DE102022207731A1 - Battery management system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem (1), umfassend: einen ersten Strompfad (2), welcher auf einer ersten Seite mit einem ersten Lade- und Entladekontakt (3) des Batteriemanagementsystems (1) verbunden ist, und dazu vorgesehen ist, auf einer zweiten Seite mit einem ersten Pol (4a) einer Batterie (4) verbunden zu werden, einen ersten Transistor (5), welcher in dem ersten Strompfad (2) angeordnet ist, um den ersten Strompfad (2) zu schalten, einen zweiten Strompfad (6), welcher auf einer ersten Seite mit einem zweiten Lade- und Entladekontakt (7) des Batteriemanagementsystems (1) verbunden ist, und dazu vorgesehen ist, auf einer zweiten Seite mit einem zweiten Pol (4b) der Batterie (4) verbunden zu werden, einen dritten Strompfad (8), welcher auf einer ersten Seite mit dem ersten Lade- und Entladekontakt (3) und auf einer zweiten Seite mit dem zweiten Lade- und Entladekontakt (7) verbunden ist, wobei der dritten Strompfad (8) auf der dem ersten Lade- und Entladekontakt (3) zugewandten Seite des ersten Transistors (5) mit dem ersten Strompfad (2) verbunden ist, einen zweiten Transistor (9), welcher in dem dritten Strompfad (8) angeordnet ist, um den dritten Strompfad (8) zu schalten, und eine Steuerlogik (10), welche dazu eingerichtet ist: den ersten Transistor (5) in einen leitenden Zustand und den zweiten Transistor (9) in einen nicht leitenden Zustand zu schalten, um ein Laden und Entladen der Batterie (4) zu ermöglichen, und den ersten Transistor (5) in einen nicht leitenden Zustand und den zweiten Transistor (9) in einen leitenden Zustand zu schalten, um ein Überladen der Batterie (4) zu verhindern.The present invention relates to a battery management system (1), comprising: a first current path (2), which is connected on a first side to a first charging and discharging contact (3) of the battery management system (1), and is intended for this purpose on a second Side to be connected to a first pole (4a) of a battery (4), a first transistor (5), which is arranged in the first current path (2) in order to switch the first current path (2), a second current path (6 ), which is connected on a first side to a second charging and discharging contact (7) of the battery management system (1), and is intended to be connected on a second side to a second pole (4b) of the battery (4), a third current path (8), which is connected on a first side to the first charging and discharging contact (3) and on a second side to the second charging and discharging contact (7), the third current path (8) being on the The side of the first transistor (5) facing the first charging and discharging contact (3) is connected to the first current path (2), a second transistor (9), which is arranged in the third current path (8), around the third current path (8 ) to switch, and a control logic (10) which is set up to: switch the first transistor (5) into a conducting state and the second transistor (9) into a non-conducting state in order to charge and discharge the battery (4 ) and to switch the first transistor (5) into a non-conducting state and the second transistor (9) into a conducting state in order to prevent the battery (4) from being overcharged.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem.The present invention relates to a battery management system.
Batteriemanagementsysteme (BMS) werden allgemein in Batteriemodulen genutzt, um eine sichere und zuverlässige Verwendung der Batteriezellen bzw. der Batteriemodule zu ermöglichen. Die Hauptfunktionalität des Batteriemanagementsystems ist oftmals eine Überwachung der Batterietemperatur, der Batteriespannungen, des Ladungszustandes (SOC) und/oder eines Lade-/Entladestroms der Batterie. Auch wird durch das Batteriemanagementsystem oftmals die Möglichkeit gegeben Entladeströme oder Ladeströme von externen Vorrichtungen, z. B. von Ladegeräten oder Invertern, zu unterbrechen.Battery management systems (BMS) are generally used in battery modules to enable safe and reliable use of the battery cells or battery modules. The main functionality of the battery management system is often monitoring the battery temperature, battery voltages, state of charge (SOC) and/or a charge/discharge current of the battery. The battery management system also often offers the possibility of discharging currents or charging currents from external devices, e.g. B. from chargers or inverters.
Batteriemanagementsysteme werden typischerweise auch im Bereich der elektrischen Fahrräder genutzt.Battery management systems are typically also used in the area of electric bicycles.
Grundsätzlich existieren zwei unterschiedliche Schaltungstopologien, durch welche sowohl ein Ladestrom als auch ein Entladestrom einer Batterie geschaltet werden kann.Basically, there are two different circuit topologies through which both a charging current and a discharging current of a battery can be switched.
