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BMS und CSE: So funktioniert die Zellüberwachung

Damit Lithium-Ionen-Zellen sicher betrieben werden können, müssen die Zellspannungen und -temperaturen kontinuierlich überwacht werden. Dies geschieht über eine Überwachungselektronik, der Cell Supervision Electronics – oder kurz CSE.

Die einzelnen Zellen in einer Batterie werden zu Zellmodulen zusammengefasst. Jedes Zellmodul verfügt über eine Überwachungselektronik (Zellüberwachung oder eben CSE), an die die Zellen angeschlossen sind. Die CSE misst die Spannung und die Temperatur der Zellen.

Bei der CSE handelt es sich üblicherweise um eine Platine (PCB = Printed Circuit Board) mit einem oder mehreren speziellen Mikrocontrollern bzw. ASICs (ASIC = Application Specific Integrated Circuit). Die ASICs sind spezielle Chips, die genau zu einem bestimmten Zweck, wie beispielsweise der Steuerung einer Waschmaschine, entwickelt wurden. Im Zellmodul kommen natürlich andere ASICs zum Einsatz, nämlich solche, die nur für die Überwachung von Lithium-Ionen-Zellen ausgelegt wurden.

Um die Spannung der Zellen abzugreifen, ist die CSE elektrisch über Messleitungen, sogenannten Sense-Leitungen (von engl. „sense“ für fühlen), mit den Zellpolen (Plus- und Minuspol, bzw. Kathode und Anode) verbunden. Über zusätzliche Leitungen können auch Temperatursensoren angeschlossen werden, die wiederum für eine optimale Ausnutzung und Belastung der Zellen unabdingbar sind.

Zellüberwachung CSE
Die CSE misst die Spannung und Temperatur der Zellen und führt bei Bedarf ein „Balancing“ durch.

Ladungsunterschiede, wie hier von Zelle 2, gleicht die Zellüberwachung über ein „Balancing“ aus. Üblicherweise werden die Zellen mit der höheren Spannung (hier die Zellen 1 und 3) über kleine Widerstände auf der CSE entladen, bis alle Zellen wieder den gleichen Ladezustand haben, also „balanciert“ wurden. So deutlich wie auf dem Bild sind die Spannungsunterschiede allerdings normalerweise nicht.

Da sich die CSE üblicherweise direkt aus den Zellen mit elektrischer Energie versorgt, erzeugt die sie ebenfalls leichte Ladungsverluste. Bei der Entwicklung der CSE bzw. der ASICs wird daher genau darauf geachtet, dass der Energieverbrauch so gering wie möglich ist, um eine möglichst geringe Entladung der Zellen sicherzustellen.

Battery Management System (BMS)
Das BMS ist das zentrale Steuergerät der Batterie und sammelt die Daten der CSEs ein, verarbeitet diese und kommuniziert mit dem Fahrzeug.

Das BMS (= Battery Management System) ist das zentrale Steuergerät einer Batterie, quasi das „Gehirn“. Beim BMS laufen die Informationen der einzelnen Zellüberwachungen zusammen.

Das BMS ermittelt anhand der Zellspannungen den aktuellen Ladezustand (SOC = State of Charge), gibt den Befehl zum Balancing und übernimmt die Kommunikation mit dem Fahrzeug. Außerdem wird hier sichergestellt, dass die Zellen nie zu tief entladen oder überladen werden.

Im Gegensatz zur Zellüberwachung wird das BMS über das 12V-Bordnetz mit Spannung versorgt, d.h. die Traktionsbatterie wird im Stillstand nicht durch ein aktiviertes BMS belastet.

Weitere übliche Abkürzungen für die CSE sind auch:

  • CSC: Cell Supervision Circuit
  • CMC: Cell Management Controller

Das BMS ist auch unter folgender Bezeichnung bekannt:

  • BMC: Battery Management Controller

Beispiele für Batterien mit Zellüberwachung und BMS:

Audi A3 Sportback e-tron Batterie
Jedes Zellmodul der PHEV-Batterie des Audi A3 e-tron hat eine Zellüberwachung (hier: CMC), die mit dem Steuergerät (hier: BMC) verbunden ist. (Abbildung: © Audi AG)
Deutsche Accumotive Hybrid Batterie P08-1
Die kompakte Hybrid-Batterie von Mercedes-Benz verfügt ebenfalls über eine Zellüberwachung und ein BMS. (Abbildung: © Daimler AG)
Daimler Mercedes-Benz EQC Batterie
Bei der deutlich größeren Batterie des Mercedes-Benz EQC sind mehrere CSEs in einer sogenannten Daisy-Chain miteinander verbunden, quasi aneinandergereiht. Das BMS sitzt im Bereich der Elektrik/Elektronik. (Abbildung: © Daimler AG)

Weiterführende Links:

Mehr zur Technik von Elektroautos auf Generation Strom.

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