Hardware-Entwicklung und Implementierung eines BMS-Prototyps zur Steuerung von Second-Life Batterien in kleinen Einsatzbereichen

Im Rahmen dieser Masterarbeit wird der hardwareseitige Prototyp eines Batteriemanagementsystems (BMS) zur Steuerung von Second-Life-Batterien in kleinen, dezentralen Einsatzbereichen entwickelt und implementiert. Die Arbeit ist Teil eines zweigeteilten Masterprojekts, in dem die vorliegende Arbeit den vollständigen Hardwareentwurf und -aufbau behandelt, während eine parallele Arbeit die softwareseitige Entwicklung dokumentiert. 

Ziel ist die sichere, zuverlässige und effiziente Nutzung gebrauchter Lithium-Ionen-Zellen beispielsweise aus Elektrofahrzeugen in kleinmaßstäblichen Energiespeichersystemen wie Balkonkraftwerken oder mobilen Notstromgeräten. 

Der Hardwareentwurf basiert auf dem ESP32-DevKitC-Mikrocontroller als zentrale Steuereinheit und umfasst die Integration des Batterie-Monitoring-ICs LTC6813 über das DC2350B- Evaluierungsboard von Analog Devices zur hochpräzisen Zellspannungsmessung sowie die Anbindung des INA228-Hochpräzisions-Stromsensors von Texas Instruments über eine galvanisch getrennte I²C-Schnittstelle. Die Temperaturüberwachung erfolgt über drei NTC- Thermistoren (10 kΩ), die an die GPIO-Eingänge des LTC6813 angeschlossen sind.

Für die MOSFET-basierte Batterieschutzschaltung und die galvanisch getrennte I²C-Kommunikation wurde eine eigene Leiterplatte in KiCad entworfen und gefertigt, die einen Logik-MOSFET (2N7002), einen isolierten DC/DC-Wandler (DEP1-3-S5-M), zwei Leistungs-MOSFETs (IRF540NPBF) in Back-to-Back-Konfiguration sowie einen digitalen I²C-Isolator (ADM3260ARSZ-RL7) integriert. Der Fokus der Hardwareentwicklung liegt auf dem Schaltungsentwurf und der Dimensionierung der Schutzschaltung, der Auswahl und Integration geeigneter Sensorkomponenten, dem Pin-Mapping und der Schnittstellenkonfiguration (SPI bei 1 MHz im VSPI-Modus, I²C bei 400 kHz) sowie dem PCB-Entwurf einschließlich Bauteilplatzierung, Leiterbahnführung und Fertigungsausgabe. 

Die SPI-Kommunikation zwischen ESP32 und LTC6813 nutzt den Hardware-VSPI-Bus (GPIO5, GPIO18, GPIO19, GPIO23) für deterministische Übertragungszeiten, während die I²C-Kommunikation über frei zugewiesene Pins (GPIO25, GPIO26) erfolgt, um die Standard-I²C-Pins für zukünftige Erweiterungen freizuhalten. 

Die Ergebnisse zeigen, dass der entwickelte Hardwareprototyp eine zuverlässige Zellüberwachung von bis zu 18 seriell verschalteten Zellen, eine Schutzabschaltung des Leistungspfads bei Grenzwertverletzungen (Temperatur: 25–37 °C, Zellspannung: 2,50–3,20 V) sowie eine galvanisch getrennte Strommessung mit einem kalibrierten Current LSB von 520 μA ermöglicht. 

Der Ausblick beschreibt mögliche Erweiterungen wie die Miniaturisierung durch ein integriertes ESP32-Modul, die Erweiterung auf größere Batteriepacks über die isoSPI-Daisy- Chain-Schnittstelle des LTC6813 sowie die Integration eines aktiven Balancing-Verfahrens. 

Die Arbeit demonstriert, dass eine maßgeschneiderte, kostengünstige Hardware-Plattform auf Basis offener Komponenten die Wiederverwendung gebrauchter Batterien in kleinen Anwendungen der erneuerbaren Energien wirtschaftlich und technisch sinnvoll ermöglicht und damit einen Beitrag zur Ressourceneffizienz und Kreislaufwirtschaft leistet.

Softwarebasierte Entwicklung eines BMS-Prototyps zur Nutzung von Second-Life Batterien in kleinen Anwendungen

Im Rahmen dieser Masterarbeit wird die Software eines Batteriemanagementsystem-Prototyps (BMS) für die Nutzung von Second-Life-Batterien in kleinen, dezentralen Anwendungen entwickelt. Die Arbeit ist Teil eines zweigeteilten Masterprojekts, in dem die vorliegende Arbeit die vollständige Softwareentwicklung behandelt, während eine parallele Arbeit den hardwareseitigen Aufbau dokumentiert. Ziel ist es, die Lebensdauer und Sicherheit gebrauchter Lithium-Ionen-Zellen – beispielsweise aus Elektrofahrzeugen – durch ein kostengünstiges, skalierbares und modular aufgebautes BMS zu gewährleisten.

Die Softwarearchitektur wird hardwarenah auf dem ESP32-DevKitC-Mikrocontroller in der Arduino-Entwicklungsumgebung realisiert und nutzt den Batterie-Monitoring-IC LTC6813 zur Zellspannungsmessung sowie den INA228-Stromsensor zur hochgenauen Strommessung. Der Fokus liegt auf der Implementierung folgender zentraler BMS-Funktionen: Zellspannungs- und Temperaturüberwachung über NTC-Thermistoren mit tabellenbasierter Interpolation, duale Ladezustandsschätzung (State of Charge, SOC) mittels Coulomb-Counting und zweidimensionaler Lookup-Tabelle, automatisches passives Zellbalancing mit Schwellenwertlogik sowie eine MOSFET-basierte Batterieschutzschaltung mit Temperatur- und Spannungsüberwachung. Für die Schutzschaltung und die galvanisch getrennte I²C-Kommunikation wurde eine eigene Leiterplatte in KiCad entworfen und gefertigt. 

Eine WiFi-basierte Weboberfläche im Access-Point-Modus ermöglicht die kabellose Fernüberwachung und Steuerung des BMS über einen integrierten HTTP-Server mit REST-API.

Die Ergebnisse zeigen, dass der entwickelte Prototyp eine zuverlässige Zellüberwachung mit einer Reaktionszeit von 100 ms, eine persistente SOC-Speicherung über Stromunterbrechungen hinweg sowie eine robuste Schutzabschaltung bei Grenzwertverletzungen ermöglicht. 

Der Ausblick beschreibt mögliche Erweiterungen um eine Kalman-Filter-basierte Sensordatenfusion, eine Impedanzspektroskopie zur Bestimmung des Gesundheitszustands (State of Health, SOH) sowie eine Cloud-Anbindung über MQTT. Die Arbeit demonstriert, dass komplexe BMS- Funktionalität auf einer kostengünstigen Open-Source-Plattform realisierbar ist, und leistet damit einen Beitrag zur Ressourceneffizienz und Kreislaufwirtschaft im Bereich erneuerbarer Energien.