Batteriemanagementsysteme (BMS) sind der Grundstein für die Sicherheit moderner Elektrofahrzeuge und Energiespeicher. Sie überwachen die Zellspannungen, regeln das Laden und Entladen, gleichen die Zelllasten aus und schützen die Akkus vor dem Betrieb außerhalb sicherer Temperaturbereiche. Für die meisten Unternehmen der Branche ist das Batteriemanagementsystem der Wächter der Batterie, die letzte Verteidigungslinie gegen katastrophale Ausfälle.

Es gibt jedoch immer mehr Hinweise darauf, dass das herkömmliche BMS trotz aller Raffinesse kritische blinde Flecken hat. Es kann die ersten Anzeichen eines thermischen Durchgehens nicht erkennen, keine Feuchtigkeitsansammlungen im Inneren eines Akkus feststellen und auch nicht die Stoßbelastung aufzeichnen, die ein Akku im Falle eines Zusammenstoßes aufgenommen hat.

Dies sind die Lücken, die es unter realen Bedingungen ermöglichen, dass Batteriebrände unentdeckt bleiben, bis sie bereits katastrophal sind, und die dazu führen, dass Ingenieure, Flottenbetreiber und Versicherer nicht über die Daten verfügen, die sie benötigen, um fundierte Entscheidungen über den Zustand der Batterie zu treffen. Wer heute Lithium-Ionen-Batterien entwickelt oder betreibt, muss verstehen, wo herkömmliche Batteriemanagementsysteme versagen und was nötig ist, um diese Defizite zu beheben.

Was ist ein Batteriemanagementsystem?

Ein Batteriemanagementsystem ist ein elektronisches Steuersystem, das in einen Batteriesatz eingebettet ist. Seine Hauptfunktionen sind die Messung und Meldung der Zellenspannung und -temperatur, die Verhinderung einer Überladung oder Überentladung der Zellen, der Ausgleich des Ladezustands der einzelnen Zellen und die Bereitstellung einer Gesamtschätzung des Ladezustands (SoC) und des Gesundheitszustands (SoH) für das Host-Fahrzeug oder -System.

In einem modernen Elektrofahrzeug kommuniziert das Batteriemanagementsystem über einen CAN-Bus, der Daten an das Antriebsstrangsteuergerät des Fahrzeugs und in vielen Fällen an Cloud-Telematiksysteme weiterleitet. Es handelt sich um eine ausgereifte, gut verstandene Technologie. Die meisten rechtlichen Rahmenbedingungen für die Sicherheit von Elektrofahrzeugen setzen das Batteriemanagementsystem als gegeben voraus.

Das Problem ist nicht, dass die Batteriemanagementsysteme schlecht konstruiert sind. Das Problem ist, dass sie für eine relativ enge Reihe messbarer Parameter wie Spannung und Temperatur entwickelt wurden. Bedauerlicherweise sagen Spannung und Temperatur allein nicht alles darüber aus, was in einem Akkupack passiert.

Die Grenzen herkömmlicher Batteriemanagementsysteme

Spärliche Temperaturüberwachung

Die meisten Batteriemanagementsysteme platzieren Temperatursensoren in Abständen über das gesamte Paket hinweg, in der Regel einen Sensor pro Modul oder sogar einen pro mehrere Zellen. Das bedeutet, dass eine anomale Zelle zwischen zwei Sensorpunkten einen erheblichen Temperaturanstieg erfahren kann, bevor sie von einer Messung erfasst wird. In einem dicht gepackten Lithium-Ionen-Modul kann der Abstand zwischen einer fehlerhaften Zelle und dem nächstgelegenen Temperatursensor groß genug sein, um ein thermisches Ereignis unentdeckt zu lassen.

Spannung Maskierung

Die Erkennung einer frühzeitigen Zelldegradation durch Spannungsmessungen ist bei parallelen Zellkonfigurationen von Natur aus schwierig. Wenn eine Zelle in einer parallelen Gruppe auszufallen beginnt, stützen die verbleibenden Zellen die Klemmenspannung der Gruppe als Ganzes, wodurch die Anomalie verdeckt wird. Wenn das Batteriemanagementsystem eine Spannungsabweichung feststellt, kann sich die ausgefallene Zelle bereits in einem fortgeschrittenen Stadium der Degradation befinden. Das Batteriemanagementsystem kann in der Tat durch die Architektur des Akkus, den es schützt, getäuscht werden.

