Rutronik und Samsung SDI Batterie-Managementsystemen haben es in sich

Hersteller von Batteriepacks erhalten von Rutronik jetzt alle Komponenten für ein komplettes Batteriemanagementsystem, auch die Lithium-Ionen-Batterien von Samsung SDI. Beim Design-In, im Handling und der Logistik der Li-Io-Zellen gibt es allerdings einige Anforderungen und Vorschriften zu beachten.

Lithium-Ionen-Batterien sind die Shooting Stars der Energiespeicher. Im Vergleich zu anderen Technologien haben sie eine deutlich höhere Energiedichte und Spannung bei kleineren Abmessungen, mehr Ladezyklen und eine längere Lebensdauer. »Abgesehen von den kunden- und anwendungsspezifischen Li-Io-Pouchzellen in Smartphones, Tablets und portablen PCs, kommen im Industriemarkt fast nur zylindrische Zellen zum Einsatz«, erläutert Andreas Mangler, Director Strategic Marketing von Rutronik, »denn sie sind relativ kostengünstig und lange im selben Formfaktor verfügbar, weil sich die Größe 18650 weitgehend als Standard durchgesetzt hat. Und – was bei Li-Io-Batterien extrem wichtig ist: Sie bieten ein hohes Maß an Sicherheit, weil jede einzelne Zelle von einer festen Hülle umgeben ist. Deshalb freuen wir uns sehr, dass wir seit kurzem die zylindrischen Li-Io-Zellen von Samsung SDI anbieten können. Dadurch bekommen unsere Kunden jetzt neben allen anderen Komponenten für ihr Batteriemanagementsystem auch das Herzstück – die Batterie – von Rutronik.«

Damit erschließt sich für Rutronik ein enormer Markt. Denn abgesehen von wenigen Samsung-SDI-Direktkunden in Europa bedient der Distributor sowohl Hersteller von Batteriepacks, so genannte Pack Maker, als auch EMS und OEMs in den zahlreichen Zielmärkten wie Kommunikation, Automotive, Industrie, Medizintechnik, Konsumelektronik, E-Bikes und andere E-Fahrzeuge sowie Elektrowerkzeuge aller Art. »Also ein breites Feld mit starkem Wachstum«, so Mangler.

Aufbau eines Batteriepacks

Die zylindrischen Li-Io-Zellen kommen fast ausschließlich in Form von Batteriepacks zum Einsatz. Mangler ergänzt: »Herzstück ist die Batteriezelle, denn sie definiert die Parameter und Spezifikationen, mit denen das System arbeiten darf, und mit welchen weiteren Bauelementen das Optimum aus dem System geholt werden kann. Wir unterstützen unsere Kunden bei der Auswahl der idealen Batterie und aller anderen Komponenten.«

Ein Batteriepack umfasst typischerweise mehrere zylindrische Zellen, die parallel und/oder seriell geschaltet sind. Daneben befindet sich das Batteriemanagementsystem (BMS). »Dieses muss außerordentlich sorgfältig abgestimmt sein. Die Lade- und Entladeströme sowie die Zellspannung müssen höchst präzise gemessen werden.« Das BMS besteht aktuell typischerweise aus einem hochpräzisen Coulombzähler, der fortlaufend überwacht, welche Ladung (Q = I × t) im Zeitverlauf in das System hinein und heraus fließt. Ein passives oder aktives Cellbalancing-System sorgt dafür, dass alle Zellen möglichst identisch konditioniert und damit gleichmäßig geladen und entladen werden, um so eine Überladung und eine Tiefentladung einzelner Zellen zu verhindern. Hinzu kommt ein Temperaturmanagement sowohl für das Batteriepack als auch für die einzelnen Zellen. Dabei werden Softwaremodelle eingesetzt, die die thermische Leitfähigkeit der Zelle beschreiben und auswerten. »Das Temperaturmanagement ist nicht trivial, denn die Sensoren können nur außen an der Zelle angebracht werden. Dadurch reagieren sie verzögert. Manche Temperaturänderungen im Zellinneren können sie auch nur unzureichend erfassen«, erklärt Mangler. Die Herausforderung läge nun darin, sicherzustellen, dass der spezifizierte sichere Arbeitstemperaturbereich der Batteriezelle nicht überschritten wird. Denn nur dann ist die funktionale Sicherheit gewährleistet. Außerdem wirkt sich vor allem eine zu hohe Temperatur negativ auf die Lebensdauer und Zyklenfestigkeit der einzelnen Zelle und damit auf das Gesamtsystem aus. Zudem verfügt ein Batteriepack über verschiedene Kommunikationsschnittstellen, meist UART und CAN sowie Bluetooth. Bargraph-LED-Anzeigen zeigen den Ladestatus an.