13 BMS & Balancer

1.) BMS

BMS steht für "Battery Management System"

Immer dann, wenn man LiIon Zellen in Reihe schaltet ist ein BMS Pflicht. Punkt. Bitte höre nicht auf die Dummköpfe, die etwas anderes behaupten und meinen, das könne man sich sparen. Tu es nicht!

Wenn Du kein Geld hast für ein BMS dann fang erst garnicht damit an, an LiIon Zellen rum zu basteln, das ist richtig gefährlich und kann in einem Hausbrand enden!

 

Das BMS hat verschiedene Aufgaben, manche Modelle haben mehr Funktionen als andere.

 

Die wichtigsten Funktionen eines BMS sind:

• Überspannungsschutz des gesamten Akkupacks (= durch fehlerhaftes Laden)
• Unterspannungsschutz des gesamten Akkupacks (= Schutz vor Tiefenentladung)
• Überlastungsschutz
• Überhitzungsschutz
• Einzelzellüberwachung:  Über- sowie Unterspannungsschutz (= durch Spannungsdrifting oder fehlerhafte Zellen)
• einige BMS haben ein LCD Diyplay zum Anzeigen der Werte, manche auch eine Bluetoothverbindung + App

 

Wichtige Auswahlkriterien:

• Dauerbelastbarkeit in Ampère
• Maximalbelastbarkeit
• für wieviele Zellen in Reihe ist das BMS geeignet? idR ist ein BMS immer nur genau passend für z.B. 7S (= 7 Zellen in Reihe / 24V) und kann nicht für ein z.B. 10S (36V) System benutzt werden. Auch andersherum ist ein BMS für 10S idR nicht für 7S verwendbar. Es gibt Ausnahmen, da kann man größere BMS auch für kleinere Systeme benutzen, aber das ist nicht die Regel und steht dann expliziet in der Herstellerbeschreibung mit dabei

 

 

 

Vor dem Kauf musst Du Dir folgende Fragen stellen:

1. für wieviel "S" brauchst Du ein BMS?
2. wieviel Ampère wirst Du dauerhaft aus der Powerwall entnehmen?
3. Display / App oder nicht?

 

Schonmal vorweg:  BMSe sind so ein typisches elektronisches Bauteil, das es fast ausschließlich über Aliexpress gibt.

Klar findet man auch welche bei Amazon, eBay oder Banggood, aber erstens nur einen Bruchteil der Modellauswahl und zweitens zu absolut überteuerten Preisen.

Also wenn Du Dir einen Gefallen tun willst:  leg Dir einen Account bei Aliexspress an und gewöhne Dich dort ein. Ist im Grunde ähnlich wie eBay nur in China, mit rein chinesischen Händlern.

Die meisten der für einen DIY 18650 Powerwall / Solarakku benötigten Teile gibt es (nur) auf Aliexpress, es lohnt sich also, sich dort umzuschauen.

Typisch für Aliexpress:  einen Artikel findet man bei mindestens 20 Händlern, idR zu ähnlichen Preisen. Und:  die Händler kommen und gehen, neue kommen dazu. Zudem sind alle Preise auf Aliexpress auch mehr oder minder tagespreise. Was heute ein Spitzenpreis ist kann morgen schon überteuert sein und woanders viel günstiger.

Es lohnt sich also nicht, wenn ich hier Links direkt zur Artikelbeschreibung eines Händlers schreibe, denn höchstwahrscheinlich gibt es in 6 Monaten den Artikel bei ebendiesem Händler nicht mehr oder er ist dort mittlerweile sehr teuer.

