Das Batteriemanagementsystem (BMS) einer Lithium-Batterie: Schutzfunktionen, passive oder aktive Balancierung, vernetztes BMS
Das Batteriemanagementsystem (BMS, Battery Management System) ist eine elektronische Platine, die die Zellen einer Lithium-Batterie überwacht. Es wird oft erst dann beachtet, wenn es die Stromzufuhr unterbricht. Tatsächlich erfüllt es jedoch viel mehr Funktionen: Es misst, schützt, gleicht die Zellen aus und, bei neueren Modellen, liefert es Informationen über den Zustand der Batterie. Dieser Leitfaden öffnet die Tür zu diesem Thema.
Das Wichtigste
- Das Batteriemanagementsystem (BMS) misst die Spannung jeder Zellgruppe, den Strom und die Temperaturen.
- Er unterbricht den Lade- oder Entladevorgang durch Transistoren, wenn ein bestimmter Grenzwert überschritten wird.
- Es balanciert die Zellen, um sicherzustellen, dass sie den gleichen Ladezustand aufweisen: entweder durch Ableitung des Überschusses (passiv) oder durch Übertragung (aktiv).
- Ein verbundenes Batteriemanagementsystem (BMS) ermöglicht es, den Zustand jeder einzelnen Zelle über ein Smartphone oder einen Controller auszulesen.
Was das Batteriemanagementsystem (BMS) misst:
- `Die Spannung jeder Zellengruppe in Reihe: Dies ist die wichtigste Messung, da die schwächste Zellengruppe die Grenzen für die gesamte Batterie bestimmt.`
- `Der Strom`, sowohl beim Laden als auch beim Entladen, wird in der Regel über einen Messwiderstand ermittelt.
- `Die Temperaturen werden durch Sensoren gemessen, die zwischen den Zellen und an den Leistungselektronikkomponenten platziert sind.`
Die Schutzvorrichtungen
| Schutz | Ausgelöst durch | Effet |
|---|---|---|
| Zuschlag | Eine Gruppe, die über ihrer maximalen Spannung liegt | Entferne die Stromversorgung |
| Tiefentladung | Eine Gruppe unter ihrer minimalen Spannung | Unterbrechen Sie die Entladung |
| Überstrom beim Entladen | Stromfluss, der eine Grenze überschreitet, und zwar über einen bestimmten Zeitraum | Unterbrechen Sie die Entladung |
| Kurzschluss | Extremer Strom | Geschnitten in wenigen Mikrosekunden |
| Überstrom im Betrieb | Zu hoher Ladestrom, einschließlich beim elektrischen Bremsen | Entferne die Stromversorgung |
| Temperatur | Es ist zu heiß oder zu kalt, um das Gerät aufzuladen | Unterbricht den Lade- oder Entladevorgang |
Die Abschaltung erfolgt durch Leistungstransistoren, die an der Minuspolseite der Batterie angebracht sind. Einige Batteriemanagementsysteme (BMS) haben einen einzigen Ausgang für Laden und Entladen (gemeinsamer Port), während andere zwei separate Ausgänge haben: Der Ladeanschluss kann dann eine deutlich niedrigere Stromgrenze aufweisen. Die Abschaltungen während der Beschleunigung werden im Detail in unserem Leitfaden zum Thema Batterie und BMS, die die Beschleunigung begrenzen erläutert, und der Einfluss auf das Bremsen wird in dem Artikel zum regenerativen Bremsen behandelt.
Warum das Gleichgewicht halten?
Keine einzelne Zelle ist exakt identisch mit ihrer Nachbarzelle. Im Laufe der Ladezyklen führen geringfügige Unterschiede in der Kapazität und der Selbstentladung dazu, dass die Zellgruppen auseinanderdriften: Eine Gruppe erreicht ihren vollen Ladezustand früher als die anderen, eine andere entlädt sich zuerst. Ohne Korrektur verliert der Akku an nutzbarer Kapazität (das Laden stoppt bei der ersten vollen Gruppe, das Entladen bei der ersten leeren Gruppe), und die extremen Zellgruppen verschleißen schneller.
