Batteriemanagementsysteme

Aus der Praxis kennen wir wiederaufladbare Batterien für Kleingeräte wie den Wecker. Die leeren Batterien werden mit einem Ladegerät verbunden und nach entsprechend langer Wartezeit sind sie wieder aufgeladen und damit funktionsfähig. Doch ganz so einfach, wie scheint, ist es nicht. Denn der Ladevorgang von Batterien ist eine komplexe Angelegenheit, bei dem die Batterien durch Überladen oder zu starke Erwärmung beschädigt werden können. Das zu verhindern, ist unter anderem Aufgabe des Batteriemanagements oder Batteriemanagementsystems (auch Battery Management System oder kurz BMS).

Immer mehr Nutzerinnen und Nutzer von Photovoltaikanlagen ergänzen die Solarstromerzeugung durch einen Stromspeicher. So können sie mehr von der selbsterzeugten und vor allem günstigen Energie vom Dach verbrauchen. In typischer Heimspeicher ist ein Lithium-Ionen-Batteriepack, das aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen oder Zellblöcken besteht.  

Diese Einzelzellen sind nie absolut gleich, Abweichungen ergeben sich schon bei der Fertigung oder durch eine unterschiedliche Alterung. Das heißt, es kommt zu Schwankungen in der Kapazität, beim Innenwiderstand und weiteren Parametern dieser Zellen. Die schwächste Zelle bestimmt dann, wie viel geladen oder entladen werden darf. Im praktischen Einsatz führt das dazu, dass die in Reihe geschalteten Zellen unterschiedlich geladen und entladen werden müssen. Diese Unterschiede gleicht das Batteriemanagementsystem aus (Ladeausgleich bzw. „Balancing“), um eine möglichst lange Lebenszeit des Stromspeichers zu garantieren. Daneben optimiert und erhält das BMS die Leistungsfähigkeit der Batterie. 

Batteriemanagementsysteme sind somit verantwortlich für die Steuerung und Kontrolle des Lade- und Entladevorgangs von Stromspeichern,  Batterien von Elektroautos oder ähnlichen Anwendungen. Sie bestehen im Wesentlichen aus Leistungselektronik und Sensoren zur Überwachung und Steuerung der Batteriekennwerte. Dazu gehören unter anderem Daten wie Batteriespannung, Temperatur, Kapazität und Ladezustand der Zellen, die Stromentnahme, die Restbetriebszeit oder der Ladezyklus. Während des Betriebsprozesses ändern sich die Batterieparameter ständig mit der Betriebsumgebung (z.B. Außentemperatur) und den Arbeitsbedingungen (z.B. aktueller Verbrauch) – das heißt, alle Daten müssen also auch dauerhaft kontrolliert und Anpassungen durch das BMS vorgenommen werden. Gern werden die Systeme deshalb als "smart" oder intelligent bezeichnet.  

Eine Hauptaufgabe des Batteriemanagements besteht darin, sicherzustellen, dass jede einzelne Zelle sowohl beim Laden als auch beim Entladen einen definierten Ladezustand (SoC = State of Charge) erreicht und vorgegebene Grenzen weder unter- noch überschreitet. Bei einer Überschreitung des SoC steigt die Spannung der Zelle immer weiter an – die überschüssige Energie wird als Wärme abgegeben. Diese beschleunigt die Alterung der Batterie und führt im schlimmsten Fall zu einem „Thermal Runaway“, einer thermischen Kettenreaktion, die die Batterie zerstört.  

Eine Unterschreitung des SoC hat die sogenannte Tiefentladung (auch Tiefenentladung) zur Folge, nach der die Batterie nicht wieder aufladbar ist. Das korrekte Management ist also essentiell für die Funktionsweise, Sicherheit und Effizienz komplexer Lithium-Ionen-Stromspeicher.  

Das Batteriemanagement schützt den wertvollen Heimspeicher vor bleibenden Schäden. Damit Lithium-Ionen-Zellen sicher arbeiten, dürfen sie nur innerhalb bestimmter Temperaturen, Spannungen und Stromstärken betrieben werden. Man spricht hier vom sicheren Betriebsbereich (SOA – Safe Operation Area) der Batterie. Das Batteriemanagementsystem kontrolliert, ob die Batterie innerhalb des SOA arbeitet und reguliert z.B. den Lade- oder Entladestrom oder sorgt für zusätzliche Kühlung, wenn der Akku droht, den sicheren Bereich zu verlassen. Im Gefahrenfalle schaltet das Batteriemanagement die Batterie komplett ab. In der Regel enthält das Batteriemanagementsystem dafür Schutzeinrichtungen wie z. B. ein Leistungsschütz, das eine Trennung/Zuschaltung des Leistungsausgangs realisiert. 

