Adventskalender 2018

Türchen Nr. 4: Batteriemanagementsystem (BMS) – Sensorik und Aufgaben

Prinzip der Batterieüberwachung

Das BMS hat die Aufgabe, die optimale Leistungsfähigkeit und die maximale Lebensdauer der Batterie sicher zu stellen. Dazu überwacht es permanent den Batteriezustand anhand der Batteriespannung, des Batteriestroms sowie der Batterietemperatur.

Um diese Daten detektieren zu können, befinden sich an den Batteriemodulen respektive an den Zellen Sensoren, die die jeweiligen Spannungs- und Temperaturwerte erfassen. Zum Messen des Stroms, der aus oder in die Batterieeinheit fließt, dient ein Stromsensor (eventuell auch mehrere).

Anhand der vorliegenden Informationen errechnet die Elektronik des BMS folgende Parameter:

  • State of Charge (SoC): Englische Bezeichnung für den Batterieladezustand, der Auskunft darüber gibt, wie viel beziehungsweise wie lang die Batterie noch Energie bereitstellt respektive aufnehmen kann.
  • State of Function (SoF): Beschreibt die Leistungsfähigkeit (Power) der Batterie. Also mit wieviel kW kann der Energiespeicher den Motor versorgen. Die Leistungsfähigkeit lässt mit zunehmendem Batteriealter nach.
  • State of Health (SoH): Beschreibt den Alterungszustand der Batterie. Ein Kriterium dafür ist, welche Ladungsmenge die Zellen noch aufnehmen. Das Aufnahmevermögen lässt mit zunehmendem Alter nach.

Diese Zustandsgrößen, insbesondere der Ladezustand sind maßgeblich für die Regelung des Hochvolt-Elektroantriebs.
In Hybridfahrzeugen entscheidet das HV-Steuergerät anhand des Ladezustands, ob der Elektromotor arbeiten kann oder ob dies nicht mehr möglich ist. Dazu muss man wissen: Auch wenn die Ladestandsanzeige im Cockpit dem Fahrer einen Ladestand zwischen 100 und 0 Prozent anzeigt, werden die HV-Batterien tatsächlich nie vollkommen auf- oder entladen. In der Regel liegt die Obergrenze bei 80 bis 90 Prozent der theoretisch möglichen Maximalkapazität, die Untergrenze bei etwa 15 bis 20 Prozent, vielleicht auch weniger. Würde die Batterie unter beziehungsweise über diese Grenzen ent- oder geladen, ginge das zu Lasten der Lebensdauer.

Nicht zuletzt um ein Überladen zu vermeiden, hat der Ladezustand Einfluss auf die Intensität der Bremsenergie-Rückgewinnung. Logischerweise fällt bei geringem ‚Batteriefüllstand’ der Ladestrom höher aus wie bei voller Batterie.

Neben dem Ermitteln des Batteriezustands und der Laderegelung zeichnet das BMS für das sogenannte Batteriebalancing und die Temperaturüberwachung verantwortlich. Letzteres basiert auf den Informationen der Temperatursensoren und ist für die Batteriekühlung bedeutsam. Details dazu im Abschnitt 5.5.2 ab Seite 113.

Die volle Kapazität von HV-Batterien wird aus Gründen der Langlebigkeit nie komplett ausgeschöpft. Das heißt, der SoC bewegt sich stets innerhalb eines definierten Bereichs (siehe Bild).

Bild 5.23 – Ober-Untergrenze: Beispiel für Ladebereiche einer Batterie in Plug-in-Hybriden.

Zu Plug-In Hybriden sollte man außerdem wissen: Nachdem die Batterie durch rein elektrisches Fahren entladen ist, wird für den noch möglichen Hybridmodus nur noch ein geringer Kapazitätsbereich des Energiespeichers genutzt (siehe die gestrichelten Linien im Bild). Denn bei den meisten Plug-in-Varianten ist das System so gestaltet, dass sich die Batterie nur an der Steckdose, jedoch nicht während der Fahrt voll aufladen lässt. Volkswagen nennt dieses Fenster für seinen Plug-in Golf VII SoC-Sustainung-Mode, was sich mit ,Ladungserhaltung’ übersetzen lässt.

Batterie-Balancing

Zu einem modernen Batteriemanagement gehört das Batterie-Balancing, das ein wesentlicher Faktor für den sicheren, effizienten und langlebigen Betrieb von Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist. Unter Balancing versteht man die exakte Spannungsregelung der einzelnen Batteriemodule beziehungsweise der darin integrierten Batteriezellen. Im Klartext: Durch Balancing werden alle Zellen auf einem annähernd gleichen Spannungslevel gehalten. Um das zu realisieren, sind die
Module/Zellen mit Elektronikboards verbunden (siehe Bild unten). Neben dem kontinuierlichem Überwachen der einzelnen Zellspannungen, des Batteriestroms sowie der Temperatur dienen die Boards auch dazu, den Ladezustand der Zellen anzugleichen. Sobald eine Zelle das definierte Spannungsfenster überschreitet, wird sie durch eine spezielle elektronische Schaltung entladen. Im Anschluss gleicht das mit der Steuereinheit des BMS verbundene Elektonikboard die Spannungen aller Zellen aus.

Bild 5.24 – Ausgeklügelt: Fahrzeuge mit einem intelligenten BMS und Lithium-Ionen-Batterie verfügen über eine sehr engmaschige Überwachung der Batteriemodule beziehungsweise der darin integrierten Zellen. Elektronikboards, die entweder direkt auf den einzelnen Modulen sitzen oder außerhalb angebracht und mit den Modulen verbunden sind, erfassen die Zellspannungen und -temperaturen sowie den Batteriestrom. Auch dienen die Boards zur exakten Regelung der Spannung.

 

Dieses Kapitel ist in folgendem Fachuch erschienen

Hybrid- und Elektrofahrzeuge

3. aktualisierte Auflage 2018, von Torsten Schmidt, 200 Seiten, 39,95 Euro

Torsten Schmidt liefert eine umfassende Übersicht über moderne Hybrid- und Elektro-Antriebe. Was bei der professionellen Wartung und Reparatur an Hochvolt-Komponenten in der Kfz-Werkstatt zu beachten ist, erklärt er an zahlreichen Praxisbeispielen. Ein Blick in die Zukunft zum Thema Brennstoffzelle, 48-V-Bordnetz und Air-Hybrid runden das Buch ab.

Inhalt:

  • Antriebskonzepte und Topologien von Hybrid- und Elektrofahrzeugen.
  • Die Hochvoltanlage (HV) – modifizierte Systeme.
  • Praxiswissen: HV-Anlage, HV-Batterien, Service-Disconnect.
  • Arbeiten an HV-Fahrzeugen: Motorwäsche, Lackierarbeiten, Abschleppen, Abstellen von (verunfallten) HV-Fahrzeugen, Klimaservice.

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