Wie man ein Gebäudemanagementsystem (BMS) entwirft

Die Einsatzmöglichkeiten von Batteriespeichersystemen erweitern sich stetig, gleichzeitig werden die Marktbedingungen jedoch immer anspruchsvoller. Technische Experten des Batteriemanagementsystems-Entwicklers Brill Power analysierten und diskutierten, wie ein Batteriemanagementsystem (BMS) entwickelt und gebaut werden kann, das eine längere Lebensdauer, Vielseitigkeit und Verfügbarkeit von Batteriespeichersystemen gewährleistet.

Der Betrieb und die Wartung von Batteriespeichersystemen erfordern ein Batteriemanagementsystem (BMS). Das BMS ist eine Kombination aus Elektronik und Software und fungiert als zentrale Steuereinheit des Batteriespeichersystems. Dieser Artikel befasst sich mit dem in Batteriespeichersystemen eingesetzten BMS. Die grundlegendste Funktion eines BMS besteht darin, den Ladezustand der Batterie zu stabilisieren und wichtige Informationen, wie beispielsweise die verfügbare Kapazität, an den Benutzer oder das angeschlossene Batteriespeichersystem zu übermitteln.

Brill Power entwickelt und designt Hardware für Batteriemanagementsysteme (BMS).

Der Spannungsausgleich ist notwendig, da Batteriespeichersysteme typischerweise aus Hunderten oder sogar Tausenden von Zellen bestehen, die jeweils leicht unterschiedliche Kapazitäten und Widerstände aufweisen. Mit der Zeit vergrößern sich diese Unterschiede, da jede Batterie unterschiedlich schnell altert. Ist die Batteriespannung nicht ausgeglichen, erreicht sie bald den Punkt, an dem die Batterie nicht mehr verwendet werden kann.

Die Sicherheit wird durch den Betrieb der Batterie innerhalb sicherer Spannungs-, Strom- und Temperaturbereiche gewährleistet, was insbesondere für Lithium-Ionen-Akkus wichtig ist. Wird eine Batterie überladen, bei zu niedriger Temperatur oder mit zu hohem Strom oder zu hoher Temperatur geladen, besteht die Gefahr einer Fehlfunktion, die einen Brand oder eine Explosion verursachen kann.

Parameter wie nutzbare Kapazität und Leistung lassen sich nicht direkt messen. Daher muss das Batteriemanagementsystem (BMS) Berechnungen auf Basis von Spannungs-, Strom- und Temperaturmessungen durchführen. Diese Berechnung wird als Zustandsschätzung bezeichnet, und ihre Ergebnisse werden an übergeordnete Systeme, wie z. B. Benutzerschnittstellen, weitergeleitet.

Bevor wir uns detaillierter mit den Überlegungen zum Design von Batteriemanagementsystemen (BMS) befassen, ist es notwendig, die verschiedenen BMS-Typen und die branchenspezifischen Anforderungen, die das Design bestimmen, zu verstehen. Zur Klassifizierung von BMS-Typen wird häufig ein Ausgleichsansatz verwendet, wobei auch andere Designaspekte, wie beispielsweise unterschiedliche Ansätze zur Zustandsbestimmung und zum Informationsfluss, eine wichtige Rolle spielen.

Batteriestatus

Batterien gibt es in verschiedenen Größen, die direkt mit ihrer Kapazität zusammenhängen. Lithium-Ionen-Batterien sind beispielsweise in der Regel die kleinsten Batterien. Die niedrigste Spannung von Lithium-Ionen-Batterien kann bis zu 2.5 V betragen (wie bei Lithium-Eisenphosphat-Batterien), die höchste bis zu 4.3 V (wie bei ternären NMC-Lithium-Batterien).

Durch Parallelschaltung von Batterien lässt sich die maximale Stromstärke des Akkus erhöhen. Parallel oder in Reihe geschaltete Batterien werden oft als Superbatterien bezeichnet.