In einer ersten Topologie wird zum einen eine gemeinsame Schnittstelle für Lade- und Entladeströme genutzt. Dabei wird typischerweise sowohl ein Entladestrom als auch ein Ladestrom der Batterie über einen gemeinsamen Pin eines Steckers geführt. Bei einer solchen Topologie werden zumeist zwei elektrische Schalter, typischerweise MOSFETs, in Serie geschaltet, um ein Unterbrechen eines fließenden Stromes sowohl für positive als auch für negative Ströme, also für Ladeströme und Entladeströme, zu ermöglichen. Die MOSFETs sind dabei typischerweise derart angeordnet, dass deren parasitäre Dioden gegenpolig zueinander geschaltet sind. Dadurch wird vermieden, dass ein Leckstrom durch die parasitären Dioden durch die seriell geschalteten MOSFETs fließen kann.In a first topology, a common interface is used for charging and discharging currents. Typically, both a discharge current and a charging current of the battery are routed via a common pin of a plug. In such a topology, two electrical switches, typically MOSFETs, are usually connected in series to enable a flowing current to be interrupted for both positive and negative currents, i.e. for charging currents and discharging currents. The MOSFETs are typically arranged in such a way that their parasitic diodes are connected in opposite poles to one another. This prevents leakage current from flowing through the parasitic diodes through the series-connected MOSFETs.
In einer zweiten Topologie werden zwei separate Schnittstellen genutzt, wobei eine Schnittstelle für einen Ladestrom und eine weitere Schnittstelle für einen Entladestrom genutzt wird. Dabei weist ein Stecker beispielsweise einen ersten Pin, welcher für ein Entladen der Batterie geeignet ist, und einen zweiten Pin, der für ein Aufladen der Batterie geeignet ist, auf. Auch dabei werden typischerweise zwei elektrische Schalter, typsicherweise MOSFETs, genutzt, wobei jeweils eine der Schnittstellen durch jeweils einen zugehörigen Schalter geschaltet wird. Die parasitäre Diode des MOSFETs ist dabei jeweils entsprechend ausgerichtet, um einen Ladestrom bzw. einen Entladestrom zu unterbinden.In a second topology, two separate interfaces are used, with one interface being used for a charging current and another interface being used for a discharging current. In this case, a plug has, for example, a first pin, which is suitable for discharging the battery, and a second pin, which is suitable for charging the battery. Here too, two electrical switches, typically MOSFETs, are typically used, with one of the interfaces being switched by an associated switch. The parasitic diode of the MOSFET is aligned accordingly in order to prevent a charging current or a discharging current.
Beide dieser typischen Topologien weisen jedoch Nachteile auf. Das Verwenden einer einzelnen Schnittstelle für Lade- und Entladeströme führt dazu, dass ein externer Strom, beispielsweise ein Ladestrom, durch beide der seriell geschalteten MOSFETs fließen muss, was zu Verlusten innerhalb der MOSFETs führt. Dies führt auch zu einer stärkeren Aufwärmung des Batteriemanagementsystems, als dies der Fall wäre, wenn der Ladestrom nur durch einen einzelnen MOSFET fließen müsste. Da eine Kühlleistung des Batteriemanagementsystems typischerweise begrenzt ist, führt dies dazu, dass vergleichsweise teure MOSFETs eingesetzt werden müssen, um Leistungsverluste zu vermeiden. Insbesondere bei der Verwendung des Batteriemanagementsystems in elektrischen Fahrrädern ist der Ladestrom deutlich geringer als ein Entladestrom. Da der Strom jedoch durch beide MOSFETs fließen muss, führt dies dazu, dass beide MOSFETs hinreichend dimensioniert sein müssen.However, both of these typical topologies have disadvantages. Using a single interface for charge and discharge currents results in an external current, such as a charge current, having to flow through both of the series-connected MOSFETs, resulting in losses within the MOSFETs. This also causes the battery management system to heat up more than would be the case if the charging current only had to flow through a single MOSFET. Since the cooling capacity of the battery management system is typically limited, this means that comparatively expensive MOSFETs have to be used in order to avoid power losses. Particularly when using the battery management system in electric bicycles, the charging current is significantly lower than a discharging current. However, since the current must flow through both MOSFETs, this means that both MOSFETs must be sufficiently dimensioned.
