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www designelektronik de DESIGN&ELEKTRONIK 03 2021 13 tiges Erkennen und das Vermeiden von Gefahrensituationen beispielsweise das Überhitzen oder Entzünden einer Zelle Zu den erweiterten Funktionen eines BMS können gehören ■ Ermittlung des Ladezustands einzelner Zellen State of Charge SoC ■ Ermittlung des Gesamtladezustands Fuel Gauging ■ Überwachung der Integrität und des Alterungszustandes einzelner Zellen State of Health SoH und ■ Maximierung der Lebensdauer durch optimales Laden einzelner Zellen Durch Reihenschaltung der Zellen ist der Ladeund Entladestrom für alle Zellen zunächst gleich Geringfügige Fertigungsunterschiede und unterschiedliche Alterung führen aber wegen unterschiedlicher Zellenkapazität und unterschiedlicher Selbstentladung über viele Ladeund Entladezyklen zu einem immer unterschiedlicheren Ladezustand der Zellen der die nutzbare Kapazität und die Lebensdauer des Akkumulators verringert Bei der Entladung bleibt in den Zellen mit höherer Kapazität beziehungsweise Ladezustand Energie zurück während die schwächsten Zellen schon entladen sind Beim Ladevorgang können die Zellen mit der größeren Kapazität nicht vollgeladen werden ohne dass die schwächeren Zellen durch Überladung beschädigt werden Daher überwachen die BMS die Spannungen der einzelnen Zellen und sorgen für einen Ausgleich des Ladezustands innerhalb des Akkupacks so genanntes Balancing ■ Aktives und passives Balancing Beim Balancing unterscheidet man zwischen passiven und aktiven Verfahren Passive Verfahren entladen die Zellen mit höherem Ladezustand während des Ladevorgangs über Parallelwiderstände bis zur gleichen Ladung wie die restlichen Zellen Dadurch können alle Zellen vollgeladen werden ohne einzelne Zellen zu beschädigen oder gar zu zerstören Die dabei entstehende Wärme muss aus dem Akkumulator nach außen abgeführt werden Aktive Verfahren können dagegen mithilfe von induktiven oder kapazitiven Energiespeichern auch während der Entladung Energie von den am höchsten geladenen Zellen in die am wenigsten geladenen Zellen übertragen Das Prinzip ähnelt dem eines gewöhnlichen Schaltreglers Es geht kaum Energie in Form von Wärme verloren weshalb die Kühlung des Akkumulators während des Ladevorgangs erleichtert wird Gleichzeitig steht so beim Entladen mehr Ladung zur Verfügung Ein beispielhaftes Blockschaltbild eines Batteriemanagementsystems zeigt Bild 1 Größere Batterien die zum Beispiel in Fahrzeugen im Einsatz sind sind in Module aufgeteilt die die einzelnen Zellen zusammen mit einem Zellenmanagementsystem enthalten Alle Zellenmanagementsysteme werden von einem übergeordneten Batteriemanagementsystem überwacht und gesteuert Die Struktur einer solchen Batterie ist in Bild 2 dargestellt Da die Batteriemanagementsysteme eine entscheidende Rolle für die Sicherheit und Lebensdauer von Akkumulatoren spielen erfordert ihre Entwicklung besonderes Augenmerk Dabei ist es wichtig deren Verhalten bei allen zu erwartenden Betriebszuständen und Fehlerfällen zu testen Damit dies zielgerichtet möglich ist muss das Verhalten einzelner Zellen möglichst vielseitig und genau simuliert werden können In der Vergangenheit wurden hierfür StandardLabornetzgeräte verwendet Damit lassen sich aber nur einfache Testfälle abdecken Das Verhalten der Zellen ist vor allem durch die Leerlaufspannung und den Innenwiderstand in Abhängigkeit vom Ladezustand charakterisiert Bild 3 Der Innenwiderstand bewirkt einen dynamischen Spannungseinbruch in Abhängigkeit des fließenden Stromes Das Standardlabornetzgerät kann keine Innenwiderstände nachbilden und damit nur die Leerlaufspannung simulieren Bild 1 Aufbau einer mehrzelligen Akku-Stromversorgung mit integriertem Batteriemanagementsystem Während der Entwicklung des Managementsystems werden die Zellen durch geeignete Stromversorgungsgeräte simuliert Bild 2 Aufbau einer Fahrzeugbatterie Die Zellen sind in Modulen mit eigenen Zellenmanagementsystemen untergebracht Das Batteriemanagementsystem übernimmt übergeordnete Steuerungsund Überwachungsaufgaben