Aufgrund der spezifischen Eigenschaften von Lithiumbatterien ist der Einsatz eines Leistungselektronikmoduls (PCM) oder eines Batteriemanagementsystems (BMS) unerlässlich. Batterien ohne Schutzmodule oder Managementsysteme dürfen nicht verwendet werden, da sie erhebliche Sicherheitsrisiken bergen. Sicherheit hat bei Batteriesystemen stets höchste Priorität.
Ohne angemessenen Schutz oder sachgemäße Handhabung können Batterien Risiken wie verkürzte Lebensdauer, Beschädigung oder Explosionen ausgesetzt sein. (PCM: Leistungsschaltkreismodul) werden hauptsächlich in Konsumprodukten wie Mobiltelefonen und Laptops eingesetzt. Batteriemanagementsysteme (BMS) werden hauptsächlich zur Stromversorgung von Batterien in großtechnischen Systemen wie Elektrofahrzeugen, E-Bikes und Energiespeichern eingesetzt.
Die Hauptfunktionen des Batterieschutzsystems (PCM) umfassen den Schutz vor Überladung (OVP), Tiefentladung (UVP), Überhitzung (OTP) und Überstrom (OCP). Bei Auftreten einer Störung schaltet sich das System automatisch ab, um die Systemsicherheit zu gewährleisten.
Zu den Hauptfunktionen eines Batteriemanagementsystems (BMS) gehören neben grundlegenden Schutzfunktionen auch die Messung von Batteriespannung, -temperatur und -strom, der Energieausgleich, die Berechnung und Anzeige des Ladezustands (SOC), Fehlermeldungen, das Lade-/Entlademanagement sowie die Kommunikation. Einige BMS-Systeme integrieren zusätzlich Wärmemanagement, Batterieheizung, Zustandsanalyse (SOH) und Isolationswiderstandsmessung.
- 1. Lithium-Batterieschutz
Ähnlich wie PCM bietet es Schutz vor Überladung, Tiefentladung, Überhitzung, Überstrom und Kurzschlüssen. Für Standard-Lithium-Mangan-Batterien und ternär Lithiumbatterien, Das System unterbricht automatisch den Lade- oder Entladekreis, wenn die Spannung einer Zelle 4,2 V überschreitet oder unter 3,0 V fällt. Überschreitet die Batterietemperatur den Betriebsbereich oder der Strom die Entladegrenze der Batterie, unterbricht das System automatisch den Stromkreis, um die Sicherheit von Batterie und System zu gewährleisten.
- 2. Energiebilanz
Der gesamte Akku, bestehend aus zahlreichen in Reihe geschalteten Zellen, weist nach längerem Betrieb deutliche Leistungsschwankungen auf. Diese Abweichungen resultieren aus zellbedingten Ungenauigkeiten und Schwankungen der Betriebstemperatur, was die Lebensdauer des Akkus und die Systemleistung erheblich beeinträchtigt. Durch aktives oder passives Lade-/Entlademanagement werden diese Unterschiede zwischen den einzelnen Zellen ausgeglichen, wodurch die Zellkonsistenz gewährleistet und die Lebensdauer des Akkus verlängert wird.
In der Branche werden im Allgemeinen zwei Arten von Ladeausgleichsverfahren angewendet: passiver und aktiver Ladeausgleich. Beim passiven Ladeausgleich wird der Ladungsausgleich primär durch Ableitung überschüssiger Ladung mittels Widerständen erreicht, während beim aktiven Ladeausgleich Ladung von Batterien mit höherem Ladezustand über Kondensatoren, Induktivitäten oder Transformatoren auf solche mit niedrigerem Ladezustand übertragen wird. Ein Vergleich von passivem und aktivem Ladeausgleich ist in der folgenden Tabelle dargestellt.
| Vergleichsartikel | Passive Entzerrung | Aktive Balance |
| Ausgleichsmethode | Widerstandsverlust | Induktivitätsübertragung |
| Gleichgewichtseffizienz | Niedrig | Hoch |
| Lösungsreife | Reifen | Reifer |
| Systemkomplexität | Niedrig | Hoch |
| Systemkosten | Niedrig | Hoch |
Aufgrund der relativen Komplexität und der höheren Kosten aktiver Entzerrungssysteme bleibt die passive Entzerrung der gängigste Ansatz.
- 3. SOC-Computing
Die Berechnung der Batteriekapazität ist ein kritischer Bestandteil des Batteriemanagementsystems (BMS), da viele Systeme eine relativ genaue Kenntnis der verbleibenden Ladung erfordern. Dank technologischer Fortschritte wurden zahlreiche Methoden zur Berechnung des Ladezustands (SOC) entwickelt. Für Anwendungen mit geringeren Genauigkeitsanforderungen kann die verbleibende Kapazität anhand der Batteriespannung geschätzt werden. Zu den präziseren Methoden zählen die Stromintegration (auch bekannt als Ah-Methode), bei der Q = ∫i dt berechnet wird, sowie Methoden zur Bestimmung des Innenwiderstands, neuronale Netze und Kalman-Filter. Die Stromintegrationsmethode gilt weiterhin als Industriestandard.
- 4. Kommunikation
Unterschiedliche Systeme haben unterschiedliche Anforderungen an die Kommunikationsschnittstellen, wobei SPI, I2C, CAN und RS485 zu den gängigen Optionen gehören. Automobil- und Energiespeichersysteme nutzen vorwiegend CAN und RS485.