Keine Gasdetektion

Eine der größten Einschränkungen herkömmlicher Batteriemanagementsysteme besteht darin, dass sie nicht in der Lage sind, die Gase zu erkennen, die die Batteriezellen abgeben, wenn sie zu entlüften beginnen. Die Entlüftung einer Zelle, auch Off-Gassing genannt, ist das früheste erkennbare Anzeichen eines thermischen Durchgehens. In den Minuten, bevor eine Zelle die Temperaturen erreicht, die einen Brand oder eine Explosion auslösen, setzt sie flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und in einigen Ausfallszenarien auch Wasserstoff frei. Diese Gase sind messbar und unterscheidbar. Ein herkömmliches Batteriemanagementsystem kann sie nicht messen.

Unabhängige Tests der Sandia National Laboratories haben ergeben, dass die VOC-Erkennung mehr als sieben Minuten vor einem thermischen Durchgehen warnen kann - ein Zeitfenster, das Temperatursensoren allein nicht bieten können.

Dieses Zeitfenster von sieben Minuten ist von enormer Bedeutung. Es ist der Unterschied zwischen einer kontrollierten Systemabschaltung, einer sicheren Evakuierung des Fahrzeugs oder einer Isolierung des Stromkreises und einem Brand, der nicht gestoppt werden kann. In der Globalen Technischen Regelung für die Sicherheit von Elektrofahrzeugen (GTR20) wird ausdrücklich auf die Notwendigkeit von Frühwarnsystemen hingewiesen, die eine sichere Evakuierung der Insassen ermöglichen. Ein reines Temperaturmanagementsystem für die Batterie kann diese Anforderung nicht zuverlässig erfüllen.

Keine Überwachung von Feuchtigkeit oder Luftfeuchtigkeit

Das Eindringen von Wasser ist eine ernsthafte Bedrohung für die Langlebigkeit und Sicherheit von Akkus. Feuchtigkeit im Inneren eines Akkus beeinträchtigt die Zellisolierung, fördert die Korrosion und erhöht das Risiko von Kurzschlüssen. Bei flüssigkeitsgekühlten Akkus kann sich an den internen Komponenten Kondensation bilden, wenn die Temperatur der Kühlflüssigkeit unter den Taupunkt der Luft im Gehäuse sinkt - ein Szenario, das besonders bei Kaltstarts oder nach aggressiven Kühlzyklen wahrscheinlich ist. Herkömmliche Batteriemanagementsysteme haben keine Möglichkeit, Feuchtigkeit zu erkennen oder den Taupunkt zu verfolgen, so dass dieser Fehlermodus völlig unüberwacht bleibt.

Keine Aufzeichnung von Stößen oder Erschütterungen

Wenn ein Elektrofahrzeug in eine Kollision verwickelt wird, ist die mechanische Unversehrtheit des Batteriepacks sofort in Frage gestellt. Aktuelle Batteriemanagementsysteme liefern keine Aufzeichnungen über die Stoßbelastungen, denen die Batterie ausgesetzt war. Ingenieure, die den Zustand der Batterie nach einem Unfall beurteilen sollen, müssen sich auf eine Sichtprüfung und, sofern verfügbar, auf Telemetriedaten des Fahrzeugs verlassen, die beide kein verlässliches Bild darüber liefern, ob die interne Struktur des Akkus beschädigt wurde. Ohne diese Daten sind die Möglichkeiten begrenzt: die Batterie verschrotten oder ein unbekanntes Risiko in Kauf nehmen.

Die Risiken, die diese Lücken schaffen

Für sich genommen stellt jede dieser Einschränkungen des Batteriemanagementsystems eine Überwachungslücke dar. Zusammengenommen stellen sie eine systemische Schwachstelle in der Sicherheitsarchitektur von Lithium-Ionen-Batteriepaketen dar, die reale Konsequenzen für Hersteller von Elektrofahrzeugen, Flottenbetreiber, Integratoren von Second-Life-Batterien und Endverbraucher hat.

