Was tun, wenn der Ladezustand falsch angezeigt wird?

Die Masse an Problemen der Benutzer mit den Smartfon-Apps bei LiFePO4-Batterien beziehen sich auf 1. Nichtfunktion und 2. eine falsche Anzeige der Restkapazität.

Wenn der Ladezustand falsch angezeigt wird:

Was der Batterie-Laie in der Regel nicht weiß: Eine "Messung" der in einer Batterie enthaltenen Energiemenge ist bei Lithium-Batterien kaum möglich! Es gibt hierzu einfach keinen genauen Weg, weil die Spannung einer Lithium-Batterie sich um Ladezustandsbereich zwischen 10 und 90% fast gar nicht ändert. Man kann zwar die Klemmenspannung einer Batterie messen und darüber gewisse Rückschlüsse auf die enthaltene Energiemenge ziehen, aber das ist eine äußerst ungenaue und unzuverlässige Methode, dazu noch abhängig von Akkutyp, Temperatur, Akku-Alter und jeweiligen Lade-, Entlade- oder Lastzustand. Ganz so einfach ist es also nicht. Zugleich vermitteln die Apps aber durch die meist verwendete Ziffernanzeige (teilweise bis zur zweiten Stelle hinter dem Komma...) den Eindruck, als wüssten sie ganz genau, wie viel oder wenig Ah sich noch in der Batterie befinden. Ja nee, is klar... Man lasse sich bitte nicht bluffen: Sie "wissen" es nicht, sie können nämlich bestenfalls errechnen oder schätzen, auch wenn sonst alles einwandfrei funktioniert.

Denn anders als das Kraftstoff-Messsystem im Tank eines Autos, in dem sich ein einfacher Schwimmer befindet der den Füllstand abtastet und so ein Signal an die Benzinuhr im Kombiinstrument des Fahrzeugs liefert, arbeitet die Ladezustandsanzeige einer Batterie nach dem Prinzip der Saldierung: Das BMS misst Ladestrom und Entladestrom und errechnet aus eingeladener und entnommener Energie den jeweiligen Ladezustand. Klingt einleuchtend und einfach, nicht wahr? Wenn eine Stunde lang mit 30A geladen wurde steigt der Ladezustand eben um 30Ah. Wird 15 Minuten mit 100A entladen, sinkt der Ladezustand um 25Ah. Klingt gut und genau und soweit ist das alles leicht nachvollziehbar.

Allerdings ist eine wirklich genaue Messung der fließenden Ströme in der Praxis meist gar nicht so einfach, weil Lade- und Entladeströme selten über längere Zeit konstant bleiben. Zudem fließen sehr hohe Ströme oft nur für sehr kurze Zeit (z.B. der Startstrom eines Motors) und sehr sehr kleine Ströme oft über sehr lange Zeiträume (Uhren, kleine Radios, LED-Lampen...). Dazu muss man wissen, dass der Microcontroller im BMS immer nur ganz kurzzeitige Strommessungen (Mess-Dips) vornimmt und dann wieder einen Moment bis zur nächsten Messung abwartet. Je nach Hersteller sind das vielleicht eine Messung pro Sekunde, oder auch eine Messung alle 10 Sekunden. Änderungen der Ströme zwischen diesen Mess-Dips bleiben dem BMS daher ebenso verborgen, wie Ströme, die außerhalb der Messauflösung liegen, was ganz besonders für kleine Ströme unter 0,5A zutrifft. Je nach Anwendung können sich diese kleinen Messfehler zu teilweise ganz erheblichen Fehlergrößen aufaddieren, weil jede Messung auf der vorherigen aufbaut und Messfehler daher immer die Tendenz haben, sich aufzusummieren. Deshalb ist es wichtig, dass die Batterie in gewissen Zeitabständen voll durchzyklisiert, also voll entladen und direkt danach und möglichst mit konstantem Strom wieder voll aufgeladen wird, denn nur dann erkennt das BMS die genauen Daten der Batterie und kann den Ladezustand zukünftig erheblich genauer abschätzen.

Zum Thema Messauflösung noch das Folgende:

Alle BMS besitzen eine interne Messeinrichtung für den fließenden Strom und dessen Richtung, welche sie benötigen, um Überströme und Kurzschlüsse sicher zu erfassen, damit das BMS in solchen Momenten den Strom abschalten kann. Nun können Kurzschlussströme aber leicht 5000A und mehr erreichen. Die Strom-Messeinrichtung im BMS muss also auch so hohe Ströme aushalten und messen können. Wenn man eine Strom-Messeinrichtung aber für so hohe Ströme auslegt, wird sie zwangsläufig unempfindlich für sehr kleine Ströme.

