Zum Schutz benötigen die meisten Lithium-Batteriesysteme nahezu jeder Strangspannung eine Batteriemanagementsystem (BMS) Um die Betriebsparameter der Zellen innerhalb der zulässigen Grenzen zu halten, können die Systeme von einfacher Zellbalance bis hin zu Systemen reichen, die Zellspannung, Zelltemperatur und Stromstärke überwachen und – mithilfe von Halbleiterschaltern oder Relais – den Akku vom USV-System trennen, falls eine der überwachten Variablen ihre Betriebsgrenzen überschreitet.

Beim Verbinden eines l Lithium-Batteriesystem zu einem UPS Es ist unerlässlich, die Grenzwerte zu kennen und zu verstehen, bei denen das Batteriemanagementsystem (BMS) die Batterie trennt. Viele BMS warnen, wenn sich die Betriebsbedingungen diesen Grenzwerten nähern, bevor Maßnahmen ergriffen werden. So kann verhindert werden, dass die Batterie von der USV getrennt wird. Das BMS verbindet die Batterie in der Regel erst wieder, wenn die auslösenden Bedingungen behoben sind. Ein weiterer Grund für das Verständnis der Grenzwerte ist die Sicherstellung, dass die USV diese im Normalbetrieb nicht überschreitet. Die regelmäßige Überprüfung der Grenzwerte ist eine bewährte Vorgehensweise und ein Zeichen für ein gutes Systemdesign.

Abbildung: 1

Nachfolgend eine kurze Beschreibung der Funktionen eines typischen Gebäudeautomationssystems (BMS).

Zellbalance: Der Zweck des Zellausgleichs besteht darin, die Klemmenspannung jeder einzelnen Zelle bzw. jedes parallelgeschalteten Zellenblocks in einer Reihenschaltung annähernd gleich zu halten. Da die Zellspannung bei Lithium-Akkus in einem gewissen Verhältnis zur Kapazität steht, wird durch einen Ausgleich der Klemmenspannungen tendenziell auch die Kapazität jeder einzelnen Zelle gleich gehalten. Dies verhindert eine Tiefentladung schwächerer Zellen mit geringerer Kapazität. Gleichzeitig wird eine Überladung leistungsstärkerer Zellen vermieden. Die Bedeutung des Zellausgleichs wird in Abbildung 1 deutlich. Diese zeigt einen Entlade- und Ladezyklus von zwei LFP-Akkus mit jeweils 12 in Reihe und 3 parallel geschalteten Zellen.

In den Entladekurven ist zu erkennen, dass die Zellspannungen einiger Zellen im Akku ohne Zellausgleich gegen Ende der Entladung unter den Mindestwert von 2,0 V sanken. Dies ist eine Tiefentladung, die bereits nach dem achten Zyklus auftrat. Im Akku mit Zellausgleich sank die Spannung bei den meisten Zellen auf 2,5 V, wobei eine Zelle vor Entladeende 2,3 V erreichte. Alle Zellen liegen deutlich über dem Grenzwert von 2 V.

Beim Laden ist nach der achten Entladung eine Streuung der Zellspannungen von ca. 0,59 V beim Akku ohne Zellausgleich zu beobachten. Eine Zelle erreichte beinahe die Erhaltungsladespannung von 4,0 V. Ein Überschreiten dieses Grenzwerts führt zu Überladung. Mit Zellausgleich liegen die Zellen eng beieinander um die Erhaltungsladespannung von 3,65 V.

Messfunktion: Die Zellspannung, wie in Abbildung 1 dargestellt, ist eine dieser Messgrößen. Diese Messung dient dazu, sicherzustellen, dass die Zellspannungen so nahe beieinander liegen, dass die Batterie im vorgesehenen Betriebsbereich geladen und entladen werden kann. In manchen Fällen lässt das Batteriemanagementsystem (BMS) das Laden oder Entladen, zumindest nicht unter Nennlast, erst zu, wenn die Zellspannungen innerhalb eines vordefinierten Bereichs liegen. Eine weitere Messgröße ist der Zellstrom. Üblicherweise gibt es maximale Lade- und Entladestromgrenzen. Wird diese überschritten, wird eine Warnung ausgelöst und die Batterie gegebenenfalls über einen bestimmten Zeitraum vom USV-System getrennt.

Die dritte Messgröße ist die Zelltemperatur. Bei der Bewertung eines Batteriesystems für den Einsatz mit einer USV sollte die Messung der Gehäusetemperatur einer oder mehrerer Zellen obligatorisch sein. Aufgrund des rapiden Temperaturanstiegs bei einem thermischen Ereignis ist eine (interne) Lufttemperaturmessung möglicherweise nicht schnell oder empfindlich genug, um den Beginn eines thermischen Durchgehens zu erkennen und die Batterie rechtzeitig zu trennen. Das Batteriemanagementsystem (BMS) schützt die Batterie vor Überhitzung, indem es signalisiert, wenn die Zelltemperatur sich dem Maximalwert nähert oder diesen erreicht hat, und die Batterie gegebenenfalls von der USV trennt. Eine weitere Maßnahme des BMS besteht darin, den Ladevorgang der Batterie zu begrenzen oder zu verzögern, bis die Temperatur ausreichend unter den Grenzwert gesunken ist.

Einige Batteriemanagementsysteme (BMS) bieten zusätzlich eine Anzeige des Ladezustands (State of Charge, SOC) und des Gesundheitszustands (State of Health, SOH) des Batteriesystems. Der SOC wird durch Messung der entnommenen (Entladung) und wieder zugeführten (Laden) Ladung in Amperestunden (Ah) ermittelt. Die Ladung wird üblicherweise durch Integration des in die Batterie hinein- bzw. aus ihr herausfließenden Stroms über die Zeit gemessen. Ausgehend von einem bekannten Wert der verfügbaren Ladung entspricht der SOC dem Verhältnis der Nettoladung (entladene Ah – geladene Ah) zur verfügbaren Ladung. Der SOH gibt Aufschluss über das Ausmaß der Degradation oder Alterung seit dem Kauf der Batterie. Grundsätzlich wird ermittelt, wie stark die verfügbare Ladung mit zunehmendem Alter abnimmt. Üblicherweise wird hierfür eine Testentladung ausgehend vom voll geladenen Zustand durchgeführt. Der Kapazitätsverlust mit zunehmendem Alter der Batterie wird auch als Kapazitätsfading bezeichnet.

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