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Beispiel: Batterie-Management-System

Mobile Geräte werden sehr häufig mit Lithium-Akkus betrieben. Deren Vorteile im Gewicht steht ein empfindlicheres Betriebsverhalten gegenüber. Abweichungen beim Lastbetrieb (also beim Entladen) oder beim Laden beeinträchtigen die Zuverlässigkeit (und Lebensdauer) des Akkus und können zu Schäden führen (bis hin zu Bränden). Eine wirkungsvolle Maßnahme besteht darin, zwischen Akku und Last eine Überwachungs-Elektronik anzuordnen, die sich um den sicheren Betrieb des Akkus kümmert. Ein solches Gerät wird "Batterie-Management-System" oder "BMS" genannt.

Das BMS dient zum Schutz des Akkus, nicht zum Schutz der Last (also des eigentlichen mobilen Geräts).
Ein BMS besteht aus verschiedenen Baugruppen, die unterschiedliche Funktionen abdecken. Diese sind auf die unterschiedlichen Einsatz-Szenarien eines Akkus ausgerichtet:
  1. Betrieb: Der Akku muss eine hohe Zuverlässigkeit unter (in der Regel) hohen elektrischen Belastungen bieten.
  2. Laden: Nach dem Betrieb wird der Akku wieder aufgeladen. Der Lade-Vorgang muss sich eng an die Hersteller-Vorgaben halten, die gerade bei Lithium-Akkus einen nennenswerten Aufwand (Abschaltschwellen, Zellen-Balancing) bedeuten.
  3. Lagerung: Für die Zuverlässigkeit eines Akkus sind die Lagerungs-Bedingungen zwischen "Laden" und "Betrieb" ausschlaggebend. Es wird empfohlen, Li-Akkus nach wenigen Tagen zu entladen, falls sie nicht genutzt werden.

Ein BMS muss sowohl Daten erfassen (Spannungen, Ströme, Temperaturen), als auch Vorgänge aktiv steuern. So sind viele Schutzmaßnahme mit Leistungs-Schaltern (Power-Switches) verbunden, die durch das BMS aktiviert oder deaktiviert werden (ähnlich wie klassische Schmelzsicherungen, allerdings mit einem komplexeren Auslöse-Verhalten).

Gängige Funktionen bzw. Teil-Aufgaben für ein BMS sind:
  1. Funktionen beim Betrieb
    - Schutz gegen Unterspannung (z.B. bei zu starker Entladung)
    - Schutz gegen Überspannung (z.B. bei regenerativen Lasten)
    - Schutz gegen Überstrom bzw. Kurzschluss (z.B. bei Überlastung oder defekter Last)
    - Sammeln von Betriebs-Daten
  2. Funktionen beim Laden
    - Überwachung des Ladestroms und der Ladespannung mit Abschaltung
    - Zellen-Balancing: Durch geeignete Schaltungen wird die Spannung jeder einzelnen Zelle überwacht und an die anderen Zellen angeglichen.
    - Überwachung der Akku-Temperatur
    - Sammeln von Lade-Daten
  3. Funktionen während der Lagerung
    - Selbst im Ruhe-Zustand ist es ratsam, den Akku-Zustand zu überwachen. Nach einigen Tagen sollte der Akku aktiv entladen werden.
Je nach Anforderung werden auch manche Funktionen weggelassen oder aber weitere hinzugefügt. Das Anwendungs-Spektrum des mobilen Geräts diktiert meist, welche Funktionen grundsätzlich erforderlich sind. Dabei sind Bauraum und Aufwand die entscheidende Kriterien. Dann wird abgeleitet, ob die Funktion direkt am Akku umgesetzt wird (z.B. Schutzmaßnahmen), in dem mobilen Gerät (z.B. Sammeln von Daten) oder extern in einem Service-Gerät (z.B. in einer Lade-Station).

Stellvertretend für viele Teil-Funktionen eines Batterie-Management-Systems sollen im folgenden die Eigenschaften eines Geräts zur Lagerungs-Entladung beschrieben werden. Eigentlich ist die Lagerungs-Entladung ein unbequemer Vorgang, da hierbei auch Energie ungenutzt verheizt wird. Andererseits bietet sich hierbei die ideale Gelegenheit, Aussagen zur Zuverlässigkeit des Akkus zu sammeln. Anders als im Betrieb mit seinem immer leicht anders verlaufenden Ablauf verläuft der Entlade-Vorgang immer gleich ab. Durch diese Wiederholungen lassen sich sehr aussagekräftige Kriterien ableiten, mit denen schleichende Verschlechterungen erkennbar werden. Der Austausch gegen einen frischen Akku ist dann die günstigste Art, die angestrebte Zuverlässigkeit weiterhin sicherzustellen.

