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So funktioniert ein Batteriemanagementsystem

Was ist ein Batteriemanagementsystem? Wie wird das Be- und Entladen einer Batterie gemanagt? Wie funktionieren Batteriemanagementsysteme in Photovoltaik-Anlagen?

Die Steuerung eines Stromspeichers erfolgt über ein sogenanntes Batteriemanagementsystem und dient primär dazu, den Stromspeicher so zu betreiben, dass er seiner Funktion jederzeit gerecht wird, ohne dass es zu Überlastungen kommt, die die Nutzungsdauer des Stromspeichers einschränken könnte. Dazu muss das Batteriemanagementsystem verschiedene Anforderungen erfüllen.

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Funktion und Anforderungen an ein Batteriemanagementsystem

Batteriemanagementsysteme werden in Elektroautos, in Notstromsystemen, Notebooks oder auch in Photovoltaikanlagen eingesetzt, um Solarstrom zwischenzuspeichern. Sie dienen dabei primär zur Überwachung und zur Regelung des Akkusystems. Eine Batteriemanagementsysteme sind z. B. Laderegler, die den Ladezustand überwachen, um so eine Überladung des Stromspeichers zu verhindern. Dies ist insbesondere bei Lithium-Ionen-Akkus von Bedeutung, da diese sonst Schaden nehmen könnten. Häufig werden aber komplexere Batteriemanagementsysteme eingesetzt, die über die reine Überwachung hinaus auch Regelungs- und Kommunikationsfunktionen als Schnittstelle zwischen Photovoltaikanlage und Stromverbraucher bzw. Stromnetz einnehmen.

Aufgaben eines Batteriemanagementsystems im Überblick (Grafik: energie-experten.org)
Aufgaben eines Batteriemanagementsystems im Überblick (Grafik: energie-experten.org)

Die Software des Batteriemanagementsystems bestimmt sich dabei grundsätzlich nach den unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften des Batteriesystems, da jede Batterie unterschiedliche Lade- und Entladecharakteristiken aufweist, was zu unterschiedlichen Anforderungen an das Batteriemanagementsystem führt. Folgende Hauptaufgaben müssen von einem Batteriemanagementsystem erfüllt werden:

Übersicht der Hauptaufgaben eines Batteriemanagementsystems

Management des Ladeverfahrens der Batterie

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-Batterie schädliche Gasung vermieden wird. Li-Ionen Batterien werden u.a. nach dem IU-Verfahren geladen, dass längere, für den Akku schonendere Ladezeiten vorsieht.

Management des Entladeverfahrens der Batterie

Während bei der Beladung des Stromspeichers bei z. B. einem Blei-Akku das Vermeiden einer Gasung für das Batteriemanagementsystem von Bedeutung, ist bei der Entladung primär darauf zu achten, dass der Stromspeicher nur bis zur normalen Entladetiefe entladen wird und keine Tiefentladung erfolgt. Denn Tiefentladungen können am Beispiel von Blei-Batterien zum Abschlammen an der positiven Platte mit nicht reversibler Schädigung der aktiven Masse führen. Bei Bleibatterien kann dies vom Batteriemanagementsystem durch das Messen der Momentanwerte der Modulspannungen erkannt werden.

Bestimmung und Management des Batterieladezustands

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.

Management der Batterietemperierung

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 in dem für sie 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.

Batteriemanagement des Ladungsausgleichs

Bei Batterien höherer Spannungen ist eine Vielzahl von Modulen in Reihe geschaltet. In diesen Fällen muss das Batteriemanagementsystem für einen Ladungsausgleich sorgen. Diese Ausgleichsverfahren sind komplex und sind jeweils auf die elektrotechnischen Eigenschaften der jeweiligen 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 Batteriemanagement die insgesamt entnehmbare Kapazität der Gesamtbatterie optimieren.

Batteriemanagementsystem in Photovoltaik-Anlagen

Photovoltaikanlagen mit Stromspeicher werden sowohl zur teilweisen Netzeinspeisung als auch 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, dass der Vollladezustand häufig über längere Zeiträume nicht erreicht wird und so systemimmanent eine nicht optimale Be- und Entladung vorliegt.

Dies kann gerade in Phasen mit bewöktem Himmel auftreten, in denen dann die nachgeladene Ladungsmenge 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 somit bei niedrigem Ladezustand keinen direkten Einfluss auf die zur Verfügung stehende Ladung und kann nur die Entnahme von Ladung verhindern.

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"Batteriemanagementsystem von Stromspeichern" wurde am 28.02.2018 das letzte Mal aktualisiert.