Bei Li-Ionen-Zellen liegt die sichere Betriebstemperatur zwischen -20°C und 60°C und die sichere Betriebsspannung in der Regel zwischen 2 V und 4 V pro Zelle. Die Lade- und Entladeströme werden von diesen beiden Größen begrenzt und können je nach Batteriechemie im Bereich von 0C bis 20C liegen. C bezeichnet hier die C-Rate, ein Maß dafür, wie eine Batterie im Verhältnis zu ihrer maximalen Kapazität geladen/entladen werden kann. Umso höher die C-Rate, umso höher sind auch die maximalen Lade- und Entladeströme.  

Thermische Überlastung kann, wie bereits erwähnt, zu einem Durchgehen der Batterie führen. Ist die Temperatur zu niedrig, sind Kathodenschäden, Kurzschlüsse oder die Ausbildung einer nichtleitenden Schicht auf der Elektrode (Lithiumplattierung) die Folge, was die Funktionen der Batterie einschränkt. Eine zu hohe oder zu niedrige Klemmenspannung führt hingegen zur Degradation des Akkus durch kristalline Ablagerungen (Dendriten) und Auflösung der Anode. 

Batteriemanagementsysteme von PV-Speichern sind in der Regel in der Batterie eingebaut. Beim SOLARWATT Heimspeicher ist zum Beispiel die Battery flex base für Steuerung und Kontrolle der Lade- und Entladevorgänge verantwortlich. Darüber hinaus überwacht die Steuereinheit Stromflüsse in der Batterie, die Ladezustände und Temperaturen der Zellen und kommuniziert über verschiedene Schnittstellen mit den eigentlichen Speichereinheiten (packs), dem Energiemanagement (SOLARWATT Manager) und dem Wechselrichter der Anlage.  

Aufgabe des BMS ist es darüber hinaus, die Leistung des Speichers durch eine sinnvolle Ladestrategie zu optimieren. Ist ausreichend Sonneneinstrahlung vorhanden, kann der Speicher schon bis Mittag vollgeladen sein. Typischerweise wird die gespeicherte Energie aber erst in den Abendstunden benötigt. Das heißt, der Stromspeicher bleibt einige Stunden mit einem Ladezustand von 100 % ungenutzt. Das bedeutet aber „chemischen Stress“ für einige Batteriezellen, d.h. diese altern häufig schneller als bei geringeren Ladezuständen. Ein intelligentes Batteriemanagementsystem vermeidet diesen Stress für die empfindlichen Zellen, indem es den Speicher so auflädt, dass er erst kurz vor Nutzung die Vollladung erreicht. Dafür bezieht das es die Erzeugungs- und Verbrauchsdaten der letzten Tage, typische Nutzungsprofile ein (z.B. wochentags, Wochenende), Wetterdaten und andere Größen ein. Das Batteriemanagement „lernt“, wie der Speicher optimal geladen werden kann. Neuere Batteriezellen sind jedoch nicht mehr so empfindlich gegen Alterungsprozesse, so dass hier häufig auf eine komplexe Ladestrategie verzichtet wird. Die Entwicklung auf dem Gebiet der Zellen schreitet ständig voran, so dass diese Aufgabe des BMS zukünftig weiter an Bedeutung verlieren wird. 

Nicht immer kommen für das Batteriemanagement hochkomplizierte Systeme zum Einsatz. Die einfachste Form der Steuerung ist ein sogenannter Laderegler. Bei kleinen Photovoltaik-Anlagen ist dieser Laderegler meist in den Wechselrichter integriert und muss nicht separat gekauft werden. 

Ein Solar-Laderegler erfüllt wie das Batteriemanagement zwei wichtige Aufgaben: Er schützt die Batterie einer Solaranlage vor Schäden, indem er bei maximaler Batterieladung die Stromzufuhr unterbricht. Zugleich schöpft er durch Optimierung der Ladeleistung das Potenzial der Solaranlage bestmöglich aus. Keinen Einfluss hat er jedoch auf die Begrenzung der Entladung der Batterie.  

Typische Solar-Laderegler sind sogenannte PWM-Laderegler (Pulse-width-modulation) und MPPT-Laderegler (kurz für Maximum Power Point Tracking, deutsch etwa: „Festlegung des Punkts der maximalen Leistung“). Der PWM-Laderegler stellt eine einfache Form der leistungselektronischen Regelung dar. Ist der Akku geladen, unterbricht der Laderegler die Verbindung zu den Modulen.  

Der MPPT-Laderegler zeichnet sich hingegen dadurch aus, dass er die Leistungskurve des Moduls bzw. des Modulstrings misst und die Spannung so einstellen kann, dass die maximale Ladeleistung erreicht wird. Ändert sich die Spannung der Batterie während des Ladevorgangs, passt der MPPT-Laderegler die Strom- und Spannungswerte so an, dass wieder die optimale Ladeleistung erreicht wird.