Schutzelektronik für Akkus – BMS, PCB und Schutzplatinen für Akkupacks
In dieser Kategorie finden Sie hochwertige Schutzelektronik für Akkus,
BMS-Platinen, PCB-Schutzschaltungen und Zubehör für den Aufbau,
die Reparatur oder die Modernisierung von Akkupacks. Eine geeignete Schutzschaltung überwacht die
angeschlossenen Akkuzellen und schützt diese vor kritischen Betriebszuständen wie Überladung,
Tiefentladung, Überstrom und Kurzschluss. Je nach Ausführung können zusätzlich Funktionen wie
Zellenausgleich, Temperaturüberwachung, Ladefreigabe, Kommunikationsschnittstellen oder eine getrennte
Steuerung von Lade- und Entladestrom vorhanden sein.
Besonders bei Lithium-Ionen-Akkus, LiFePO4-Akkus und
Lithium-Polymer-Akkupacks ist eine korrekt ausgewählte Schutzelektronik unverzichtbar.
Lithiumzellen reagieren empfindlich auf falsche Ladeschlussspannungen, zu niedrige Zellspannungen und
unzulässig hohe Ströme. Das Battery Management System überwacht deshalb nicht nur die
Gesamtspannung des Akkupacks, sondern bei mehrzelligen Akkus auch die einzelnen Zellgruppen.
Was ist ein BMS?
Die Abkürzung BMS steht für Battery Management System. Ein BMS ist eine
elektronische Schutz- und Überwachungseinheit für wiederaufladbare Akkus. Es wird direkt mit den seriell
verschalteten Zellgruppen verbunden und kontrolliert deren Spannungen während des Ladens und Entladens.
Überschreitet eine Zellgruppe die zulässige Ladeschlussspannung oder unterschreitet sie die definierte
Entladeschlussspannung, trennt das BMS den jeweiligen Strompfad. Ebenso kann die Schutzplatine bei einem
zu hohen Entladestrom, einem Kurzschluss oder einer unzulässigen Temperatur abschalten. Dadurch werden
die Akkuzellen geschützt und das Risiko von Zellschäden, Kapazitätsverlust oder gefährlichen
Betriebszuständen wird reduziert.
Was ist der Unterschied zwischen BMS und PCB?
Die Begriffe BMS und PCB werden im Akku-Bereich teilweise gleichbedeutend
verwendet, beschreiben technisch jedoch nicht immer exakt dasselbe. PCB bedeutet zunächst
Printed Circuit Board, also Leiterplatte. Im Zusammenhang mit Akkus ist damit häufig eine
kompakte Akkuschutzplatine gemeint, die grundlegende Schutzfunktionen übernimmt.
Ein einfaches PCB schützt beispielsweise vor Überladung, Tiefentladung, Kurzschluss und Überstrom. Ein
umfangreicheres BMS kann darüber hinaus einen Balancer, Temperatursensoren, Strommessung,
Ladezustandsberechnung, Datenkommunikation oder programmierbare Grenzwerte enthalten. Die genaue
Funktionsausstattung hängt immer vom jeweiligen Modell ab.
Wichtige Schutzfunktionen einer Akkuschutzplatine
- Überladeschutz: Trennt den Ladestrom, wenn eine Zellgruppe die zulässige Maximalspannung erreicht.
- Tiefentladeschutz: Unterbricht die Entladung, bevor einzelne Zellen dauerhaft geschädigt werden.
- Überstromschutz: Schaltet bei einem höheren Strom als dem zulässigen Betriebsbereich ab.
- Kurzschlussschutz: Reagiert auf extrem hohe Fehlerströme und trennt den Ausgang.
- Temperaturschutz: Überwacht je nach Ausführung die Zell- oder Platinentemperatur über einen NTC-Sensor.
- Zellenausgleich: Ein integrierter Balancer reduziert Spannungsunterschiede zwischen den Zellgruppen.
- Lade- und Entladefreigabe: Steuert die Strompfade über leistungsfähige MOSFETs.
BMS nach Zellenanzahl auswählen
Ein wichtiges Auswahlkriterium ist die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellgruppen. Diese wird mit dem
Buchstaben S angegeben. Ein 3S-BMS ist für drei seriell verschaltete Zellgruppen vorgesehen,
ein 5S-BMS für fünf Zellgruppen und ein 10S-BMS für zehn Zellgruppen. Parallel verschaltete Zellen innerhalb
einer Gruppe verändern die erforderliche S-Anzahl nicht.