Im Allgemeinen gleichen sich die Spannungen parallelgeschalteter Superzellen selbst aus, sodass keine weitere Regelung erforderlich ist. Ausnahmen bilden neuere Batterien wie Lithium-Schwefel-Batterien sowie Batterien mit flachen Lade-Spannungs-Kennlinien, wie beispielsweise Lithium-Eisenphosphat-Batterien, die mit extremen Lade- und Entladeraten betrieben werden.

Durch die Reihenschaltung von Superzellen lässt sich die Spannung des Akkupacks erhöhen, was vor allem bei Hochleistungsanwendungen zum Einsatz kommt.

Die Energiespeicherkapazität erhöht sich durch das Hinzufügen weiterer Zellen zu einem Akkumulator. Daher erhöht das Hinzufügen eines weiteren Akkumulators parallel zu einem Superakkumulator dessen Energiespeicherkapazität, genau wie das Hinzufügen weiterer Superzellen in Reihe.

Hardware für Batteriemanagementsystem (BMS)

Ausgewogenen Ansatz

Nach Abschluss des Ladevorgangs wird durch passives Balancing Energie (in Form von Wärme) über die Widerstände abgeführt. Dies führt zu einer konstanten Batteriespannung, die andernfalls in eine vollständig geladene Batterie fließen würde. Der Vorteil dieser Methode liegt in den geringen Kosten der elektronischen Bauteile. Der Nachteil besteht darin, dass der Stromfluss durch alle Zellen gleich ist. Das bedeutet, dass die leistungsschwächste Zelle in einem in Reihe geschalteten Akkupack die Energie, Leistung, Lebensdauer und Sicherheit des gesamten Akkupacks beeinträchtigen kann. Aufgrund des höheren Stromverbrauchs der leistungsschwächsten Zelle beschleunigt sich deren Alterungsprozess, was zu lokalen Überhitzungen, reduzierter Kapazität des Akkupacks und sogar zu Sicherheitsproblemen führen kann. Zudem wird während des Ladevorgangs Energie verschwendet. Das passive Batteriemanagementsystem (BMS) kann lediglich den Stromfluss im Akkupack überwachen und diesen im Fehlerfall über den Trennschalter unterbrechen.

Wird ein bidirektionaler Informationsfluss implementiert, können Systemparameter wie Betriebseinstellungen angepasst werden, um entweder die Akkulaufzeit oder die Leistung zu optimieren. Eine längere Akkulaufzeit erfordert weniger Lade- und Entladevorgänge, was jedoch die verfügbare Kapazität oder Leistung verringert. Eine höhere Leistung hingegen erfordert mehr Lade- und Entladevorgänge, was die Akkulaufzeit verkürzt.

Aktives Balancing wird typischerweise durch einen Niedrigstrom-Bypass erreicht. Dieser Schaltkreis liefert einen geringeren Ladestrom an eine noch nicht vollständig geladene Batterie, anstatt die Energie als Wärme abzuführen. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes ist die erhöhte Ladeeffizienz, die wichtig sein kann, wenn die verfügbare Ladeenergie effizient genutzt werden muss. Für die meisten Anwendungsfälle rechtfertigt aktives Balancing jedoch nicht die zusätzlichen Komponentenkosten. Wie beim passiven Balancing beschleunigt eine höhere Stromaufnahme von Zellen mit geringerer Leistung den Zellverschleiß und kann zu Hotspots führen.

Brill Power erhält Patent für die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Batteriesteuerung und -verwaltung

Brill Power ist ein Spin-off der Universität Oxford. Ihre Forschung ergab, dass der Strom der Superbatterie permanent an die jeweiligen Batteriebedingungen angepasst werden muss. Dadurch wird sichergestellt, dass die gesamte verfügbare Energie optimal genutzt wird, ohne die Lebensdauer des Akkus zu beeinträchtigen, und der Verschleiß schwächerer Zellen verlangsamt wird.

