Batterien gibt es schon seit langer Zeit. Sie sind in vielen Anwendungen weit verbreitet, beispielsweise in Elektrofahrzeugen verschiedener Kategorien (batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV), Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV), Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV) oder in der Energiespeicherung für verschiedene Zwecke wie Netzstabilität, Spitzenlastabbau und Zeitversetzung bei erneuerbaren Energien. Für diese Anwendungen werden in der Regel Blei-, Nickel-Metallhydrid- (NiMh) und Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet. Die korrekte Überwachung und Regelung dieser Akkumulatoren ist eine wichtige Aufgabe, die sowohl Hardware- als auch Softwarekomponenten erfordert. Diese Aufgabe wird in der Regel von einem „Batteriemanagementsystem“ (BMS) übernommen, das definiert ist als „ein fest installiertes System zur Messung, Speicherung und Meldung des Batteriebetriebs“ [IEEE Standard 1491]. Dieser Artikel bietet einen Gesamtüberblick über die verschiedenen chemischen Systeme, die in Batterien verwendet werden, und den Hauptzweck der Implementierung eines BMS.
Prinzipien und Arten von Batterien
Die erste Unterscheidung, die zwischen Batterien getroffen werden kann, ist die zwischen Primär- und Sekundärbatterien. Primärbatterien sind nicht aufladbar, während Sekundärbatterien (Akkumulatoren) wiederaufladbar sind. Jedes Batteriesystem zeichnet sich durch seine Chemie aus, und es gibt viele verschiedene Arten von Batterien auf dem Markt. Da der Schwerpunkt dieses Beitrags hauptsächlich auf den Sekundärbatterien liegt, sind die wichtigsten Eigenschaften der am häufigsten verwendeten Akkumulatoren hier zusammengefasst:
Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd) werden seit über einem Jahrhundert entwickelt und sind allgemein als relativ preiswert und robust bekannt. Diese Akkus sind wegen ihrer hohen Kapazität, einfachen Wartung und niedrigen Kosten weit verbreitet. Die durchschnittliche Zellenspannung beträgt etwa 1,2 V. Diese Eigenschaften machen NiCd-Akkus für die Verwendung in Elektrowerkzeugen sehr beliebt. Allerdings sind die Energiedichte und die spezifische Dichte relativ gering, was einer der besonderen Nachteile von NiCd-Akkus ist. NiCd-Akkus werden außerdem durch den so genannten Memory-Effekt beeinträchtigt, und die notwendige Verwendung von Kadmium führt zu ernsthaften Umweltproblemen.
Im Gegensatz zu den NiCd-Akkus haben die 1990 eingeführten NiMH-Akkus eine höhere Energiedichte und spezifische Energie. NiMH-Akkus werden häufig in Anwendungen wie Notebooks, Mobiltelefonen und Rasierapparaten eingesetzt. Sie bringen Verbesserungen in Bezug auf den Memory-Effekt und die Umweltverschmutzung. Was die Nachteile angeht, so sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen:
Erstens haben NiMH-Akkus im Vergleich zu NiCd-Akkus eine höhere Selbstentladungsrate.
Zweitens sind NiMH-Akkus im Vergleich zu NiCd-Akkus weniger widerstandsfähig gegenüber Überladungen.
Außerdem ist der NiMH-Ladevorgang komplexer als der von NiCd.
Im Vergleich zu Ni-Akkus bieten Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion-Akku) einen höheren C-Koeffizienten, eine höhere Energiedichte und eine längere Lebensdauer. Darüber hinaus bieten Li-Ion-Zellen den Vorteil einer hohen durchschnittlichen Betriebsspannung von 3,6 V. Li-Ion-Akkus haben auch eine wesentlich geringere Selbstentladung als Ni-Akkus. Außerdem sind Li-Ion-Akkus nicht vom Memory-Effekt betroffen. Weiterhin können Li-Ion-Akkus weniger große Ströme, ausgedrückt im C-Koeffizienten, liefern als Ni-Akkus. Eine Überentladung von Li-Ion-Akkus führt zu einer Verkürzung der Lebensdauer. Ohne weitere Vorsichtsmaßnahmen führt das Überladen von Lithium-Ionen-Akkus zu gefährlichen Situationen und kann sogar einen Brand oder eine Explosion verursachen. Daher kann allgemein gesagt werden, dass eine Überladung und Überentladung von Li-Ion-Akkus nicht zulässig ist.
