Der unauffällige Dirigent

Marketing, Vertrieb, Partnernetzwerke pflegen, Neuigkeiten auf Facebook posten – wie ein Unternehmen nach außen kommuniziert, ist weithin sichtbar. Kaum jemand würde bestreiten, dass die Außenkommunikation für den Erfolg wichtig ist. Der beste Außenauftritt bringt aber auf Dauer wenig, wenn die Abläufe im Inneren nicht rundlaufen, wenn eine Hand nicht weiß, was die andere tut, oder die einen sich langweilen, während andere kurz vorm Burn-out stehen. Kurz: Ohne eine gute interne Kommunikation und Steuerung kann ein Betrieb nicht effizient funktionieren. Wenn Außenstehende davon kaum etwas mitbekommen, heißt das in der Regel, dass es gut läuft.

Dasselbe gilt für eine Batterie: Sie ist nach außen über das Energiemanagementsystem (EMS) mit dem Wechselrichter, den Stromerzeugern und Verbrauchern verbunden. Auf das Geheiß des EMS fließt der Strom aus der Solaranlage in die Batterie, ins Elektroauto oder ins Netz. Diese Funktionen sind für die Nutzer direkt erlebbar: Ist das Auto morgens geladen? Ist der Eigenverbrauch wirklich so hoch wie in der Simulation vorhergesagt? Das EMS ist entscheidend dafür, ob Kunden eine Solaranlage mit Batteriesystem als komfortabel und lohnend empfinden.

Viel zu steuern und zu regeln

Doch auch im Inneren der Batterie gibt es viel zu steuern und zu regeln. Das geschieht nahezu unbemerkt über das Batteriemanagementsystem (BMS). Die allererste Aufgabe eines BMS ist es, die Ladestände zwischen den einzelnen Batteriezellen auszugleichen. Da die Batteriemodule in einer Reihe verschaltet sind, begrenzt immer das Modul oder die Zelle mit dem niedrigsten Ladestand die Leistung des Gesamtsystems.

Ein passives BMS kann die Ladestände der Batteriemodule lediglich nach unten angleichen, indem Energie über Widerstände verheizt wird. Das ist nicht nur ineffizient, sondern belastet durch die Wärme auch das System und die Speicherkomponenten. Eine deutliche Verbesserung bringt ein aktives BMS: Dabei werden die Ladestände aktiv angeglichen, indem Energie aus Zellen mit hoher Ladung genutzt wird, um benachbarte Zellen mit niedriger Ladung aufzufüllen (unidirektionales aktives BMS). Doch auch hierbei sind die Möglichkeiten begrenzt, da bei einem 1.000-Volt-Batteriesystem bis zu 224 Batteriezellen in Serie verschaltet sind und der Ausgleich sehr lange dauern würde.

Bidirektionaler Ausgleich

Tesvolt, ein Hersteller von Lithiumspeichersystemen für Gewerbe und Industrie, hat daher ein neuartiges BMS entwickelt, das noch einen Schritt weitergeht: mit der Active Power Unit, kurz APU. Wie ein guter Manager die Mitarbeiter seines Unternehmens kennt, hat sie alle Zellen zugleich im Blick. Die APU leitet daher die Energie auf dem kürzesten Wege dorthin, wo sie gerade benötigt wird – und zwar bidirektional. So bringt sie alle Zellen in der kürzesten Zeit und mit den geringsten Verlusten auf den gleichen Ladestand – das macht sich in einer optimierten Zellleistung bemerkbar.

Eine Schwierigkeit herkömmlicher Batteriemanagementsysteme ist es dabei, dass der genaue Ladezustand bei mittleren „Füllständen“ schwer zu unterscheiden ist. Viele Systeme diagnostizieren den Ladezustand daher nur dann, wenn die Zelle fast voll oder fast leer ist – wie ein Manager, dem nur Spitzenkräfte und Problemfälle bekannt sind. Das heißt: Wenn sich die Zellen über längere Zeit nur im mittleren Ladezustand bewegen, findet praktisch kein Balancing statt.

