Battery Management System – Steuerung von Batterien

Das physikalische Grundprinzip einer Batterie hat sich seit einigen Hundert Jahren nicht geändert. Die Anforderungen an Leistungspotenziale hinsichtlich kurzer Ladezeiten, Kapazität und Langlebigkeit von wieder aufladbaren Batteriesystemen wachsen hingegen stetig. Battery Management Systeme (BMS) steuern die Leistungsaufnahme und Leistungsabgabe von Batteriezellen, -modulen und -packs, um modernen Anforderungen an Batterien begegnen zu können. Das BMS ist damit integraler Bestandteil für eine sichere, leistungsstarke und langlebige Batterie, speziell im Hochvoltbereich.

Was ist eine Batterie?

Ob als winzige Knopfzelle in der Uhr, als Stromlieferant für den Akkuschrauber oder für den Antrieb moderner Autos: Batterien sind Energiespeicher, die uns seit einigen Jahrhunderten ermöglichen, Energie dort bereitzustellen, wo sie verbraucht wird. Größte Vorteile einer Batterie sind dabei die Möglichkeit Energie nahezu verlustfrei zu speichern und die Flexibilität des „Stroms zum Mitnehmen“, denn in allen Formen sind Batterien gut zu transportieren. Sprachlich stammt das Wort „Batterie“ aus der Zusammenstellung eines Verbunds.

In diesem Fall entsteht der Verbund durch die Zusammenschaltung mehrerer galvanischer Zellen zur Speicherung von Energie. Je nach Anzahl und Art der zusammengeschalteten Zellen stellt jeder Verbund eine individuelle Batteriekapazität an Strom bereit, deren elektrische Ladung in Amperestunden (Ah) angegeben wird. Liefert eine Batterie nur einmalig Strom bis zur vollständigen Entladung, wird sie als Primärbatterie bezeichnet. Kann man Strom in die Batterie zurückführen und sie dadurch wieder aufladen, wird sie Sekundärbatterie oder umgangssprachlich Akku – kurz für Akkumulator – genannt.

Wie funktioniert eine Batterie?

Heute findet sich am Markt eine Vielzahl an Formen und Arten von Batterien. Seit der Entwicklung von Luigi Galvani 1780 hat sich das Grundprinzip in der Funktionsweise der Batterietechnik nicht geändert: Ein Elektrolyt – ursprünglich eine Säure – leitet Ionen von einem unedlen Metall, beispielsweise Zink, zu einem Edelmetall, wie Kupfer oder Silber. Der dabei entstehende Elektronenfluss ermöglicht die Abnahme von Strom zum Betreiben elektronischer Geräte. Die Batteriechemie unterscheidet sich bei den verschiedenen Arten von Batterien, beispielsweise in der verwendeten Batterieflüssigkeit, und hat so großen Einfluss auf die jeweiligen Batterieeigenschaften.

Welche Arten von Batterien gibt es?

Alkali-Mangan-Batterie:

Dem beschriebenen galvanischen Prinzip folgen heute die meisten Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Die kommerziell erfolgreichste Primärbatterie ist die Alkali-Mangan-Batterie (ugs. Alkaline). Sie kann in großen Stückzahlen sehr günstig produziert werden und spielt insbesondere beim einmaligen Einsatz in Taschenlampen oder Uhren ihre Vorteile aus.

Lithium-Ionen-Akku:

Bei den wieder aufladbaren Batterien hat sich primär der Lithium-Ionen-Akku durchgesetzt. Die Bezeichnung steht für eine ganze Gattungsgruppe von Batterievarianten, die eine hohe Zahl von Neuaufladungen mit nur geringem Leistungsverlust ermöglichen.

