verbleibende Ladung, überwacht die Temperatur der Batterie und kontrolliert den Zustand und die Sicherheit der Batterie, indem es auf lose Verbindungen und interne Kurzschlüsse prüft. Das BMS gleicht auch die Ladung zwischen den Zellen aus, damit jede Zelle mit maximaler Kapazität arbeitet.

Wenn es unsichere Bedingungen erkennt, schaltet das BMS die Batterie ab, um die Lithium-Ionen-Zellen und den Benutzer zu schützen.

Warum werden Batteriemanagementsysteme (BMS) benötigt und wie funktionieren sie?

Batteriemanagementsysteme (BMS) sind elektronische Steuerschaltungen, die das Laden und Entladen von Batterien überwachen und regeln. Zu den zu überwachenden Batterieeigenschaften gehören die Erkennung des Batterietyps, der Spannungen, der Temperatur, der Kapazität, des Ladezustands, des Stromverbrauchs, der verbleibenden Betriebszeit, der Ladezyklen und einiger weiterer Merkmale.

Warum ein BMS wichtig ist

Batteriemanagementsysteme sind von entscheidender Bedeutung für den Schutz des Zustands und der Langlebigkeit der Batterie, aber noch wichtiger ist der Aspekt der Sicherheit. Der flüssige Elektrolyt in Lithium-Ionen-Batterien ist leicht entflammbar.

Diese Batterien müssen also jederzeit optimal und innerhalb der Sicherheitsgrenzen funktionieren, um einen Brand zu verhindern.

Schutzmöglichkeiten durch ein Batteriemanagementsystem

Schauen wir uns die Schutzfunktionen eines Batteriemanagementsystems an:

Unter- und Überspannung

Schäden entstehen, wenn Sie eine Lithium-Ionen-Batteriezelle überladen (zu hohe Zellenspannung) oder überentladen (zu niedrige Zellenspannung). Das BMS schützt vor Unter- und Überspannungen, damit die Zellen der Batterie nicht beschädigt werden.

Temperatur-Extreme

Die Sicherheit und Stabilität von Lithium-Ionen-Batteriezellen hängt davon ab, dass die Temperatur innerhalb bestimmter Grenzen gehalten wird. Überschreitet die Temperatur an einem Ende den kritischen Wert, kann es zu einem thermischen Durchgehen kommen. Dies kann zu einem unauslöschlichen Brand führen.

Das BMS überwacht die Temperatur und steuert manchmal (im Falle eines Elektrofahrzeugs) die Kühlgebläse, um die richtigen Bedingungen aufrechtzuerhalten. Bei Bedarf schaltet es sogar Zellen ab, um die Batterie zu schützen.

Schutz vor kurzen Hosen

Interne und externe Kurzschlüsse können auch zu einem thermischen Durchgehen führen. Aus diesem Grund ist der Schutz vor Kurzschlüssen eine weitere wichtige Komponente eines Batteriemanagementsystems.

Arten von Batteriemanagementsystemen

Batteriemanagementsysteme reichen von einfach bis komplex und können eine breite Palette verschiedener Technologien umfassen, um ihre Hauptaufgabe zu erfüllen: "sich um die Batterie zu kümmern". Diese Systeme können jedoch nach ihrer Topologie kategorisiert werden, d. h. danach, wie sie installiert sind und mit den Zellen oder Modulen des Batteriesatzes arbeiten.

Zentralisierte BMS-Architektur

Verfügt über ein zentrales BMS in der Batteriebaugruppe. Alle Batteriepakete sind direkt an das zentrale BMS angeschlossen. Der Aufbau eines zentralen BMS ist in Abbildung 6 dargestellt. Das zentrale BMS hat einige Vorteile. Es ist kompakter und tendenziell am wirtschaftlichsten, da es nur ein BMS gibt. Allerdings hat ein zentrales BMS auch Nachteile. Da alle Batterien direkt an das BMS angeschlossen sind, benötigt das BMS viele Anschlüsse für die Verbindung mit allen Batteriepaketen. Dies führt bei großen Batteriepaketen zu einer Vielzahl von Drähten, Kabeln, Steckern usw., was sowohl die Fehlersuche als auch die Wartung erschwert.

Modulare BMS-Topologie

Ähnlich wie bei einer zentralen Implementierung ist das BMS in mehrere duplizierte Module unterteilt, von denen jedes über ein eigenes Kabelbündel und Verbindungen zu einem benachbarten zugewiesenen Teil eines Batteriestapels verfügt. Siehe Abbildung 7. In einigen Fällen können diese BMS-Submodule unter einer primären BMS-Modulaufsicht angesiedelt sein, deren Aufgabe es ist, den Status der Submodule zu überwachen und mit peripheren Geräten zu kommunizieren. Dank der doppelten Modularität sind Fehlersuche und Wartung einfacher, und die Erweiterung auf größere Batteriepakete ist unkompliziert. Der Nachteil ist, dass die Gesamtkosten etwas höher sind und dass es je nach Anwendung doppelte, ungenutzte Funktionen geben kann.

Primäres/untergeordnetes BMS

Das Konzept ähnelt dem der modularen Topologie, allerdings beschränken sich die Slaves in diesem Fall mehr auf die Weiterleitung von Messdaten, während der Master für die Berechnung und Steuerung sowie die externe Kommunikation zuständig ist. Wie bei den modularen Typen können die Kosten also niedriger sein, da die Funktionalität der Slaves einfacher ist und wahrscheinlich weniger Overhead und weniger ungenutzte Funktionen aufweist.

