Ein Batteriepack kann von außen normal aussehen, während eine Zelle im Inneren bereits auf ein Problem zusteuert. Die Gesamtspannung des Packs kann noch akzeptabel wirken, obwohl eine einzelne Zelle näher an ihrer oberen Spannungsgrenze liegt oder wärmer läuft als ihre Nachbarn. Auf dieser Ebene wird ein battery management system, oder BMS, unverzichtbar. Seine Aufgabe besteht nicht einfach darin, die Batterie ein- und auszuschalten, und es als „Gehirn“ eines gesamten Speichersystems zu bezeichnen, gibt ihm zu viel Gewicht. Ein BMS überwacht die Batterie genau, schätzt Batteriezustände, die Sensoren nicht direkt melden können, und kommuniziert oder erzwingt die Grenzen, innerhalb derer die Batterie betrieben werden sollte.

In einem Hochvolt-Speichersystem können diese Aufgaben auf mehrere Hardwarekomponenten verteilt sein. NXP’s 1500 V BESS Referenzdesign verwendet beispielsweise Zellüberwachungseinheiten, um einzelne Zellspannungen und Umgebungstemperaturen zu messen, während die Battery-Management-Unit Daten verarbeitet und übergeordnete Aktionen steuert. Dasselbe Design umfasst außerdem Pack-Level-Sensorik und Schützschnittstellen. Der Grund, unter die Gesamtzahl des Packs zu schauen, ist einfach: Das Pack besteht aus vielen Zellen, und eine Zelle, die sich einer elektrischen oder thermischen Grenze nähert, kann relevant werden, bevor der Gesamtwert des Packs ungewöhnlich aussieht. (nxp.com)

Von Zellmesswerten zu Betriebsgrenzen

Das BMS sammelt nicht nur Messwerte. Spannung, Strom und Temperatur sind Sensoreingänge; state of charge und state of health sind berechnete oder geschätzte Zustände, die aus Batteriemessungen und den Algorithmen des BMS entstehen. Infineon führt SOC/SOH-Schätzung neben Fehlererkennung, Balancing und Kommunikation als zentrale BMS-Funktionen für Batteriespeicher auf. Für Nicht-Spezialisten ist die hilfreiche Unterscheidung, dass ein angezeigter Batteriezustand kein weiterer Rohsensorkanal ist. Er ist die Arbeitsabschätzung des BMS für einen Zustand, der nicht mit einem einzelnen Sensor gemessen werden kann. (infineon.com)

Diese Messwerte und Schätzungen werden nützlich, wenn das BMS sie in Betriebsgrenzen übersetzt. Eine Batterie, die heiß wird oder sich einer Zellspannungsgrenze nähert, springt nicht immer direkt vom Normalbetrieb in eine vollständige Abschaltung. In gemanagten Systemen kann das BMS angeschlossenen Geräten mitteilen, die Anforderung an die Batterie zu reduzieren. Victron liefert ein konkretes Beispiel: Ein intelligentes CAN-bus BMS kann eine Ladespannungsgrenze, eine Ladestromgrenze und eine Entladestromgrenze an den Systemcontroller senden, der diese Vorgaben dann an angeschlossene Wechselrichter/Ladegeräte und Ladegeräte weitergibt. Diese Grenzen können sich auch dynamisch ändern, wenn sich Zellspannung, state of charge oder Temperatur ändern. Daher ist die Verbindung zwischen BMS und Controller im Normalbetrieb ebenso wichtig wie im Fehlerfall. Wenn sich eine Zelle während des Ladevorgangs einer oberen Grenze nähert, kann eine Reduzierung der erlaubten Ladung die Batterie von dieser Grenze fernhalten, bevor eine harte Trennung notwendig wird. (victronenergy.com)

