Lithium-Ionen-Zellen sind anspruchsvolle Typen: Man darf sie nicht aus den Augen lassen und muss immer ihren derzeitigen Zustand kennen, damit man sie sicher einsetzen kann. Aus diesem Grund sind alle Batterien mit einem System für die Zellüberwachung ausgerüstet. Wie das funktioniert, erfahren Sie in dieser Ausgabe unseres E-Magazins.
Die Zellüberwachungselektronik (CSE)
Um Informationen über den aktuellen Zustand einer Zelle ermitteln zu können, werden deren Spannungen und Temperaturen kontinuierlich gemessen und überwacht. Für diese Überwachung wird eine spezielle Elektronik an die Zellen angeschlossen, eine sogenannte CSE. Das steht für Cell Supervision Electronics, also „Zellüberwachungselektronik“.
Eine typische Batterie eines Elektroautos besteht aus drei Ebenen. Das gesamte Paket wird als Batterie oder Batteriepack bezeichnet. In diesem befinden sich die Zellmodule, die wiederum ein Zusammenschluss mehrerer Zellen sind.
Beim Akku des Mercedes EQC arbeiten mehrere CSEs in Reihe. Die BMS-Technik sitzt im Bereich der Elektronik. (Abbildung: © Daimler AG)
Die CSEs sind entweder Teil eines Zellmoduls und überwachen die einzelnen Zellen dieses Zellmodus, oder sie sind Teil des Batteriepacks und überwachen die Zellen mehrerer Zellmodule. Beide Architekturen sind bei modernen E-Auto-Batterien zu finden.
Spannung und Temperatur werden überwacht
Die Aufgabe der CSEs ist dennoch praktisch immer die gleiche: Sie messen die Spannungen und Temperaturen der Zellen. Auf den CSEs befinden sich spezielle, hochintegrierte Schaltkreise, die als ASIC bezeichnet werden. Das steht für Application Specific Integrated Circuit. Es handelt sich also um spezielle Schaltkreise für die Überwachung von Lithium-Ionen-Zellen.
Für die Spannungsmessung sind die CSEs über Sense-Leitungen („sense“, englisch für fühlen) mit den Zellen verbunden. Jeweils eine Sense-Leitung ist mit dem Pluspol der Zelle (= Kathode) verbunden, eine weitere mit dem Minuspol (= Anode). Für die Temperaturüberwachung befinden sich Temperatursensoren in den Zellmodulen oder auf den Zellen. Diese sind über weitere Messleitungen an die CSEs angeschlossen. Für einen sicheren Betrieb der Zellen sind Temperatursensoren mindestens genauso wichtig wie die Zellspannungsmessungen, damit die Zellen nicht überlastet werden und ideal ausgenutzt werden können.
Ein ständiger Balanceakt
Auf der CSE befindet sich ein ASIC, der die Spannungen und Temperaturen der Zellen misst. Haben die Zellen, wie auf dem Bild dargestellt, einen unterschiedlichen Ladezustand, wird dieser über ein Balancing ausgeglichen.
In der schematischen Darstellung erkennt man, dass die zweite Zelle einen geringeren Ladezustand aufweist als die anderen beiden Zellen. Da sich bei einem Entladevorgang, also beim Fahren, alle Zellen nahezu gleichmäßig und vor allem gleichzeitig entladen, würde die zweite Zelle als erstes komplett leer sein. Dann muss die Batterie abgeschaltet werden, obwohl in den Zellen 1 und 3 noch Energie vorhanden wäre. Aus diesem Grund müssen die Ladungsunterschiede zwischen den Zellen ausgeglichen werden.
Das geschieht über das sogenannte Balancing. Dazu werden die Zellen mit dem höheren Ladezustand, in der Abbildung die Nummern 1 und 3, über kleine Widerstände auf der CSE solange entladen, bis in allen drei Zellen nahezu der gleiche Ladezustand erreicht wurde und die drei Zellen damit auch die gleiche Spannung aufweisen. Denn die Spannung einer Zelle gibt Aufschluss über ihren Ladezustand. Je höher die Spannung, desto höher der Ladezustand – und andersherum.
