Inhaltsverzeichnis
- Was ist ein Batteriemanagementsystem (BMS)?
- Elektrosicherheitsmaßnahmen beim BMS-Betrieb
- Fazit: Die Zukunft von Batteriemanagementsystemen
Was ist ein Batteriemanagementsystem (BMS)?
Ein Batteriemanagementsystem ist ein elektronisches System, bzw. oftmals eine „einfache“ Schaltplatine oder Frame-Board, die/das eine wiederaufladbare Batterie (Zelle, Batteriepack und Akku-Reihenschaltung) überwacht sowie steuert und damit deren sicheren und effizienten Betrieb gewährleistet. Dabei überwacht das BMS primär die Lade- und Entladevorgänge sowie den Betriebszustand und stellt sicher, dass sie während ihrer gesamten Lebensdauer optimal und sicher funktioniert. Somit nehmen Batteriemanagementsysteme eine Schlüsselrolle im Betrieb von Akkumulatoren und Batterien ein. Schauen wir uns im Folgenden die BMS-Stärken etwas genauer an.
Warum ist ein BMS wichtig?
- Sicherheit: Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, können ein nicht unerhbliches Gefahrenpotenzial darstellen, wenn sie überladen oder über ihre Grenzen hinaus entladen werden. Ein BMS stellt sicher, dass die Batterie innerhalb vorgegebener Parameter arbeitet und dadurch potenzielle Brände oder Explosionen verhindert werden – im Umkehrschluss führt dies auch zu verlängerten Lebenszyklen.
→ Kommt es beispielsweise zur Überspannung, schaltet das BMS den entsprechenden Akku komplett ab – meist geschieht dies in einem Bereich zwischen 14,8 und 15,1 Volt.
→ Die Temperatur der Zellen, einzelner Akkus oder der gesamten Batterie kann mithilfe von integrierten NTC-Thermostaten überwacht werden. Dabei kontrolliert das BMS die sog. Safe Operationen Area (SOA), d.h. den Temperatur- und Spannungsbereich, in dem der jeweilige Speichertyp (Lithium-Ionen, Blei, Nickel-Metallhybrid) ungefährlich und effizient betrieben werden kann.
- Effizienz: Durch Überwachung des Ladezustands und der Gesundheit der Batterie stellt ein BMS sicher, dass die Batterie effizient genutzt und ihre Lebensdauer und Leistung maximiert wird. Gleichzeitig kann ein BMS auch die Anzahl der Ladezyklen darstellen und dementsprechend der Einsatz der Batterie geplant werden.
- Optimale Leistung: Ein modernes Batteriemanagementsystem kann die Ladung über mehrere Zellen ausgleichen und sicherstellen, dass jede Zelle in einem Batteriepack gleichmäßig geladen und entladen wird – diese Gleichmäßigkeit verbessert die Gesamtleistung des Batteriepacks.
→ Je nach System ist das BMS somit für die Ladezustandserkennung, den Tiefentladeschutz sowie den Überladeschutz verantwortlich.
→ Wichtig: Bei der Integration von Batteriemanagementsystemen sollte stets eine galvanische Trennung der Batteriezellen und Schnittstellen berücksichtigt werden. Bei Nichtbeachtung kann es zu Leistungsverlusten und schlimmstenfalls zur Beschädigung kommen.
Sind Laderegler BMS?
Ja, Laderegler sind BMS in ihrer rudimentärsten Form. So z. B. auch bei Bleiakkumulatoren wie den Starterbatterien in Automobilen, in denen BMS als Lichtmaschinenregler auftreten, um eine konstante Spannung zu garantieren. Dennoch wird heutzutage primär von weiterentwickelten Batterie-Management-Systemen gesprochen, die eine Bandbreite zusätzlicher Funktionen mitbringen.
Besonders im Bereich der Elektrosicherheit und des vorbeugenden Brandschutzes sind Batteriemanagementsystem eine wichtige Sicherheitskomponente, die oftmals unterschätzt wird.
State of Health (SOH)
Der „Gesundheitsstatus“ einer Batterie ist ein Konzept, das es erlaubt, den komplexen Prozess der schleichenden Abnutzung greifbar und damit kontrollierbar zu machen. Mithilfe einer einfachen Gleichung kann somit eine Momentaufnahme der Qualität in Relation zum Lebenszyklus gesetzt werden.
Zu diesem Zwecke werden zwei Primärfaktoren ermittelt: die Batteriekapazität C (capacity) und die „internal battery resistance“ (Rint). Die so vonstattengehende Bestandaufnahme setzt voraus, dass eine Batterie bei 20-prozentiger Kapazitätsreduzierung ihr Lebensende erreicht hat.
