BMS – Das Battery Management System einfach erklärt
Das BMS (Battery Management System) ist eines der wichtigsten elektronischen Systeme in einer modernen E-Moto. Es überwacht den Akku, schützt die einzelnen Zellen und sorgt dafür, dass der Akku innerhalb seiner zulässigen Betriebsgrenzen bleibt.
Ohne ein geeignetes BMS kann ein Lithium-Ionen-Akku im Betrieb, beim Laden oder bei einem Fehlerfall erheblich beschädigt werden.
Dabei ist wichtig:
Das BMS ist nicht einfach nur ein „Sicherheitsschalter“. Es ist das Überwachungs- und Schutzsystem des Akkupacks.
Was macht ein BMS?
Ein BMS überwacht je nach Ausführung unter anderem:
-
Zellspannungen
-
Lade- und Entladeströme -
Zell- und Akkutemperaturen -
Ladezustand -
teilweise den Gesundheitszustand des Akkus -
Zellabweichungen -
Überstrom und Kurzschluss -
Unterspannung -
Überspannung -
Über- und Untertemperatur
Je nach BMS können zusätzlich Kommunikationsschnittstellen wie CAN-Bus, UART oder Bluetooth vorhanden sein.
1. Warum muss jede einzelne Zelle überwacht werden?
Ein Akku besteht nicht aus einer einzigen großen Zelle.
Beispiel:
Ein Akku mit 24 Zellen in Reihe wird als:
24S
bezeichnet.
Wenn eine Lithium-Ionen-Zelle beispielsweise eine maximale Ladespannung von etwa 4,2 V besitzt, ergibt sich:
24 × 4,2 V = 100,8 V
Das bedeutet aber nicht, dass alle 24 Zellen automatisch exakt dieselbe Spannung haben.
Beispielsweise:
| Zelle | Spannung |
|---|---|
| 1 | 4,18 V |
| 2 | 4,19 V |
| 3 | 4,20 V |
| 4 | 4,17 V |
| … | … |
| 24 | 4,20 V |
Das BMS überwacht deshalb die einzelnen Zellgruppen.
Eine einzelne Zelle kann dabei bereits eine kritische Spannung erreichen, obwohl die Gesamtspannung des Akkus noch völlig normal aussieht.
Beispiel
24S-Akku:
24 × 4,10 V = 98,4 V
Das kann zunächst völlig unauffällig wirken.
Wenn aber eine Zellgruppe bereits bei 4,20 V liegt und andere beispielsweise bei 4,095 V, muss das BMS diese Abweichung erkennen.
2. Was bedeutet Balancing?
Beim Balancing versucht das BMS, Spannungsunterschiede zwischen den Zellgruppen auszugleichen.
Das ist wichtig, weil sich Zellgruppen während des Betriebs und über die Lebensdauer unterschiedlich verhalten können.
Gründe dafür können unter anderem sein:
-
Fertigungstoleranzen
-
unterschiedliche Innenwiderstände
-
unterschiedliche Temperaturen
-
Alterung
-
unterschiedliche Belastung
-
Kapazitätsunterschiede
Passive Balancing
Bei einem klassischen passiven Balancer wird eine etwas höher geladene Zellgruppe über einen Widerstand kontrolliert entladen.
Die überschüssige Energie wird dabei hauptsächlich in Wärme umgewandelt.
Beispiel:
Eine Zellgruppe liegt bei 4,20 V, während die anderen noch bei 4,15 V liegen.
Das BMS aktiviert den Balancer und reduziert die Spannung dieser Gruppe langsam.
Nachteil:
Passive Balancer arbeiten relativ langsam.
Typische Balancing-Ströme liegen je nach BMS beispielsweise nur im Bereich einiger 10–100 mA.
Aktives Balancing
Ein aktives BMS kann Energie zwischen Zellgruppen verschieben.
Dadurch wird die Energie nicht einfach vollständig in Wärme verbraten.
Aktives Balancing kann deshalb bei großen Performance-Akkus interessant sein.
Allerdings sind aktive BMS-Systeme technisch komplexer und teurer.