Mehr Energie aus denselben Zellen

Die Zustände der einzelnen Zellen können unbemerkt immer weiter auseinanderdriften – so lange, bis einzelne Zellen schwach genug sind, um aus dem Rahmen zu fallen. Die APU von Tesvolt diagnostiziert dagegen auch die Ladezustände im Mittelfeld und sorgt von Anfang an dafür, dass sie ausgeglichen werden. So steht auch bei Anwendungen, die sich vor allem bei mittleren Ladezuständen abspielen, jederzeit die volle Batteriekapazität zur Verfügung. Wirtschaftlich macht sich das bemerkbar, indem man aus denselben Zellen deutlich mehr Energie herausholen kann.

Dass die APU jederzeit über den Zustand der Batteriezellen informiert ist, hat sie der Active-Battery-Optimizer-Platine (ABO) zu verdanken – die ist sozusagen Auge und Ohr des Managers. Sie sitzt direkt an der Vorderseite der jeweiligen Batteriezelle und misst insbesondere die Temperatur, den Strom und die Spannung. Mithilfe dieser Daten lässt sich mit der APU bis auf Zellebene zurückverfolgen und anzeigen, was in der Batterie los ist.

Kenngrößen der Batterie einsehbar

Interessierte Kunden können sich bei Tesvolt in der zugehörigen Software alle Kenngrößen der Batterie bis in die Zellen hinein als Visualisierung anzeigen lassen – nicht nur die direkten Messwerte wie Spannung und Temperatur, sondern auch der „State of Health“ (also der Gesundheitszustand) der einzelnen Zellen kann detailliert verfolgt werden. Der State of Health ist physikalisch das Verhältnis der aktuell maximal nutzbaren Kapazität zur Nennkapazität der Batterie. Er verrät, ob die jeweilige Zelle überhaupt noch den Ansprüchen genügt, die für den Einsatzzweck nötig sind.

Sinkt die Kapazität unter 70 Prozent des Ausgangswertes, wird die Zelle ausgemustert. Um den State of Health zu berechnen, nutzt Tesvolt ein eigenes, patentiertes Verfahren. Auch hier gilt in der Batterie wie in einem Unternehmen: Mit einem guten Management bleiben die Mitarbeiter oder eben die Zellen länger fit.

Neue Zellen in ein altes System?

Das gilt natürlich ebenso für die Elektronik in der Batterie, denn durch das effizientere BMS entsteht weniger Wärme und somit weniger Belastung. Wesentlich für eine lange Einsatzzeit ist aber natürlich auch die eigene Grundkonstitution, denn an den Zellen – sowohl im Körper als auch in der Batterie – nagt auch bei bester Pflege der Zahn der Zeit. Tesvolt setzt daher auf hochwertige Materialien, die eine Speicherlebensdauer von bis zu 30 Jahren ermöglichen. Das macht sich natürlich auch in der Wirtschaftlichkeitsrechnung bezahlt.

Eine weitere Aufgabe des Managements beziehungsweise der APU ist es, Neuzugänge zu integrieren. Schließlich kommt es vor, dass sich die Aufgaben mit den Jahren ändern und ein Unternehmen oder der Batteriespeicher wachsen muss. Neue Zellen in ein bestehendes Batteriesystem zu integrieren ist keinesfalls trivial – ohne das aktive BMS würden die bereits gealterten Zellen die Leistung der neuen Blöcke einschränken. Deshalb galt lange der Grundsatz, dass man neue Zellen besser gar nicht in ein altes System einsetzen soll. Mit der APU ist sowohl die Erweiterung der Batterie um neue Batteriemodule als auch der Tausch einzelner Batteriemodule kein Problem mehr.

