So funktioniert ein Batteriemanagementsystem

Was ist ein Batteriemanagementsystem? Wie wird das Laden- und Entladen einer Batterie gemanagt? Was leistet es für die Batterie in Photovoltaik-Anlagen?

• Die Steuerung eines Stromspeichers erfolgt über ein sogenanntes Batteriemanagementsystem
• Sie dient primär dazu, den Stromspeicher so zu betreiben, dass er seiner Funktion jederzeit gerecht wird, und Überlastungen zu vermeiden.
• Dabei gibt es einen Spannungsunterschied zwischen einem Batteriemanagementsystem 12V und 48V für den Akku an sich und den Hausstrom, der in Einklang gebracht werden muss.
• Die Nutzungsdauer könnte ohne Batteriemanagement des Stromspeichers eingeschränkt.
• Um seine Funktion zu erfüllen, sollten sie spezifische Anforderungen ans Batteriemanagementsystem stellen.

Die Software des Batteriemanagementsystems richtet sich grundsätzlich nach den unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften des Batteriesystems. Jede Batterie hat unterschiedliche Lade- und Entladecharakteristiken, was zu unterschiedlichen Anforderungen an das Batteriemanagementsystem führt.

Folgende Hauptaufgaben müssen Batteriemanagementsysteme erfüllen:

• Beladung
• Entladung
• Ladezustandsbestimmung
• Batterietemperierung
• Ladungsausgleich

Photovoltaikanlagen mit Stromspeicher werden zur teilweisen Netzeinspeisung und zum Eigenverbrauch des produzierten Solarstroms eingesetzt. PV-Stromspeicher werden innerhalb der Solaranlage typischerweise tagsüber geladen und in den Abend- und Nachtstunden wieder entladen.

Charakteristisch für den Einsatz eines Stromspeichers in einer PV-Anlage ist:

• Der Vollladezustand wird häufig über längere Zeiträume nicht erreicht und so gibt es systemimmanent eine nicht optimale Be- und Entladung.
• Das Problem kann gerade in Phasen mit bewölktem Himmel auftreten, in denen die nachgeladene Menge kleiner als die durch die Lasten abgeführte Ladungsmenge ist. In diesem Fall wird der Ladezustand im Tagesmittel sinken.

Erreicht der Ladezustand ein Minimum, so muss dann das Batteriemanagementsystem eine weitere Ladungsentnahme und eine eventuell drohende Tiefentladung verhindern. Das Batteriemanagementsystem hat also bei niedrigem Ladezustand keinen direkten Einfluss auf die zur Verfügung stehende Ladung und kann nur die Entnahme von Ladung verhindern.

Allgemein kommt es beim Laden darauf an, die richtige Ladungsmenge mit der richtigen Stromstärke in den Akku einzuspeisen. Jedes Batteriesystem wird dabei mit einem speziellen Verfahren beladen, um die Batterielebensdauer zu erhöhen.

Dabei sind grundsätzlich für bestimmte Batteriesysteme auch verschiedene Lademanagementverfahren (häufig WoWa- oder IU-Verfahren) möglich, die vom letztlichen Einsatzzweck der Batterie abhängen.

So muss beispielsweise der Ladealgorithmus so gestaltet sein,

• dass eine für eine z. B. Blei-Batterieschädliche Gasung vermieden wird,
• dass längere, für den Akku schonendere Ladezeiten vorgesehen sind (Li-Ionen Batterien werden u.a. nach dem IU-Verfahren geladen).

Bei der Ladung des Stromspeichers bei z. B. einem Blei-Akku ist das Vermeiden einer Gasung für das Batteriemanagementsystem von Bedeutung. Bei der Entladung muss man primär achten, dass der Stromspeicher nur bis zur normalen Entladetiefe gelehrt wird und keine Tiefentladung erfolgt.

Folgen der Tiefenentladung bei Batterien:

• Tiefentladungen können am Beispiel von Blei-Batterien zum Abschlammen an der positiven Platte mit nicht reversibler Schädigung der aktiven Masse führen.
• Bei Blei-Batterien kann dies vom Batteriemanagementsystem durch das Messen der Momentanwerte der Modulspannungen erkannt werden.

Neben dem Management der Batteriebe- und entladung ist eine weitere Aufgabe des Batteriemanagements die Bestimmung der aktuellen Ladungsmenge beim Be- und Entladen. Während der Bestimmung des Batterieladezustands beim aktiven Be- und Entladen erfordert dies auch die Messung des Stromverbrauchs von Kleinverbrauchern während die Batterie nicht aktiv Entladen wird (Stillstandszeiten). Das Batteriemanagement muss auf Basis der aktuellen Ladezustandswerte zudem in der Lage sein, vorausschauend die Betriebsstrategie der Batterie zu planen.

Die Betriebstemperatur einer Batterie nimmt einen entscheidenden Einfluss auf die Lade- und Entladewirkungsgrade, die nutzbare Kapazität und das Alterungsverhalten des Stromspeichers. Daher muss das thermische Management der Batterie sicherstellen, dass die Batterie unter den verschiedenen Umwelt- und Lastbedingungen im optimalen bzw. zugelassenen Temperaturbereich arbeitet.

Weicht die Ist-Temperatur zu stark von der Soll-Temperatur ab, so muss das Batteriemanagementsystem für einen Temperaturausgleich sorgen.

Die genaue Messung der Batterietemperatur ist jedoch schwierig, da die Temperatur am Gehäuse oder an den Batteriepolen nicht immer mit der Innentemperatur der Batterie gleichzusetzen ist.

Bei Batterien höherer Spannungen ist eine Vielzahl von Modulen in Reihe geschaltet. Hier muss das Batteriemanagementsystem für einen Ladungsausgleich sorgen.

Diese Ausgleichsverfahren sind komplex und jeweils auf die elektrotechnischen Eigenschaften der Stromspeichertechnik ausgerichtet. Allgemein muss ein Ladungsausgleich dafür sorgen,

• dass während der Ladephase einzelne Module individuell aufgeladen werden oder
• kapazitätsärmere Module während des Entladens gezielt aus dem Modulverbund nachgeladen werden.

So kann das Batteriemanagementsystem die insgesamt entnehmbare Kapazität der Gesamtbatterie optimieren.