Battery Management System

[elfo27]

BMS ist die Zentrale, die die Messungen z.B. der Balancer auswertet und entsprechend reagiert. Balancer können z.B. nur beim Laden aktiv sein und ab einer gewissen Grenzspannung die Zelle entladen, aber sie sollten dies auch der BMS-Zentrale weitermelden und diese dann ggf. den Ladevorgang unterbrechen für eine gewisse Zeit oder den Ladestrom reduzieren. Ein besseres BMS überwacht mit den Balancern die Einzelzellen auch auf Tiefentladung und meldet dann dem BMS, dass es bitte dem Cotnroller den Saft abdrehen soll, bis die Zellspannung deie Minimalspannung wieder überschreitet.
Das wäre aber nur ein passives BMS, das mit Energie"vernichtung" (es wird nur Wärem produziert) operiert. Aber fürs erste müsste das mal reichen

Das hört sich vernünftig an, aber was sind denn die Ursachen für den Kontinental- nein, für den Zelldrift? Einfach nur die Kapazitätsunterschiede, die es produktionsbedingt hat? Könnte man das nicht durch einfaches "Nicht-so-voll-laden" und "Nicht-so-leer-fahren" abfangen?
Was macht ein "aktives" BMS, wenn es nicht nur Leistung verbrät? Volle Zellen abklemmen und nur noch die nichtvollen laden?

Gruß

[MEroller]

Das sind viele Fragen auf einmal
Zelldrift kommt vor allem daher, dass nie ein Zelle ganz genau so ist wie eine andere. Kleinste Toleranzunterschiede, Unterschiede in der Beschichtung, im Elektrolyt, selbst bei Zellen aus derselben Fertigungscharge sind der Hauptgrund für Zelldrift, vor allem bei höheren Strömen, wie sie unsere elektrischen "Lieblinge" nun mal genehmigen. Einzelzellen reagieren leicht unterschiedlich auf dieselbe Stromanforderung, die notgedrungen bei Reihenschaltung in etwa gleichmäßig durch alle Zellen aufgebracht werden muss. Zusätzlich besagen Unkenrufe, dass die erste bzw. die letzte Zelle einer Batterie am stärksten belastet sei, aber eine plausible Begründung habe ich für solche Beobachtungen noch nicht vernommen noch mir selber ausdenken können.

"Nicht-so-voll-laden" wird, vor allem bei verwenden eines BMS, eher zur Zelldrift fürhren, "Nicht-so-leer-fahren" ist dagegen von großen Vorteil für besser balancierte Zellen. Den gerade in Richtung "Saft leer" kommen auch kleine Kapaunterschiede zwischen den Zellen extrem deutlich zum Vorschein. Daher gibt es auch Fürsprecher eines Balancierens bei leeren Zellen, und dann immer nur so viel Laden, bis die erste Zelle die Grenzspannung erreicht hat. Dann müsste theoretisch jede Zelle gleichzeitig leer sein, und die könnten sich das Driften dann großteils verkniefen. Da wir aber generell unsere teuren Stromspender nicht vollkommen leerfahren sollten, ist das eher eine akademische Übung.

Ein aktives BMS verschiebt aktiv überschüssige Ladung von zu vollen Zellen auf die bedrüftigsten, leersten Zellen. Da das über Kondensatoren oder Spulen entkoppelt passieren muss (sonst gibt's "Zunder"), kann das prinzipiell zu jeder Zeit erfolgen, beim Laden, beim Entladen, oder auch nur beim Rumstehen. Letzteres soll schon zu tiefentladenen Batterien gefürht haben, weil das BSM so lange rumschiebt, bis alles zellen leer sind
In der Theorie wäre der aktive Ausgleich effizienter ist als das schnöde Strom verfeuern in Balancer-Widerständen, in der Praxis wäre aber das effizienteste laden eine Einzelladung aller Zellen, und das individuell, bis die jeweilige Zelle voll, dann schaltet sich dieser ladezweig automatisch ab. Aber das wäre EXTREM teuer, vor allem bei einem 24 oder 28Zellen LiFePO4 Pack...