Ich möchte das am Beispiel einer Waage erklären: Es ist technisch überhaupt kein Problem Waagen zu bauen, die Milligram oder gar Mikrogramm messen. Aber wenn eine Wiegeeinrichtung auch im Bereich von 100 Tonnen sicher funktionieren soll, kann sie keine sehr kleinen Gewichte mehr messen. Man muss sich schon entscheiden, ob man kleine oder große Gewichte messen möchte, wenn man eine Waage konstruiertm denn beides zusammen mit derselben Messwerkkonstruktion abzudecken ist technisch nicht möglich.

Genau dieses grundsätzliche technische Problem fällt uns bei Ladezustandsanzeigen in BMS auf die Füße: Weil BMS auch sehr große Kurzschlussströme messen und aushalten können müssen, sind sie blind bei Strömen unter 1 bis 2A: Wenn so kleine Ströme fließen, kann das BMS diese nicht mehr auflösen und misst einfach Null, also kein Strom! Aber was passiert, wenn eine saldierend arbeitende Ladezustandsermittlung permanent einen Strom von Null gemeldet bekommt, obwohl die ganze Zeit vielleicht 0,5A fließen? Sie bemerkt nicht, dass der Ladezustand abnimmt und in der Folge zeigt die SoC-Anzeige einen zu hohen Ladezustand an, der nicht mehr dem tatsächlichen Ladezustand der Batterie entspricht.

Dieses Problem ist bei Ladezustandsanzeigen von BMS also "systemisch"! Batteriecomputer mit Shunt haben dieses Problem nicht, weil sie keine Kurzschlussströme im Bereich von tausenden Ampere messen können müssen. Sie werden also meistens deutlich empfindlicher ausgelegt und haben deshalb zu kleinen Strömen hin auch eine deutlich feinere Messauflösung.

Gerade bei fabrikneuen Batterien, die noch nie voll durchzyklisiert wurden, zeigt die Ladezustandsanzeige des BMS oft stark von der Realität abweichende Ah-Werte an. Dieses Verhalten verbessert sich meist schlagartig, wenn wenigstens ein Mal ein 100%iger Zyklus bis zur Abschaltung der Batterie an den Leer/Voll-Grenzen durchlaufen wurde. Dabei sollten die Ströme möglichst einigermaßen konstant sein, damit das BMS sie korrekt erfassen kann. Danach erkennt man seine Ladezustandsanzeige meist kaum wieder, so genau zeigt sie die enthaltene Kapazität an. Das hält aber in der Regel nur einige Wochen, bis sich wieder ein zunehmender Offset zwischen angezeigtem und tatsächlichem Ladezustand einstellt.

Die einzeln erhältlichen universellen BMS (Battery Management Systems) wie z.B. das bekannte Daly Smart-BMS-System, an die ganz unterschiedlich große Batterien angeschlossen werden können, müssen vor der Verwendung vom Benutzer erst einmal konfiguriert werden, damit sie wissen, wie groß die Kapazität der angeschlossenen Batterie ist. Denn ohne diese Information kann eine saldierende Messung natürlich nicht vernünftig funktionieren. Aus diesem Grund sollte als erste Maßnahme nach Anschluss des BMS an die Batterie die Konfiguration des BMS stehen. Dabei sollte man sich nicht von der Vielzahl der einstellbaren Parameter erschlagen lassen, sondern außer der korrekten Batteriekapazität am besten gar nichts anderes einstellen, jedenfalls so lange nicht, wie man nicht genau weiß, was man eigentlich tut und es hierfür keine Notwendigkeit gibt. Andernfalls "zerkonfiguriert" man das System mit einiger Wahrscheinlichkeit. Von mir über den MicroCharge-Webshop gekaufte Batterien mit Daly-Smart-BMS wurden schon von mir auf die jeweilige Kapazität der Batterie eingestellt, so dass der Kunde damit keine Mühe mehr hat.

Grüße, Tom

Zellenspannungen?

Bei einer Zellen-Mindestspannung von 3,356V kann in der Tat keine Rede davon sein, dass die Batterie leer wäre. Das Problem liegt also an anderer Stelle.

