Fortschrittliche Batterie-Management-Systeme: Optimierung von Leistung und Sicherheit - Zusammenfassung des Webinars

Batteriemanagementsysteme (BMS) sind das Herzstück jeder modernen Energielösung. Von UAVs und Robotik bis hin zu Elektrofahrzeugen, Marine- und Verteidigungssystemen. Doch wie lassen sich moderne BMS-Architekturen angesichts der steigenden Anforderungen an Leistung, Sicherheit und Compliance weiterentwickeln, um diesen Herausforderungen gerecht zu werden?

Dieser Artikel fasst die Erkenntnisse aus unserem jüngsten Webinar zusammen, das von unserem CTO Ran Aloni veranstaltet wurde und in dem er die wichtigsten Komponenten und die Architektur des BMS-Designs, praktische Anwendungen und Zertifizierungsstrategien erörterte. Sie können sich die vollständige Aufzeichnung ansehen [hier].

Warum BMS-Design wichtig ist

Ein BMS ist mehr als nur ein Überwachungsinstrument, es bestimmt die Produktsicherheit, die Effizienz, die Kundenerfahrung und sogar den Erfolg der Zertifizierung.

Die wichtigsten Gründe, warum BMS-Design entscheidend ist:

• Sicherheit geht vor: Schützt vor Überladung, Überentladung, Kurzschluss und thermischen Ereignissen.
• Datengestützte Einblicke: Ermöglicht Statusaktualisierungen in Echtzeit, vorausschauende Wartung und Leistungsverfolgung.
• Zertifizierungsfähig: Erfüllt globale Normen (UN 38.3, IEC 62133, UL 2054) mit robuster Architektur und bewährten Komponenten.

Kernkomponenten eines BMS

1. Schutzschaltungsmodul (PCM)

Jedes BMS beginnt mit dem PCM. Es ist der hardwarebasierte Wächter, der dafür sorgt, dass Spannung, Strom und Temperatur innerhalb sicherer Grenzen bleiben.

Gemeinsame Merkmale sind:

• Über-/Unterspannungsschutz und Temperaturschutz für Akkus/Zellen
• Erkennung von Kurzschlüssen
• Kontrolle vor dem Aufladen
• Sekundäre Schutzvorrichtungen wie Sicherungen

2. Batterieüberwachung (Gasmessung)

Es wurden vor allem zwei Schätzungsmethoden diskutiert:

• Coulomb-Zählung: Misst den Ladungszu- und -abfluss im Laufe der Zeit, verankert in vollen/leeren Zuständen.
• Schätzung der EMF-Kurve: Verwendet die Spannung unter theoretischen 0A-Bedingungen, um die SoC genauer zu schätzen.

Zusammen bieten sie entscheidende Einblicke in den Ladestatus und den Zustand der Batterie, die für tragbare und unternehmenskritische Anwendungen unerlässlich sind.

3. Cell Balancing: Passiv vs. Aktiv

Warum Gleichgewicht? Weil ein Ungleichgewicht zwischen den Zellen die nutzbare Kapazität begrenzt und die Lebensdauer der Batterie verkürzt.

• Passives Balancing: Lässt überschüssige Ladung aus Zellen mit höherer Spannung über Widerstände abfließen. Kostengünstig und geeignet für gut konzipierte Packs mit hochwertigen Zellen.
• Aktives Balancing: Überträgt die Ladung mit Hilfe von Induktoren oder Kondensatoren von hohen zu niedrigen Zellen. Nützlich in großen, hochkapazitiven oder chemisch unausgeglichenen Systemen.

Das Wichtigste zum Schluss: Bei den meisten Standardanwendungen reicht ein passives Balancing aus, wenn die Batterie aus hochwertigen Zellen und einer homogenen Struktur besteht.

4. Kommunikationsschnittstellen

Sie haben die Daten gesammelt, wie nutzen Sie sie nun?

• Standard-Protokolle: SMBus (stromsparendes I2C), UART, CAN, RS485/422
• Erweiterte Integration: MODBUS, CANopen, DroneCAN, TCP/IP, Bluetooth
• Wichtige Überlegungen: Elektromagnetische Interferenz (EMI), Standby-Leistung und Batterieadressierung

Tipp: Behandeln Sie die Batterie in Kommunikationsketten immer als Slave-Gerät, um Energie zu sparen und Datenkonflikte zu vermeiden.