[elfo27]

Das sind viele Fragen auf einmal

Ich will's halt wissen

"Nicht-so-voll-laden" wird, vor allem bei verwenden eines BMS, eher zur Zelldrift fürhren

und wenn die Zellen, wie Du unten selbst schreibst, leer balanciert werden und kein BMS verwendet wird?

"Nicht-so-leer-fahren" ist dagegen von großen Vorteil für besser balancierte Zellen. Den gerade in Richtung "Saft leer" kommen auch kleine Kapaunterschiede zwischen den Zellen extrem deutlich zum Vorschein. Daher gibt es auch Fürsprecher eines Balancierens bei leeren Zellen, und dann immer nur so viel Laden, bis die erste Zelle die Grenzspannung erreicht hat. Dann müsste theoretisch jede Zelle gleichzeitig leer sein, und die könnten sich das Driften dann großteils verkniefen.

Das ist genau, was der gute Onkel Jack Rickard sagt. Auch Google findet einiges zu "Cell Reversal"

Ein aktives BMS verschiebt aktiv überschüssige Ladung von zu vollen Zellen auf die bedrüftigsten, leersten Zellen. Da das über Kondensatoren oder Spulen entkoppelt passieren muss (sonst gibt's "Zunder"), kann das prinzipiell zu jeder Zeit erfolgen, beim Laden, beim Entladen, oder auch nur beim Rumstehen. Letzteres soll schon zu tiefentladenen Batterien gefürht haben, weil das BSM so lange rumschiebt, bis alles zellen leer sind

Eben letzteres sollte doch wohl zu vermeiden sein. Wenn nicht spricht es nicht gerade für ein BMS

In der Theorie wäre der aktive Ausgleich effizienter ist als das schnöde Strom verfeuern in Balancer-Widerständen, in der Praxis wäre aber das effizienteste laden eine Einzelladung aller Zellen, und das individuell, bis die jeweilige Zelle voll, dann schaltet sich dieser ladezweig automatisch ab. Aber das wäre EXTREM teuer, vor allem bei einem 24 oder 28Zellen LiFePO4 Pack...

Oder eben

Balancierens bei leeren Zellen

durch kurzfristige Parallelschaltung? Würde das Sinn machen?

und dann immer nur so viel Laden, bis die erste Zelle die Grenzspannung erreicht hat

Das würde mir einleuchten.

Gruß

[MEroller]

und wenn die Zellen, wie Du unten selbst schreibst, leer balanciert werden und kein BMS verwendet wird?

Wenn nicht rechtzeitig das Ladegerät abgeschaltet wird (wozu aber etwas BMSsiges mit Einzelzellenüberwachung nötig wäre...) geht das Driften schnell wieder los...

Oder eben

Balancierens bei leeren Zellen

durch kurzfristige Parallelschaltung? Würde das Sinn machen?

Das wäre ein Mords-Schalterverhau mit dutzenden Übergangswiederständen und besten Chancen auf ein eindrückliches Feuerwerk, wenn das auch nur mit einem einzigen Schalter mal schiefläuft. Auf sowas würde ich mich nicht setzen wollen noch in meiner Garage laden noch zwischenlagern, und selbst auf meinem Stellplatz im Freien nicht, aus Rücksicht auf die benachbarten Autos...
Sowas kann man als Initialbehandlung machen, BEVOR man eine frische Batterie ins geliebte Zweirad verpflanzt

[elfo27]

Wenn nicht rechtzeitig das Ladegerät abgeschaltet wird (wozu aber etwas BMSsiges mit Einzelzellenüberwachung nötig wäre...) geht das Driften schnell wieder los...

Deswegen ja auch das "Nicht-so-voll-laden". Batteriehersteller sagt Ladeschlußspannung = 4V also schalten wir schon bei 3.6V ab - natürlich multipliziert mit der Zellenzahl. Dann werden vielleicht nicht alle ganz voll, aber auch keine überladen. Viel nutzbare Kapazität geht dabei wohl auch nicht verloren, da gegen Ende des Ladevorgangs die Spannungskurve zwar stark steigt, aber nicht mehr viele Ah geschaufelt werden. Mir würde das so einleuchten: Um die Zellen in Balance zu halten muß man beim Laden das steile Ende der Ladespannungskurve meiden, also früher von CC auf CV wechseln. Und beim Entladen eben auch das steile Ende der Entladespannungskurve meiden, also "Nicht-so-leer-fahren". Dazu alle paar Monate die Zellen durchmessen, aber das wird ja hier auch MIT BMS empfohlen.