LiFePO4 Akku:

Die aktuell am meisten verbreitete Akku Form ist der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator – kurz LiFePO4 Akku. Bei dieser Ausprägung löst Lithium Eisenphosphat das zuvor verwendete Lithium Cobaltoxid ab. Das Ergebnis: Trotz gleicher Leistungsdichte erfolgt eine geringere Hitzentwicklung. Die Selbstentzündung von Akkus lässt sich dadurch nahezu ausschließen. Auch der bis dahin bekannte „Memory-Effekt“ wurde bei Akkus mit dem neuen Material eliminiert. Als flache Bauform bspw. in Handys und Notebooks eingesetzt oder als runde Bauform in den bekannten AA oder AAA Akkus, startete der LiFePO4 Akku mit seiner Erfindung 1997 einen Siegeszug um die Welt.

Solid State Battery:

Feststoffbatterien (auch: Solid State Battery) wurden in der jüngeren Vergangenheit vermehrt entwickelt, um den steigenden Sicherheitsanforderungen in verschiedenen Industriebereichen zu begegnen. Durch die chemische Zusammensetzung und einen anderen Aufbau lässt sich mit Solide State Batterien eine höhere Leistungsdichte als bei Elektrolytbatterien erreichen. Kombiniert mit geringerer Selbstentladung, hoher Robustheit und höherer Unempfindlichkeit gegen Druck und Temperaturschwankungen bietet diese Technik große Vorteile gegenüber klassischen Batterien. Die im Vergleich höhere Komplexität in der Fertigung schiebt den Durchbruch in den Massenmarkt jedoch aktuell noch etwas in die Zukunft.

Hochvoltbatterien:

Hochvoltbatterien kommen zum Einsatz, wenn Spitzenleistung gefragt ist. In ihnen werden einzelne Batteriezellen zu Modulen gekapselt und dann in Reihe geschaltet. So entstehen leistungsstarke Batterien, die mehrere hundert Volt Spannung liefern können. Neben der Nutzung im Photovoltaik Kontext setzen vor allem Automobilhersteller auf diese Bauform von Batterien. Sie ist meist im Fahrzeugunterboden montiert und wird auch als Traktionsbatterie bezeichnet.

Wie sind Batterien aufgebaut?

Der Batterie Aufbau lässt sich auf zwei Wegen definieren: nach Form der Batterie Zelle (auch: Cell Type) oder nach Art der Schaltung (auch: Integration Type). Sehr geläufig sind zylindrische Zellen. Die Cylindrical Cell lässt sich unkompliziert produzieren und hält durch ihre Form und metallische Ummantelung sehr gut mechanischen Beanspruchungen von außen und innen stand. Auch bei Erwärmung dehnt sich eine zylindrische Batteriezelle weniger aus als beispielsweise eine Pouchzelle.

Ein Nachteil: Die runde Form schafft viele Hohlräume bei enger Anordnung nebeneinander, wodurch die volumetrische Energiedichte des Batteriepacks gegenüber anderen Bauformen niedriger ist. Um der Vielzahl an möglichen Ausprägungen bei zylindrischen Zellen zu begegnen, wurde eine normierte Namensgebung erstellt. So wird die bekannte AA-Batterie auch als 14500-Zelle benannt. Die ersten beiden Zahlen beschreiben dabei den Durchmesser, die verbleibenden drei Zahlen die Länge der Zelle in Millimeter. Dieser Logik folgend gibt es beispielsweise auch die landläufig weniger bekannte 18650 Lithium-Ionen-Zelle. Mit ihren 18 mm Durchmesser und 650 mm Länge ist sie eine oft produzierte Bauform und wird auch in Elektroautos genutzt.

Das Platzproblem beim Packaging lösen Pouch Batterien besser (engl.: Pouch – Beutel, Tasche). Hier sind die Bestandteile nicht zylindrisch um einen Kern angeordnet, sondern die Bestandteile werden in gewünschter Form gestapelt, gepresst und abschließend in einer meist aluminiumhaltigen Außenhülle laminiert. Diese Beutelvariante bietet eine große Formflexibilität und eine hohe Leistungsdichte bei geringem Gewicht. Entsprechend anfällig ist sie aber für mechanische Einwirkung. Bei starker Beanspruchung und mit wachsender Lebenszeit bläht sich eine Pouchzelle drei bis zehn Prozent auf – ein Effekt, der bei der Konstruktion umliegender Bauteile berücksichtigt werden muss.

