Das Batteriemanagementsystem (BMS) für die PV-Anlage

Das Batteriemanagementsystem (BMS)

Das Batteriemanagementsystem überwacht die Batterie und steuert die Ladung und Entladung. Dadurch wird kein Solarstrom verschwendet und die Batterie möglichst schonend genutzt, indem sie vor Überladung und Tiefentladung geschützt wird. Auch innere Vorgänge wie das Balancieren der Batterien übernimmt das Batteriemanagementsystem.

Um einen Stromspeicher optimal zu nutzen, muss dieser vor Überladung und Tiefentladung geschützt werden. Genau diese Aufgabe übernimmt das Batteriemanagementsystem. Wie das funktioniert und warum ein Batteriemanagementsystem so wichtig ist, erfährst Du in diesem Artikel.

Was ist ein Batteriemanagementsystem?

Das Batteriemanagementsystem, kurz BMS, managt die Batterie – wie der Name schon sagt. Es ist quasi der Kopf der Batterie. Konkret bedeutet das: Das BMS entscheidet, wann diese geladen wird, wann nicht und wann sie entladen wird. Auch innere Vorgänge steuert sie bei Bedarf. So kann die Batterie vor Schäden durch Überladung und Tiefentladung geschützt werden und eine möglichst lange Lebensdauer erreicht werden.

Tiefentladung

Eine Tiefentladung liegt vor, wenn ein Akku bis zu einer Entladeschlussspannung entladen wurde. Das führt in vielen Fällen zu irreversiblen Schäden, bis zur Zerstörung des Speichers. Konkret kann eine Tiefentladung je nach Batterietyp zu Kapazitätsschwund, Kurzschlüssen oder einer Umpolung führen. Um das zu vermeiden, haben Batterien daher in der Regel eine Entladetiefe. Diese unterscheidet sich je nach Batterietyp. Für die Kapazität bedeutet das, dass nur so viel Speicherkapazität tatsächlich genutzt werden kann, wie ohne Tiefentladung möglich ist.

Überladung

Wird eine Batterie über ihre Kapazitäten hinaus weiterhin geladen, spricht man von einer Überladung. Aus der Energie, die nicht mehr aufgenommen werden kann, entsteht dann Wärme. Unter Umständen kann die entstehende Wärme weitere Reaktionen in Gang setzen, die schließlich zu einem Brand der Batterie führen – man spricht dabei von einem „thermal runaway“. Im Falle von Lithium-Batterien ist das besonders gefährlich, da Lithium-Brände nur schwer löschbar sind.

Wie funktioniert ein Batteriemanagementsystem?

Damit das BMS entscheiden kann, was das richtige für die Batterie ist, muss vor allem der Ladezustand der Batterie geprüft werden. Der Ladezustand wird über die Zellspannung in der Batterie gemessen: Je höher die Zellspannung ist, desto höher ist der Ladezustand. Bei einer hohen Zellspannung ist die Batterie also sehr voll geladen und kann keinen weiteren Strom aufnehmen. In diesem Fall stoppt das Batteriemanagementsystem die Ladung der Batterie und speist den Solarstrom stattdessen ins Stromnetz ein. Ist die Zellspannung niedrig, bedeutet das, dass die Batterie entladen ist. Um vor einer Tiefentladung zu schützen, gibt das System ab einem bestimmten Wert den Befehl, nicht weiter zu entladen und die Batterie stattdessen bei Gelegenheit wieder aufzuladen.

Ohne das BMS würde Strom in die Batterie fließen, wann immer er von der PV-Anlage produziert wird. Es würde also zur Überladung kommen und damit auch zur Gefahr eines Schadens oder sogar Brandes. Und selbst unabhängig davon bedeutet die Überladung der Batterie eine Verschwendung von wertvollem Solarstrom: Denn Strom, der eigentlich eingespeist werden könnte und damit nicht nur vergütet würde, sondern auch an anderer Stelle verbraucht werden könnte, geht dann einfach verloren.

Auch beim Entladeprozess bringt das Fehlen eines BMS Nachteile mit sich: Denn dann wird die vorgesehene maximale Entladetiefe nicht mehr eingehalten und die Batterie wird bei entsprechendem Bedarf völlig entladen. Das verkürzt nicht nur die Lebenserwartung des Speichers, sondern kann sogar irreversible Schäden auslösen, die den Speicher nicht mehr nutzbar machen.

Balancierung der Zellen

Eine weitere Funktion des Batteriemanagementsystems ist das Balancing der Batterie-Zellen. Eine Batterie besteht aus mehreren Zellen. Sind diese in einer Parallel-Reihen-Schaltung angeordnet, können die unterschiedlichen Strings auch unterschiedliche Ladezustände aufweisen. Die Batterie ist aber nur so stark, wie schwächste Zelle, ähnlich wie auch bei einem Solarmodul.

Um bestmögliche Leistung zu erzielen, muss die Batterie also ausbalanciert werden, die unterschiedlichen Zellen also auf denselben Ladezustand gebracht werden. Das Balancing selbst kann auf zwei Weisen geschehen:

Passives Balancieren

Beim passiven Balancing wird Energie aus der stärksten Zelle abgeleitet, bis sie der Energie der schwächsten Zelle entspricht. Die überschüssige Energie wird als Wärme abgeleitet, kann dann also nicht mehr für den Strombedarf genutzt werden. Diese Form des Balancing ist zwar vergleichsweise unkompliziert, aber auch verschwenderisch.

Aktives Balancieren

Beim aktiven Balancing wird ebenfalls Energie aus der stärksten Zelle entnommen. Allerdings wird die „überschüssige“ Energie hier der schwächsten Zelle zugeführt, um ohne Energieverlust einen ausgeglichenen Ladezustand zu erreichen.

Fazit: Warum das Batteriemanagement so wichtig ist

Wo ein Stromspeicher eingesetzt wird, ist es unabdingbar, dass dieser auch überwacht und kontrolliert angesteuert wird. Das Batteriemanagement übernimmt Funktionen wie

• die Überwachung des Ladezustandes
• die Balancierung der Zellen
• das Regulieren der Ladung und Entladung

Ohne diese Regulierung entstehen Gefahren und Nachteile:

• Die Batterie kann überhitzen und im schlimmsten Fall Feuer fangen.
• Die Laufzeit der Batterie verkürzt sich oder wird sogar beendet.
• Solarstrom geht durch die falsche Ladung verloren.

Um das zu vermeiden ist es daher umso wichtiger, dass entsprechende Funktionen erfüllt werden, um nicht nur den maximalen Solarertrag nutzbar zu machen, sondern auch mögliche Gefahren auszuschließen.