Praktische Anwendungsfälle: 

Hochspannungsanwendungen (EVs, UAVs, Marine)

Zentrales vs. dezentrales BMS

• Zentralisiert: Alle Sicherheits- und Überwachungsfunktionen in einem Gerät, effizient für kompakte Systeme.
• Dezentralisiert: Verteilt die Funktionen auf die einzelnen Module (ideal für 100-1000V-Batterien), reduziert die Komplexität der Verkabelung und ermöglicht eine Diagnose auf Modulebene.

Kritische Energieszenarien (Luftfahrt, Verteidigung)

Wann eine Sicherheitsüberbrückung gefährlich sein kann

• Kein BMS: Selten, aber bei geführten Systemen möglich.
• Land/Luft-Modi: Vollständiger Schutz am Boden, eingeschränkter Schutz im Flug.
• Externer Entladungsschutz: Sicherung oder intelligente Steuerung außerhalb des BMS.

Beispiel: Bei einer Drohne kann ein übervorsichtiges BMS, das die Stromversorgung mitten in der Luft unterbricht, riskanter sein als die Tolerierung eines vorübergehenden Fehlers.

Überlegungen zur Zertifizierung: Von Anfang an auf Erfolg getrimmt

Das Erreichen einer behördlichen Zulassung, sei es UN 38.3, IEC 62133 oder UL 2054, ist mehr als ein Kästchen zum Ankreuzen. Es beginnt damit, wie Ihre Batterie und Ihr BMS konstruiert sind. Ein zertifizierbares BMS muss von Grund auf mit Blick auf die Einhaltung der Vorschriften entwickelt werden:

• Feste Konfiguration - Volle Kontrolle über die Stückliste, die Firmware und das Hardware-Design.
• Mehrere Sicherheitsebenen - Redundante Schutzmechanismen, um Einzelausfälle zu überstehen.
• Mechanische Integrität - Physikalisch robustes Design mit korrektem PCB-Layout, stabilen Steckern und sicherer Kabelführung.
• Qualifiziertes, zertifiziertes Designteam - Ein BMS ist nur so gut wie die Ingenieure, die dahinter stehen. Ihr Team muss die Zertifizierungswege, Sicherheitsprotokolle und Konstruktionsbeschränkungen verstehen. Suchen Sie nach Partnern mit:
  
  
  • Nachgewiesene Erfahrung in der BMS-Entwicklung
  • ISO-zertifizierte Prozesse (z. B. ISO 9001 für Qualitätsmanagement)
  • Vertrautheit mit SIL (Safety Integrity Level) Entwurfspraktiken
    

Ein BMS erhält zwar keine eigenständige Zertifizierung, aber sein Design und sein Validierungsprozess werden bei der Batteriezertifizierung gründlich bewertet. Die Wahl eines Partners mit dem richtigen technischen Fachwissen und den richtigen Qualitätssystemen ist der Schlüssel zur Vermeidung von kostspieligen Verzögerungen oder Nacharbeiten.

Abschließende Überlegungen

Möchten Sie das Thema weiter vertiefen? Die vollständige Aufzeichnung des Webinars ist hier verfügbar

Bei den heutigen anspruchsvollen Anwendungen ist das BMS-Design nicht optional, sondern strategisch wichtig. Von Sicherheit und Leistung bis hin zu Echtzeitdaten und Konformität - ein durchdachtes BMS erschließt das Produktpotenzial und sorgt für Zuverlässigkeit im Feld.

Unser Ingenieurteam bei Dan-Tech Energy verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in den Bereichen Energiemanagement, kundenspezifisches PCB-Design und Unterstützung bei der Batteriezertifizierung. Unterstützt durch eine globale Fertigung und ISO-konforme Prozesse helfen wir unseren Kunden, mit Zuversicht vom Konzept zur Produktion überzugehen.

Ob Sie einen UAV-Antriebsstrang, einen Industrieroboter oder ein Energiespeichersystem bauen, der richtige Partner kann den Unterschied ausmachen.

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