Basierend auf der verwendeten Kathode: LiFePO4-, LiMn2O4- andNMC- gibt es unterschiedliche Leistungsniveaus in Bezug auf Ladegeschwindigkeit, Sicherheit, Kosten, Aufladung, Entladung und Umweltauswirkungen. Zu den Anwendungen gehören Notebooks, Mobiltelefone und Batterien für Elektrofahrzeuge. Die Leistung eines Akkus ist für die Marktakzeptanz entscheidend. Bei Elektrofahrzeugen zum Beispiel ist die Energiedichte ein entscheidender Faktor. Li-Ion-Akkus haben eine höhere Energiedichte, Leistungsdichte und Lebensdauer und sind für die Zukunft vielversprechender als Akkus auf Ni-Basis. Es gibt mehrere laufende Forschungsprojekte zur Verbesserung verschiedener Aspekte der Akkus, nämlich Kosten, Ladegeschwindigkeit und Sicherheit. Bei der Auswahl eines Akkus sind viele weitere Aspekte zu berücksichtigen und es ist für den Anwender am besten, sich von einem dedizierten Experten beraten zu lassen.
Schutz vor Gefahren
BMS dienen der Regelung und Überwachung des Ladens und Entladens von Batterien. Es gibt mehrere Merkmale, die überwacht werden müssen, darunter Temperatur, Strom, Spannung, Batterietyp, Isolierung in Hochspannungssystemen, Ladezustand (SoC), State of Health (SoH) und extrem hoher Stromfluss. Die Überwachung aller dieser Werte ist für die Funktion eines BMS erforderlich. Im Prinzip ist ein BMS geeignet, den SoC zu maximieren, den SoH zu optimieren und die Batterie, in Bezug auf funktionale Sicherheit, vor Tiefentladung und Überspannung zu schützen, indem es die Werte innerhalb der vorgegebenen Parametern hält.
Über- und Unterspannungsschutz
In einem mehrzelligen Akkupack bestimmt die Zelle mit der geringsten Ladung die Kapazität des gesamten Systems. So wird der Akku irreversibel beschädigt, wenn die Spannung unter oder über die Schwellenspannung fällt, für die der Akku ausgelegt ist. Im Falle einer niedrigeren Spannung löst sich das Anodenkupfer auf. Bei einer höheren Spannung kommt es zunächst zum Lithiumplating, und wenn die Spannung noch weiter ansteigt, beginnt die Zelle auszugasen und sich zu entzünden.
Das Cell-Balancing wird in der Regel von einem integrierten Schaltkreis (IC) mit hochpräzisen Analog-Digital-Wandlern (ADC) durchgeführt. Es gibt mehrere Möglichkeiten des Balancings, nämlich aktives und passives Balancing. Während beim aktiven Balancing eine höhere Ladung einer einzelnen Zelle auf eine andere einzelne Zelle übertragen werden kann, fällt beim passiven Balancing die Ladung mit über einen Widerstand ab. Die einzelnen dedizierten Zellkontroller können unabhängig vom BMS-Hauptkontroller, spezifische, besonders energiesparende Housekeeping-Funktionen, wie etwa periodische Zellmessungen und für die funktionale Sicherheit notwendige Zustandsanalysen durchführen. Die Sicherheitsfunktionen zur Signalisierung von Über- oder Unterspannung werden in der Regel selbständig ausgelöst. (AG, 2022)
Überentladungsschutz und Co.
Der Überentladungsschutz (ODP) oder auch Unterspannungsabschaltung (LVC) ist eine wichtige Sicherheitsfunktion, über die viele, in der Regel alle, Li-Ion-Akkus verfügen. Dies soll vor einem Spannungsabfall unter ein bestimmtes Niveau schützen. Die Folgen eines tiefentladenen Akkus sind vielfältig, aber in fast allen Fällen führt dies zu irreversiblen Schäden, einschließlich einer verringerten Lebensdauer oder sogar eines thermischen Durchgehens, das zu einem Brand führen kann. Daher gibt es für verschiedene Zellchemie unterschiedliche sichere Betriebsbereiche. In der Regel verwenden wir einen IC, um den sicheren Betriebsbereich zu bestimmen und den erforderlichen Schutz für die Zelle/das Akkupack bereitzustellen.