Das wäre ein Mords-Schalterverhau mit dutzenden Übergangswiederständen und besten Chancen auf ein eindrückliches Feuerwerk, wenn das auch nur mit einem einzigen Schalter mal schiefläuft.

Das ist natürlich auch wieder wahr. Allerdings bringt so ein BMS ja auch einen ganz schönen Drahtverhau mit sich.

Naja, ich habe ja noch etwas Zeit das zu verstehen. Noch ist ja batteriemäßig alles frisch. Allerdings bin ich doch mittlerweile schon so weit überzeugt, daß ich die Bleier falls nötig nicht mehr mit ebensolchen ersetzen, sondern doch was Lithiumbasiertes nehmen würde.

Gruß

[MEroller]

Das Problem mit 3,6V x Zellenzahl ist ja gerade, dass man nicht sicher sein kann, ob nicht alle außer einer nur 3,5V haben, aber die eine schon bei 4,5V ist. Zu gefährlich!
Der starke Spannungsanstieg bei Konstantstromladung ist natürlich ein sicherer Indikator dafür, dass die überwiegende Mehrzahl der Zellen jetzt gleich ganz geladen ist und dass jetzt Konstantspannung dran ist, aber wieder gilt: das gilt nur für die überwiegende Mehrzahl, einzelne können schon früher hochgeschossen sein.

Der gravierende Unterschied zwischen BMS Drahtverhau (bei einem zentralen BMS "Zellenzahl plus eins" einzelne Drähte zu den Polen) und der Parallel-/Reihenschaltung ist, dass bei der BMS-Lösung die Batteriepole zu jeder Zeit fest miteinander verbunden sind, beim Schalterverhau nicht.

[elfo27]

Das Problem mit 3,6V x Zellenzahl ist ja gerade, dass man nicht sicher sein kann, ob nicht alle außer einer nur 3,5V haben, aber die eine schon bei 4,5V ist. Zu gefährlich!

Auch wenn die Zellen vorher - also leer - balaciert waren?

Der gravierende Unterschied zwischen BMS Drahtverhau (bei einem zentralen BMS "Zellenzahl plus eins" einzelne Drähte zu den Polen) und der Parallel-/Reihenschaltung ist, dass bei der BMS-Lösung die Batteriepole zu jeder Zeit fest miteinander verbunden sind, beim Schalterverhau nicht.

Das sehe ich ein.

In der Theorie sehe ich das ja alles ein, aber gibt es da auch Erfahrungswerte? Mit BMS, ohne BMS? Wer hat hier denn schon mal eine Zelle verloren? Und hatte der ein BMS oder Balancer oder nichts?

Gruß

[STW]

Nimm Dir zwei 10L-Bauchflaschen und stelle Dir vor, die Fertigungstoleranzen lassen 5% zu. Der eine fasst 10.5l, der andere 9.5l. Und nun lädst Du. Im Gegensatz zum nahezu linear ansteigenden Wasserspiegel eines Eimers gilt für die Bauchflasche: je voller die wird, desto schneller steigt der Wasserstand. Und ist dann ganz schnell am überschwappen.
So ähnlich verhält es sich mit der Spannungskurve der LiFePO4-Zellen, irgendwann reißt die Spannung nach oben aus und bricht alle Rekorde - mit entsprechender Zellschädigung. Bottom-Up-Balancing funktioniert nur, wenn man die Zelle mit der niedrigsten Kapazität kennt und deren Spannung zum Anlaß nimmt, den Ladevorgang zu unterbrechen. Nur verspricht Dir niemand, dass nicht mal eine andere Zelle schneller altert.
Top-Down-Balancing ist technisch einfacher zu realisieren. Einfach einen Balancer als "Abblasventil" dran an jede Zelle und gut ist.

