Welches BMS für lifepo4 Zellen im Elektrofahrzeug?

Ich möchte mich in diesem Beitrag mit Batterie Management Systemen (BMS) für Lithium Akkus beschäftigen und einige Hinweise zur Kaufentscheidung geben. Welches BMS für LiFePo4 Akkus das richtige ist, fragen sich sehr viele Leute. Man kann viel Geld für ein BMS ausgeben, deshalb habe ich mich selber auf dem Markt umgeschaut, obwohl ich zu Beginn immer das EMUS BMS eingesetzt habe, mich dem ich sehr zufrieden bin. Allerdings ist das BMS mit über 800 EUR für ein 48V System schon sehr teuer.

Chinesische BMS gibt es für um die 100 EUR, aber taugen die auch was? Hier versuche ich, Antworten auf diese Frage zu geben.

Ich möchte hier ausdrücklich darauf hinweisen, dass ich in keiner Weise von den vorgestellten Produkten profitiere und keine Beziehungen zu den Händlern habe, auf die in Links verwiesen wird, diese dienen nur als Referenz!

Aufgabe des BMS

Ein BMS hat prinzipiell 2 Aufgaben:

• Einen Zellladungsausgleich durchzuführen (Balancing) um eine Überladung/Unterladung der einzelnen Zellen in einem Akkublock zu verhindern.
• Die Zellen vor Schaden durch Über- oder Unterspannung durch Abschaltung zu verhindern.

 

Darüber hinaus haben viele BMS noch erweiterte Funktionen wie:

• Steuerung des Ladegerätes
• Anzeige über ein externes Display von Strom, Spannung, SOC und anderen Parametern.

Wer wenig Funktionen braucht, die Akkus mit wenig Stromentnahme belastet und keine Extrawünsche hat, wird prinzipiell eher mit einem einfachen BMS zufrieden sein. Es ist sicher auch nicht sinnvoll, ein EMUS BMS für ein einfaches 12V System zur Stromversorgung in einem Wohnmobil einzusetzen. Deshalb sollten wir immer schauen, welche Funktionen wir wirklich benötigen.

Grundsätzliche Überlegungen

Zellabschaltung

Viele billig BMS (oder falsch konfigurierte BMS!!) orientieren sich bei der Abschaltung der Batterie an der Gesamtspannung des Strings und bescheren so der Batterie ein schnelles Ende. Warum ist das so?

Der Sinn eines BMS ist ja gerade, auf Zellebene zu arbeiten, das heißt, jede Zelle wird einzeln überwacht. So muß auch die Abschaltung des Strings bei Über- oder Unterspannung auf Zellebene stattfinden: Wenn eine Zelle Über- oder Unterspannung erreicht, muß der gesamte String abgeschaltet werden, da andernfalls die schwächste Zelle geschädigt wird. (Generell bestimmt die schwächste Zelle die Gesamtkapazität des Strings). Die Gesamtspannung des Akkupacks ist also kaum aussagekräftig.

Balancingstrom

Der Zellausgleich, auch Balancing genannt, ist eine wichtige Funktion eines BMS. Aber warum?

Da die Zellen in einem String nie die gleiche Kapazität haben werden, richtet sich die Abschaltung das Strings bei Über- oder Unterspannung nach der schwächsten Zelle, wie bereits oben beschrieben. Daran ändert auch das Zellbalancing nichts. Balancing dazu zu benutzen, alle Zellen vollzuladen, ist sinnlos, da der String eh abgeschaltet wird (werden sollte!!), wenn eine Zelle in über oder Unterspannung geht.

Da Zellen aber auch z.B. einen unterschiedlichen Innenwiderstand haben, unterschiedliche Selbstentladung oder Temperaturen, sorgt Balancing dafür, ein Auseinanderdriften bei der Ladung wieder auszugleichen.

Ladestromsteuerung

Viele einfache LiFePo4 Ladegeräte haben die Funktion, die Zellen nach der Konstantstrom/Konstantspannung Lademethode zu laden. Das heißt, bis zum Erreichen einer bestimmten Batteriespannung wird mit einem konstanten Strom geladen, über dieser Spannung mit konstanter Spannung. Der Sinn des Ganzen ist, ab einer Ladung von beispielsweise 80% den Ladestrom langsam immer weiter abzusenken, bis er bei Erreichen der Ladeschlussspannung annähernd 0 erreicht. Da das Ladegerät aber nur die Gesamtspannung des Strings messen kann, und nicht die Spannungen jeder einzelnen Zelle, ist eine Überladung einzelner Zellen vorprogrammiert.