Schutz kann auch physisch werden. In Hochvolt-Batteriesystemen verbinden und trennen Schütze die Batterie vom Hauptstromkreis. NXP’s BESS Battery-Management-Unit umfasst Interlock-Überwachung und Schützsteuerung und gibt der BMS-Architektur damit eine Möglichkeit, die Batterie zu isolieren, wenn Schutz mehr als eine kommunizierte Grenze erfordert. Das ist eine andere Art von Aktion als normale Leistungsregelung: Die eine steuert, wie stark die Batterie genutzt wird, während die andere die elektrische Verbindung vollständig unterbrechen kann. (nxp.com)

Warum eine Zelle das ganze Pack begrenzen kann

Balancing wird verständlicher, wenn das Pack Zelle für Zelle betrachtet wird. Zellen im selben Pack sind ähnlich, aber kleine Unterschiede in Kapazität und thermischen Bedingungen können dazu führen, dass sie im Laufe der Zeit auseinanderdriften. Texas Instruments weist in einem BESS-Designartikel darauf hin, dass Inkonsistenzen zwischen Zellen und unterschiedliche Kühlbedingungen Ungleichgewicht erzeugen können, während Ungleichgewicht zwischen Packs die maximal nutzbare Energie des ESS reduzieren kann. Auf Zellebene bedeutet das praktisch, dass eine Zelle früher eine Grenze erreichen kann als ihre Nachbarn, sodass ein Teil der potenziellen Energie des Packs ungenutzt bleibt, obwohl andere Zellen weiterarbeiten könnten. (ti.com)

Balancing ist die BMS-Funktion, die versucht, diese Unterschiede nicht zu groß werden zu lassen. Es macht nicht jede Zelle identisch und kann verlorene Kapazität in einer gealterten oder beschädigten Zelle nicht wiederherstellen. Was es leisten kann, ist die Verringerung von Abweichungen, sodass eine Zelle weniger wahrscheinlich wiederholt zum frühen Begrenzer des Packs wird. Die Zellbalancing-Hinweise von Texas Instruments zeigen dasselbe Prinzip: Bei hohem Ungleichgewicht kann die Zelle mit der höchsten Spannung den Ladevorgang früh beenden oder die Zelle mit der niedrigsten Spannung die Entladung früh beenden, wodurch Kapazität in anderen Zellen ungenutzt bleibt. Deshalb gehört Balancing neben Messung und Schutz: Das BMS beobachtet nicht nur den Moment, in dem eine Grenze überschritten wird, sondern steuert auch Bedingungen, die beeinflussen, wie gleichmäßig sich die Zellen dieser Grenze nähern. (ti.com)

Kommunikation vervollständigt das Bild. Ein BMS kann Batteriezustand, Alarme und Betriebsgrenzen externen Geräten bereitstellen, und NXP’s BESS BMU umfasst Ethernet-, CAN FD- und RS485-Schnittstellen zur Verbindung mit einem energy management system. Das BMS übernimmt jedoch nicht die AC/DC-Leistungsumwandlung des PCS und muss auch nicht jede Entscheidung auf Standortebene treffen. Ein übergeordneter Controller kann entscheiden, wann das System laden oder entladen soll; das BMS liefert die batteriebezogenen Informationen und Grenzen, die diese Entscheidungen für das Pack sicher machen. (nxp.com)

Ein nützlicher Weg, ein BMS zu verstehen, besteht daher darin, die Kette von Beobachtung zu Handlung zu verfolgen. Es überwacht Zellen und Packbedingungen, wandelt Messwerte in Batteriezustandsschätzungen um, prüft diese Bedingungen gegen Betriebsgrenzen, balanciert Zellen, die auseinanderdriften, und kommuniziert oder erzwingt Einschränkungen, wenn nötig. Es kann Batterien nicht vor Alterung bewahren, eine schwache Zelle nicht reparieren und die anderen Controller in einem Energiespeichersystem nicht ersetzen. Was es liefert, ist die operative Grenze der Batterie: die Informationen und der Schutz, die dem Rest des Systems erlauben, das Pack zu nutzen, ohne es als einfache Box mit einer Spannung an den Klemmen zu behandeln. Das ist weniger dramatisch als „das Gehirn“, aber viel näher daran, was ein BMS tatsächlich tut.