Eine Verwendung von zwei separaten Schnittstellen für Lade- und Entladeströme führt dazu, dass der jeweilige Strom nur durch einen einzelnen MOSFET fließen muss, wodurch Verluste verringert werden. So werden die Verluste beispielsweise bei einer Verwendung gleicher MOSFETs gegenüber der zuvor beschriebenen Topologie halbiert. Es wird somit ermöglicht, dass eine Dimension des Batteriemanagementsystems vergleichsweise geringer ausgeführt werden kann und kostengünstigere MOSFETs eingesetzt werden können. So können beispielweise MOSFETs mit einem höheren Drain-Source Widerstand verwendet werden. Allerdings wird bei der zweiten Topologie die Flexibilität des Batteriemanagementsystems für einen Einsatz verringert. So wird beispielsweise eine zusätzliche Verkabelung notwendig, da die separaten Schnittstellen verkabelt werden müssen. Es wird somit ein Aufwand bei der Verkabelung vergrößert. Auch wird die Dimension der Schnittstellen vergrößert, da separate Schnittstellen für Lade- und Entladeströme bereitgestellt werden müssen.Using two separate interfaces for charging and discharging currents means that each current only needs to flow through a single MOSFET, reducing losses. For example, when using the same MOSFETs, the losses are halved compared to the topology described above. This makes it possible for a dimension of the battery management system to be made comparatively smaller and for cheaper MOSFETs to be used. For example, MOSFETs with a higher drain-source resistance can be used. However, with the second topology, the flexibility of the battery management system for deployment is reduced. For example, additional cabling is necessary because the separate interfaces have to be wired. This increases the cabling effort. The dimension of the interfaces is also increased because separate interfaces have to be provided for charging and discharging currents.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem umfasst einen ersten Strompfad, welcher auf einer ersten Seite mit einem ersten Lade- und Entladekontakt des Batteriemanagementsystems verbunden ist, und dazu vorgesehen ist, auf einer zweiten Seite mit einem ersten Pol einer Batterie verbunden zu werden, einen ersten Transistor, welcher in dem ersten Strompfad angeordnet ist, um den ersten Strompfad zu schalten, einen zweiten Strompfad welcher auf einer ersten Seite mit einem zweiten Lade- und Entladekontakt des Batteriemanagementsystems verbunden ist, und dazu vorgesehen ist, auf einer zweiten Seite mit einem zweiten Pol der Batterie verbunden zu werden, einen dritten Strompfad, welcher auf einer ersten Seite mit dem ersten Lade- und Entladekontakt und auf einer zweiten Seite mit dem zweiten Lade- und Entladekontakt verbunden ist, wobei der dritte Strompfad auf der dem ersten Lade- und Entladekontakt zugewandten Seite des ersten Transistors mit dem ersten Strompfad verbunden ist, einen zweiten Transistor, welcher in dem dritten Strompfad angeordnet ist, um den dritten Strompfad zu schalten, und eine Steuerlogik, welche dazu eingerichtet ist, den ersten Transistor in einen leitenden Zustand und den zweiten Transistor in einen nicht leitenden Zustand zu schalten, um ein Laden und Entladen der Batterie zu ermöglichen, und den ersten Transistor in einen nicht leitenden Zustand und den zweiten Transistor in einen leitenden Zustand zu schalten, um ein Überladen der Batterie zu verhindern.The battery management system according to the invention comprises a first current path, which is connected on a first side to a first charging and discharging contact of the battery management system, and is intended to be connected to a first pole of a battery on a second side, a first transistor, which is in the first current path is arranged to switch the first current path, a second current path which is connected on a first side to a second charging and discharging contact of the battery management system, and is intended to be connected to a second pole of the battery on a second side a third current path, which is connected on a first side to the first charging and discharging contact and on a second side to the second charging and discharging contact, the third current path being on the side of the first transistor facing the first charging and discharging contact is connected to the first current path, a second transistor which is arranged in the third current path to switch the third current path, and control logic which is designed to switch the first transistor into a conducting state and the second transistor into a non-conducting state state to enable charging and discharging of the battery, and to switch the first transistor to a non-conducting state and the second transistor to a conducting state to prevent overcharging of the battery.
