Was verwaltet ein Batteriemanagementsystem (BMS)?

In Fahrzeugen mit neuer Energie, Energiespeicherkraftwerken und Lithiumbatteriegeräten hängt der sichere, effiziente und langlebige Betrieb von Lithiumbatteriepaketen stark von einem BMS (Batteriemanagementsystem) ab. Viele Menschen wissen nur, dass Batterien Strom haben und Energie speichern können, aber sie wissen nicht, dass das BMS das entscheidende „Gehirn“ der Batterie ist. In diesem Artikel werden fünf Kernfunktionen zusammengefasst und die wichtigsten Aspekte des vom BMS verwalteten Batteriemanagements vollständig aufgeschlüsselt.

Der gesamte BMS-Chip arbeitet in fünf Dimensionen und bildet einen vollständigen geschlossenen Kreislauf für das Batteriemanagement: Erfassung, Schutz, Ausgleich, Wärmemanagement und Kommunikation.

1. Wahrnehmung:Echtzeitüberwachung, Verstehen des vollständigen Batteriezustands

Das BMS ist wie die „fünf Sinne“ der Batterie und erfasst kontinuierlich rund um die Uhr drei Kerndatenpunkte: Spannung, Strom und Temperatur. Durch die Gesamtspannung, die Spannung einzelner Zellen, den Gesamtstrom des Stromkreises und die Erfassung von Temperaturdaten an mehreren Punkten werden die Echtzeit-Betriebsbedingungen jeder Zelle genau erfasst und so die Datengrundlage für alle Funktionen bereitgestellt.

2. Schutz:Vierfacher Schutzschild zum Schutz der Batteriesicherheit. Basierend auf den von Sensoren gesammelten Daten verfügt das BMS über einen vier{2}schichtigen Sicherheitsschutzmechanismus, um die Risiken von Batteriebränden, -beulen und -ausfällen auszuschließen: Überladeschutz, Tiefentladungsschutz, Überstromschutz und Übertemperaturschutz. Sobald die Daten einen gefährlichen Schwellenwert erreichen, wird der Stromkreis sofort unterbrochen und die Leistung begrenzt.

3. Auswuchten:Zellkoordination für synchronisiertes Laden und Entladen. Lithium--Ionen-Akkus bestehen aus Dutzenden oder sogar Hunderten von in Reihe geschalteten Zellen. Unterschiede in der Zellenkapazität und -spannung können zwischen der Fabrik und dem Langzeitgebrauch auftreten, und der „schwächste Glied“-Effekt verringert die insgesamt nutzbare Kapazität des Akkus erheblich. Die Ausgleichsfunktion vereinheitlicht die Zellspannung, eliminiert Spannungsunterschiede und verbessert die Gesamtkapazität und Lebensdauer der Batterie.

4. Wärmemanagement:Aufrechterhaltung einer optimalen Batteriebetriebstemperatur. Die Leistung von Lithium--Ionenbatterien ist stark von der Temperatur-abhängig: Das Laden bei niedrigen-Temperaturen führt leicht zur Lithiumplattierung und Zellschäden, während das Laden und Entladen bei hohen-Temperaturen die Verschlechterung beschleunigt und ein Sicherheitsrisiko darstellt. Das BMS aktiviert in Verbindung mit dem Wärmemanagementsystem Heizelemente, um die Batterie bei niedrigen Temperaturen vorzuwärmen, und aktiviert Lüfter und Flüssigkeitskühlrohre, um bei hohen Temperaturen Wärme abzuleiten, wodurch die Batterie in ihrem optimalen Betriebsbereich bleibt.

5. Kommunikation:Auf- und Abwärtskommunikation, die den Informationsaustausch zwischen Fahrzeug und Benutzer erleichtert.

Das BMS fungiert als externer „Sprecher“ der Batterie. Intern sammelt es Daten von jeder Zelle über eine Daisy-{1}Chain-Verbindung. Extern interagiert es über den CAN-Bus mit der VCU und den Ladestationen des Fahrzeugs und synchronisiert gleichzeitig Daten mit der Cloud und einer mobilen App. Es kann Leistungs- und Batteriestandssignale an das Fahrzeug ausgeben und dem Besitzer die verbleibende Reichweite und den Batteriezustand anzeigen.