Die Sicherheitsvorteile der vollständigen Stromregelung umfassen die Vermeidung von Hotspots durch Reduzierung des Stromflusses in hochohmigen Batterien, die rechtzeitige Trennung der Batterie und die Behebung möglicher Ausfälle. Dieser Ansatz bietet zudem den Vorteil einer Spannungsregelung auf Systemebene, wodurch die direkte Integration von Batterien mit Gleichstromquellen wie Solarkraftwerken, Brennstoffzellen und anderen Batterietypen sowie mit Gleichstromverbrauchern wie Ladegeräten für Elektrofahrzeuge möglich ist. Die Komponentenkosten dieses Ansatzes sind zwar einzeln betrachtet höher als die eines passiv balancierten Batteriemanagementsystems (BMS), auf Systemebene jedoch niedriger.

Die Kosten von Batteriespeichersystemen lassen sich senken, indem man die Batteriegröße bei gleicher Leistung reduziert und auf zusätzliche Hardware (wie DC/DC-Wandler oder Wechselrichter) verzichtet. Laut einer Analyse von Brill Power können die Gesamtbetriebskosten durch eine längere Batterielebensdauer um 60 % gesenkt werden.

Weitere Ansätze für Batteriemanagementsysteme (BMS) umfassen die kaskadierte Zellenumgehung und die Wechselrichterintegration, werden aber aufgrund ihrer begrenzten Anwendbarkeit hier nicht weiter behandelt.

Eine kurze Beschreibung der verschiedenen Batteriemanagementsysteme (BMS).

Zustandsschätzung

Die Schätzung des Ladezustands (SoC) und des Gesundheitszustands (SoH) basiert auf einer Kombination aus Batteriemodellen und Schätzalgorithmen. Der Grad an Komplexität und Genauigkeit der Zustandsschätzung sowie das zugrunde liegende Batteriemodell hängen stark von der verwendeten Hardware ab, die hier zur Unterscheidung der verschiedenen Ansätze herangezogen wird.

Integrierte Schaltungen (ICs) werden in den meisten herkömmlichen Batteriemanagementsystemen (BMS) zur Zustandsbestimmung eingesetzt. Die integrierte Schaltung ist fest mit einem spezifischen Batteriemodell und einem Zustandsbestimmungsalgorithmus verdrahtet. Der Vorteil integrierter Schaltungen liegt in den geringen Kosten, der Nachteil in der begrenzten Flexibilität und Genauigkeit des Systemdesigns. Diese Nachteile verstärken sich tendenziell mit der Zeit. Die Designflexibilität ist eingeschränkt, da integrierte Schaltungen typischerweise für spezifische Batterien mit spezifischen Spezifikationen entwickelt werden.

Ändert sich der Batterietyp oder die Spezifikation, muss auch der integrierte Schaltkreis (IC) angepasst werden. Die Gründe für die begrenzte Messgenauigkeit und die stetige Verschlechterung sind: (1) Die Zustandsbestimmung des integrierten Schaltkreises basiert auf einer verallgemeinerten Darstellung der Batterie, die die subtilen thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften nicht erfasst. Diese können je nach Hersteller, Spezifikation und Charge variieren. (2) Die begrenzte Rechenleistung integrierter Schaltkreise schränkt die Komplexität und Genauigkeit der Zustandsbestimmungsalgorithmen und der zugrunde liegenden Batteriemodelle ein. (3) Die Batterieeigenschaften ändern sich mit der Zeit, während festverdrahtete IC-Algorithmen diese Eigenschaften nicht erfassen. Dies führt mit der Zeit zu zunehmend ungenauen Ergebnissen.