Das BMS weiß allerdings schon, welche Spannungen die einzelnen Zellen haben. Aus diesem Grund haben gute BMS die Funktion über CAN dem Ladegerät mitzuteilen, dass es den Ladestrom reduzieren soll. So hat das BMS überhaupt die Chance, über einen relativ geringen Zellbalancingstrom einzelne Zellen vor Überladung zu schützen. Diese CAN Schnittstelle muß das Ladegerät natürlich besitzen.

Vergleich einiger BMS Produkte

Ich habe selber einige BMS Typen getestet und mochte hier meine Erfahrungen weitergeben. Als Referenz betrachte ich das EMUS BMS welches teuer ist, aber den umfangreichsten Funktionsumfang hat, professionell aufgebaut ist und so robust ist, dass es bedenkenlos unter rauen Bedingungen im Elektrofahrzeug eingebaut werden kann.

Die BMS auf die ich hier eingehen möchte, sind:

• EMUS BMS
• Daly BMS
• JBD BMS
• diy BMS
• Aktive BMS

EMUS BMS

Über das EMUS BMS habe ich schon einen eigenen Artikel geschrieben, in dem das BMS und seine Konfiguration eingehend beschrieben wird.

Es gibt eine Konfigurationssoftware für Windows und eine App für Android und IOS, die das Monitoring übernimmt. Die Einstellungsmöglichkeiten sind so umfassend, das keine Wünsche offen bleiben, allerdings ist der „Normalanwender“ hier oft überfordert und es können sich fatale Fehler bei der Parametrierung einschleichen. Die Monitorringsoftware ist robust und in einem modernen unaufdringlichem Design gehalten.

Das System ist modular aufgebaut, was eine individuelle Erweiterung ermöglicht. Man ist so nicht auf eine bestimmte Zellkonfiguration festgelegt und kann Komponenten tauschen.

Die Zellmodule, die für das Balancing zuständig sind, gibt es in mehreren Varianten und werden direkt auf die Akkuzellen geschraubt. Die Ausgleichsströme für das Balancing gehen mit den entsprechenden Modulen bis 2,5A und sind so auch für sehr große Akkukapazitäten geeignet. Viele Anwender berichten allerdings über Schwierigkeiten damit, dass die Module nicht erkannt werden. Das ist meistens ein Verkabelungsproblem oder hat mit nicht kompatibler Firmware der Komponenten zu tun. Hier müsste eindeutig nachgebessert werden.

Besonderheiten: Das BMS verfügt über eine CAN Schnittstelle, über die die Komponenten miteinander vernetzt sind. Ein CAN Ladegerät von verschiedenen Herstellern kann integriert werden.

Händlerlink

Fazit:
Das beste BMS das ich kenne, leider teuer und in der Konfiguration etwas schwierig. Da es modular aufgebaut ist, kann es gut erweitert werden. In der Monitoringsoftware kann z.B. auch die Fahrzeuggeschwindigkeit angezeigt werden, was ich sehr nützlich finde. 

Soll ein CAN Ladegerät angeschlossen werden, damit der Ladestrom automatisch von BMS eingestellt werden kann, ist EMUS das einzige Produkt, das dies unterstützt.

Daly BMS

Das Daly BMS ist ein chinesisches BMS mit einer eigenen Konfigurationssoftware, das auch anderen Herstellern nachgebaut wird. Alle diese BMS sind fast gleich aufgebaut und benutzen die gleiche Software.

Andere Hersteller:

Heyo BMS

Achtung: Nicht alle Varianten haben eine Softwareschnittstelle, es gibt auch BMS die nicht konfigurierbar sind. Diese BMS sind sehr simpel und fast nicht zu gebrauchen, da nicht einmal die Ladeschlussspannung eingestellt werden kann.

Um den Akku zu trennen, werden MOSFETs (Halbleiter Transistorschalter) eingesetzt, was zu recht hohen Verlusten führt. Außerdem können die Halbleiter durchbrennen und so den Akku nicht mehr schützen. Die Strombelastbarkeit ist bei den leistungsfähigsten Modellen mit 500A angegeben, ich würde allerdings im Einsatz weit darunter bleiben. Der Preis liegt hier allerdings schon bei einer 48V Konfiguration bei über 400 EUR.

Die Android App „SMART BMS“ hat einige Funktionen, ist aber schlecht programmiert und eine Dokumentation ist nicht vorhanden. So sind einige implementierte Eingabefelder einfach ohne Funktion. Man kann sich damit arrangieren, aber kein Vergleich zur EMUS Software.