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1. Umfassende Sammlung von Batterie-Rohdaten

Das BMS basiert auf vier Arten von Datenerfassungshardware, um die Datenerfassung zu erreichen:

• Gesamtspannungsmessung: Erkennt die Gesamtspannung des Akkupacks, um die Gesamtenergiereserve zu bestimmen;
• Messung der Einzelzellenspannung: Erfasst die Spannung jeder einzelnen Zelle, um fehlerhafte Zellen mit abnormaler Spannung genau zu lokalisieren;
• Gesamtstrommessung: Überwacht den Strom des Lade- und Entladekreises, um die Lade- und Entlademenge zu berechnen;
• Mehrpunkt-Temperaturmessung: Setzt Temperatursonden an mehreren Stellen innerhalb des Akkus ein, um den Anstieg der Zellentemperatur in Echtzeit zu überwachen.

Nach der Erfassung der Rohdaten berechnet das BMS automatisch vier zentrale Zustandsparameter und wandelt die Rohdaten in effektive Informationen um, die Benutzer und Fahrzeug verstehen können.

2. Vier-facher Schutzschild

Wenn ungewöhnliche Daten erkannt werden, aktiviert das BMS sofort einen abgestuften Schutz, um das Risiko eines thermischen Durchgehens an der Quelle zu beseitigen:

• Überladeschutz: Wenn die Zellenspannung während des Ladevorgangs ihren oberen Grenzwert erreicht (4,25 V bei herkömmlichen Lithiumbatterien), wird der Ladestromkreis automatisch getrennt, wodurch ein weiteres Laden und ein Ausbeulen der Zelle sowie ein Brand verhindert werden.
• Über-Schutz vor Überentladung: Wenn die Entladespannung auf ihren unteren Grenzwert (2,8 V bei herkömmlichen Lithiumbatterien) abfällt, wird die Entladeleistung unterbrochen, um dauerhafte Schäden durch Tiefentladung der Zellen zu verhindern.
• Überstromschutz: Wenn der Lade-/Entladestrom den Sicherheitsschwellenwert überschreitet, wird die Sicherung oder der Hochspannungsschalter ausgelöst, um die Zelle zu unterbrechen. Dadurch wird verhindert, dass ein hoher Strom die Zelle zerstört.
• Übertemperaturschutz: Wenn die Batterietemperatur den Sicherheitsgrenzwert (normalerweise 55 Grad) überschreitet, wird die Ausgangsleistung begrenzt oder sogar abgeschaltet, wodurch Kühlung und Wärmeableitung eingeleitet werden.

Kurz gesagt: Die Wahrnehmung erfolgt durch die Augen des BMS, der Schutz durch seine Hände und Füße. Nur wenn die Gefahr genau erkannt wird, können schnell Maßnahmen zum Schutz der Batteriesicherheit ergriffen werden.

1. Zellausgleich: Überwindung des Fasseffekts und Maximierung der Batteriekapazität
Wenn mehrere Zellen parallel oder in Reihe geschaltet sind, entsteht ein erheblicher Spannungsunterschied: Während des Ladevorgangs wird die Zelle mit der höchsten Spannung zuerst vollständig aufgeladen, wodurch das System gezwungen wird, den Ladevorgang zu stoppen, während die verbleibenden Zellen mit niedriger{0}}Spannung nicht vollständig aufgeladen werden können; Beim Entladen wird die Zelle mit der niedrigsten Spannung zuerst entladen, wodurch das System zum Abschalten gezwungen wird, während die Hochspannungszellen noch eine große Ladungsmenge behalten. Hierbei handelt es sich um den Fasseffekt, bei dem die schwächste Verbindungszelle die insgesamt nutzbare Kapazität des Akkupacks bestimmt. Das BMS gleicht die Zellspannungsdifferenz durch zwei Ausgleichsmethoden aus:

Passives Balancing:Verlässt sich auf Widerstände, um überschüssige Ladung von Hochspannungszellen als Wärme abzuleiten. Diese Methode ist einfach im Aufbau und kostengünstig, allerdings wird Energie verschwendet. Es wird hauptsächlich in kostengünstigen-Energiespeichern und Geräten mit niedriger{4}}Geschwindigkeit eingesetzt.