Kurzschlussschutz
Ein Überstromschutz (OCP) ist erforderlich, wenn ein Kurzschluss in der Batterie auftritt. Dies führt zu einem extremen Entladeverhalten, das heißt zu einem sehr hohen Stromfluss, die Batterie erwärmt sich schnell und es kommt zu einem thermischen Durchgehen. Dabei gibt es drei Möglichkeiten, die Batterie zu schützen – thermische Abschaltung, Pyrosicherung oder Leistungsschalter. Je nach dem erforderlichen Sicherheitsniveau können BMS-Hersteller eine oder alle Funktionen in einem System verwenden.
Die thermische Abschaltung wird ausgelöst, wenn der Akku eine bestimmte Temperatur erreicht. In Hochspannungssystemen wie Elektrofahrzeugen wird diese Funktion durch einen digitalen Prozessor aktiviert. Bei Niederspannungsanwendungen hingegen ist es möglich, diesen Schutz so zu implementieren, dass er auf der Grundlage vordefinierter Schwellenwerte selbst auslöst.
Der Schutz vor Brand und Explosionen ist besonders wichtig in Umgebungen, in denen Menschen zu Schaden kommen können. Daher kommt eine digital ausgelöste Pyrosicherung ins Spiel. Die Sicherung wird an den Hochspannungspfad angeschlossen, entweder an Minus oder Plus oder an beide. Die Sicherung wird als letzte Verteidigungslinie ausgelöst, um erhebliche Schäden am Akku zu verhindern und den Menschen zu schützen.
In speziellen Umgebungen wie bei Lastkraftwagen, wo die Kontinuität des Betriebs wichtig ist, können aufwändigere und teurere Lösungen zu Verwendung finden. Ein Leistungsschalter auf der Grundlage von Back-to-Back-SiC-MOSFETs kann das Batteriesystem im Falle eines Kurzschlusses vor Schäden schützen. Der Nachteil dieser Lösung ist der Preis und die Größe. Grundsätzlich wird bei dieser Variante auch das System digital abgeschaltet, allerdings mit der Möglichkeit es nach dem Ereignis auch wieder einzuschalten.
Überstromschutz
Wie im Kapitel „Über- und Unterspannungsschutz“ erläutert, werden die Zellen mit Hilfe eines Stromflusses ausgeglichen. Je nach Ladefähigkeit des Akkus und der Schaltung rund um das Analog-Front-End liegt dieser Stromfluss im Bereich von 100 mA und 800 mA. Der Überstromschutz ist ein bestimmter Stromgrenzwert, den der Balancing-IC nicht überschreiten darf. Dieser Grenzwert kann individuell eingestellt werden und dient dem Schutz des Akkus vor irreversiblen Schäden, Brand oder Explosion.
Die Stromaufnahme hängt von der Umgebungstemperatur ab, die bei der Festlegung der Grenzwerte berücksichtigt werden sollte, und der Grenzwert muss unterhalb der tatsächlichen Stromaufnahme des Akkus liegen. . Typischerweise wird mit einem zusätzlichen Sicherheitsfaktor von etwa 2 bis 3 gearbeitet.
Bei kleinen Stromschwankungen kann es allerdings zu einer Fehlauslösung des Überstromschutzes des BMS kommen. Um dies zu verhindern, verfügen einige BMS über eine Funktion namens Hysterese und digitale Filter.
Schutz vor thermischen Durchgehen
Batterien können je nach verwendeter Chemie Temperaturen von bis zu 60 °C aushalten.Die Temperatur einer heißen Zelle kann sich auf die benachbarten Zellen ausbreiten, so dass sich das gesamte Akkupack in kürzester Zeit aufheizen kann. Die Hitze löst eine Kettenreaktion aus, die durch verschiedene chemische Reaktionen, brennbare Gase freisetzen kann und das gesamte Akkupack in Brand setzen kann.
Der Schutz vor thermischen Durchgehen wird ausgelöst, wenn der vordefinierte Temperaturgrenzwert erreicht ist. Er schaltet den Akku ab.
Die Hauptaufgabe eines BMS besteht darin, die Akkus zu schützen und ihren Zustand zu melden. Die Vielfalt der abzudeckenden Gefahren ist groß. Wir müssen sicherstellen, dass der Akku nicht außerhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs verwendet wird. Komplexe und sichere Mechanismen sind erforderlich, um einen Akku in diesem Bereich zu halten und ihn für den Menschen sicher zu machen. Die im BMS verwendete Software ist ein entscheidender Teil des Aufbaus und muss bereits in der frühen Projektphase berücksichtigt werden. Die Wahl des IC, der Architektur, der Software und der Akkus ist mit Kosten verbunden, und ohne fundierte Kenntnisse ist es schwierig, die „beste“ Wahl zu treffen.