Man muß das BMS direkt am Akkublock montieren, da der Zellausgleich durch direkte Kabel zu den Zellen realisiert ist. Leider sind bei allen diesen BMA Varianten die Balancingströme sehr gering, in der Regel betragen sie 30mA, was für etwas größere Zellen absolut zu wenig ist.

Besonderheiten: Das BMS kann über eine CAN Schnittstelle verfügen, über die die Parameter übermittelt werden können. Ein CAN Ladegerät wie beim EMUS kann hier aber ausdrücklich nicht angesteuert werden!!

Händlerlink

Fazit:
Für einfache Anwendungen durchaus zu gebrauchen, für Elektrofahrzeuge mit hohen Strömen nur sehr bedingt einzusetzen, da die Leistungsverluste über die eingebauten MOSFETs beträchtlich sind. Die Software ist extrem „buggy“.

JBD BMS

Wie auch das Daly BMS kommt das JBD BMS aus China und wird von anderen Herstellern nachgebaut. Es hat ebenfalls eine eigene Konfigurationssoftware. Was zum Daily gesagt wurde, gilt auch für das JBD.

Andere Hersteller:

• Jiabaida BMS
• Xiaoxiang
• IC GOGOGO

Um den Akku zu trennen, werden MOSFETs (Halbleiter Transistorschalter) eingesetzt, was zu recht hohen Verlusten führt. Außerdem können die Halbleiter durchbrennen und so den Akku nicht mehr schützen. Bei geringen Strömen ist das sicher nicht tragisch und es gibt Anwendungen, wie z.B. Solarstromspeicher oder als Akku im Wohnmobil in denen diese BMS ausreichen sind. Die Strombelastbarkeit ist bei den leistungsfähigsten Modellen mit 250A angegeben, ich würde allerdings im Einsatz weit darunter bleiben. 

Man muß das BMS direkt am Akkublock montieren, da der Zellausgleich durch direkte Kabel zu den Zellen realisiert ist. Leider sind bei allen diesen BMA Varianten die Balancingströme sehr gering, in der Regel betragen sie 40-60mA, das ist mehr als beim Daily aber für etwas größere Zellen absolut zu wenig.

Die Android App „XIAOXIANG“ hat einige Funktionen mehr, als die Software von Daly, ist aber auch schlecht programmiert und eine Dokumentation ist ebenso nicht vorhanden.

Es gibt 2 verschiedene Versionen der Android App, ich empfehle die „Admin Version“ zu verwenden!

Achtung: Nicht alle Varianten haben eine Softwareschnittstelle, es gibt auch BMS die nicht konfigurierbar sind. Diese BMS sind sehr simpel und fast nicht zu gebrauchen, da nicht einmal die Ladeschlussspannung eingestellt werden kann.

Besonderheiten: Das BMS kann über eine CAN Schnittstelle verfügen (die 20S Version), über die die Parameter übermittelt werden können. Ein CAN Ladegerät wie beim EMUS kann hier aber ausdrücklich nicht angesteuert werden!!

Hier könnte eine Lösung helfen, die ich in meinem Beitrag Android, EMUS BMS und GEN4 Motorcontroller Kommunikation über CAN beschrieben habe. Ein Arduino fängt entsprechende CAN Befehle ab und steuert dann das CAN Ladegerät (vorausgesetzt, man hat ein solches!).

Händlerlink

Fazit:
Für einfache Anwendungen durchaus zu gebrauchen, für Elektrofahrzeuge mit hohen Strömen nur sehr bedingt einzusetzen. Die Software ist extrem „buggy“.

JBD BMS mit Relais

Das JBD BMS wird von einer chinesischen Firma auch mit einem Relais anstatt der üblichen MOSFETs gebaut. In einer Umgebung in der Zuverlässigkeit gefordert ist und hohe Ströme fließen, würde ich dieses BMS empfehlen. Das verbaute Relais ist ein Markenprodukt mit integriertem Economizer, der den idr. hohen Stromverbrauch von Leistungsrelais minimiert. Die Strombelastbarkeit ist vom verbauten Relais abhängig und mit bis zu 600A angegeben, was bei diesem Ralais Typ ein realistischer Wert ist.

Man muß das BMS direkt am Akkublock montieren, da der Zellausgleich durch direkte Kabel zu den Zellen realisiert ist. Bei diesem BMS sind die Balancingströme am höchsten aller China BMS, immerhin 160mA. Leider ist das für größere Zellen immer noch zu wenig.

Ansonsten gilt, was ich bereits über das JBD BMS geschrieben habe.

Besonderheiten: Das BMS kann über eine CAN Schnittstelle verfügen, über die die Parameter übermittelt werden können. Ein CAN Ladegerät wie beim EMUS kann hier aber ausdrücklich nicht angesteuert werden!!