Ein Lade- und Entladekontakt ist ein Kontakt, über welchen eine an das Batteriemanagementsystem angeschlossene Batterie wahlweise geladen oder entladen werden kann. An dem Lade- und Entladekontakt kann somit sowohl ein Verbraucher als auch ein Ladegerät angeschlossen werden. Das Batteriemanagementsystem umfasst einen ersten Lade- und Entladekontakt und einen zweiten Lade- und Entladekontakt, um die beiden Pole der Batterie zu kontaktieren. Über die beiden Lade- und Entladekontakte sind zwei Kontakte gegeben, welche typischerweise ein positiver und ein negativer Anschlusskontakt sind. Der erste Pol der Batterie und der zweite Pol der Batterie sind insbesondere ein positiver und ein negativer Pol der Batterie.A charging and discharging contact is a contact through which a battery connected to the battery management system can be either charged or discharged. Both a consumer and a charger can be connected to the charging and discharging contact. The battery management system includes a first charging and discharging contact and a second charging and discharging contact to contact the two poles of the battery. There are two contacts via the two charging and discharging contacts, which are typically a positive and a negative connection contact. The first pole of the battery and the second pole of the battery are in particular a positive and a negative pole of the battery.
Der erste Transistor ist in dem ersten Strompfad angeordnet, um den ersten Strompfad zu schalten. Das bedeutet, dass der erste Strompfad unterbrochen wird, wenn der erste Transistor in einen nicht leitenden Zustand geschaltet wird. Wird der erste Transistor wieder in einen leitenden Zustand geschaltet, so ist der erste Strompfad ebenfalls leitend. Durch den ersten Transistor ist somit ein in dem ersten Strompfad angeordneter Schalter gegeben.The first transistor is arranged in the first current path to switch the first current path. This means that the first current path is interrupted when the first transistor is switched to a non-conducting state. If the first transistor is switched back into a conductive state, the first current path is also conductive. The first transistor thus provides a switch arranged in the first current path.
In entsprechender Weise ist der zweite Transistor in dem dritten Strompfad angeordnet. Wird der zweite Transistor in einen leitenden Zustand geschaltet, so ist auch der dritte Strompfad leitend. Wird der zweite Transistor in einen nicht leitenden Zustand geschaltet, so ist auch der dritte Strompfad nicht leitend.The second transistor is arranged in the third current path in a corresponding manner. If the second transistor is switched to a conductive state, the third current path is also conductive. If the second transistor is switched to a non-conducting state, the third current path is also non-conductive.
Durch die Steuerlogik wird das Batteriemanagementsystem in unterschiedliche Betriebszustände geschaltet. In einem dieser Betriebszustände wird ein Laden und Entladen der Batterie ermöglicht. Dabei ist der erste Transistor in den leitenden Zustand geschaltet und zugleich der zweite Transistor in den nicht leitenden Zustand geschaltet. In einem weiteren Betriebszustand wird ein Überladen der Batterie verhindert. In einem solchen Betriebszustand ist der erste Transistor in den nicht leitenden Zustand geschaltet und zugleich der zweite Transistor in den leitenden Zustand geschaltet.The control logic switches the battery management system into different operating states. In one of these operating states, the battery can be charged and discharged. The first transistor is switched to the conducting state and at the same time the second transistor is switched to the non-conducting state. In a further operating state, overcharging of the battery is prevented. In such an operating state, the first transistor is switched to the non-conducting state and at the same time the second transistor is switched to the conducting state.
Ist der erste Transistor in den leitenden Zustand geschaltet, so werden die Lade- und Entladekontakte von den Polen der Batterie mit einer Spannung versorgt und es kann ein Ladestrom entnommen werden. Da gleichzeitig der zweite Transistor in den nicht leitenden Zustand geschaltet ist kommt es zu keinem Kurzschluss zwischen den Lade- und Entladekontakten.If the first transistor is switched to the conductive state, the charging and discharging contacts are supplied with a voltage from the poles of the battery and a charging current can be drawn. Since the second transistor is switched to the non-conducting state at the same time, there is no short circuit between the charging and discharging contacts.
Ist der erste Transistor in den nicht leitenden Zustand geschaltet, so ist der erste Lade- und Entladekontakt von der Batterie getrennt und die Batterie kann nicht geladen oder entladen werden. Dadurch, dass der zweite Transistor in den leitenden Zustand geschaltet ist, werden die beiden Lade- und Entladekontakte kurzgeschlossen. Dies wird typischerweise von einem angeschlossenen Ladegerät detektiert und ein Ladevorgang abgebrochen. Es kann somit das Überladen der Batterie verhindert werden.If the first transistor is switched to the non-conducting state, the first charging and discharging contact is separated from the battery and the battery cannot be charged or discharged. Because the second transistor is switched to the conductive state, the two charging and discharging contacts are short-circuited. This is typically detected by a connected charger and a charging process is aborted. This can prevent overcharging of the battery.