Stattdessen können Mikroprozessoren mit komplexeren, präziseren Batteriemodellen und Zustandsabschätzungsalgorithmen programmiert werden, die sich genau auf spezifische Batterieeigenschaften und -spezifikationen abstimmen lassen. Durch die Aktualisierung der Parameter des Zustandsabschätzungsalgorithmus und des Batteriemodells kann auf sich ändernde Batterieeigenschaften reagiert werden, was zu einer genaueren Leistungsabgabe über die Zeit führt. Die Hardware ist mit jedem Batterietyp kompatibel und bietet somit maximale Designflexibilität. Der Nachteil können höhere Komponentenkosten sein, abhängig von den benötigten Funktionen und der Rechenleistung.

Informationsfluss

In den meisten Batteriespeichersystemen ist ein unidirektionaler Informationsfluss üblich: Parameterinformationen fließen vom Batteriemanagementsystem (BMS) an übergeordnete Systeme und Benutzerschnittstellen. Stellt der Batteriehersteller ein BMS bereit, sind weniger detaillierte Informationen verfügbar, die als sensibel gelten könnten. Die wichtigsten Informationen betreffen jedoch Sicherheit und Leistung, darunter Kennzahlen wie Ladezustand (SoC) und Gesundheitszustand (SoH).

Bei Verwendung eines Mikrocontrollers kann das Batteriemanagementsystem (BMS) Eingabeparameter verarbeiten, wie z. B. die Änderung von Betriebseinstellungen wie der maximal und minimal zulässigen Batteriespannung oder des SoC, oder sogar die Aktualisierung des Batteriemodells oder des Zustandschätzungsalgorithmus, um dessen Genauigkeit zu erhalten, wodurch ein bidirektionaler Informationsfluss möglich wird.

Entwurf und Entwicklung eines Batteriemanagementsystems (BMS)

Sobald der geeignete Batteriemanagementsystem-Typ (BMS) identifiziert ist, kann die Konstruktion und Entwicklung beginnen. Die wichtigsten Faktoren bei der Entwicklung eines Batteriemanagementsystems (BMS) sind das Team und dessen Expertise.

Die Entwicklung von Batteriemanagementsystemen (BMS) war traditionell das Gebiet von Elektrotechnikern, die zwar hervorragend Schaltungen entwerfen können, aber oft wenig über die Funktionsweise von Batterien wissen. Die Entwicklung eines optimalen Batteriemanagementsystems (BMS) erfordert Kenntnisse und Fähigkeiten in Elektrochemie, Physik, Elektrotechnik und Elektronik, Firmware-Entwicklung und Datenwissenschaft.

Mit dem richtigen Team an Bord ist die Einhaltung von Vorschriften und Branchenstandards oberstes Gebot, da dies sowohl die Hardware- als auch die Softwareentwicklung beeinflusst. Manche Vorschriften und Standards sind länderspezifisch.

Während die meisten Vorschriften und Normen für Batteriespeichersysteme gelten, finden einige Vorschriften, darunter auch Gefahrstoffvorschriften wie RoHS und REACH in Europa, Anwendung und Systemspezifikation auf alle elektronischen Bauteile Anwendung. Die relevanten Branchennormen hängen hauptsächlich von der Anwendung und den Systemspezifikationen ab. Typischerweise wird zwischen Energiespeichern für Privathaushalte und Industrie sowie zwischen Nieder- und Hochspannung unterschieden.

Relevante Normen für industrielle Energiespeichersysteme sind IEC 62619, UL 1973, UL 9549 und VDE-AR-E 2510-50. Produkt- und Funktionssicherheit sind die wichtigsten Aspekte dieser Normen. Obwohl das Batteriemanagementsystem (BMS) nicht als eigenständige Komponente zertifiziert werden muss, schließt dies eine Zertifizierung des gesamten Batteriespeichersystems nicht aus. Daher wird empfohlen, die zukünftige Konformität mit den Normen von einer unabhängigen Prüf- und Zertifizierungsstelle wie DNV prüfen und bewerten zu lassen.