Bislang war für Photovoltaik(PV)-Systeme nur die Bleisäure-Batterie verfügbar. Da sie sehr preisgünstig ist, wird sie auch künftig in kleinen und günstigen PV-Anlagen zum Einsatz kommen. Mittelfristig wird sie jedoch von der Lithium-Ionen Batterie verdrängt werden. Denn diese ist führend hinsichtlich Energie- und Leistungsdichte sowie Wirkungsgrad. Mit Kosten von aktuell über 500 Euro pro kWh ist sie allerdings noch zu teuer, vor allem für den Heimbereich. Sie bietet erst dann eine vernünftige Amortisationszeit, wenn sie erheblich kostengünstiger gefertigt wird. Dank hoher Investitionen der Batterie-Hersteller werden mittelfristig bezahlbare Technologien verfügbar sein.
Eine Alternative ist derzeit lediglich die NaS Batterie - ein umfassendes Thermomanagement vorausgesetzt. Sie punktet vor allem mit einer langen Lebensdauer. Auch Vanadium Redox haben eine lange Lebensdauer, Schwachpunkt ist jedoch ihre geringe Energiedichte. Metal-Air-Batterien sind zwar kostengünstiger als die anderen Technologien, allerdings sind sie noch weit von der Marktreife entfernt. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien haben jedoch alle Technologien große technische Nachteile, so dass sie die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems kaum gewährleisten können und derzeit keine Alternative darstellen.
Anforderungen und Einflussfaktoren
Ein BMS überwacht und regelt ein Akkusystem. Je nach Applikation und Einsatzgebiet bestehen unterschiedliche Einflussfaktoren und Anforderungen an das BMS. So ist ein BMS für Batterien in PV-Anlagen anderen physikalischen Einflussfaktoren wie Lade-/Entladezyklen, Spitzenströme, Temperaturzyklen u. ä. ausgesetzt, als für den Einsatz in der Elektromobilität. Beispielsweise muss bei einem Elektrofahrzeug von stark schwankenden Außentemperaturen ausgegangen werden, bei einer Installation der Batterie in einem Gebäude ist die Umgebungstemperatur hingegen relativ konstant. Beim Einsatz in PV-Systemen dominiert der Wirtschaftlichkeitsaspekt: Das System soll sich schnell amortisieren, um dem Nutzer einen möglichst langen Kostenvorteil zu verschaffen. Damit stehen für die Batterie und das BMS Preis, Lebensdauer, Wirkungsgrad und Zyklenfestigkeit im Vordergrund. Der hohe Kostendruck sorgt auch dafür, dass die Bleibatterie weiterhin zum Einsatz kommt und die Lithium-Ionen-Batterie sie erst durch eine weitere Kostenreduktion vollständig verdrängen wird. Der Fokus auf die Wirtschaftlichkeit macht auch die Sicherstellung der Leistung der Batterie zu einer Hauptanforderung an das BMS.
Eine weitere wichtige Anforderung ist die Sicherheit. Dies gilt vor allem beim Einsatz im Privatbereich, da hier Gefahren durch eine unsachgemäße Handhabung bestehen. Elektronische Schutzmechanismen sind deshalb unerlässlich. Für private Nutzer spielen auch Kommunikationsschnittstellen eine Rolle: Viele Verbraucher möchten sich über ihr Smartphone oder ein Internetportal über den Zustand und die Wirtschaftlichkeit ihrer Batterie informieren können, um so zum Beispiel eine Neubeschaffung rechtzeitig einplanen zu können.
BMS für PV-ManagementDie Hauptanforderungen an ein BMS für PV-Anlagen sind fast identisch mit denen eines BMS für die Elektromobilität. In ihrer individuellen Ausprägung (Min/Max-Parameter) unterscheiden sie sich jedoch deutlich.
Temperaturmanagement: Im Gegensatz zum Temperaturmanagement für eine Antriebsbatterie eines Elektrofahrzeuges genügt für die Batterie einer PV-Anlagen eine einfache Lösung. Denn die Umgebungstemperatur im Haus liegt recht konstant um die 20 °C. Die Temperatur jeder einzelnen Zelle muss trotzdem überwacht werden, um die optimale Leistung und Lebensdauer der Batterie zu erzielen.
State of Charge (SoC): Die ständige, exakte Bestimmung des Ladezustands der Batterie gehört zu den zentralen Aufgaben jedes Batteriemanagements, sowohl im Hinblick auf die Sicherheit als auch auf die bestmögliche Nutzung des Kurzzeitspeichers. Dabei gilt: Je genauer die SoC-Bestimmungsmethoden, desto kleiner die Sicherheitstoleranzen und desto extensiver lässt sich die Batteriekapazität nutzen. So wird die entscheidende Anforderung nach maximaler Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Batterie erfüllt.
State of Health (SoH): Sie ist für Antriebsbatterien von Elektrofahrzeugen ein absolutes Muss. Auch für ein BMS für PV-Anlagen trägt sie entscheidend dazu bei, die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems zu erhöhen. Denn wenn die Batterie einen bestimmten SoH-Wert unterschreitet, arbeitet sie nicht mehr wirtschaftlich und muss ersetzt werden. Um einen schnellen Eingriff zu ermöglichen und damit die Batterie vor größeren irreversiblen Schäden zu schützen, ist eine fortlaufende und genaue SoH-Bestimmung und Überwachung nötig. Davon kann auch der Batteriehersteller profitieren. Denn die SoH-Überwachung ermöglicht die Beschreibung von Alterungsmechanismen, diese Erkenntnisse lassen sich dann für die Produktentwicklung nutzen.