Prismatische Zellen werden auch als Flachzellen bezeichnet und zeichnen sich durch ihre große Gesamtoberfläche aus – resultierend aus der Faltung dünner Lagen. Die Prismatic Cell bietet ein sehr gutes thermisches Verhalten und ist in ein festes, metallisches Gehäuse eingebracht, um mechanischen Beanspruchungen Stand zu halten. Die Kombination aus hoher Robustheit und guter Bauraumausnutzung macht diese Form besonders bei der Herstellung von Elektroautos beliebt.

Die Automobilität stellt hohe Anforderungen an die Leistungsentfaltung einer Batterie. Um diesen gerecht zu werden, wird die Leistungsfähigkeit der einzelnen Akku Zellen über eine intelligente Verbindung skaliert. In Reihe oder parallel montiert formen einzelne Zellen ein Batteriemodul. Diese Module liefern beispielsweise genügend Strom für den Einsatz im Haushalt – in Stabsaugern, Akkuschraubern oder E-Bikes.

Für eine weitere Leistungssteigerung werden mehrere Batterie Module wiederum zu einem Batteriepack zusammengestellt. So entsteht genügend Leistung für ein Energiespeichersystem im Eigenheim, für einen Gabelstapler oder sogar für Kraftfahrzeuge. So werden beispielsweise im Jaguar iPace 12 einzelne Zellen in 36 Modulen zu einem Battery Pack zusammengestellt. Die hohen Betriebsspannungen erfordern dabei eine optimal abgestimmte Steuerung – von der einzelnen Batteriezelle bis hin zum nahtlosen Zusammenspiel der Batteriepacks.

Was ist ein Battery Management System (BMS)?

Im dauerhaft optimalen Zusammenspiel der einzelnen Zellen, Module und Packs liegt bei Lithium Akkus der Schlüssel für Langlebigkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit. Die Hauptaufgabe eines Battery Management Systems (BMS) ist der Schutz der Batterie vor Fehlbedienungen sowie die optimale Aussteuerung von Lade- und Entladeprozessen. Ein aktives Batterie Management System setzt dabei auf mehrere Komponenten gleichzeitig und wird so zu einem smart BMS. Die Vorteile eines Active Battery Management Systems: Es überwacht Alterungs- und Ladezustand sowie Entladungstiefe der Batteriemodule. Es steuert die Ladezyklen intelligent und optimal hinsichtlich Geschwindigkeit, Wärmemanagement oder Überladung.

Einsatzgebiete für Battery Management Systeme

Ein intelligentes Battery Management System spielt immer dann seine Stärken aus, wenn es auf dynamisch wechselnde Anforderungen in der Leistungsbereitstellung in Kombination mit einer besonderen Langlebigkeit von Lithium Akku Systemen ankommt. So beispielsweise im Bereich der Gebäudetechnik bei der Steuerung von energieerzeugenden und -rückgewinnenden Systemen. Auch im Bereich mobiler Unterhaltungselektronik und Kommunikationstechnik sind eine optimale Aussteuerung von Ladegeschwindigkeit, Prozessorperformance und Akkutemperatur relevant.

Besonders hoch sind die Anforderungen an ein Battery Management System im Automotive Bereich. Neben extremen Schwankungen in der Leistungsaufnahme und -abgabe muss die unterbrechungsfreie Stromversorgung (engl. Uninterruptible Power Supply – USV) sichergestellt werden. Insbesondere beim Fahren und Laden in der sengenden Hitze von Las Vegas oder in arktischer Kälte Norwegens stellt die unterbrechungsfreie Stromversorgung von systemkritischen Komponenten hohe Anforderungen an ein Automotive Battery Management System.