Wie schon oft hier erklärt, kann das BMS den Ladezustand der Batterie nicht direkt messen, es kann ihn also nicht direkt aus der Zellenspannung ableiten. Es muss den SOC statt dessen durch Saldierung ermitteln. Das bedeutet, dass das BMS genau protokolliert, wie lange und mit welchem Strom geladen bzw. entladen wird und dementsprechend den Ladezustand rauf oder runter rechnet. Hierfür sind zwei Dinge nötig:

1. Eine genaue Messung der fließenden Ströme, sowie deren Dauer.

2. Das erreichen des Reset-Punktes 100%-Ladezustand durch erreichen der Ladeschlussspannung, entweder der Gesamt-Batteriespannung, oder an mindestens einer Zelle.

An Punkt 1. krankt es bei BMS häufig, weil die Auflösung des Stroms unterhalb eines bestimmten Wertes endet. Man muss sich das so vorstellen, dass BMS Kurzschlussströme im Bereich von ca. 5.000A noch sicher messen können müssen. Der Mess-Shunt im BMS muss also sehr niederohmig ausgelegt werden, damit er einerseits bei Kurzschlüssen nicht sofort durchbrennt und andererseits sich noch eine auswertbare Shunt-Messspannung ergibt, anhand derer das BMS indirekt den fließenden Strom messen kann. Nun ist es aber ebenso wie mit einem Kameraobjektiv: Mit einem Weitwinkelobjektiv kann man in 20m Entfernung keine Zeitung mehr lesen, weil die Auflösung das schlicht nicht hergibt. Der für 5.000A geeignete Mess-Shunt liegt also sozusagen im völlig falschen Messbereich, um noch kleine Ströme im Bereich weniger Milliampere auflösen zu können. Und so "misst" das BMS bei Strömen unterhalb von 1 bis 2A schlicht 0A, also keinerlei Strom. Das zunächst als Erklärung, wie es bei BMS zu der nach unten hin begrenzten Messauflösung des Stroms kommt, unter der Batteriecomputer üblicherweise nicht leiden (weil sie eben keine Kurzschlussströme messen können müssen). Zwar gibt es auch dort natürlich eine untere Grenze der Strom-Messauflösung, nur liegt die meist im Bereich von weniger als 1mA, so dass sie in der Praxis nicht weiter stört.

Hat man nun Betriebsbedingungen, bei denen der Entladestrom meist oberhalb der Auflösungsrenze liegt, der Ladestrom aber oft darunter und kommt es im Weiteren über längere Zeit nicht zur Vollladung, so dass der oben unter Punkt 2. genannte 100% Reset-Punkt erreicht wird, kommt es oft zu genau dem von Dir geschilderten Problem, dass nämlich die Batterie fälschlicherweise mit einem viel zu niedrigen oder gar mit 0%-Ladezustand angegeben wird. Ich habe mit dem BMS meiner Server-USV exakt dasselbe Problem: Vollladung wird aus technischen Gründen nie erreicht und der Ladestrom liegt meist unterhalb der BMS-Auflösungsgrenze:

Bei dem Bildbeispiel nicht wundern: Es handelt sich bei meiner USV-Batterie um eine dreizellige Li-Ion-Batterie, deren Zellenspannungen zwischen 2,5 und 4,2V liegen. Da alle drei Zellen etwa 4V aufweisen, ist die Batterie gut geladen, also keinesfalls leer. Die Betriebsbedingungen entsprechen aber den oben von mir erwähnten: Der Entladestrom liegt mit ca. 5A deutlich über der Stromauflösungsgrenze des BMS (ca. 2A), der Ladestrom mit ca. 1A aber deutlich darunter. Entsprechend ist die Anzeige (vorhersehbar) grobfalsch.

Weiß man über diese Zusammenhänge Bescheid, stolpert man höchstens beim ersten Mal darüber. Danach orientiert man sich einfach an der Batterie- bzw. an den Zellenspannungen und leitet daraus den ca.-Ladezustand ab. Oder man baut einen Batteriecomputer dazu, der eine deutlich kleinere untere Strommessauflösung bietet.

Grüße, Tom

Genau. Die Funktion des BMS hängt in keiner Weise mit der Anzeige des Ladezustands zusammen. Es wird immer normal funktionieren, welchen Blödsinn der Ladezustand auch gerade anzeigen mag.

Grüße, Tom