Thermische Ausreißer bei Elektrofahrzeugen erhalten im Vergleich zu ihrer statistischen Häufigkeit eine unverhältnismäßig große Aufmerksamkeit in den Medien. Die Auswirkungen dieser Aufmerksamkeit auf die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen sind jedoch messbar. Jeder aufsehenerregende Batteriebrand verstärkt die öffentliche Skepsis gegenüber der Sicherheit von Elektrofahrzeugen. Die Fähigkeit der Industrie, nachzuweisen, dass thermische Ereignisse erkannt werden können, bevor sie katastrophale Ausmaße annehmen, und dass die Daten vorhanden sind, um angemessen zu reagieren, ist nicht nur eine technische Frage. Es ist eine kommerzielle Frage und eine Frage des Ansehens.

Für den wachsenden Markt für Second-Life-Batterien sind die Lücken ebenso folgenreich. Eine EV-Batterie, die für die Wiederverwendung in einem stationären Energiespeichersystem bestimmt ist, hat eine unbekannte Vorgeschichte. Ohne eine detaillierte Aufzeichnung der Stöße, die sie absorbiert hat, der Feuchtigkeitsbedingungen, unter denen sie betrieben wurde, und der thermischen Ereignisse (wie geringfügig auch immer), denen sie ausgesetzt war, ist das Risikoprofil dieser Batterie weitgehend eine Mutmaßung. Dies führt zu einer zögerlichen Haltung in der gesamten Lieferkette und schränkt die wirtschaftliche Tragfähigkeit von Kreislaufbatteriemodellen ein.

Die Lücken schließen: Die Rolle von Cell Guard

Der Cell Guard-Sensor von Metis Engineering wurde speziell entwickelt, um die Überwachungslücken zu schließen, die herkömmliche Batteriemanagementsysteme offen lassen. Cell Guard ersetzt nicht das Batteriemanagementsystem, sondern arbeitet neben diesem und liefert eine zusätzliche Ebene von Umgebungs- und physikalischen Daten, die Spannungs- und Temperaturmessungen allein nicht liefern können.

Cell Guard ist ein kompakter, CAN-basierter Sensor, der in der Nähe des Entlüftungsanschlusses eines Batteriepacks oder eines Energiespeichergehäuses installiert wird. Von dieser Position aus überwacht er kontinuierlich flüchtige organische Verbindungen (VOCs), den absoluten Druck, die Lufttemperatur, die relative Luftfeuchtigkeit, den Taupunkt und in seiner erweiterten Konfiguration die Wasserstoffkonzentration. Ein optionaler Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser ermöglicht die Aufzeichnung von Stoßbelastungen bis zu 24 G, einschließlich der Stärke und Dauer eines Aufpralls.

Jeder dieser Parameter behebt direkt eine spezifische Lücke im herkömmlichen Batteriemanagementsystem. Die VOC-Erkennung warnt so früh wie möglich vor einer Entlüftung der Zellen und löst einen Alarm aus, solange ein thermisches Durchgehen noch verhindert werden kann. Die Überwachung von Luftfeuchtigkeit und Taupunkt zeigt das Eindringen von Feuchtigkeit und das Kondensationsrisiko bei flüssigkeitsgekühlten Akkus an. Schockdaten liefern eine nachprüfbare Aufzeichnung der mechanischen Belastungen, denen der Akku ausgesetzt war. Diese Informationen sind von unschätzbarem Wert für die Bewertung nach einem Vorfall, den Wiederverkauf von Akkus und Entscheidungen über die Wiederverwendung.

Cell Guard erkannte in unabhängigen Tests ein thermisches Durchgehen in weniger als 60 Sekunden und lieferte mehr als sieben Minuten vor konkurrierenden Sensortechnologien, die nur Wasserstoff erkennen, verwertbare Warndaten.

Diese unabhängige Validierung, die von den Sandia National Laboratories durchgeführt und im Journal of the Electrochemical Society veröffentlicht wurde, bestätigt, was Metis Engineering mit Cell Guard demonstrieren wollte, nämlich dass die VOC-Detektion eine wesentlich effektivere Frühwarnmethode ist als die Wasserstofferkennung, da VOCs während der Entlüftungsphase der Zelle vor der Wasserstofferzeugung und lange bevor die Temperaturen den Schwellenwert für ein katastrophales Versagen erreichen, emittiert werden.

