BMS in Lithiumbatterien: Was es ist und welche Rolle es beim Zellausgleich spielt

Wenn von Lithiumbatterien die Rede ist, fällt oft die Abkürzung BMS (Battery Management System). Trotz seiner Bedeutung sind sich viele Menschen seiner Funktion und Bedeutung nicht bewusst. In diesem Artikel werden wir erklären, was das BMS in Lithiumbatterien ist und welche Funktion es beim Zellausgleich hat.

Was ist ein Lithium-Batterie-BMS?

Die Bedeutung dieses Systems für das Gleichgewicht der Zellen

Obwohl Lithiumbatterien viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Batterien bieten, haben sie nicht die herkömmliche Batterien Trotz ihrer hohen Effizienz haben sie auch eine Schwachstelle. Welche ist das? Die Schwierigkeit, die Zellen auszubalancieren und die Gleichmäßigkeit der Energieerzeugung von einer Zelle zur anderen zu gewährleisten.

Dies kann in dreierlei Hinsicht einen Unterschied machen:

• Nennkapazität
• Innerer Widerstand
• Selbstentladung

Im Laufe der Zeit oder durch den Gebrauch können diese Unterschiede die Zellen innerhalb der Batterie aus dem Gleichgewicht bringen, was zu einer Diskrepanz zwischen 3% und 6% führt, abhängig von den Einsatzbedingungen und den Lade-/Nutzungszyklen der Lithiumbatterie.

Wenn eine Lithiumbatterie unausgeglichen ist, bedeutet dies, dass die einzelnen Zellen nicht die gleiche Ladung oder den gleichen Ladezustand haben. Dies kann dazu führen, dass sich einige Zellen schneller entladen als andere, was die Gesamtkapazität der Batterie verringern, ihre Leistung mindern und ihre Lebensdauer verkürzen kann. Ohne ein ordnungsgemäßes Zellenausgleichssystem kann der Unterschied zwischen den Zellen immer größer werden, wodurch die verfügbare Ladekapazität allmählich erschöpft wird, was zu Schäden an der Batterie oder sogar zu gefährlichen Situationen wie Feuer oder Explosion führen kann, insbesondere wenn die Batterie stark geladen und entladen wird. Daher ist es wichtig, ein geeignetes Ausgleichssystem zu haben, das die Batterie im Gleichgewicht und in gutem Zustand hält, um Effizienz und Sicherheit zu gewährleisten.

Da die Zellen einer Lithiumbatterie in Reihe geschaltet sind, laden und entladen sie sich alle auf dem gleichen Energieniveau. Wenn jedoch kein geeignetes System zum Ausgleich der Zellen vorhanden ist, können die Unterschiede zwischen den Zellen mit der Zeit zunehmen, wodurch die Gesamtkapazität der Batterie allmählich abnimmt. Deshalb, Die erste Funktion eines BMS in einer Lithium-Ionen-Batterie ist das Gleichgewicht der Zellen.

Lithium-Ionen-Batterien: BMS und Zellausgleich

Wie wirkt sich ein herkömmliches BMS auf die Bilanz aus?

Ein gewöhnliches BMS löst das Ungleichgewicht, indem es den Zellen mit höherer Last einen Widerstand auferlegt, bis die schwächeren Zellen das gleiche Niveau erreichen.

Sehen wir uns die Vor- und Nachteile dieser Technologie an:

PROS

• Die Verwendung eines herkömmlichen BMS ist kostengünstig: Dank seiner einfachen Architektur trägt es dazu bei, die Kosten für die Elektronik niedrig zu halten.

CONS

• Extrem langsam während des Gleichgewichts. 

Der Ausgleichsvorgang mit einem herkömmlichen System ist aufgrund des geringen angelegten Stroms (in der Regel zwischen 0,1 A und 1 A) extrem langsam, was eine Ausgleichszeit von 6 bis 12 Stunden bedeutet. Bei einer 400-Ah-Batterie beispielsweise würde ein 100-A-Batterieladegerät, nachdem 300 Ah verbraucht wurden, 3 Stunden brauchen, um die Leistung wiederherzustellen, aber es würde weitere 6 bis 12 Stunden dauern, um sie auszugleichen. Daraus ergibt sich eine Gesamtladezeit von 9 bis 15 Stunden.

• Allmähliche Verringerung der verfügbaren Energie

Wird die Batterie weiter verwendet, bevor der Ausgleichsprozess abgeschlossen ist, kann sich die Differenz zwischen der am höchsten geladenen Zelle und der am wenigsten hoch geladenen Zelle allmählich vergrößern, wodurch die Nennkapazität des Pakets sinkt. Dies kann zu einer Verringerung der Leistung von Fahrzeugen mit solchen Lithiumbatterien führen, da die niedriger geladene Zelle die Entladung und die höher geladene Zelle die Ladung begrenzt.

• Hohe Wartungskosten 

Die Wartung von Batterien mit konventionellem BMS kann kostspielig sein, da die einzelnen Elemente nicht vor Ort ausgetauscht werden können, was oft dazu führt, dass die Batterie an den Hersteller zurückgeschickt werden muss, was mit hohen Versandkosten verbunden ist.

Wie funktioniert das zum Patent angemeldete Auswuchtsystem von NCPOWER?

Zunächst werden wir den Unterschied zwischen aktivem und passivem Balancing erklären, zwei verschiedenen Techniken zum Ausgleich der Zellen einer Lithium-Ionen-Batterie.

Ein passiver Ausgleich erfolgt auf natürliche Weise, wenn eine Batterie in Reihe geschaltet wird. Zellen mit einer höheren Ladung geben überschüssige Energie an Zellen mit einer niedrigeren Ladung ab, bis alle Zellen ausgeglichen sind. Dieser Prozess ist langsam und kann sehr lange dauern.

Aktives Balancing hingegen wird durch den Einsatz elektronischer Schaltungen erreicht, die die Spannung jeder Zelle überwachen und Energie von den Zellen mit der höchsten Belastung auf die Zellen mit der niedrigsten Belastung übertragen, wodurch das Gleichgewicht schneller erreicht wird. 

Das aktive Balancing ist effektiver und schneller als das passive Balancing und wird in fortschrittlicheren Batteriemanagementsystemen eingesetzt.

Unser Batterieausgleichssystem, genannt NCPOWER-Systemunterscheidet sich von einem herkömmlichen BMS dadurch, dass es in der Lage ist, jede Zelle einzeln durch kombiniertes aktives und passives Balancing auszugleichen, wobei mindestens 20 Mal mehr Strom verbraucht wird.

Abbildung 1: Zelluläres Ungleichgewicht und Gleichgewicht

PROS

• Aktiver und passiver Hochleistungsausgleich (20A)
• Kurze Ladezeit und vorhersehbar (Gleichgewichtszeit von weniger als 25 Minuten)
• Aktive Unterstützung für schwächere Zellen während der Entladung
• Vollständige Temperaturkontrollemit 2 Sensoren in jeder Zelle (50 Sensoren in einer 80-V-Batterie)

CONS

• Gilt nur für Batterien von 5kWh und mehr, da die Elektronik in diesem Fall teurer ist.

Weitere Funktionen eines BMS in Lithiumbatterien

Bisher haben wir die Hauptfunktion eines BMS, die entscheidende Rolle, die es spielt, und den Unterschied zwischen konventionellem und NCPOWER BMS kennengelernt.

Es gibt jedoch noch mehr Funktionen, die von dieser Art von System erfüllt werden und die für Lithiumbatterien von entscheidender Bedeutung sind. Mehr darüber können Sie hier lesen.