3. Lade- und Entladestrom
Das BMS überwacht auch den Strom, der durch den Akku fließt.
Beispiel:
Ein Akku ist für einen bestimmten maximalen Dauerstrom ausgelegt.
Wird dieser Wert deutlich überschritten, kann das BMS die Entladung begrenzen oder abschalten.
Das bedeutet allerdings nicht automatisch, dass der Akku nur so viel Strom liefern kann.
Hier muss zwischen verschiedenen Grenzen unterschieden werden:
Zellen → Zellverbinder → Kabel → Sicherung → BMS → Stecker → Controller
Die schwächste Komponente kann die maximal sinnvolle Stromstärke begrenzen.
4. Überstrom und Kurzschluss
Ein BMS kann erkennen, wenn der Strom einen bestimmten Grenzwert überschreitet.
Das kann beispielsweise passieren bei:
-
blockiertem Motor
-
beschädigtem Kabel
-
defektem Controller
-
Kurzschluss
-
falscher Verkabelung
-
extrem hoher Belastung
Bei einem Kurzschluss muss das BMS möglichst schnell reagieren.
Viele BMS besitzen deshalb eine schnelle Überstrom- bzw. Kurzschlusserkennung.
Wichtig: Ein BMS ersetzt keine geeignete Sicherung und keine korrekt dimensionierte elektrische Installation.
5. Temperaturüberwachung
Temperatur ist bei Lithium-Ionen-Akkus ein entscheidender Faktor.
Das BMS kann über Temperatursensoren beispielsweise überwachen:
-
Zelltemperatur
-
Temperatur der Busbars
-
Temperatur des BMS
-
teilweise Umgebungstemperatur
Bei zu hoher Temperatur kann das BMS die Lade- oder Entladeleistung reduzieren oder den Akku abschalten.
Besonders wichtig beim Laden
Lithium-Ionen-Zellen dürfen nicht beliebig bei niedrigen Temperaturen geladen werden.
Bei vielen Zelltypen ist das Laden unterhalb des zulässigen Temperaturbereichs kritisch und kann zu Lithium-Plating führen.
Deshalb besitzen hochwertige Akkus entsprechende Temperaturüberwachung.
6. Unterspannung
Wird eine Lithium-Ionen-Zelle zu weit entladen, kann sie dauerhaft geschädigt werden.
Das BMS überwacht deshalb die niedrigste Zellspannung.
Wichtig ist dabei:
Entscheidend ist nicht nur die Gesamtspannung des Akkus, sondern die Spannung der schwächsten Zellgruppe.
Beispiel:
Ein 20S-Akku hat insgesamt noch:
60 V
Das entspricht im Durchschnitt:
60 V ÷ 20 = 3,0 V/Zelle
Das klingt zunächst unkritisch.
Wenn eine Zellgruppe allerdings beispielsweise bei 2,5 V liegt und die anderen deutlich höher, kann diese eine Zellgruppe bereits das Problem darstellen.
7. Überspannung
Beim Laden überwacht das BMS die einzelnen Zellgruppen.
Wird eine Zellgruppe zu hoch geladen, kann das BMS den Ladevorgang unterbrechen.
Das ist einer der wichtigsten Schutzmechanismen des Systems.
Eine zu hohe Zellspannung kann die Zelle beschädigen und erhöht das Risiko eines thermischen Ereignisses.
8. BMS und Ladegerät
Das BMS ist nicht das Ladegerät.
Das Ladegerät bestimmt grundsätzlich die Ladespannung und den maximalen Ladestrom.
Das BMS überwacht währenddessen den Akku.
Vereinfacht:
Ladegerät → liefert Energie
BMS → überwacht und schützt
Zellen → speichern Energie
Ein hochwertiges System benötigt deshalb eine passende Abstimmung zwischen allen drei Komponenten.
9. Warum die Zellkonfiguration wichtig ist
Bei Akkus werden häufig Angaben wie:
20S10P
verwendet.
Das bedeutet:
20 Zellen in Serie × 10 Zellen parallel
Insgesamt:
20 × 10 = 200 Einzelzellen
Die Spannung wird durch die Anzahl der Zellen in Serie bestimmt.