(Vgl. hierzu VDE Fact – Sheet „Battery-Management- Systems“, S. 5; CBoF ist dabei die Batteriekapazität am Lebensanfang)
Elektrosicherheitsmaßnahmen beim BMS-Betrieb
Bevor auf einzelne Aspekte der BMS-Elektrosicherheit im Betrieb eingegangen werden kann, erfolgt ein erneuter Blick auf die Wirkungs- und Bauweise von Batteriemanagementsystemen:
Um sicherzustellen, dass Batteriezellen ausschließlich in ihrem Betriebsbereich und nicht darüber hinaus elektrotechnisch aktiv sind, werden sie mit einem Batteriemanagementsystem ausgestattet. Ein derartiges System hat meist eine modulare Bauweise (BMS-Modul) und ist mit mehreren Sensoren ausgestattet, die im Batteriemodul verteilt sind. Dadurch können Temperaturen, Spannung und Ströme an den Zellen oder Modulen gemessen und ausgewertet werden. Das Modul selbst ist bei neueren Systeme direkt integriert – ältere Systeme können unter Berücksichtigung der Kompatibilität aber um ein solches ergänzt werden. Das Batteriemanagementsystem steuert in der Folge basierend auf diesen Daten und der Werkseinstellung des jeweiligen Anbieters den Lade- und Entladeprozess.
→ Das BMS ist demzufolge auch eine Elektrosicherheitseinrichtung, die bei ihren Lade- und Entladeprozessen erhöhten Sicherheitsrisiken ausgesetzt sind. Vor allem bei größeren Batterieanlagen, aber auch bei alltäglichen Elektronikgeräten muss das Personal entsprechend geschult werden und Vorsicht bei der Reparatur geboten sein. Genau an dieser Stelle setzt die "Elektrosicherheits-Edition" ein. Als mobile Fachbiliothek zum fach- und sicherheitsgerechten Betrieb elektrischer Arbeitsmittel enthält sie zusätzlich praktische Arbeitshilfen, die Ihnen ihren Alltag erheblich erleichtern.
Vorsicht bei Ersatzteilen
Weniger bei Elektrofahrzeugen als bei alltäglicher Kleinelektronik besteht der Bedarf an Ersatz-Akkus/Batterien, die im Bedarfsfall einfach und unkompliziert ausgewechselt werden können. Zu diesem Zwecke werden oft auf einschlägigen Internetportalen preisgünstige Alternativen gewählt. Zwar sind diese Ersatzkomponenten als kompatibel gekennzeichnet. Sicherheitseinrichtungen wie das Batteriemanagementsystem werden dabei aber meist nur rudimentär nachgebaut oder es kommen Akku-Zellen von minderer Qualität zum Einsatz. In der Folge kommt es des Öfteren dazu, dass dem Ladegerät beispielsweise die Rückmeldung des Batteriemanagementsystems des Akkus fehlt. Dadurch kann es vor allem beim Laden zur Überladung und Beschädigung des Elektrogeräts kommen (vgl. IFS Report März 2022).
Zusätzliche Sicherheitsmaßen beim Umgang mit Batterie- und Akkusystemen: Schwerpunkt Belegschaft
- Schulung: Regelmäßige Schulungen zur sicheren Handhabung von Batterien.
- Verwendung zugelassener Ladegeräte: Immer das vom Hersteller empfohlene Ladegerät verwenden.
- Regelmäßige Inspektion: Batterien regelmäßig auf Schäden überprüfen.
- Extreme Temperaturen vermeiden: Batterien von extremen Temperaturen fernhalten.
- Schutzausrüstung tragen: Bei der Arbeit mit großen Batteriesystemen Schutzausrüstung tragen.
Fazit: Die Zukunft von Batteriemanagementsystemen
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Batterien das Herzstück elektronischer Geräte darstellen, das Batteriemanagementsystem jedoch den Herzschlag, der sicherstellt, dass alles reibungslos und effizient funktioniert.
Mit der Weiterentwicklung der Technologie wird die Rolle von BMS noch wichtiger werden. Mit dem Aufkommen von Elektrofahrzeugen und dem Drang nach erneuerbaren Energiequellen wird die Nachfrage nach effizienten und sicheren Batteriespeicherlösungen in die Höhe schnellen. BMS wird an vorderster Front dieser Revolution stehen und sicherstellen, dass unsere Anlagen, Geräte und E-Fahrzeuge reibungslos und sicher betrieben werden können.
Quellen: „Sicherheitshandbuch Elektrosicherheit“, VDE Fact – Sheet „Battery-Management- Systems, IFS Report März 2022
