BMS mit aktivem Balancing für Serienverschaltete Zellen

Simulationsparameter

BMS aktivieren

Balancing-Methode

Passives Balancing (Widerstände)

Aktives Balancing (DC-DC)

Start-SoC Zelle 1 (%):

0%90%100%

Start-SoC Zelle 2 (%):

0%75%100%

Start-SoC Zelle 3 (%):

0%60%100%

Strom (C-Rate):

0.1C0.5C2.0C

Balancing-Rate (% von C):

1%5%20%

Status: Bereit

BMS Status

BMS: Aktiv

Balancing: Inaktiv

Zellüberwachung: Aktiv

Max Abweichung: 30%

Zellzustände mit BMS-Balancing

0.00 A

Zelle 1

3.90 V

90%

Zelle 2

3.75 V

75%

Zelle 3

3.60 V

60%

Gesamt: 11.25 V | Avg: 3.75 V | Ziel:

BMS & Balancing: Prinzipien und Funktion

Ein Battery Management System (BMS) überwacht, schützt und optimiert Batterien. In Serienverschaltungen ist eine Hauptaufgabe das Balancing, welches Spannungs- und Ladezustandsunterschiede zwischen Zellen ausgleicht.

BMS-Funktionen

1. Zellüberwachung: Kontinuierliche Messung von Spannung, Strom und Temperatur jeder Zelle

2. Schutzfunktion: Abschaltung bei Überschreitung kritischer Werte (V < V_min oder V > V_max)

3. Balancing: Angleichen der Zell-Ladezustände für maximale Packkapazität

Arten des Balancing

Passives Balancing:
- Überschüssige Energie von Zellen mit hohem SoC wird in Wärme umgewandelt (über Widerstände).
- Einfach und kostengünstig, aber energieineffizient.
- Funktioniert typischerweise nur am Ende des Ladens oder im Ruhezustand.
Aktives Balancing:
- Energie wird von Zellen mit höherem SoC zu Zellen mit niedrigerem SoC umverteilt (über DC-DC-Wandler).
- Deutlich effizienter, aber komplexer und teurer.
- Kann in allen Betriebszuständen (Laden, Entladen, Ruhezustand) arbeiten.

Vorteile des BMS mit Balancing

Ohne BMS/Balancing:

Frühzeitiger Abbruch von Lade-/Entladezyklen durch einzelne schwache/starke Zellen
Überladung/Tiefentladung einzelner Zellen bei Nutzung bis zur Gesamtspannungsgrenze
Nutzbare Packkapazität wird durch schwächste Zelle begrenzt
Zunehmende Ungleichgewichte über Nutzungsdauer
Reduzierte Lebensdauer durch Zellschäden

Mit BMS/Balancing:

Bessere Nutzung der verfügbaren Packkapazität
Sicherer Betrieb durch Überwachung jeder Zelle
Abschaltung vor Überschreitung der Grenzwerte
Angleichung der Ladezustände für gleichmäßigere Alterung
Signifikant verlängerte Packlebensdauer
Erhöhte Zyklenzahl und Energiedurchsatz

Was man in der Simulation beobachten kann:

BMS-Funktion: Aktivieren/Deaktivieren Sie das BMS und beobachten Sie Lade-/Entladeverhalten. Ohne BMS stoppt die Simulation ggf. nicht bei Zellgrenzwerten.
Balancing in Aktion: Bei aktiviertem BMS gleichen sich die SoC-Kurven über die Zeit an. Die Balancing-Anzeigen über den Zellen werden aktiv.
Schutzmechanismus: Bei aktiviertem BMS stoppt der Vorgang, bevor eine Zelle V_max oder V_min überschreitet (Statusmeldung "BMS: ...").
Balancing-Methoden: Aktives Balancing ist (in dieser Simulation) effizienter und gleicht die Zellen schneller an als passives Balancing (welches hier vereinfacht dargestellt ist).
Nutzbare Kapazität: Mit BMS kann der Lade-/Entladevorgang länger dauern, da schwächere Zellen unterstützt bzw. stärkere gebremst werden, bis alle Zellen ihre Limits erreichen.
Strom-Plot: Beobachten Sie den Gesamtstrom (linke Y-Achse) und die viel kleineren Balancing-Ströme (rechte Y-Achse, nur aktiv bei Balancing).

Praxisrelevanz des BMS

In modernen Anwendungen wie Elektrofahrzeugen, Energiespeichersystemen und Unterhaltungselektronik ist ein BMS unverzichtbar. Bei großen Packs mit hunderten von Zellen ist aktives Balancing besonders wichtig, da selbst kleine Unterschiede zwischen Zellen die Gesamtkapazität drastisch reduzieren können.

Das BMS ist ein Hauptgrund, warum moderne Lithium-Batterien trotz ihrer hohen Energiedichte sicher betrieben werden können.