Zum Schutz benötigen die meisten Lithium-Batteriesysteme nahezu aller String-Spannungen ein Batteriemanagementsystem (BMS), um die Betriebsbedingungen der Zelle innerhalb der Grenzen zu halten. Diese können in ihrer Komplexität vom reinen Zellausgleich bis hin zu solchen zur Überwachung der Zellspannung reichen; Zelltemperatur und -strom; und trennt mithilfe von Halbleiterschaltern oder Relais den Batteriesatz von der USV, wenn eine der überwachten Variablen ihre Betriebsgrenzen überschreitet.

Beim Anschluss eines Lithiumbatteriesystems an eine USV ist es wichtig, die Grenzen zu kennen und zu verstehen , bei denen das BMS die Batterie trennt. Viele BMS geben eine Warnung aus, wenn sich die Betriebsbedingungen diesen Grenzwerten nähern, bevor Maßnahmen ergriffen werden. Auf diese Weise können Maßnahmen ergriffen werden, um zu vermeiden, dass die Batterie von der USV getrennt wird. Das BMS wird die Batterie im Allgemeinen erst dann wieder anschließen, wenn die Bedingungen, die die Aktion verursacht haben, beseitigt sind. Ein zweiter Grund für ein gutes Verständnis der Grenzwerte besteht darin, sicherzustellen, dass die USV diese im Normalbetrieb nicht überschreitet. Es ist eine gute Vorgehensweise und ein gutes Systemdesign, darauf zu achten, dass die Grenzwerte von der USV nicht überschritten werden.

Abbildung 1

Im Folgenden finden Sie eine kurze Beschreibung der Funktionen, die in einem typischen BMS enthalten sind.

Zellenausgleich: Der Zweck des Zellenausgleichs besteht darin, die Klemmenspannung jeder Zelle oder Bank paralleler Zellen in der Reihenschaltung ungefähr gleich zu halten. Da die Zellspannung in gewissem Zusammenhang mit der Kapazität steht, wird bei Lithium-Chemikalien die Kapazität jeder Zelle tendenziell gleich bleiben, wenn diese gleich gehalten werden. Dadurch wird verhindert, dass schwächere Zellen mit geringerer Kapazität übermäßig entladen werden. Ebenso werden Zellen mit höherer Kapazität nicht überladen. Die Bedeutung des Zellausgleichs ist in Abbildung 1 zu sehen. Hier wird ein Entlade- und Ladezyklus von zwei LFP-Packs mit 12 Zellen in Reihe und 3 parallel gezeigt.

Beachten Sie in den Entladediagrammen, dass einige Zellenspannungen im Akku ohne Ausgleich gegen Ende der Entladung unter 2,0 V, den Mindestgrenzwert, gesunken sind. Hierbei handelt es sich um eine Überentladung, die erst nach dem achten Zyklus auftrat. Im Pack mit Zellausgleich sank die Spannung bei den meisten Zellen auf 2,5 V, bei einer erreichte sie 2,3 V, bevor die Entladung endete. Alle Zellen liegen deutlich über der 2-V-Grenze.

Beachten Sie während des Ladevorgangs nach der achten Entladung die Schwankung der Zellspannungen von etwa 0,59 V für den Akku ohne Zellenausgleich. Eine Zelle hat fast die Erhaltungsspannungsgrenze von 4,0 V erreicht. Über dieser Grenze liegt eine Überladung vor. Mit dem Pack mit Zellausgleich werden die Zellen eng um die Erhaltungsspannung von 3,65 V gruppiert.

Messfunktion: Die Zellspannung, wie in Abbildung 1 dargestellt, ist eine davon. Der Zweck dieser Messung besteht darin, sicherzustellen, dass die Zellspannungen nahe genug beieinander liegen, damit die Batterie über den vorgesehenen Betriebsbereich geladen und entladen werden kann. In manchen Fällen erlaubt das BMS möglicherweise kein Laden oder Entladen, zumindest nicht bei Nennlast, bis die Zellspannungen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs voneinander liegen. Eine weitere Messung ist der Strom durch die Zellen. In der Regel gibt es maximale Lade- und Entladestromgrenzwerte, deren Überschreitung eine Warnung auslöst und möglicherweise die Batterie von der USV trennt, wenn der Zustand über einen vorgeschriebenen Zeitraum anhält.

Die dritte Messung ist die Zelltemperatur. Bei der Bewertung eines Batteriesystems für die Verwendung mit einer USV sollte es erforderlich sein, dass die Gehäusetemperatur einer oder mehrerer Zellen gemessen wird. Aufgrund des schnellen Temperaturanstiegs im Falle eines thermischen Ereignisses ist eine (interne) Lufttemperaturmessung möglicherweise nicht schnell genug oder empfindlich genug, um den Beginn eines thermischen Durchgehens zu erkennen und Maßnahmen zum Abklemmen der Batterie zu ergreifen. Das BMS schützt die Batterie vor übermäßigen Temperaturen, indem es signalisiert, wenn sich die Zellentemperatur dem Maximum nähert oder dieses erreicht hat, und trennt die Batterie schließlich von der USV, wenn das Maximum erreicht ist. Eine andere Maßnahme, die manchmal von einem BMS ergriffen wird, besteht darin, den Ladevorgang der Batterie zu begrenzen oder zu verschieben, bis die Temperatur ausreichend unter den Grenzwert gesunken ist.

Einige BMS-Modelle bieten möglicherweise auch eine Messung des Ladezustands (SOC) und eine Anzeige des Gesundheitszustands (SOH) des Batteriesystems. Der SOC wird durch Messung der entnommenen (Entladen) und ersetzten (Laden) Ladung in Amperestunden (Ah) ermittelt. Die Ladung wird normalerweise gemessen, indem der Strom in die Batterie oder aus der Batterie über die Zeit integriert wird. Ausgehend von einem bekannten Wert der verfügbaren Ladung ist der SOC einfach das Verhältnis der Nettoladung (entladene Ah – geladene Ah) zur verfügbaren Ladung. Der SOH ist ein Indikator für das Ausmaß der Verschlechterung oder Alterung, die seit dem Neuzustand der Batterie aufgetreten ist. Der grundlegende Ansatz besteht darin, festzustellen, um wie viel die verfügbare Ladung mit zunehmendem Alter abnimmt. Für diese Schätzung wird in der Regel eine Probeentladung, ausgehend vom vollständig geladenen Zustand, herangezogen. Der Kapazitätsverlust mit zunehmender Alterung der Batterie wird manchmal als Kapazitätsschwund bezeichnet.

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