Die passive Auswuchtung
Die gebräuchlichste Methode. Am Ende des Ladevorgangs schaltet das Batteriemanagementsystem (BMS) einen kleinen Widerstand an die Zellen mit der höchsten Spannung an, um überschüssige Energie in Wärme umzuwandeln, bis die anderen Zellen sie einholen. Dies ist einfach und zuverlässig, aber langsam: Der Ausgleichsstrom ist gering. Er korrigiert nur kleine Unterschiede und nur, wenn der Akku regelmäßig vollständig aufgeladen wird.
Die aktive Auswuchtung
Das Batteriemanagementsystem (BMS) leitet Energie von den stärker geladenen Akkuzellen zu den schwächer geladenen Zellen, und zwar über Schaltkreise mit Kondensatoren oder Induktivitäten. Es verursacht weniger Energieverluste, arbeitet mit höheren Strömen und kann jederzeit eingreifen, nicht nur am Ende des Ladevorgangs. Es ist komplexer und teurer. Man findet es in großen Batteriesystemen und oft als Ergänzung zu bereits vorhandenen BMS-Systemen.
Werkstatt-Tipp.
Ein Akku mit passivem Balancing sollte gelegentlich zu 100 % aufgeladen werden, und nach dem Erreichen der "vollen" Anzeige sollte er noch eine Weile am Ladegerät bleiben: erst dann arbeitet das Balancing-System. Ein Akku, der ständig nur mit 80 % geladen wird, wird sich fast nie selbst ausgleichen.
Das verbundene Batteriemanagementsystem (BMS)
Moderne, sogenannte "intelligente" Batteriemanagementsysteme (BMS) kommunizieren entweder über Bluetooth oder über eine kabelgebundene Verbindung. Sie liefern Informationen über die Spannung jedes einzelnen Akkupacks, den Strom, die Temperaturen, die Anzahl der Ladezyklen und eventuelle Fehler. Dies ist ein wertvolles Diagnosewerkzeug: Ein Akkupack, der sich von den anderen unterscheidet, wird sofort erkennbar.
Mit dem Controller verbunden, ermöglicht ein angeschlossenes Batteriemanagementsystem (BMS) auch weitere Möglichkeiten: Der Controller kann seine Leistung an den tatsächlichen Zustand der Batterie anpassen, anstatt dies erst dann festzustellen, wenn das BMS die Stromzufuhr unterbricht. Unsere Controller RageLink beispielsweise, verbinden sich mit dem BMS der Batterie.
Häufig gestellte Fragen
Mein Akku verliert an Reichweite, könnte das ein Problem mit der Zellenausgleichung sein?
Es ist möglich. Wenn ein Batteriemanagementsystem (BMS) angeschlossen ist, vergleichen Sie die Spannung der einzelnen Batteriepakete im voll geladenen Zustand: Eine deutliche Differenz weist auf ein Ungleichgewicht oder eine schwache Zelle hin. Mehrere vollständige Ladevorgänge können dies möglicherweise korrigieren, wenn die Differenz gering ist.
Ist ein aktives Batteriemanagementsystem (BMS) immer die bessere Wahl?
Nicht unbedingt. Bei einem Akku mit gut aufeinander abgestimmten Zellen, der regelmäßig vollständig aufgeladen wird, reicht eine passive Balancierung aus. Die aktive Balancierung ist eher bei großen Akkus und Zellen mit Abweichungen sinnvoll.
Kann man das Batteriemanagementsystem (BMS) eines Akkus austauschen?
Ja, aber es handelt sich um einen heiklen Eingriff an geladenen Zellen, der von einem Spezialisten durchgeführt werden sollte. Das neue Batteriemanagementsystem (BMS) muss der Anzahl der in Serie geschalteten Zellen, der Chemie und den Stromstärken des Akkus entsprechen.