Interview mit Anja Fenske von Rohde & Schwarz

Frau Fenske, wo und weshalb benötigt man Batteriemanagementsysteme?

Anja Fenske: Batteriemanagementsysteme sind überall dort essenziell, wo wiederaufladbare Batterien im Einsatz sind. Deshalb kommen BMS in nahezu allen elektrischen Geräten zum Einsatz – von Smartwatches, Smartphones und Laptops bis hin zu E-Bikes und Elektroautos. Und überall beeinflusst das Lade- und Entladeverhalten einer Batterie direkt ihre Lebensdauer. Das BMS sorgt für den richtigen Ladezustand und verhindert gefährliche Zustände wie Überhitzung oder Tiefenentladung. In Batterien von Elektroautos, die aus mehreren hundert oder tausend Zellen bestehen, stellen BMS sicher, dass die Ladung gleichmäßig auf die Batteriezellen verteilt wird, und das gesamte System effizient und sicher arbeitet. Wir alle kennen Berichte über brennende Elektroautos, meist ausgelöst durch Überhitzung einzelner Batteriezellen. Ein intelligentes Management sorgt dafür, dass sich die Zellen stets in der Safe Operating Area (SOA) befinden. BMS spielen darüber hinaus eine entscheidende Rolle bei der Performance und Langlebigkeit einer Batterie. Sie sorgen dafür, dass Batteriezellen optimal arbeiten, lange halten und – besonders im Fall von Elektrofahrzeugen – die maximale Reichweite und optimale Ladezyklen ermöglichen.

Trägt ein BMS auch zur Predictive Maintenance bei?

Anja Fenske: Im Bereich Predictive Maintenance geht das BMS noch einen Schritt weiter: Es überwacht kontinuierlich den Zustand einzelner Zellen und kann frühzeitig feststellen, wenn eine Zelle schwächer wird oder ausfällt. In diesem Fall gibt es eine Warnung aus – etwa mit der Empfehlung, die betroffene Zelle auszutauschen, bevor sie das gesamte System beeinträchtigt. Je nach Intelligenz und Komplexität des BMS variiert der Umfang dieser Funktionen. Hochentwickelte Systeme, wie sie in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, verfügen über Technologien wie Active Cell Balancing, die eine präzise Steuerung und Optimierung ermöglichen. Allerdings gilt: Je leistungsfähiger das BMS, desto aufwendiger und kostspieliger sind sowohl die Entwicklung als auch die Tests.

Welche Lösungen gibt es für die Entwicklung und Verifikation von BMS?

Anja Fenske: Für die Entwicklung und das Testen von BMS stehen hochpräzise Power Supplies zur Verfügung. Bei Rohde & Schwarz sind es die Serien R&S®NGM200 und R&S®NGU. Diese Messgeräte können sehr kleine Ströme und Spannungen exakt einstellen und präzise erfassen. Zusätzlich verfügen beide Geräte über eine dedizierte Batteriesimulations-Software, mit der sich Lade- und Entladekurven exakt nachbilden lassen. Außerdem ermöglichen es unsere Lösungen, Batteriezellen individuell auf Zellebene zu simulieren, was insbesondere für die Entwicklung komplexer BMS entscheidend ist. So lässt sich beispielsweise ein Batteriepack mit zwölf Zellen testen, ohne physische Batteriezellen anschließen zu müssen. Auf diese Weise kann gezielt geprüft werden, wie das BMS auf unterschiedliche Ladezustände reagiert – etwa auf eine einzelne, fast leere Zelle im ansonsten gut geladenen Batteriepack. Zusätzlich gibt es eine Softwarelösung, die die Erstellung des Batteriemodels erleichtert. Batterien können wiederholt geladen und entladen werden, während dabei Daten zu Leerlaufspannung, Ladespannung und Innenwiderstand in Abhängigkeit von der geladenen und entladenen Kapazität erfasst werden. Auf dieser Grundlage lässt sich ein präzises Batteriemodell erstellen, das realitätsnahe Tests ermöglicht.

Bitte führen Sie eine kurze Auswahl gängiger Testfälle für das Testen des BMS aus

Anja Fenske: Die Tests konzentrieren sich auf zwei zentrale Bereiche: Sicherheit und Performance. Beim Thema Sicherheit ist es das Ziel zu überprüfen, ob die Batteriezellen in einem gesunden Zustand sind. Wir sprechen hier vom State of Health oder SOH. Ähnlich wie bei den Vitalwerten eines Menschen beschreibt er für Batterien bestimmte Grenzwerte, die eingehalten werden müssen. Ein BMS überwacht diese Werte kontinuierlich, um Überhitzung, Überladung oder Tiefenentladung zu verhindern – denn genau hier entstehen die größten Risiken, wie beispielsweise Brände oder Schäden an Mensch und Material. Beim Thema Performance geht es darum, die Batterie effizient zu nutzen und ihre Lebensdauer zu verlängern. Dazu werden verschiedene Betriebszustände und Szenarien getestet. Also: Wie schnell und mit welcher Spannung und welchem Strom wird geladen? Was passiert, wenn die Stromstärke zu hoch ist? Wie reagiert das BMS bei einem plötzlichen Spannungseinbruch oder wenn die Temperatur stark ansteigt? Und schließlich: Wie verhält sich das System, wenn einzelne Zellen aus der Balance geraten? Unsere Lösungen können viele dieser Testfälle präzise simulieren. Testingenieure werten die Ergebnisse aus und optimieren das BMS wo nötig. Anschließend kann das BMS erneut getestet werden, um die Verbesserungen zu validieren.

Was glauben Sie, wie die technische Entwicklung weitergeht in Sachen BMS und BMS-Testlösungen?

Anja Fenske: Ich denke, dass das Management von Batterien – und Energiespeichersystemen generell – weiter an Bedeutung gewinnt, insbesondere mit Blick auf regenerative Energien. Denn um die Herausforderungen der Energiewende zu lösen, muss es gelingen, große Energiemengen effizient zu speichern und bedarfsgerecht bereitzustellen. Außerdem ist zu erwarten, dass kommende Normen und Sicherheitsvorschriften noch detailliertere Tests für BMS vorschreiben. In Folge müssen auch BMS-Testsysteme weiterentwickelt werden, um präzisere Messungen und umfangreichere Testszenarien zu ermöglichen. Auch bin ich überzeugt, dass KI das Batteriemanagement revolutionieren wird, indem sie nicht nur den Energiefluss optimiert, sondern auch präventiv Probleme erkennt und so die Lebensdauer von Batterien verlängert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass BMS und ihre Testverfahren in einer Zukunft, in der immer mehr Technologien auf elektrische Antriebe setzen, eine immer größere Rolle spielen werden.

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