Das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem ermöglicht es, dass Leistungsverluste über die Transistoren minimal sind. So wird ein Strompfad bei einem Laden und Entladen der Batterie lediglich über einen einzigen Transistor des Batteriemanagementsystems geführt. Es werden somit notwendige Mittel zur Kühlung des Batteriemanagementsystems reduziert und eine Effizienz des Systems erhöht. Auch werden die Kosten für ein solches Batteriemanagementsystem gering gehalten.The battery management system according to the invention enables power losses via the transistors to be minimal. When charging and discharging the battery, a current path is only routed via a single transistor in the battery management system. The means necessary for cooling the battery management system are therefore reduced and the efficiency of the system is increased. The costs for such a battery management system are also kept low.
Es wird ein Batteriemanagementsystem geschaffen, welches sowohl mit einer minimalen Anzahl von Lade- und Entladekontakten arbeitet als auch besonders geringe Leistungsverluste durch ein Entladen bzw. Laden der Batterie über einen schaltbaren Strompfad aufweist.A battery management system is created which works with a minimum number of charging and discharging contacts and also has particularly low power losses due to discharging or charging the battery via a switchable current path.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The subclaims show preferred developments of the invention.
Bevorzugt ist die Steuerlogik ferner dazu eingerichtet, den ersten Transistor in einen nicht leitenden Zustand und den zweiten Transistor in einen nicht leitenden Zustand zu schalten, um ein Entladen der Batterie zu verhindern. Neben dem Betriebszustand, in dem ein Laden und Entladen der Batterie möglich ist und dem Betriebszustand, in dem ein Überladen der Batterie verhindert wird, wird somit ein weiterer Betriebszustand geschaffen, in dem ein Entladen der Batterie verhindert wird. Dazu wird der erste Transistor in den nicht leitenden Zustand und zugleich der zweite Transistor in den nicht leitenden Zustand geschaltet. Dieser Betriebszustand kann auch als Stand-By-Zustand bezeichnet werden. Ein Ladegerät, welches in diesem Zustand an das Batteriemanagementsystem angeschlossen wird, wird nicht unmittelbar kurzgeschlossen, da der zweite Transistor nicht in einem leitenden Zustand ist. Es wird somit beispielsweise ermöglicht, dass zunächst detektiert wird, dass das Ladegerät angeschlossen ist und dann der erste Transistor in den leitenden Zustand gebracht wird, wodurch das System in den Betriebszustand übergeht, in dem das Laden und Entladen der Batterie ermöglicht ist.Preferably, the control logic is further configured to switch the first transistor into a non-conducting state and the second transistor into a non-conducting state in order to prevent the battery from discharging. In addition to the operating state in which charging and discharging of the battery is possible and the operating state in which overcharging of the battery is prevented, a further operating state is thus created in which discharging of the battery is prevented. For this purpose, the first transistor is switched to the non-conducting state and at the same time the second transistor is switched to the non-conducting state. This operating state can also be referred to as the standby state. A charger that is connected to the battery management system in this state is not immediately short-circuited because the second transistor is not in a conductive state. This makes it possible, for example, to first detect that the charger is connected and then to bring the first transistor into the conductive state, whereby the system switches to the operating state in which charging and discharging of the battery is possible.
Bevorzugt ist der erste Transistor derart in dem ersten Strompfad angeordnet, dass eine Kathode einer parasitären Diode des ersten Transistors auf der Seite der Batterie angeordnet ist und eine Anode der parasitären Diode des ersten Transistors auf der Seite des ersten Lade- und Entladekontaktes angeordnet ist. Insbesondere wenn der erste Pol ein positiver Pol der Batterie ist, wird damit erreicht, dass die Batterie sich nicht über den ersten Strompfad entladen kann, wenn der erste Transistor nicht in einem leitenden Zustand ist.Preferably, the first transistor is arranged in the first current path in such a way that a cathode of a parasitic diode of the first transistor is arranged on the side of the battery and an anode of the parasitic diode of the first transistor is arranged on the side of the first charging and discharging contact. In particular, if the first pole is a positive pole of the battery, this ensures that the battery cannot discharge via the first current path if the first transistor is not in a conducting state.