- 1S BMS: eine Zellgruppe, beispielsweise 3,6 oder 3,7 Volt Nennspannung bei Li-Ion
- 2S BMS: zwei Zellgruppen, etwa 7,2 bis 7,4 Volt Nennspannung
- 3S BMS: drei Zellgruppen, etwa 10,8 bis 11,1 Volt Nennspannung
- 4S BMS: vier Zellgruppen, etwa 14,4 bis 14,8 Volt bei Li-Ion
- 5S BMS: fünf Zellgruppen, etwa 18 Volt Nennspannung und 21 Volt Ladeschlussspannung
- 6S BMS: sechs Zellgruppen, etwa 21,6 bis 22,2 Volt Nennspannung
- 7S BMS: sieben Zellgruppen, etwa 25,2 bis 25,9 Volt Nennspannung
- 10S BMS: zehn Zellgruppen, häufig für 36-Volt-Li-Ion-Akkus
- 13S BMS: dreizehn Zellgruppen, häufig für 48-Volt-Li-Ion-Akkus
- 14S BMS: vierzehn Zellgruppen, häufig für 50,4- oder 52-Volt-Akkus
- 16S BMS: je nach Zellchemie für größere Li-Ion- oder LiFePO4-Akkupacks
Die Spannungsangaben gelten nicht gleichermaßen für jede Zellchemie. Ein 4S Li-Ion BMS
arbeitet beispielsweise mit anderen Abschaltgrenzen als ein 4S LiFePO4 BMS. Die
Schutzplatine muss deshalb ausdrücklich zur eingesetzten Zellchemie passen.
BMS für Li-Ion, LiFePO4 und LiPo
Für klassische Lithium-Ionen-Zellen mit 3,6 oder 3,7 Volt Nennspannung wird in der Regel eine maximale
Ladespannung von 4,20 Volt je Zellgruppe verwendet. Dazu zählen unter anderem viele Rundzellen der Baugrößen
18650, 21700, 26650 oder 14500.
LiFePO4-Zellen besitzen dagegen typischerweise eine Nennspannung von etwa 3,2 Volt und eine
andere Ladeschlussspannung. Ein BMS für Li-Ion darf daher nicht ohne Prüfung für LiFePO4 eingesetzt werden.
Auch Lithium-Polymer-Zellen benötigen eine Schutzschaltung mit passenden Spannungsgrenzen.
Mit oder ohne Balancer?
Ein BMS mit Balancer gleicht Spannungsunterschiede zwischen den seriellen Zellgruppen aus.
Bei vielen einfachen Schutzplatinen handelt es sich um ein passives Balancing. Dabei wird an Zellgruppen
mit höherer Spannung ein kleiner Ausgleichsstrom vorbeigeführt. Das Balancing erfolgt häufig erst im oberen
Spannungsbereich während des Ladevorgangs.
Der Balancer ersetzt jedoch keine sorgfältige Zellenauswahl. Für den Bau eines Akkupacks sollten nur Zellen
gleicher Chemie, vergleichbarer Kapazität, ähnlichen Innenwiderstands und möglichst gleichen Ladezustands
miteinander kombiniert werden. Stark unterschiedliche oder beschädigte Zellen können nicht durch eine
Schutzplatine repariert werden.
Gemeinsamer oder getrennter Ladeanschluss
BMS-Platinen können einen Common Port oder einen Separate Port besitzen.
Bei einer Common-Port-Ausführung werden Ladegerät und Verbraucher am gleichen Minusanschluss angeschlossen.
Bei einer Separate-Port-Ausführung gibt es getrennte Anschlüsse für Laden und Entladen.
Typische Anschlussbezeichnungen sind B- für den Akku-Minuspol, P- für den
Ausgang beziehungsweise den Verbraucher und C- für den negativen Ladeanschluss. Der Pluspol
des Akkupacks wird bei vielen BMS-Ausführungen direkt mit Ladegerät und Verbraucher verbunden. Die konkrete
Anschlussbelegung muss jedoch immer anhand des Schaltplans der jeweiligen Platine geprüft werden.
Entladestrom und Belastbarkeit richtig dimensionieren
Die Stromangabe eines BMS muss zur Anwendung und zum maximalen Strom des angeschlossenen Verbrauchers passen.
Dabei ist zwischen Dauerstrom, kurzzeitigem Spitzenstrom und Abschaltstrom zu unterscheiden. Ein als
30A BMS bezeichnetes Modell kann unter ungünstigen Bedingungen nicht zwangsläufig dauerhaft
mit 30 Ampere betrieben werden.
Die tatsächliche Belastbarkeit wird unter anderem von der Kühlung, der Umgebungstemperatur, der
Leiterbahndimensionierung, den MOSFETs, den Anschlussleitungen und dem Einbauort beeinflusst. Besonders
Elektrowerkzeuge, Motoren, Pumpen, E-Bikes oder Wechselrichter können beim Anlauf deutlich höhere Ströme
aufnehmen als im normalen Betrieb. Das BMS sollte deshalb mit ausreichender Stromreserve ausgewählt werden.