Händlerlink

Fazit:
Von den von mir getesteten China BMS das beste, da ein gutes Relais verbaut ist. Die Android App hat umfangreiche Einstellmöglichkeiten. Ansonsten gilt das bereits über das JBD BMS gesagte. Größtes Manko ist auch hier der geringe Balancingstrom von 160mA. 

Aktive BMS/Balancer

Aktive BMS kommen ebenfalls alle aus China und sollen den Vorteil haben, beim Balancieren keine Energie zu verbrennen, sondern die Energie von bereits voll geladenen Zellen auf andere Zellen umzuladen.

Was sich erst einmal ganz gut anhört (und auch funktioniert), hat den Nachteil, dass diese BMS einen hohen Ruhestromverbrauch haben. Die unten abgebildeten Geräte sind keine BMS sondern nur Balancer und haben kaum Zusatzfunktionen oder auch nur die Fähigkeit, die Zellen bei Über- oder Unterladung abzuschalten.

Deshalb werde ich sie hier im Vergleich nicht mit aufführen und warne davor diese BMS einzusetzen!!

Fazit:
Nicht zu gebrauchen, bitte nicht einsetzten.

DIY BMS

Das DIY BMS ist ein Selbstbauprojekt und kein Fertigprodukt. Um es aufzubauen braucht es umfassende Kenntnisse in Elektronik und Softwareprogrammierung. Das System befindet sich aktuell immer noch in einem Entwicklungsstadium, Strommessung z.B. ist noch nicht richtig implementiert und ein CAN Protokoll ist Hardwareseitig in der neuesten Main Unit vorgesehen, aber Softwareseitig noch nicht implementiert.

Wer die entsprechenden Fähigkeiten hat, kann für recht wenig Geld ein gutes BMS bauen. Allerdings sind einige der verbauten Komponenten im Moment schwer bis gar nicht zu bekommen.

Eine besondere Dokumentation gibt es nicht, aber es ist einiges bei Youtube und im speziellen Forum zum BMS zu finden.

Link

Fazit:
Das DIY BMS ist durchaus in einer professionellen Umgebung einzusetzen, es kommt nicht an die Robustheit des EMUS heran, hat aber einen ähnlichen Aufbau mit Zellmodulen, was mir sehr gut gefällt. Die Software ist gut aber für einen stationären Betrieb als Solarspeicher konzipiert. Der recht schwierige Selbstbau wird die meisten Anwender abschrecken. Da die Hard- und Software open Source ist, können hier allerdings noch eigene Funktionen implementiert werden. 

Vergleich der wichtigsten Parameter der vorgestellten BMS

	EMUS BMS	Daily BMS	JBD BMS	DIY BMS
Leistungsumfang	sehr gut	basic	basic	gut, in Entwicklung
Zuverlässigkeit	sehr gut	ausreichend	ausreichend	gut
Balancing	sehr gut, bis 3A	schlecht, bis 0.03A	schlecht, bis 0.06A	sehr gut, bis 1.6A
Strombelastbarkeit	sehr gut,abhängig vom verbauten Relais	bis 500A angegeben	bis 150A angegeben	sehr gut,abhängig vom verbauten Relais
Software	sehr gut	schlecht	schlecht	sehr gut, allerdings nur WIFI
Erweiterbarkeit	sehr gut	keine	keine	sehr gut
Robustheit/EMV	sehr gut	ausreichend	ausreichend	gut
Extras	Monitoring/SOC/Modular/Windows Konfiguration/konfigurierbare Eingänge-Ausgänge/Geschwindigkeitsanzeige	Monitoring/SOC/App Konfiguration	Monitoring/SOC/App Konfiguration	Monitoring/SOC/Modular/WIFI Konfiguration/konfigurierbare Eingänge-Ausgänge
Preis (48V)	800 EUR (konfigurationsabhängig)	400 EUR / 500A	80 EUR / 100A	???

Fazit

Die vorgestellten BMS sind keine vollständige Liste der auf dem Markt befindlichen Produkte. Wer möchte, möge mir seine Erfahrungen mitteilen, ich werde dann gern noch andere BMS aufnehmen.

Wie meistens gilt die Regel: You get, what you paid for. Ein günstiges BMS ist für viele Anwendungen ausreichend, ein billiges BMS kann hingegen teuer werden, wenn dein Akkublock eines Tages tiefentladen ist.

 

Beitrag wird fortgesetzt…..
Die Konfiguration des EMUS BMS ist im nächsten Beitrag dokumentiert: EMUS BMS Konfiguration

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