Bevorzugt ist der erste Transistor und/oder der zweite Transistor ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein MOSFET.Preferably, the first transistor and/or the second transistor is a field effect transistor, in particular a MOSFET.
Bevorzugt ist der erste Transistor dazu ausgelegt, in einem leitenden Zustand höhere Ströme zu leiten als der zweite Transistor. Somit wird es ermöglicht, dass für den zweiten Transistor ein kostengünstigeres Bauelement genutzt werden kann. Dies ist daher möglich, da über den zweiten Transistor im Mittel geringere Ströme fließen als über den ersten Transistor. Zwar kann es zu kurzfristigen hohen Strömen durch den zweiten Transistor kommen, wenn durch diesen ein angeschlossenes Ladegerät kurzgeschlossen wird, dies wird jedoch bei einem entsprechenden Ladegerät schnell erkannt und unterbunden, bevor es zu einer Beschädigung des zweiten Transistors kommt. Durch den ersten Transistor müssen hingegen bei einem Entladevorgang auch über längere Dauer hinweg hohe Ströme fließen. Daher ist dieser bevorzugt leistungsfähiger auszulegen als der zweite Transistor.The first transistor is preferably designed to conduct higher currents in a conductive state than the second transistor. This makes it possible for a more cost-effective component to be used for the second transistor. This is possible because, on average, lower currents flow through the second transistor than through the first transistor. Although short-term high currents can occur through the second transistor if it short-circuits a connected charger, this is quickly detected and prevented with an appropriate charger before the second transistor is damaged. However, high currents must flow through the first transistor during a discharging process, even over a longer period of time. This is therefore preferably designed to be more powerful than the second transistor.
Weiter bevorzugt umfasst das Batteriemanagementsystem eine Sensorik, welche einen oder mehrere der folgenden Sensoren umfasst:
- - einen Stromsensor, welcher in dem ersten Strompfad oder in dem zweiten Strompfad angeordnet ist und mit der Steuerlogik gekoppelt ist,
- - einen Spannungssensor, welcher mit der Steuerlogik gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, eine Batteriespannung zumindest einer Batteriezelle der Batterie zu erfassen und/oder
- - einen Temperatursensor, welcher mit der Steuerlogik gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, eine Temperatur der Batterie oder des Batteriemanagementsystems zu erfassen.
- - a current sensor, which is arranged in the first current path or in the second current path and is coupled to the control logic,
- - a voltage sensor, which is coupled to the control logic and is set up to detect a battery voltage of at least one battery cell of the battery and/or
- - a temperature sensor, which is coupled to the control logic and is set up to record a temperature of the battery or the battery management system.
Durch eine solche Sensorik kann ein Zustand der Batterie und des Batteriemanagementsystems durch die Steuerlogik besonders genau erfasst werden und unterschiedliche Verfahren können angewendet werden, um zu erkennen, in welchen Betriebszustand das Batteriemanagementsystem gebracht werden soll. So ist es insbesondere mittels der Sensorik möglich zu erkennen, ob ein Laden und Entladen der Batterie ermöglicht werden soll, ein Überladen der Batterie zu verhindern ist oder ein Entladen der Batterie zu verhindern ist. Dem Spannungssensor werden bevorzugt Informationen von einzelnen Batteriezellen der Batterie bereitgestellt. Ein Temperatursensor ist insbesondere in dem Batteriemanagementsystem und/oder in der Batterie angeordnet und mit der Steuerlogik gekoppelt.With such sensor technology, a state of the battery and the battery management system can be recorded particularly precisely by the control logic and different methods can be used to identify which operating state the battery management system should be brought into. In particular, it is possible by means of the sensor system to recognize whether charging and discharging of the battery should be made possible, overcharging of the battery should be prevented, or discharging of the battery should be prevented. The voltage sensor is preferably provided with information from individual battery cells of the battery. A temperature sensor is arranged in particular in the battery management system and/or in the battery and coupled to the control logic.