Cell Guard ist auch für die praktische Integration konzipiert. Seine konfigurierbare CAN-Bus-Geschwindigkeit und -Adresse, der Molex Nano-Fit-Stecker und der kompakte Formfaktor ermöglichen den Einbau in neue Batteriepacks oder die Nachrüstung in bestehende Architekturen, ohne das Packdesign oder den Luftstrom zu beeinträchtigen. Er arbeitet in einem stromsparenden Überwachungsmodus und sendet nur dann auf dem CAN-Bus, wenn ein voreingestellter Schwellenwert überschritten wird. Dadurch wird die parasitäre Belastung minimiert und gleichzeitig sichergestellt, dass Warnmeldungen ohne Verzögerung generiert werden, wenn sie wichtig sind.

Anwendungen über den gesamten Lebenszyklus der Batterie

Die Anwendungsfälle für Cell Guard erstrecken sich über den gesamten Lebenszyklus der Batterie, von der Erstinstallation bis zum Einsatz im zweiten Leben. In Elektrofahrzeugen, einschließlich Personenkraftwagen, kommerziellen Bussen, eVTOL-Flugzeugen, Schiffen und Mikromobilitätsplattformen bietet Cell Guard eine Frühwarnfunktion, die eine sichere Evakuierung und kontrollierte Systemabschaltung ermöglicht, bevor es zu einem thermischen Durchgehen kommt.

In stationären Energiespeichersystemen, ob im Netz, im Gewerbe oder im Wohnbereich, bietet Cell Guard eine kontinuierliche Überwachung der Umgebungsbedingungen in Anlagen mit variabler Temperatur, wo die Folgen einer unentdeckten Feuchtigkeits- oder Gasansammlung ebenso gravierend sind.

Für den Second-Life-Batteriemarkt sind die Beschleunigungsmesserdaten und die Umweltaufzeichnungen, die Cell Guard während der gesamten Betriebsdauer einer Batterie sammelt, von direkter Bedeutung für das aufkommende Konzept des Batteriepasses, einer nachvollziehbaren, überprüfbaren Aufzeichnung des Batteriezustands, die Entscheidungen über die Wiederverwendung und den Wiederverkauf unterstützt. Allye Energy, das wiederverwendete EV-Batteriepacks in netzweite Energiespeichersysteme integriert, hat Cell Guard mit Beschleunigungssensor eingesetzt, um genau diese Anforderung zu erfüllen.

Cell Guard ist nach ISO Automotive Standards, einschließlich ISO7637-2, ISO16750-2 und ISO16750-4, getestet und zertifiziert und wird in Großbritannien unter ISO9001-zertifizierten Qualitätsbedingungen montiert. Es wird derzeit in ASIL B-Anwendungen in einer Reihe von OEM- und Tier 1-Programmen eingesetzt.

Ein vollständigeres Bild der Batteriesituation

Batteriemanagementsysteme sind ein unverzichtbarer Bestandteil der Sicherheitsarchitektur von Elektrofahrzeugen und ESS. Die Annahme, dass ein Batteriemanagementsystem allein ausreicht, um ein Lithium-Ionen-Batteriepaket vor allen vorhersehbaren Ausfallarten zu schützen, ist jedoch nicht mehr haltbar, wenn man bedenkt, was wir über das Fortschreiten des thermischen Durchgehens, die Entwicklung von Feuchtigkeitsschäden und die Akkumulation mechanischer Belastungen während der Lebensdauer einer Batterie wissen.

Cell Guard ist kein Ersatz für das Batteriemanagementsystem. Es ist die ergänzende Schicht, die die Lücken schließt, die das Batteriemanagementsystem nicht abdecken kann, und Ingenieuren, Flottenbetreibern und Systemintegratoren die Daten liefert, die sie benötigen, um Probleme früher zu erkennen, schneller zu reagieren und besser informierte Entscheidungen über den Zustand der Batterie von der Herstellung bis zum Ende der Lebensdauer zu treffen.

Für Unternehmen, die Lithium-Ionen-Batteriesysteme entwickeln oder betreiben, stellt sich nicht mehr die Frage, ob eine zusätzliche Überwachung notwendig ist. Es geht darum, welche Parameter überwacht werden sollen und wie diese Fähigkeit am effektivsten in eine bestehende Systemarchitektur integriert werden kann. Cell Guard beantwortet beide Fragen.

Mehr erfahren

Wenn Sie mehr über Cell Guard erfahren oder ein Produktmuster anfordern möchten, besuchen Sie Zellenschutz - Metis Engineering oder kontaktieren Sie das Metis Engineering Team unter info@metisengineering.com