Die Kapazität wird durch die Anzahl der parallelen Zellen bestimmt.
Beispiel
Eine einzelne Zelle:
3,6 V / 5 Ah
20S10P ergibt ungefähr:
72 V / 50 Ah
Denn:
20 × 3,6 V = 72 V
und:
10 × 5 Ah = 50 Ah
Die nominale Energie beträgt:
72 V × 50 Ah = 3.600 Wh
also:
3,6 kWh
10. BMS-Strom ist nicht automatisch Zellstrom
Hier entsteht häufig ein Denkfehler.
Angenommen, ein Akku besteht aus:
20S10P
und jede Zelle darf beispielsweise dauerhaft 20 A liefern.
Dann ergibt sich theoretisch:
10 × 20 A = 200 A
pro Zellgruppe.
Der Akku könnte damit theoretisch deutlich mehr Strom liefern als eine einzelne Zelle.
Das BMS muss diesen Strom ebenfalls verarbeiten können.
Ein BMS mit beispielsweise 100 A Dauerstrom wäre in diesem Beispiel eine mögliche Begrenzung, selbst wenn die Zellkonfiguration theoretisch mehr zulassen würde.
11. BMS und Controller müssen zusammenpassen
Ein leistungsstarker Controller kann versuchen, sehr hohe Ströme aus dem Akku zu ziehen.
Das BMS muss dafür ausgelegt sein.
Beispielsweise:
Akku: 96 V
Controller Battery Current: 300 A
Das bedeutet nicht automatisch, dass ein beliebiges 96-V-BMS dafür geeignet ist.
Entscheidend sind unter anderem:
-
maximaler Dauerstrom
-
Peak-/Kurzzeitstrom
-
MOSFET-Auslegung
-
Kühlung
-
Leiterbahnen
-
Busbars
-
Stecker
-
Strommessung
-
Schutzschwellen
-
Kommunikationsprotokoll
Ein BMS sollte deshalb immer als Bestandteil des Gesamtsystems betrachtet werden.
12. Smart BMS
Moderne BMS können deutlich mehr als nur abschalten.
Ein sogenanntes Smart BMS kann beispielsweise Daten über Bluetooth, UART oder CAN übertragen.
Mögliche Informationen:
-
Gesamtspannung
-
Zellspannungen
-
Ladezustand
-
Strom
-
Temperaturen
-
Zyklen
-
minimale Zellspannung
-
maximale Zellspannung
-
Zellspannungsdifferenz
-
Fehlerzustände
Bei leistungsstarken E-Motos ist besonders CAN-Kommunikation interessant.
Das BMS kann dadurch mit dem Controller oder einem Fahrzeugsteuergerät kommunizieren.
13. State of Charge – SOC
SOC = State of Charge
Der SOC beschreibt den geschätzten Ladezustand des Akkus.
Beispiel:
SOC 100 % → Akku voll
SOC 50 % → ungefähr halbvoll
SOC 0 % → untere Betriebsgrenze erreicht
Der SOC ist allerdings nicht immer einfach aus der Spannung abzulesen.
Warum?
Weil die Zellspannung unter anderem von folgenden Faktoren abhängt:
-
Last
-
Temperatur
-
Zellchemie
-
Alter
-
Innenwiderstand
Deshalb verwenden hochwertige BMS häufig Coulomb Counting.
Dabei wird der Strom über die Zeit gemessen und die entnommene bzw. eingeladene Ladungsmenge berechnet.
14. State of Health – SOH
SOH = State of Health
Der SOH beschreibt vereinfacht den Gesundheitszustand bzw. die verbleibende Leistungsfähigkeit des Akkus.
Ein neuer Akku könnte beispielsweise:
SOH = 100 %
haben.
Nach vielen Ladezyklen könnte der geschätzte SOH beispielsweise bei:
85 %
liegen.
Der tatsächliche SOH hängt unter anderem von Kapazitätsverlust und zunehmendem Innenwiderstand ab.
15. Was passiert, wenn das BMS abschaltet?
Wenn das BMS einen kritischen Zustand erkennt, kann es den Lade- oder Entladestrom unterbrechen.