Bevorzugt ist die Steuerlogik dazu eingerichtet, basierend auf Messwerten der Sensorik zu ermitteln, ob das Laden und Entladen der Batterie ermöglicht werden soll, und in Reaktion darauf den ersten Transistor und den zweiten Transistor entsprechend zu schalten. Es wird somit in Reaktion darauf, dass das Laden und Entladen der Batterie ermöglicht werden soll, der erste Transistor in den leitenden Zustand und der zweite Transistor in den nicht leitenden Zustand geschaltet. Ob das Laden und das Entladen der Batterie ermöglicht werden soll, kann dabei in unterschiedlicher Weise durch die Sensorik ermittelt werden. So kann beispielsweise ermittelt werden, dass ein Laden der Batterie erfolgen soll, wenn eine vorgegebene Ladespannung zwischen dem ersten und dem zweiten Lade- und Entladekontakt anliegt. Auch kann das Laden und Entladen der Batterie ermöglicht werden, wenn detektiert wird, dass kein zu hoher Entladestrom vorliegt und/oder kein zu hoher Ladestrom vorliegt.The control logic is preferably set up to determine, based on measured values from the sensor system, whether charging and discharging of the battery should be enabled, and in response to this, the first transistor and switch the second transistor accordingly. Thus, in response to enabling charging and discharging of the battery, the first transistor is switched to the conductive state and the second transistor to the non-conductive state. Whether charging and discharging of the battery should be made possible can be determined in different ways by the sensors. For example, it can be determined that the battery should be charged when a predetermined charging voltage is present between the first and second charging and discharging contacts. Charging and discharging of the battery can also be made possible if it is detected that there is no excessive discharge current and/or that there is no excessive charging current.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuerlogik dazu eingerichtet ist, basierend auf Messwerten der Sensorik zu ermitteln, ob das Überladen der Batterie verhindert werden soll, und in Reaktion darauf den ersten Transistor und den zweiten Transistor entsprechend zu schalten. So wird in Reaktion darauf, dass ein Überladen der Batterie verhindert werden soll, der erste Transistor in den nicht leitenden Zustand und der zweite Transistor in den leitenden Zustand geschaltet. Dass das Überladen der Batterie verhindert werden soll, wird beispielsweise dadurch erkannt, dass ein vorliegender Ladestrom zu hoch ist oder eine Temperatur der Batterie über einen gewissen Grenzwert ansteigt oder eine Spannung der Batterie über einen gewissen Grenzwert ansteigt.It is also advantageous if the control logic is set up to determine, based on measured values from the sensor system, whether overcharging of the battery should be prevented and, in response, to switch the first transistor and the second transistor accordingly. Thus, in response to preventing overcharging of the battery, the first transistor is switched to the non-conducting state and the second transistor is switched to the conducting state. The fact that overcharging of the battery should be prevented is recognized, for example, by the fact that an existing charging current is too high or a temperature of the battery rises above a certain limit value or a voltage of the battery rises above a certain limit value.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuerlogik dazu eingerichtet ist, basierend auf Messwerten der Sensorik zu ermitteln, ob ein Entladestrom der Batterie einen vordefinierten Grenzwert überschreitet und in Reaktion darauf, dass der Entladestrom der Batterie den vordefinierten Grenzwert überschreitet, den ersten Transistor in den nicht leitenden Zustand und den zweiten Transistor in den nicht leitenden Zustand zu schalten, um das Entladen der Batterie zu verhindern. Dies erfolgt insbesondere auch abhängig von einem vorliegenden Ladezustand der Batterie.It is also advantageous if the control logic is set up to determine, based on measured values from the sensor system, whether a discharge current of the battery exceeds a predefined limit value and, in response to the fact that the discharge current of the battery exceeds the predefined limit value, not to switch the first transistor into the conductive state and the second transistor to switch to the non-conductive state in order to prevent the battery from discharging. This is particularly dependent on the current state of charge of the battery.
Die Messwerte der Sensorik können in unterschiedlichster Weise kombiniert und ausgewertet werden, um zu erkennen, welcher Schaltzustand für den ersten Transistor und den zweiten Transistor vorteilhaft ist.The measured values of the sensor system can be combined and evaluated in a variety of ways in order to identify which switching state is advantageous for the first transistor and the second transistor.