Typische Einsatzgebiete für BMS- und PCB-Schutzplatinen
- Werkzeugakkus und individuell aufgebaute Elektrowerkzeug-Akkupacks
- E-Bike-, Pedelec- und Fahrradakkus
- Modellbau-, Drohnen- und RC-Akkupacks
- Solar-, Camping- und mobile Energiespeicher
- LiFePO4-Batterien für Wohnmobil, Boot und Caravan
- Akkupacks für LED-Beleuchtung und mobile Arbeitsleuchten
- Roboter, Reinigungsgeräte, Gartengeräte und Haushaltsgeräte
- Notstromversorgungen und kundenspezifische Energiespeicher
- Selbstbauprojekte, Prototypen und industrielle Anwendungen
- Reparatur und Rekonstruktion vorhandener Akkupacks
Darauf sollten Sie beim Kauf einer BMS-Schutzplatine achten
- passende Zellchemie: Li-Ion, LiPo oder LiFePO4
- richtige Anzahl der seriellen Zellgruppen
- passende Lade- und Abschaltspannungen
- ausreichender Dauer- und Spitzenstrom
- Balancer vorhanden oder nicht vorhanden
- Common Port oder getrennte Lade- und Entladeanschlüsse
- Temperaturüberwachung und erforderlicher NTC-Sensor
- Abmessungen und verfügbarer Platz im Akkugehäuse
- Position und Ausführung der Löt- oder Schraubanschlüsse
- passende Balancerleitung beziehungsweise Anschlusskabel
Hinweise zum Einbau
Der Einbau einer Akkuschutzschaltung erfordert elektrotechnische Fachkenntnisse. Falsch
angeschlossene Messleitungen, vertauschte Zellabgriffe oder Kurzschlüsse können die Platine, die Akkuzellen
und angeschlossene Geräte beschädigen. Vor dem Anschluss sollten sämtliche Zellgruppenspannungen mit einem
geeigneten Messgerät kontrolliert werden.
Die Balancer- und Messleitungen werden üblicherweise in einer festgelegten Reihenfolge vom Akku-Minuspol bis
zum Akku-Pluspol angeschlossen. Die genaue Reihenfolge ist der Dokumentation des jeweiligen BMS zu entnehmen.
Leitungen und Zellverbinder müssen für den vorgesehenen Strom dimensioniert und zuverlässig gegen Scheuern,
Quetschen und Kurzschluss isoliert werden.
Ein BMS ist kein Ladegerät. Zum Laden muss weiterhin ein zur Zellchemie und zur Anzahl der seriellen Zellen
passendes CC/CV-Ladegerät verwendet werden. Ebenso ersetzt die Schutzplatine keine Sicherung,
sofern für die jeweilige Anwendung eine zusätzliche Absicherung erforderlich ist.
Passende und alternative Suchbegriffe
BMS für Akkus, Akkuschutzplatine, PCB Schutzschaltung,
Battery Management System, Li-Ion BMS, LiFePO4 BMS,
BMS mit Balancer, Balancer Platine, Schutzplatine für 18650 Akkus,
21700 BMS, Akku Überladeschutz, Akku Tiefentladeschutz,
Batteriemanagementsystem, Lithium Akku Schutzschaltung,
Werkzeugakku BMS, E-Bike BMS, 3S BMS,
4S BMS, 5S BMS, 10S BMS, 13S BMS,
Common Port BMS, Separate Port BMS, BMS Platine kaufen
Häufig gestellte Fragen zu BMS und Akkuschutzplatinen
Kann ich ein Li-Ion-BMS auch für LiFePO4-Zellen verwenden?
In der Regel nicht. Li-Ion- und LiFePO4-Zellen besitzen unterschiedliche Nennspannungen, Ladeschlussspannungen
und Abschaltgrenzen. Das BMS muss ausdrücklich für die verwendete Zellchemie ausgelegt sein.
Wie finde ich die richtige S-Anzahl für mein Akkupack?
Die S-Angabe entspricht der Anzahl der seriell verschalteten Zellgruppen. Ein Akkupack mit fünf in Reihe
geschalteten Zellgruppen benötigt ein 5S-BMS. Parallel geschaltete Zellen innerhalb einer Gruppe erhöhen die
Kapazität, verändern aber nicht die S-Anzahl.
Benötigt jedes BMS einen Balancer?
Nicht jedes BMS besitzt eine Balancerfunktion. Für mehrzellige Lithium-Akkupacks ist ein Zellenausgleich jedoch
häufig sinnvoll, da Unterschiede zwischen den Zellgruppen langfristig zu einer ungleichmäßigen Ladung und
einer geringeren nutzbaren Kapazität führen können.
Warum schaltet ein BMS bei hoher Belastung ab?
Mögliche Ursachen sind ein zu hoher Last- oder Anlaufstrom, eine zu niedrige Zellspannung, eine überhöhte
Temperatur oder ein für die Anwendung zu schwach dimensioniertes BMS. Auch Leitungsverluste und schlecht
verbundene Zellverbinder können zu einem starken Spannungseinbruch führen.
Kann ein BMS unterschiedlich geladene Zellen ausgleichen?
Ein Balancer kann kleinere Spannungsabweichungen korrigieren. Stark unterschiedliche, gealterte oder defekte
Zellen lassen sich dadurch jedoch nicht angleichen. Vor dem Aufbau sollten die verwendeten Zellen geprüft,
sortiert und auf einen vergleichbaren Ladezustand gebracht werden.
