BMS (Batteriemanagementsystem)

1. Funktionsübersicht

Datenüberwachungsfunktion

Das Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht verschiedene wichtige Daten des Akkus in Echtzeit. Es misst präzise die Spannung jeder einzelnen Zelle, beispielsweise in einem Lithium-Ionen-Akku, und erkennt Spannungsänderungen jeder Zelle. Die Fehlertoleranz liegt üblicherweise im Bereich weniger Millivolt. Gleichzeitig wird der Gesamtstrom des Akkus überwacht, egal ob Lade- oder Entladestrom, um den Betriebszustand des Akkus zu ermitteln.

Die Überwachung der Batterietemperatur ist ebenfalls ein wichtiger Bestandteil. Das Batteriemanagementsystem (BMS) kann die Temperatur verschiedener Batteriebereiche in Echtzeit mithilfe von im Akkupack verteilten Temperatursensoren erfassen. Die Genauigkeit der Temperaturüberwachung beträgt etwa ± 1 °C. Dies ist entscheidend, um Leistungseinbußen oder Sicherheitsvorfälle durch Überhitzung oder Unterkühlung der Batterie zu verhindern.

Zustandsschätzungsfunktion

Anhand der überwachten Daten kann das Batteriemanagementsystem (BMS) den Batteriestatus präzise bestimmen. Der wichtigste Wert ist der Ladezustand (SOC), der die verbleibende Batteriekapazität angibt. Mithilfe komplexer Algorithmen und Parametern wie Batteriespannung, Stromstärke und Temperatur berechnet das BMS die verbleibende Batterieleistung in Echtzeit. Der Fehler liegt üblicherweise zwischen 5 % und 10 % und liefert dem Nutzer somit genaue Batterieinformationen.

Gleichzeitig kann das Batteriemanagementsystem (BMS) auch den Gesundheitszustand (State of Health, SOH) der Batterie ermitteln. Durch die Langzeitaufzeichnung von Faktoren wie der Anzahl der Lade- und Entladezyklen, der Kapazitätsminderung usw. lässt sich feststellen, ob die Batterie altert, an Leistung verliert oder andere Probleme aufweist. Dies liefert Anhaltspunkte für die Wartung und den Austausch der Batterie.

Batterieausgleichsfunktion

In Akkupacks kann die Leistung einzelner Zellen aufgrund von Faktoren wie Fertigungsprozessen und Einsatzumgebungen variieren. Die Ausgleichsfunktion des Batteriemanagementsystems (BMS) kann dieses Problem effektiv lösen. Es gibt im Wesentlichen zwei Ausgleichsmethoden. Die passive Ausgleichsmethode beinhaltet das Parallelschalten eines Widerstands zu jeder einzelnen Zelle im Akkupack. Bei zu hoher Batteriespannung wird die überschüssige Energie über den Widerstand in Form von Wärme abgeführt. Die aktive Ausgleichsmethode hingegen überträgt Energie von Hochvoltzellen auf Niedervoltzellen, um einen Spannungsausgleich zwischen den verschiedenen Zellen im Akkupack zu erreichen und so dessen Lebensdauer zu verlängern.

Sicherheitsschutzfunktion

Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist ein wichtiger Schutzmechanismus für Akkus. Bei Überladung, beispielsweise wenn die Ladespannung den eingestellten Sicherheitsgrenzwert überschreitet (bei Lithium-Ionen-Akkus gelten hierfür strenge Vorschriften zur Abschaltspannung), unterbricht das BMS sofort den Ladekreis, um Schäden am Akku oder gar Sicherheitsunfälle durch Überladung zu verhindern.

Ebenso stoppt das Batteriemanagementsystem (BMS) die Entladung, sobald die Batteriespannung unter die festgelegte Mindestentladespannung fällt, um einen irreversiblen Kapazitätsverlust durch Tiefentladung zu vermeiden. Darüber hinaus ergreift das BMS bei abnormalen Zuständen wie hoher Batterietemperatur oder Kurzschluss umgehend Maßnahmen wie das Abschalten des Stromkreises oder das Auslösen von Alarmen, um die Sicherheit des Akkus zu gewährleisten.

2. Hardwarekomponenten

Hauptsteuereinheit (MCU)

Dies ist die Kernkomponente des Batteriemanagementsystems (BMS), vergleichbar mit dem Gehirn. Der Mikrocontroller (MCU) ist üblicherweise ein Hochleistungsprozessor, der Daten von verschiedenen Sensoren empfängt und verarbeitet und komplexe Algorithmen ausführt, um Funktionen wie die Schätzung des Batteriezustands und die Balancekontrolle zu realisieren. Er kann auf Basis vordefinierter Programmlogik entsprechende Entscheidungen treffen, beispielsweise Steuerbefehle ausgeben, um Schutzmechanismen zu aktivieren, wenn Anomalien erkannt werden.

Sensor

Spannungssensoren werden eingesetzt, um die Spannung jeder einzelnen Zelle und des Akkupacks zu messen. Diese Sensoren müssen hochpräzise und zuverlässig sein, um eine genaue Spannungsdatenerfassung zu gewährleisten.

Stromsensoren dienen hauptsächlich der Messung der Lade- und Entladeströme von Akkus. Üblicherweise werden Hall-Effekt-Stromsensoren eingesetzt, die die Stromstärke auch unter hohen Strombedingungen präzise messen und eine gute Linearität aufweisen.

Temperatursensoren sind an verschiedenen wichtigen Stellen des Akkupacks angebracht, beispielsweise zwischen den Akkuzellen und auf der Oberfläche der Akkumodule. Gängige Temperatursensoren sind Thermistoren, die schnell auf Temperaturänderungen reagieren und dem Batteriemanagementsystem (BMS) Temperaturinformationen in Echtzeit liefern.

Symmetrische Schaltung

Wie bereits erwähnt, ist die Ausgleichsschaltung eine Schlüsselkomponente für die Batterieausgleichsfunktion. Passive Ausgleichsschaltungen bestehen hauptsächlich aus einer Reihe von Ausgleichswiderständen und Steuerschaltern. Wird ein Ausgleich benötigt, schaltet der Steuerschalter gemäß den Anweisungen des Mikrocontrollers den entsprechenden Widerstand parallel zur Hochspannungszelle der Batterie und startet so den Ausgleichsprozess.

Aktive Ausgleichsschaltungen sind relativ komplex und können Bauteile wie Induktivitäten, Kondensatoren und Schaltröhren enthalten. Durch den Aufbau von Energietransferschaltungen wird Energie von Hochspannungsbatterien auf Niederspannungsbatterien übertragen, wodurch ein effizienterer Batterieausgleich erreicht wird.

Kommunikationsschnittstelle

Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist üblicherweise mit mehreren Kommunikationsschnittstellen ausgestattet, beispielsweise CAN-Bus, RS-485 oder SPI. Diese Schnittstellen dienen der Kommunikation mit externen Geräten, etwa dem Datenaustausch mit dem Fahrzeugsteuergerät (VCU) von Elektrofahrzeugen oder Überwachungssystemen von Energiespeichern. Über diese Schnittstellen können externe Geräte vom BMS überwachte Batteriestatusdaten abrufen und Steuerbefehle an das BMS senden, um die Fernüberwachung und -verwaltung des Akkus zu ermöglichen.