Aktives Balancieren:Verwendet Kondensatoren und Induktoren als Energieträger, um überschüssige Ladung von Hochspannungszellen auf Niederspannungszellen zu übertragen. Diese Methode verursacht keine Energieverschwendung und weist eine hohe Ausgleichseffizienz auf. Sie wird häufig in Mainstream-Fahrzeugen mit neuer Energie und High-End-Energiespeichern eingesetzt.

Nach dem Ausgleich sind die Zellspannungen konstant, was die nutzbare Kapazität des Akkupacks erhöht und seine Zyklenlebensdauer deutlich verlängert.

2. Zweischichtiges Kommunikationsnetzwerk für Dateninteroperabilität

Die BMS-Kommunikation besteht aus zwei Netzwerken: intern und extern.

• Interne Kommunikation (Daisy-Chain): Zellerfassungschips werden in Reihe geschaltet, um synchron Spannungs- und Temperaturdaten von jeder Zelle zu erfassen, die dann an die Hauptsteuerungs-MCU aggregiert werden.
• Externe Kommunikation (CAN-Bus + Cloud): Interagiert mit der Fahrzeugsteuerung (VCU) und den Ladesäulen über CAN-Leitungen; Gleichzeitig werden Daten auf die Cloud-Plattform und die mobile App hochgeladen, sodass Besitzer jederzeit den Batteriestand, die Reichweite, den Batteriezustand und Fehleralarme überprüfen können.

Lithiumbatterien sind extrem temperaturempfindliche Energiespeicherkomponenten: Niedrige Umgebungstemperaturen können während des Ladevorgangs zu Lithiumablagerungen in den Zellen führen, wodurch die Batteriekapazität dauerhaft beeinträchtigt wird. Kontinuierliches Laden und Entladen mit hoher-Leistung bei hohen Temperaturen beschleunigt die Zersetzung des Elektrolyten und führt leicht zu einem thermischen Durchgehen. Das BMS (Batteriemanagementsystem) arbeitet mit dem gesamten Wärmemanagementsystem zusammen, um eine bidirektionale Temperaturregelung zu erreichen:

• Niedrig{0}}Temperaturbedingungen: Eingebaute-Heizelemente werden aktiviert, um den Akku gleichmäßig zu erwärmen, sodass das Laden und Entladen mit hoher-Leistung erst nach Erreichen einer geeigneten Temperatur möglich ist;
• Hohe-Temperaturbedingungen: Kühlventilatoren und Flüssigkeitskühlrohre werden aktiviert, um den Zellen Wärme zu entziehen, wodurch die Gesamttemperatur des Batteriesatzes sinkt und gleichzeitig die Ausgangsleistung begrenzt wird, um eine weitere Überhitzung zu verhindern. Eine stabile Temperaturkontrollumgebung ist entscheidend für die Verlängerung der Batterielebensdauer und die Vermeidung von Sicherheitsunfällen.

Wenn wir einen Lithiumbatteriesatz mit einem Lagerhaus und die Zellen mit Regalen vergleichen, in denen elektrische Energie gespeichert ist, dann ist das BMS der Allround-Manager, der als Butler, Leibwächter, Arzt und Koordinator fungiert:

Ganz gleich, ob es sich um Personenkraftwagen mit neuer Energie, elektrische Dreiräder, Elektrofahrräder, industrielle und kommerzielle Energiespeicher oder tragbare Lithiumbatteriegeräte handelt, ein gut konzipiertes und voll funktionsfähiges BMS ist eine Grundvoraussetzung für den sicheren und stabilen Betrieb von Lithiumbatteriesystemen und eine unverzichtbare Kernkomponente in den Forschungs-, Entwicklungs-, Produktions- und Recyclingprozessen der Lithiumbatterieindustrie.

Wir bieten Lithiumbatterie-BMS und BMS-Testgeräte an. Bei Fragen können Sie sich gerne an uns wenden.

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