Das hier verwendete Gerät wird direkt an die Akku-Stecker gesteckt. Man kann die Lagerungs-Entlade-Schaltung auch innerhalb des BMS anordnen. Das Kriterium für die Entscheidung zwischen einer internen BMS-Lösung und einer externen Geräte-Lösung ist meist die Entlade-Zeit:

  • Bei einer internen Lösung ist man aus Platzgründen eingeschränkt. Dadurch ist aber auch die abführbare Verlustleistung durch die Entladung beschränkt. Dadurch entstehen Entladezeiten von sehr vielen Stunden (bis Tagen).
  • Bei einem externen Gerät kann man deutlich größere Verlustleistungen abführen und damit auch die Entladezeit stark reduzieren. Dieses Gerät ist dann zwar etwas aufwendiger. Allerdings braucht man für mehrere Akkus auch nur ein einziges Gerät, was wiederum Aufwand spart.

Auch die Funktion "Lagerungs-Entladung" kann somit in unterschiedlicher Art realisiert werden. Die vorliegende Lösung hat den weiteren Vorteil, dass unterschiedliche Ausbaustufen bzw. verschiedenen Zubehör nach Bedarf angeschlossen werden kann. So kann eine direkte LCD-Anzeige angeschlossen werden, die die aktuellen Messwerte anzeigt. Es kann aber auch ein Datenspeicher angesteckt werden, mit dem der Entladevorgang genauer dokumentiert wird.

Mit diesem Datenspeicher wurden die folgenden Zeitverläufe ermittelt.

Spannung und Strom

Das linke Diagramm zeigt den Spannungsverlauf. Die kleinen Unregelmäßigkeiten ergeben sich durch das Hinzu- und Abschalten des Entlade-Stroms.

Der Strom (rechtes Diagramm) wird im wesentlichen auf zwei Werte eingestellt. Da die Verlustleistung durch Last-Widerstände umgesetzt wird, führt die sinkende Spannung zu ebenfalls sinkenden Strömen.

Entnommene Ladung

Summiert man den entnommenen Strom auf, erhält man die entnommene Ladung. Dieser Wert (zusammen mit der Entladezeit) ist eine wichtige Kennzahl des Entlade-Vorgangs.

Um vergleichbare Kennzahlen zu erhalten, sind die Niedrigstrom-Phasen wichtig, da sie zu einem standardisierten Verhalten führen.

Zellen-Spannungen

Während der Entladung wird nicht nur die Gesamt-Spannung gemessen, sondern auch die Spannungen der Einzelzellen. Wie das nebenstehende Diagramm zeigt, sind die Spannungsverläufe praktisch deckungsgleich.

Wenn man die Differenz der Zellenspannung auswertet (rechtes Diagramm), sieht man keinen gravierenden Unterschied.

Die statistische Beschreibung dieser Messwerte liefert weitere Kennzahlen zum Zustand des Akkus.

Weitere Informationen

Die LCD-Anzeige liefert nicht nur die aktuellen Daten, sondern auch eine Abschätzung der Restlaufzeit. Addiert man diesen Wert zur aktuellen Zeit, ergibt sich eine Schätzung der Gesamtzeit, die im nebenstehenden Diagramm aufgetragen ist.

Der bewußt einfache Schätz-Algorithmus liefert eine durchaus hilfreiche Richtschnur auf die Frage: "Wie lange dauert es noch?"

Durch die genaue Analyse des Lagerungs-Entladevorgangs kann der eigentlich unbequeme Vorgang als eine wichtige Quelle von Kennzahlen genutzt werden. Die Kennzahlen stellen eine aussagekräftige Bewertungsgrundlage dar, ohne dass deren Gewinnung viel Aufwand macht.

Die hier gezeigten Messungen zeigen, dass diese Kennzahlen schon im Interesse der Datenreduktion eine empfehlenswerte Alternative zu Zeitverläufen sind. Zeitverläufe sind zwar anschaulich, brauchen aber viel Speicherplatz.

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