Neben der Optimierung der Leistung ist das BMS auch für die Sicherheitsfunktionen verantwortlich. Dabei gilt bei den Tesvolt-Systemen: Wer wirklich sicher sein will, verlässt sich nicht auf einen einzelnen Mechanismus, sondern schafft wo immer möglich Redundanzen. Die Abschaltung erfolgt im Bedarfsfall daher zweipolig. Schmelzsicherungen gibt es in jeder einzelnen Zelle, am BMS jedes Racks und am DC-Combiner, wo die parallel geschalteten Batteriestrings schließlich zusammenlaufen. Zusätzlich sind die Speicher mit einem EMV-Filter und einer Differenzstromüberwachung ausgestattet, um eine maximale Sicherheit im Fehlerfall zu gewährleisten.

Für alle Lagen gewappnet

Neben den Pflichtaufgaben, die jedes Batteriemanagement zu bewältigen hat, kann die APU von Tesvolt noch mit einigen besonderen Fähigkeiten aufwarten. Sie machen sich vor allem dort bemerkbar, wo eine hohe Zuverlässigkeit und Redundanz gefragt ist, also zum Beispiel bei maritimen Anwendungen, in der Notstromversorgung oder in Gebieten ohne Stromnetz.

• Die Tesvolt-Speicher kommen sogar im Falle eines Black-outs ohne fremde Hilfe wieder in Fahrt – sie sind nämlich schwarzstartfähig. Auch wenn die Netzspannung ausfällt, wird die APU aus der Batterie heraus mit Spannung versorgt und das Batteriesystem kann Strom liefern. Damit es als vollwertiges Back-up-System ein eigenes 230-Volt-Inselnetz aufbauen kann, muss zusätzlich natürlich auch der Wechselrichter Back-up-fähig sein.
• Werden mehrere Tesvolt-Batteriesysteme parallel verschaltet, sind die BMS untereinander vernetzt und arbeiten im sogenannten Master-Slave-Prinzip. Im Gegensatz zur von Wechselrichtern bekannten Master-Slave-Schaltung sind die APU jedoch hardwareseitig identisch. So wird das System redundant – fällt eine Einheit aus, kann eine andere deren Funktion übernehmen.
• Wird ein einzelnes Rack wegen Wartungs- oder Reparaturarbeiten abgeschaltet, kann es mithilfe eines Fangmechanismus auch während des laufenden Betriebs wieder zugeschaltet werden. Das ist nicht selbstverständlich: Um das Rack wieder einzubinden, muss sein Ladestand auf einem ähnlichen Level sein wie bei den anderen Systemen. Würde man die Ladestände sozusagen auf Knopfdruck in kurzer Zeit angleichen, müssten extrem hohe Ausgleichsströme fließen und würden für starke Hitze sorgen. Außerdem müssten alle Batterien für die Wiedereinbindung vom Netz gehen. Aktiviert man stattdessen den Fangmechanismus, passt dieser automatisch einen Moment ab, in dem die Ladestände zusammenpassen, und gliedert den gewarteten Speicher wieder ein.

Die Aufgaben des BMS sind also zwar unauffällig, aber sowohl vielseitig als auch essenziell. Dennoch kommt man nicht immer umhin, sich zu fragen, welche Ressourcen das Management an sich eigentlich beansprucht – vor allem dann, wenn es gerade nichts tut. Hier zeigt sich die APU genügsam: Im Stand-by-Betrieb benötigt sie eine Leistung von lediglich fünf Watt.

www.tesvolt.com

Simon Schandert

hat Tesvolt zusammen mit Daniel Hannemann gegründet. Der studierte Wirtschaftsingenieur ist technischer Geschäftsführer und war maßgeblich an der Entwicklung des BMS beteiligt. Die intelligente Batteriesteuerung von Tesvolt wurde mit dem Hugo-Junkers-Preis des Landes Sachsen-Anhalt ausgezeichnet.