Eine Standard-Lithiumzelle hat 3,2 V. Um diese einzelnen Zellen in eine sichere 12/24- oder 48-V-Batterie umzuwandeln, ist ein Lithium-Batterie-Managementsystem oder BMS erforderlich. Ein BMS ist eine Platine, die eine Verbindung zu den Zellen hat und die gesamte Batterie überwacht. Aus Sicherheitsgründen muss das BMS sicherstellen, dass die Zellen immer innerhalb bekannter Grenzen arbeiten und aktiv reagieren, wenn diese Grenzen überschritten werden.
Warum ein Batteriemanagementsystem (BMS) benötigt wird:
Laden
Wenn Lithiumzellen überladen werden, verkürzt dies ihre Lebensdauer oder beschädigt sie möglicherweise dauerhaft. LiFePO4-Akkus (Lithium-Eisen-Phosphat) mit einer Nennspannung von 3,2 Volt sollten Sie also niemals über 3,65 Volt laden, und es ist am besten, etwas im System zu haben, das das Ladegerät abschaltet, wenn sie eine maximale Ladespannung von 3,65 erreichen Volt. Ebenso sollten Sie LiNCM- oder LiMn204-Akkus (Lithium-Polymer) mit einer Nennspannung von 3,7 Volt niemals über 4,2 Volt laden, und es ist am besten, etwas im System zu haben, das das Ladegerät abschaltet, wenn sie eine maximale Ladespannung erreichen von 4,2 Volt.
Entladung
Umgekehrt kann eine LiFePO4-Lithiumbatterie nicht unter 2,4 Volt entladen werden, ohne dass die Zellen beschädigt werden. Es muss also einen Mechanismus im System geben, der den Akku automatisch drosselt und schließlich abschaltet, wenn eine Entladung unter 2,4 Volt fällt. Wenn dieser Mechanismus nicht vorhanden ist, riskieren Sie, einige der Batterien in Ihrem Pack zu beschädigen. Dieses System wird allgemein als Batteriemanagementsystem oder BMS oder im Fall einiger kleinerer Batteriepacks, wie in einem Fahrrad, als PCM bezeichnet. Ein PCM (Protective Circuit Module), das oft als PCB (Protective Circuit Board) bezeichnet wird, ist ein passives System, das am besten bei Spannungen von weniger als 96 Volt und Spitzenströmen arbeitet, die niemals 200 Ampere überschreiten.
Ausgleich
Eine Anzahl von Batterien zu haben, die alle miteinander verbunden sind und elektrische Energie speichern, ist ungefähr so, als hätte man ein Fass, das aus Holzstäben unterschiedlicher Länge besteht und Wasser speichert. Einige Batterien nehmen eine Ladung besser an als andere Batterien in der Kette. Wenn sie eine vorgegebene Spannung wie 3,65 für LiFePO4-Batterien erreichen, muss es eine Möglichkeit geben, den Strom von dieser am höchsten geladenen Batterie abzuleiten und zu verhindern, dass sie überladen wird, während ihre schwächeren Batterien im selben Strang aufholen. Um dies zu vereinfachen, habe ich die Wasserspeicherung in einem Holzfass analogisiert und zeige die längeren Stäbe als die guten Batterien, während die kürzeren Stäbe die schwächeren Batterien darstellen. Dies ist die dritte Funktion eines BMS. Ein gutes BMS balanciert alle Batterien so aus, dass sie ungefähr zur gleichen Zeit voll aufgeladen sind. Dies könnte als Fass dargestellt werden, bei dem alle Dauben die gleiche Länge haben. Passive BMS-Systeme enthalten große Widerstandsnetzwerke, die lediglich den Ladestrom durch das Widerstandsnetzwerk umleiten und überschüssige Energie verbrennen, während der Rest der schwächeren Zellen ihren vollen Ladespannungspegel erreicht.
Billige BMS-Systeme tun dies nicht, sie schalten lediglich das Ladegerät aus, wenn sich die erste Batterie 3,65 Volt nähert. Mit diesen Systemen könnte der Akku immer noch mit einer größeren Menge an Strom geladen werden, aber diese billigen Systeme werden dies auf keinen Fall zulassen. So können Sie beim Kauf des BMS-Systems bis zu 20 % der vollen potenziellen Kapazität des Akkupacks verlieren, um ein paar Dollar zu sparen. Bei Kraftfahrzeugen kann das zu einem großen Reichweitenverlust führen.
Die vierte BMS-Funktion betrifft den Schutz und Ausgleich der Batterien vor Tiefentladung.Wenn die Batterien irgendwie nicht so ausbalanciert sind, dass alle Dauben gleich sind, was ein richtig konstruiertes BMS-System tun wird, erreicht die schwächste Batterie, die in meiner Illustration durch die kürzeste Daube im Fass dargestellt wird, die schwächste Batterie, wenn die Batterie entladen wird Vollentladungs-Abschaltpunkt vor dem Rest des Pakets Ein gutes BMS-System hält alle Zellen im Gleichgewicht, so dass die schwächste Zellenspannung bei einem LiFePO4-Akku nicht unter 2,4 Volt sinkt, während die anderen Akkus ihre Energie ablassen können. In ähnlicher Weise hält ein gutes BMS-System auch alle Zellen in einer Lithium-Polymer-Batterie im Gleichgewicht, sodass die Spannung der schwächsten Zelle nicht unter 2,8 Volt sinkt, während die anderen Batterien ihre Energie ablassen können. Ein gut konzipiertes BMS stellt sicher, dass alle Batterien ihre Energie nahezu gleich speichern und gleichmäßig abgeben. Die letzte Funktion eines guten BMS-Systems ist die Überwachung und Steuerung der Temperaturen innerhalb der Zellen oder des gesamten Pakets. Viele Lithiumchemikalien wie Lithiumkobalt können spontan in Flammen aufgehen, wenn sie überladen oder entladen werden. Metallbrände sind extrem heiß und Wasser oder sogar Löschschaum allein werden die Flammen nicht löschen. Von allen Lithiumchemikalien ist Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) am wenigsten flüchtig und wird theoretisch nicht brennen. Extreme Hitze kann jedoch die Lebensdauer aller Lithiumzellen beschädigen und verkürzen. Ein gutes BMS-System überwacht die Temperaturen innerhalb eines Packs und schaltet entweder das Pack ab oder drosselt den Entlade- oder Ladestrom, sodass die Zellen niemals einen Überhitzungspunkt erreichen.