Die feste Integration der E-Auto Batterie in die Fahrzeuginfrastruktur macht darüber hinaus das intelligente Ladehandling unverzichtbar – damit die verbaute Batterie lange hält. Beim Elektroauto Laden verhindert ein Ladeschutz im BMS, dass zu viel Strom in die Batterie zugeführt wird und es zu thermischer Instabilität der E-Auto Batterie oder unumkehrbaren chemischen Reaktionen der Batterie kommt. Gleichzeitig stellt das Automotive Battery Management System im Rahmen des Entladeschutzes sicher, dass die Zellen nicht bis zur nahezu vollständigen Erschöpfung ihrer Kapazität genutzt werden. Eine solche Tiefenentladung verkürzt bei Lithium Zellen die Lebenszeit enorm und könnte sie im Extremfall sogar zerstören.

Was bewirkt Battery Thermal Management?

Das Battery Thermal Management ist zentraler Bestandteil eines smart BMS und steuert auf Basis der vorherrschenden Umgebungs- und Batterietemperatur die Stromführung des Batteriesystems optimal aus. Lithium Batterien arbeiten nur in einem Temperaturbereich von 20 bis 30 Grad Celsius ideal. Dank Thermal Management in modernen Fahrzeugen können sie dennoch auch bei Außentemperaturen von 0 bis 40 Grad noch gut geladen werden. Optimal gesteuert geben sie ihre Leistung zwischen -20 und 60 Grad Celsius Außentemperatur auch wieder ab, ohne Schaden zu nehmen.

Das Batterie Thermomanagement hält die Betriebstemperatur durch intelligente Steuerung der Zellen in diesem Bereich. Ein Betrieb außerhalb dieser Grenzen wirkt sich schnell kritisch auf die Lebensdauer, die möglichen Ladezyklen und die Kapazität der Batteriezellen aus. Besonders wichtig ist ein optimales Thermomanagement im Elektroauto. Durch die tiefe Integration in die Fahrzeuginfrastruktur ist der Tausch einer defekten E-Auto Batterie sehr aufwendig und eine Überhitzung oder gar Entzündung der Batterie hat schwere Folgen für das gesamte Fahrzeug. Das Thermal Management trägt also nicht nur zur Langlebigkeit von Akkus bei, sondern ist auch unerlässlich für die Sicherheit in der Anwendung.

Innovationen im Bereich Battery Management Systems

Seit der Entwicklung des Lithium-Eisenphosphat-Akku (LiFePO4) in den 90er Jahren hat sich viel getan. Insbesondere bei den Battery Management Typen (BMS Types) befinden sich weltweit zahlreiche Innovationen in der Entwicklung.

So genannte AI BMS (Artificial Intelligence Battery Management System) sollen selbstlernende Algorithmen in die Batterie bringen. Gespeist von Big Data erreichen die Batterie Informationen, um ihre Reichweite zu optimieren. Mit EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) soll der Gesundheitszustand einer Batterie mathematisch überwacht werden. Dies hilft bei der Einschätzung in Bezug auf die Leistungsfähigkeit der Zelle bei Schnellladung und ermöglicht die Früherkennung von Zellschädigungen. Mit dem Batteriemanagement Sensor TLE9012AQU bietet Infineon schon heute ein Serienprodukt mit diesen Fähigkeiten.

Programmable Battery Management Systems (Programmable BMS) sollen Batteriedaten wie Temperaturwerte, Informationen zur Zellgesundheit und Leistungsdaten überwachen und auswerten. Ein Wireless Battery Management System (Wireless BMS) verknüpft künftig die Zellen über Funk miteinander: So werden weniger Kabel benötigt – das spart Gewicht und kann auch schwer zugängliche Bereiche unkompliziert überbrücken.

Die Zukunft im intelligenten Batteriemanagement hat also gerade erst begonnen. Infineon gestaltet diese Entwicklung aktiv mit und bietet schon heute branchenführende Lösungen. Im Bereich Battery Management Systems sind unsere Lösungen für den Einsatz in Automotive, Photovoltaik und Consumer Produkten übersichtlich zusammengestellt.