Sind die Zellspannungen der Zellen gleich, ist das Zellmodul bzw. die Batterie „balanciert“. Die Zellspannungsunterschiede sind allerdings selten so drastisch wie in der Darstellung. Meistens müssen nur wenige Prozent an Ladungsunterschieden ausgeglichen werden.
Selbstversorger
Die CSE-Platinen sind nicht an das 12-Volt-Bordnetz angeschlossen, aus dem sich sonst alle anderen Steuergeräte versorgen. Damit die CSE zu jedem Zeitpunkt überprüfen kann, wie der Ladezustand der Zellen ist, versorgen sich die CSEs direkt aus den Zellen.
Das führt natürlich dazu, dass die CSEs die Zellen, die sie überwachen, jedes Mal ein bisschen entladen, wenn sie aktiv sind. Da dieser Strom nicht zum Fahren zur Verfügung steht, werden die CSE und die darauf befindlichen ASICs so entwickelt, dass sie einen minimalen Strombedarf haben. Tatsächlich können die Batterien monatelang ungenutzt herumstehen, ohne dass sie sich tiefentladen würden, wenn der Ladezustand vorher ausreichend hoch war. Die Strommenge, die die CSEs benötigen, ist im Vergleich zu der Strommenge, die das Auto zum Fahren verbraucht, vernachlässigbar gering. Die unvermeidliche Selbstentladung der Zellen, die durch chemische Vorgänge innerhalb der Zellen geschieht, hat einen größeren Einfluss auf den Ladezustand.
Das BMS – „Gehirn“ der Batterie
Das BMS ist quasi das „Gehirn“ der Batterie und verarbeitet die Messdaten der CSEs. Es tauscht Informationen mit dem Fahrzeug aus, damit die Zellen der Batterie nicht überlastet werden.
Die CSE alleine reicht allerdings noch nicht aus, um die Überwachung der Zellen sicherzustellen, denn besonders „schlau“ ist die CSE nicht. Denn sie ermittelt im Prinzip nur die Rohdaten, die sie an das Battery Management System, das Batterie-Steuergerät, weiterleitet. Das BMS ist im Gegensatz zur Zellüberwachung am 12-Volt-Bordnetz angeschlossen.
In der vergleichsweise kleinen Hybrid-Batterie der alten Mercedes S-Klasse sind ebenfalls eine Zellüberwachung und ein BMS verbaut. (Grafik: © Daimler AG)
Im BMS laufen alle Messdaten der CSEs und anderer Sensoren innerhalb der Batterie zusammen. Es kommuniziert dazu mit dem Fahrzeug und teilt diesem mit, wie stark die Zellen derzeit belastet werden dürfen, ohne diese zu überlasten. Auf den Mikrocontrollern des BMS laufen daher viele verschiedene und komplexe Algorithmen, um Ladezustand, Alterungszustand, Temperaturen, Sicherheitsfunktionen usw. zu verarbeiten.
Das BMS und die CSEs sind daher ein wesentlicher Teil einer Batterie mit Lithium-Ionen-Zellen, damit diese sicher eingesetzt werden kann.
Jedes Zellmodul der Batterie des Plug-in-HybridenAudi A3 e-tron ist mit Überwachungstechnik (hier: CMC) ausgerüstet. Diese kommuniziert mit einer Steuerungslösung. (Abbildung: © Audi AG)
Abkürzungen: Zellüberwachung bei E-Autos
Für die Zellüberwachungseinheit findet man diese Abkürzungen:
- CSC: Cell Supervision Circuit
- CSE: Cell Supervision Electronics
- CMC: Cell Management Controller
Für das Batteriesteuergerät gibt es die Abkürzungen:
- BMC: Battery Management Controller
- BMS: Battery Management System
