Ein Batteriemanagementsystem ermöglicht die Überwachung einzelner Zellen in einem Batteriesatz. Da die Zellen zusammenarbeiten, um Energie an die Last abzugeben, ist es entscheidend, die Stabilität des gesamten Pakets zu erhalten.
An dieser Stelle kommt ein Batteriemanagementsystem (BMS) ins Spiel. Ein BMS ermöglicht die ständige Überwachung, Erfassung und Übermittlung von Informationen an eine externe Schnittstelle, über die der Benutzer den Status jeder einzelnen Zelle und den Zustand des Batteriesatzes als Ganzes beobachten kann. Das BMS überwacht und verwaltet einen Batteriesatz, um die Batterie vor Schäden zu schützen, ihre Lebensdauer zu verlängern und sie innerhalb ihrer Sicherheitsgrenzen zu betreiben. Diese Funktionen sind der Schlüssel zu Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit.
Was misst ein BMS?
Ein BMS kann verschiedene Werte messen, wie zum Beispiel Strom, Spannung, Temperatur und Coulombzahl. Anhand dieser Messungen kann das System den Zustand der Batterie beurteilen und den Betrieb nach Bedarf anpassen, um das Paket zu schützen.
So kann beispielsweise ein Abfall der Zellenspannung bei einer bestimmten Last auf einen Anstieg des Innenwiderstands hinweisen. Dies kann dann auf Austrocknung, Korrosion, Plattentrennung oder andere Diagnosen hinweisen.
Ein plötzlicher Temperaturanstieg in einer Zelle könnte auf die Möglichkeit eines thermischen Durchgehens im gesamten Batteriesatz hinweisen. Das BMS könnte dann den Energiefluss stoppen und den Nutzer auf ein mögliches Problem aufmerksam machen, damit es eingedämmt werden kann, bevor es außer Kontrolle gerät.
Die Coulomb-Zählung kann helfen, die verfügbare Kapazität einer Batterie zu schätzen. Dazu wird die Energiemenge gemessen, die während der Lade-/Entladezyklen aus der Batterie austritt und in sie eintritt. Eine Abnahme der Coulombzahl während eines vollen Zyklus im Vergleich zu einer neuen Batteriezelle deutet auf eine Abnahme der Batteriekapazität hin.
Welche Indikatoren können mit einem BMS abgeleitet werden?
Ladezustand (State of Charge, SoC) und Gesundheitszustand (State of Health, SoH) sind wichtige Indikatoren für die Bewertung der Nutzbarkeit und der Fähigkeiten einer Batterie. Zusammen liefern SoC und SoH einen Funktionszustand, einen Überblick über die Batterie und die Fähigkeiten des Pakets als Ganzes.
Der Ladezustand ist wahrscheinlich das einfachste und gebräuchlichste Maß, das einem begegnet. Die Prozentsätze des Akkus auf Handys oder Laptops sind die Ladezustände. Unter Batterien für Elektrofahrzeuge, Der SoC wird verwendet, um die verbleibende Reichweite des Fahrzeugs zu ermitteln, bevor es wieder aufgeladen werden muss. Dies allein ist jedoch kein Indikator für den Gesamtzustand der Batterie. Der SoC-Wert kann zwar die kurzfristige Kapazität der Batterie anzeigen - also wie viel Energie noch vorhanden ist -, aber er kann nicht die tatsächliche Kapazität der Batteriezelle oder des Batteriepakets angeben. Die Kapazität einer Zelle nimmt mit dem Alter ab. Auch wenn der SoC-Wert 100% anzeigt, ist die tatsächliche Kapazität nach einer gewissen Zeit wahrscheinlich geringer.
Nichtsdestotrotz ist SoC immer noch ein wichtiges Maß für die Verwaltung von Batterien. So muss beispielsweise der SoC der einzelnen Zellen in der Batteriekette bekannt sein, um die Last gleichmäßig auf die Zellen innerhalb des Pakets zu verteilen.
Ergänzend zum SoC misst der State of Health die langfristigen Fähigkeiten des Akkupacks. Unter Berücksichtigung von Ladeakzeptanz, Innenwiderstand, Spannung und Selbstentladung ist der SoH eine Schätzung, wie lange eine Batterie noch optimal arbeiten kann. Er wird in der Regel an einer frischen Batteriezelle gemessen, um Rückschlüsse auf die Position der Zelle in ihrem Lebenszyklus zu ziehen.
Es gibt keine Standardparameter zur Angabe des SoH-Wertes, da dieser von der Funktion und den Anwendungen der Batteriezelle abhängt. Verschiedene Parameter wie der Zellwiderstand oder die Selbstentladung können individuell gewichtet werden, um den Gesamt-SoH zu bewerten.
Da der SoH-Wert in der Regel an einer neuen Zelle gemessen wird, muss das BMS Aufzeichnungen über die Anfangsbedingungen der Batterie und ein Protokoll der Messungen während des gesamten Lebenszyklus der Batterie führen, um eine genauere Aussage über den Zustand der Batterie treffen zu können.
Warum ist ein BMS wichtig?
Ein BMS ist nicht nur wichtig für die Anzeige des Zustands einer Batterie, sondern dient auch dem Schutz der Batterie während des Betriebs.
Jede Batteriezelle und -chemie hat einen Spannungs-, Temperatur- und Strombereich, innerhalb dessen sie sicher betrieben werden kann. Wenn eine Zelle diese Bereiche unter- oder überschreitet, kann dies durch das BMS erkannt und kontrolliert werden. Lithium zum Beispiel ist eine hochreaktive Substanz; daher sollte das BMS jede Lithiumzelle überwachen, um sicherzustellen, dass sie innerhalb der vordefinierten Grenzen arbeitet. So bleibt die Batterie sicher und wird langfristig geschont.
Ein weiteres wichtiges Sicherheitsmerkmal eines BMS ist der Zellenausgleich. Die einzelnen Zellen in einem Akkupack arbeiten nicht gleichmäßig. Eine Zelle kann schwächer oder stärker sein als die andere und schneller geladen oder entladen werden als andere in der Kette. Ohne einen angemessenen Ausgleich kann dies den Zustand des gesamten Pakets beeinträchtigen. Wenn eine Zelle einen Kurzschluss verursacht oder ausfällt, beeinträchtigt dies die Stabilität des gesamten Akkus. Der Zellenausgleich gleicht die Ladung zwischen den einzelnen Zellen auf der Grundlage der Leistungsfähigkeit jeder Zelle aus. Das BMS hilft dabei, die von jeder Zelle in der Kette geforderte Ladung zu überwachen und zu steuern, um sicherzustellen, dass die SoC gleichmäßig verteilt bleibt.
Die Rolle eines BMS bei der Batterieprüfung
Ein BMS spielt eine Schlüsselrolle bei Prüfung von Akkupacks zur Überwachung des Status jeder einzelnen Zelle und ihres Betriebs mit dem Pack als Ganzes. Es kann helfen, Fehler und Schwächen einer Zelle innerhalb des Pakets zu erkennen und besser zu überwachen, wie sich Strom, Spannung, Temperatur und andere Parameter während des Prüfprozesses verändern. SoC und SoH sind wichtige Indikatoren bei der Prüfung, um zu sehen, wie sich die Batterie während der Lade-/Entladezyklen verhält. Gut Batterieprüfsoftware wird in der Lage sein, diese Statistiken mit externen Schnittstellen zu kommunizieren, um den Forschern einen guten Einblick in die Funktionsweise des Batteriepacks zu geben.