 

Stattdessen geht man bei Aliexpress wie folgt vor:

• immer wieder die Suche benutzen
• Artikel-Titel so gut es geht in die Suche eingeben
• am Artikelbild orientieren
• Händler mit den besten Konditionen auswählen und bestellen

 

Die gängigsten BMS-Modelle

 

1. günstig und schlicht

das ist ein typisches Standard-BMS, markenlos. Gibt es so oder in ganz ähnlicher Optik (manchmal ohne Metallplatte obenauf) von 3S bis 14S

• um 15€
• meist ist bei um 35A Schluss
• kein Display / App
• Spannungswerte nicht einstellbar
• manche machen Werbung mit einem integrierten Balancer, wobei der Balancingstrom hier bei mickrigen 15 - 60mA liegt
• brauchbar für kleinere Projekte wie Camping-Akku, Lautsprecherbox, eBike-Akku, aber nicht für eine Powerwall. ALlenfalls noch für eine kleine Balkonkraftwerk-Anlage
• bei Aliexpress zu finden über die Suche-Schlagwörter "BMS 10S" oder 13S oder wie auch immer gewünscht

 

2. stark und teuer

 

das sind zwei Modelle von "Daly"

• hoch belastbar, teilweise mit 300A Dauerstrom
• für Dauerbetrieb in einer Powerwall geeignet
• Balancingstrom bis zu 200mA (immer noch sehr wenig aber für einen Campingakku sollte das ausreichend sein)
• nicht mehr ganz billig, um 100€ oder mehr
• Ali Suchworte: "Daly BMS" oder "BMS 13s" und dann scrollen

 

 

 

3. mit Konnektivität

 

Das ist das recht verbreitete "ANT BMS"

• gibt es "nackt" oder optional mit LCD Display oder App oder beides
• Spannungs- und ABschaltwerte einstellbar = sehr flexibel in der Nutzung
• in vielen unterschiedlichen Versionen (Stromstärke und Anzahl der "S") verfügbar
• Preis liegt bei um 60 - 90€ je nach Variante
• Alisuche:  "Smart BMS"

 

 

4. DIY BMS v2.0 von Andreas Schmitz

• modular und wireless
• zum Selbstbauen
• mit Arduino / Wemos D1 Mini

Bildquelle: DWL @ Balkonsolar-Forum

 

Vorstellungsvideo:

 

-> zum Thread im Balkonsolar-Forum

 

 

5. DIY BMS von Stuart Pittaway

• zum Selbstbauen
• mit Arduino
• vorbestückte Platinensätze bestellbar

 

Vorstellungsvideo:

 

-> zum Projekt @ Github

 

 

 

2.) Balancer

Anders als ein BMS ist ein Balancer optional und nicht zwingend erforderlich.

Je größer der Speicher ist, desto mehr halte ich einen Balancer für sinnvoll, und gerade bei der Verwendung von gebrauchten Akkuzellen.

 

Funktionsweise eines Balancers

Verbindet man Akkuzellen mit unterschiedlichen Spannungen parallel, so gleichen sich diese aus, sie balancieren sich elektrisch. Von ganz alleine, da braucht man nichts zutun.

Anders sieht es aus bei einer Reihenschaltung. Hat man nun mehrere Zellen in Reihe, also seriell geschaltet, können sich unterschiedliche Spannungen nicht ausgleichen.

Das kann in zwei Situationen problematisch werden.

 

1. beim Laden

Gehen wir von einem 10S1P System aus, also 10 Zellen in Reihe geschaltet, bei der eine Zelle 0,5V höher liegt als alle anderen.

Bei 36,5V Gesamtspannung liegt die Zell-Einzelzellspannung bei gesunden 3,6V, nur bei der einen liegt sie schon bei 4,1V - was noch unproblematisch ist.

Doch beim Laden steigt die Spannung weiter. Bei 40,5V Gesamtspannung liegt die EInzelspannung bei 4,0V und bei der einen schon bei 4,5V - was viel zu hoch ist, diese Zelle wird bereits überladen und erhitzt sich sehr stark.

Das Laden eines 10S Systems wird idR erst bei 42V beendet, also bei 4,20V Einzelspannung. Doch unsere Zelle hat dann bereits knappe 4,7V und ist somit äußerst gefährlich überladen. Übrigens um genau einen solchen Fall zu schützen sollte man dringlichst ein BMS benutzen, welches alle einzelnen Zellen überwacht und nicht erst bei 42V Gesamtspannung abschaltet, sondern auch dann, sobald eine beliebige Zelle die 4,20V Einzelspannung erreicht hat. Was zur Folge hat, dass alle anderen Zellen nicht weiter als bis 3,7V geladen werden - wir verschenken also enorm viel Kapazität.