Cell Balancing:Wirkungsgrad und Effizienz eines Kurzzeitspeichers in PV-Anlagen sind maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems verantwortlich. Daher steht es außer Frage, dass das BMS über ein aktives Ladungsausgleichssystem verfügen muss. Zudem sorgt ein fortlaufender Ladungsausgleich dafür, dass die Zellen gleichmäßig altern und verlängert so ihre Lebensdauer. Passive-Cell-Balancing-Systeme sind preisgünstiger aber weniger effizient als ein aktives System.
Lade- und Entlademanagement: Um die hohen Anforderungen an Leistung, Lebensdauer und Sicherheit zu erfüllen, muss auch ein BMS in privaten PV-Anlagen über ein umfassendes Lade- und Entlademanagement verfügen. Dabei sind variable Lade- und Entladeprofile je nach Zustand und Arbeitsbereich der Batterie vom BMS bereitzustellen.
Kommunikationsschnittstellen: Durch die Themen "Smart Metering" und "Smart Grid" sollte ein BMS mit Kommunikationsschnittstellen ausgestattet sein. Auch wenn heutige Haushaltsgeräte diese Standards noch nicht erfüllen, können Hersteller hiermit ein USP generieren und sich als Vorreiter positionieren. Das gilt vor allem für einen Standard für die Kommunikation mit großen Stromverbrauchern im Haushalt. Geräte, die nur zeitweise in Betrieb genommen werden, lassen sich damit variabel und kostenoptimal nutzen. Schnittstellen für Smartphones oder webbasierte Anwendungen sind für Verbraucher schon jetzt eine Selbstverständlichkeit.
Funktionale Sicherheit:Sie steht bei allen Energiespeichern im Vordergrund. Neben den beschriebenen Basisfunktionen sind auch die fachspezifischen ISO-Normen zu erfüllen. Dies ist eine vielschichtige Aufgabe, die sowohl Hardware- als auch Software-Komponenten innerhalb des BMS betrifft. Nur durch das perfekte Zusammenspiel aller elektronischen Bauelemente auf einer Baugruppe lässt sich die erforderliche Robustheit und funktionale Sicherheit des Gesamtsystems erzielen. Dabei sind Fragen zu beantworten wie: Inwiefern müssen Design- und Einkaufsentscheidungen angepasst werden, um den Anforderungen der Normen zu entsprechen? Welche Maßnahmen stellen die elektromagnetische Verträglichkeit sicher? Wie können Überströme und Überspannungen vermieden bzw. begrenzt werden? Wie dimensioniert man optimal die Schutzbeschaltungen von Leistungshalbleitern beim aktiven Cell Balancing? Wie lassen sich Schaltverluste und Erwärmung von Bauteilen vermeiden? Wie kann die Datensicherheit in proprietären und offenen Kommunikationsprotokollen erhöht werden? Um seinen Kunden bei der Beantwortung dieser und weiterer Fragen zu unterstützen, hat Rutronik gemeinsam mit seinen Partnern verschiedene technische Lösungsansätze erarbeitet. Sie zeigen auf, wie sich ein robustes System und funktionale Sicherheit auf der Bauelemente- und Schaltungsebene praxisgerecht realisieren lässt.
Marktchancen von BMS
Hersteller von BMS finden im PV-Markt vielfältige Wachstumschancen. Diese hängen jedoch stark von der Preisentwicklung der Solarpanels und Batterien ab. Nur wenn diese günstiger werden, verkürzen sich die Amortisationszeiten und die Systeme sind nicht nur aus Gründen des Umweltschutzes, sondern auch wirtschaftlich attraktiv. Darüber hinaus entscheidet ein ganzheitliches Integrationskonzept des BMS über den Markterfolg. Ein solches Konzept umfasst auch Peripherieelemente sowie Schnittstellen zur kompletten Heimautomation. Weitere Anwendungsbereiche, wie beispielsweise Solartankstellen und -Carports, eröffnen BMS-Herstellern ebenfalls Wachstumspotenziale.
Zusätzlichen Schub erhält der Markt für BMS durch die Synergien, die sich aus den ähnlichen Anforderungen von PV-Anlagen und Elektrofahrzeugen ergeben. Funktional sind diese praktisch identisch, so dass die Hardware-Topologie zumindest zum Teil für beide Anwendungsfelder dieselbe sein könnten. Die besonderen Anforderungen im Automotivebereich führen aber zwangsläufig zu einer anderen Auswahl der Bauelemente (AEC Q100, AEC Q-200). Dies gilt weniger im Zusammenhang mit der Lebensdauer und Verfügbarkeit von Bauelementen (denn diese sind auf gleichem Niveau) sondern mehr im Zusammenhang mit den Eigenschaften und der Robustheit im Rahmen von unterschiedlichen Temperaturzyklen im Betrieb über viele Jahre. Die Parameter in beiden Anwendungsbereichen sind ohnehin unterschiedlich definiert. Das bedeutet, dass die Hersteller des BMS ganz spezifische Software-Algorithmen und Parametrisierungen definieren müssen.