Erfahrungswerte:
Meine ersten Zellen von 2008 tun nach mehr als 10TKm immer noch ihren Dienst im Zweitroller. Das Balancing habe ich nach ca. 2-3 Monaten nachgerüstet, nachdem ich Zelldrift bemerkt habe.
Ovinem mit 7500km: die Thunderskys wurden ohne Balancer gefahren, meist wurde die volle Reichweite ausgenutzt. Nach 2 Jahren waren zwei Zellen kaputt, der Rest des Pakets war komplett aus dem Gleichlauf. Also Zellen gewechselt und Balancer nachgerüstet.
Meine Calbs: gerade habe ich die "kleine Inspektion" gemacht. Einen Tag nach dem Vollladen mein Ausgleichsladegerät (ca. 59-60V bei max. 4A) drangehangen, die Zellen hatten vorher im Leerlauf zwischen 3.33-3.58V. Nach 2 Minuten waren alle Balancer an, alle Zellen auf 3.6V bis max 3.78V bei einer Reststromstärke von ca. 1A. So wie es sein soll.

[elfo27]

Hallo STW,

das Flaschenbeispiel gefällt mir. Nur normalerweise wird ja nicht die Wassermenge mit der Spannung gleichgesetzt, sondern der Wasserdruck (und der ist abhängig von der Füllhöhe, nicht von der Füllmenge). Die Wassermenge wäre stattdessen das Äquivalent (in dem Falle sogar das Aquavalent) zur gespeicherten Energie. Beim Füllen der bauchigen Flaschen würde tatsächlich gegen Ende der Wasserdruck schneller steigen als die Wassermenge. Wenn ich genügend Sicherheit einkalkuliere - sagen wir 10% (Du gehst nur von einer Streuung von +-5% aus) - und fülle gleichmäßig eine Wassermenge in die Flaschen, die bei idealen Flaschen (also exakt 10l, exakt genormte Bauchigkeit) einen Wasserdruck von 10% unter dem Maximum entspricht, dann wäre ich innerhalb der Sicherheit, ohne Abblasventil. Ich würde auch weniger als 10% Kapazität verlieren, denn im dicken Bauch sind die Flaschen gleichvoll, nur der schlanke Hals wäre unterschiedlich hoch gefüllt.

Gegen Deine Erfahrungswerte kann man wenig sagen, und das will ich auch nicht. Außer daß "die Thunderskys wurden ohne Balancer gefahren, meist wurde die volle Reichweite ausgenutzt" ja gerade dem Vorschlag widerspricht, nicht leerzufahren (Klar kann man sich seine zu fahrenden Wege nicht immer aussuchen, aber dann müßte man halt die Batteriekapazität entsprechend anpassen). Ist aber auch wurscht, ich versuche das ja nur zu verstehen und will niemandem, der bisher gute Erfahrungen mit seinem BMS gemacht hat, eben dieses schlecht reden.

Gruß

[STW]

Die Thunderskys in Ovinem-Roller waren schon recht extrem. Der ältere Herr, der den fährt, hat regelmäßig 80km oder mehr mit den 60Ah zurückgelegt. Wären nur die 2 Zellen defekt gewesen, hätte ich gesagt, och schade. . Aber der Rest des Packs war außerhalb allem Gleichlauf, tw. mußte ich in einzelne Zellen 10-20% der Nennkapazität nachladen.

Und bei meinem ersten Akkupack hatte ich auch das Erlebnis in den ersten 2 Monaten ohne BMS. Die ersten Akkus wollten schon die 5V-Hürde knacken, während andere immer noch bei 3.33V herumkrebsten.

Nun ist der Begriff BMS für meine Balancer eine Euphemismus. Die Dinger tun nichts weiter als eine Zellüberladung zu verhindern. Das schaffen die recht gut und halten dabei die Zellen recht nahe beieinander. Auf Unterspannungsschutz und andere Spielsachen verzichte ich gegenwärtig (noch), da ich denke, dass ich weiß, was ich tue. Angesichts des Ovinemfahrers jedoch wäre für den normalen Endkunden ein zellenbasierter Unterspannungsschutz anzuraten.