Das kann sich bei einer E-Moto beispielsweise so äußern:
-
Fahrzeug geht plötzlich aus
-
keine Leistung mehr
-
Ladegerät lädt nicht mehr
-
BMS meldet einen Fehler
-
Akku scheint „tot“
Die Ursache muss dabei nicht unbedingt ein defektes BMS sein.
Mögliche Ursachen:
-
Unterspannung
-
Überspannung
-
Überstrom
-
Übertemperatur
-
Untertemperatur
-
Zellabweichung
-
Kommunikationsfehler
-
Fehler im Controller
Deshalb sollte man bei einem Abschalten nicht einfach das BMS umgehen.
BMS niemals einfach überbrücken
Ein BMS zu umgehen oder Schutzfunktionen dauerhaft außer Kraft zu setzen kann erhebliche Risiken verursachen.
Besonders bei leistungsstarken E-Moto-Akkus können bereits wenige Sekunden eines Fehlers zu sehr hohen Strömen führen.
Ein BMS sollte deshalb passend zu:
Zelltyp + Zellanzahl + Strom + Spannung + Temperaturbereich + Ladeverfahren
ausgelegt werden.
Fazit
Das BMS ist das Überwachungs-, Schutz- und Managementsystem eines Lithium-Ionen-Akkus.
Es überwacht nicht nur die Gesamtspannung des Akkus, sondern insbesondere die einzelnen Zellgruppen.
Die wichtigsten Aufgaben sind:
Zellspannungen überwachen
Über- und Unterspannung verhindern
Lade- und Entladestrom überwachen
Temperaturen überwachen
Zellspannungen ausgleichen
Fehler erkennen
Akku bei kritischen Zuständen schützen
Ladezustand und teilweise Gesundheitszustand berechnen
bei Smart-BMS Daten an andere Systeme übertragen
Gerade bei leistungsstarken E-Motos sollte das BMS nicht isoliert betrachtet werden. Akku, Zellen, BMS, Controller, Kabel, Stecker und Sicherungen müssen als Gesamtsystem zusammenpassen.
Formelsammlung
Zellanzahl
Gesamtzahl der Zellen = S × P
Beispiel:
20S10P = 200 Zellen
Nennspannung des Akkus
Uₙ = S × Uₙ,Zelle
Beispiel:
20S × 3,6 V = 72 V
Maximale Ladespannung
Uₘₐₓ = S × Uₘₐₓ,Zelle
Beispiel:
20S × 4,2 V = 84 V
Minimale Akkuspannung
Uₘᵢₙ = S × Uₘᵢₙ,Zelle
Die verwendete Zell-Untergrenze muss dem jeweiligen Zelltyp entsprechen.
Akkukapazität
Cₐₖₖᵤ = P × C₍Zelle₎
Beispiel:
10P × 5 Ah = 50 Ah
Energieinhalt
E = U × Ah
Beispiel:
72 V × 50 Ah = 3.600 Wh = 3,6 kWh
Elektrische Leistung
P = U × I
Beispiel:
96 V × 300 A = 28.800 W = 28,8 kW
Strom aus parallelen Zellen
Iₘₐₓ = P × Iₘₐₓ,Zelle
Beispiel:
10P × 20 A = 200 A
C-Rate
C-Rate = I ÷ Kapazität
Beispiel:
200 A ÷ 50 Ah = 4 C
Strom aus C-Rate
I = C-Rate × Ah
Beispiel:
4 C × 50 Ah = 200 A
Zellspannungsdifferenz
ΔU = Uₘₐₓ,Zelle − Uₘᵢₙ,Zelle
Beispiel:
4,18 V − 4,10 V = 0,08 V = 80 mV
Energie
Wh = V × Ah
kWh = Wh ÷ 1.000
Hinweis: Die konkreten Spannungs-, Strom- und Temperaturgrenzen sind immer vom verwendeten Zelltyp, BMS und Akkuhersteller abhängig. Die Werte in den Beispielen dienen ausschließlich zur Erklärung der Zusammenhänge.