Verteilte BMS-Architektur

Es unterscheidet sich deutlich von den anderen Topologien, bei denen die elektronische Hardware und Software in Modulen gekapselt sind, die über ein Bündel von Kabeln mit den Zellen verbunden sind. Bei einem verteilten BMS ist die gesamte elektronische Hardware auf einer Steuerplatine untergebracht, die sich direkt an der zu überwachenden Zelle oder dem Modul befindet. Dadurch reduziert sich der Großteil der Verkabelung auf einige wenige Sensordrähte und Kommunikationsdrähte zwischen benachbarten BMS-Modulen. Folglich ist jedes BMS in sich geschlossener und führt Berechnungen und Kommunikation nach Bedarf durch. Doch trotz dieser scheinbaren Einfachheit macht diese integrierte Form die Fehlersuche und Wartung potenziell problematisch, da sie sich tief im Inneren einer Abschirmungsmodulbaugruppe befindet. Außerdem sind die Kosten tendenziell höher, da mehr BMS in der Gesamtstruktur des Batteriepacks vorhanden sind.

Die Vorteile von Batteriemanagementsystemen

Ein komplettes Batterie-Energiespeichersystem, die oft als BESS bezeichnet werden, können je nach Anwendung aus Dutzenden, Hunderten oder sogar Tausenden von Lithium-Ionen-Zellen bestehen, die strategisch zusammen gepackt sind. Diese Systeme können eine Nennspannung von weniger als 100 V haben, aber auch bis zu 800 V, mit Versorgungsströmen von bis zu 300 A oder mehr. Jede Fehlbedienung eines Hochspannungsakkus könnte eine lebensbedrohliche, katastrophale Katastrophe auslösen. Daher sind BMS für einen sicheren Betrieb absolut unerlässlich. Die Vorteile von BMS lassen sich wie folgt zusammenfassen.

Funktionale Sicherheit. Für großformatige Lithium-Ionen-Akkus ist dies zweifellos besonders umsichtig und wichtig. Aber auch kleinere Formate, die z. B. in Laptops verwendet werden, sind dafür bekannt, dass sie Feuer fangen und enorme Schäden verursachen. Die persönliche Sicherheit der Nutzer von Produkten, die mit Lithium-Ionen-Akkus betrieben werden, lässt wenig Spielraum für Fehler im Batteriemanagement.

Lebensdauer und Verlässlichkeit. Das elektrische und thermische Schutzmanagement des Akkupacks stellt sicher, dass alle Zellen innerhalb der angegebenen SOA-Anforderungen verwendet werden. Diese sorgfältige Überwachung stellt sicher, dass die Zellen vor aggressiver Nutzung und schnellen Lade- und Entladezyklen geschützt sind, und führt unweigerlich zu einem stabilen System, das potenziell viele Jahre lang zuverlässig funktioniert.

Leistung und Reichweite. Das BMS-Kapazitätsmanagement von Akkupacks, bei dem der SOC benachbarter Zellen in der gesamten Packung ausgeglichen wird, ermöglicht die Realisierung einer optimalen Akkukapazität. Ohne diese BMS-Funktion zur Berücksichtigung von Schwankungen bei der Selbstentladung, Lade-/Entladezyklen, Temperatureffekten und allgemeiner Alterung könnte ein Akkupack schließlich unbrauchbar werden.

Diagnostik, Datenerfassung und externe Kommunikation. Zu den Überwachungsaufgaben gehört die kontinuierliche Überwachung aller Batteriezellen, wobei die Datenerfassung selbst für die Diagnose verwendet werden kann, aber oft auch für Berechnungen zur Schätzung des SOC aller Zellen in der Baugruppe eingesetzt wird. Diese Informationen werden für Ausgleichsalgorithmen genutzt, können aber auch an externe Geräte und Anzeigen weitergeleitet werden, um die verfügbare Energie anzuzeigen, die erwartete Reichweite oder Reichweite/Lebensdauer auf der Grundlage der aktuellen Nutzung zu schätzen und den Gesundheitszustand des Akkupakets zu ermitteln.

Reduzierung von Kosten und Gewährleistung. Die Einführung eines BMS in ein BESS verursacht zusätzliche Kosten, und Batteriepakete sind teuer und potenziell gefährlich. Je komplizierter das System ist, desto höher sind die Sicherheitsanforderungen, was eine stärkere BMS-Überwachung erforderlich macht. Aber der Schutz und die vorbeugende Wartung eines BMS in Bezug auf funktionale Sicherheit, Lebensdauer und Zuverlässigkeit, Leistung und Reichweite, Diagnose usw. garantieren, dass es die Gesamtkosten, einschließlich der Kosten für die Garantie, senken wird.

Aufgaben von intelligenten Batteriemanagementsystemen (BMS)

Die Aufgabe von Batteriemanagementsystemen ist es, die optimale Nutzung der in einer Batterie vorhandenen Restenergie zu gewährleisten. Um eine Überlastung der Batterien zu vermeiden, schützen BMS-Systeme die Batterien vor Tiefentladung und Überspannung, die durch extrem schnelles Laden und extrem hohen Entladestrom entstehen. Bei mehrzelligen Batterien bietet das Batteriemanagementsystem auch eine Zellausgleichsfunktion, um sicherzustellen, dass verschiedene Batteriezellen die gleichen Lade- und Entladeanforderungen haben.

Häufig gestellte Fragen