 

2. beim Entladen

Ähnlich ist es, wenn eine Zelle z.B. 0,5V weniger hat als der Rest. Beim Entladen des AKkupacks kommt diese eine Zelle schneller in den Bereich der Tiefenentladung als die anderen. Das BMS sollte dann bei einem Wert um 2,8V (manchmal auch 2,6V) abschalten, um ein schädliches Tiefentladen der Zelle zu verhindern. Und auch hier verschenken wir enorm viel Kapazität, da die anderen Zellen dann noch immer halb voll sind.

 

Um das nun zu verhindern kommt ein Balancer ins Spiel:  Ein Balancer hat die Aufgabe, ungleiche Spannung aufzuheben.

 

Es gibt zwei Arten Balancern:  aktiv und passiv

1. passive Balancer

Ein passiver Balancer arbeitet nur beim Laden. Genauer:  nur bei Vollladung. Mittels eines Widerstandes (oder mehrerer) "verbrennt" er die Energie der Akkuzellen, die als erstes die 4,20V erreichen, bis alle Zellen wieder gleichauf sind.

Batrium ist als BMS auch mit einer passiven Balancerfunktion ausgestattet (um 800€)

 

 

 

2. aktive Balancer

Aktive Balancer transferieren Strom von der Zelle mit der höchsten Ladung hin zur Zelle mit der niedrigsten Ladung.

Hier gut zu sehen:  von der starken Zelle Nr. 8 (blau hinterlegt) wird Strom übertragen in die schwache Zelle Nr. 13 (rot)

 

Die gängigsten Balancer Modelle

Da ich selbst nur aktive Balancer nutze verweise ich auch nur auf solche.

 

1. günstig

• funktionieren und tun, was sie sollen
• um 1 - 1,5A Balancingstrom = brauchbar auch für Powerwall
• um 25€ für 14S
• kein Monitoring -> fehlerhafte Zellen werden so "verschleiert"
• keine Einstellmöglichkeiten der Werte
• Ali-Suche:  "Aktiv Balancer 1,2A"

 

 2. mittel-teuer

 

• in sehr vielen Varianten verfügbar
• bis zu 5A Balancingstrom = sehr viel
• kostet um 45€ als 1S Variante
• kein Monitoring -> fehlerhafte Zellen werden so "verschleiert"
• keine Einstellmöglichkeiten der Werte
• Ali-Suche:  "Aktiv Balancer 5A"

 

3. skalierbar

• ein Gerät = für 1S, d.h. man benötigt proSerienschaltung einen Balancer. Diese kann man unendlich aneinander koppeln
• etwa 20 - 40€ pro Gerät, bei 14S entsprechend mind. 280€
• kein Monitoring -> fehlerhafte Zellen werden so "verschleiert"
• keine Einstellmöglichkeiten der Werte
• Ali-Suche "aktiv Balancer QNBBM"

 

4. teuer mit Monitoring

• in verschiedenen Varianten verfügbar mit 1A / 2A / 5A / 10A Balancingstrom
• sehr flexibel bis 24S (alle Versionen können von 2S bis 24S eingesetzt werden)
• Monitoring per APP -> fehlerhafte Zellen werden erkannt
• viele EInstellmöglichkeiten aller Werte
• um 130€ für die 2A Variante

 

5. 4A mit Monitoring

• App / Monitoring basiert auf dem teuren JKBMS von oben
• 4A Balancingstrom ist schon ordentlich viel
• auf Aliexpress

 

6. 10A ohne Monitoring

• sehr preiswert
• sehr stark (1,2A je 0,1V Zellspannungsdifferenz)
• balanciert die Zellen gleichzeitig
• auf Aliexpress

 

 

 

 

Es gibt noch eine Sonderform:  

7. BMS mit integriertem aktiven Balancer und App-Monitoring

Da ich diese vom Funktionsumfang, Preis/Leistung und in der Handhabung (beide Geräte in einer Benutzeroberfläche) sehr gut einstufe nutze ich dieses Gerät selbst auch in mehreren Varianten und möchte dazu im separaten nächsten Punkt näher darauf eingehen.