Ein Batteriesystem, welches das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem aufweist, ist ebenfalls vorteilhaft und weist alle Vorteile des erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems auf. Das Batteriesystem umfasst dabei bevorzugt ein Ladegerät, welches dazu eingerichtet ist, mit dem ersten Lade- und Entladekontakt und mit dem zweiten Lade- und Entladekontakt verbunden zu werden, um die Batterie zu laden. Dies erfolgt bevorzugt mittels eines Steckverbinders. Das Ladegerät ist bevorzugt dazu eingerichtet, einen Kurzschluss zwischen dem ersten und zweiten Lade- und Entladekontakt zu detektieren und einen Ladevorgang in Reaktion darauf zu unterbrechen, dass der Kurzschluss vorliegt. So kann durch das Ladegerät bevorzugt ein Ansteigen eines Ladestroms oder ein Abfallen einer Ladespannung über die Lade- und Entladekontakte detektiert werden und darauf auf das Vorliegen des Kurzschlusses geschlossen werden. Es wird somit erreicht, dass ein Ladevorgang der Batterie durch das Ladegerät durch ein Schalten des zweiten Transistors in den leitenden Zustand unterbrochen werden kann. Weiter bevorzugt umfasst das Batteriesystem die Batterie.A battery system which has the battery management system according to the invention is also advantageous and has all the advantages of the battery management system according to the invention. The battery system preferably comprises a charger, which is designed to be connected to the first charging and discharging contact and to the second charging and discharging contact in order to charge the battery. This is preferably done using a plug connector. The charger is preferably set up to detect a short circuit between the first and second charging and discharging contacts and to interrupt a charging process in response to the fact that the short circuit exists. The charger can preferably detect an increase in a charging current or a drop in a charging voltage via the charging and discharging contacts and then conclude that the short circuit has occurred. It is thus achieved that a charging process of the battery by the charger can be interrupted by switching the second transistor into the conductive state. More preferably, the battery system includes the battery.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems mit daran angeschlossener Batterie und angeschlossenem Ladegerät, -
2 eine schematische Darstellung eines Stromflusses durch das Batteriemanagementsystem in einem ersten Betriebszustand, -
3 eine Darstellung eines Stromflusses durch das Batteriemanagementsystem in einem zweiten Betriebszustand, -
4 eine Darstellung eines Stromflusses durch das Batteriemanagementsystem in einem dritten Betriebszustand, und -
5 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems, welches das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem umfasst.
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1 a schematic representation of a battery management system according to the invention with a battery and charger connected to it, -
2 a schematic representation of a current flow through the battery management system in a first operating state, -
3 a representation of a current flow through the battery management system in a second operating state, -
4 a representation of a current flow through the battery management system in a third operating state, and -
5 a schematic representation of a battery system which includes the battery management system according to the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Batterie 4 umfasst eine Anzahl von Batteriezellen, welche beispielsweise in Serie geschaltet sind. Die Batterie 4 weist einen positiven Anschlusskontakt auf, welcher mit einem ersten Batterieanschluss 4a des Batteriemanagementsystems 1 gekoppelt ist. Die Batterie 4 weist ferner einen negativen Pol auf, welcher mit einem zweiten Batterieanschluss 4b des Batteriemanagementsystems 1 gekoppelt ist.The battery 4 includes a number of battery cells, which are connected in series, for example. The battery 4 has a positive connection contact, which is coupled to a
Das Batteriemanagementsystem 1 weist einen ersten Lade- und Entladekontakt 3 und einen zweiten Lade- und Entladekontakt 7 auf. Der erste Lade- und Entladekontakt 3 zusammen mit dem zweiten Lade- und Entladekontakt 7 sind die Kontakte eines Steckverbinders, welche ein Kontaktieren des Batteriemanagementsystems 1 erlaubt. Das Batteriemanagementsystem 1 ist beispielsweise eine bauliche Einheit zusammen mit der Batterie 4. Diese bilden zusammen beispielsweise ein Batteriepack eines elektrischen Fahrrades. Dieses kann entweder an das Ladegerät 21 angesteckt werden oder kann in einen dafür vorgesehenen Slot eines elektrischen Fahrrades eingelegt werden, um das elektrische Fahrrad, welches in diesem Falle die Last 21 umfasst, über die Lade- und Entladekontakte 3, 7 mit Strom zu versorgen.The battery management system 1 has a first charging and discharging
Das Batteriemanagementsystem 1 weist einen ersten Strompfad 2 auf, welcher den ersten Lade- und Entladekontakt 3 mit dem ersten Batterieanschluss 4a verbindet. In dem ersten Strompfad 2 ist ein erster Transistor 5 angeordnet, welcher ein MOSFET-Transistor ist. Dabei ist beispielweise ein Drain-Anschluss des ersten Transistors 5 mit dem ersten Batterieanschluss 4a verbunden und ein Source-Kontakt des ersten Transistors 5 mit dem ersten Lade- und Entladekontakt 3 verbunden. Daraus ergibt sich, dass eine parasitäre Diode des ersten Transistors 5, hier die Body-Diode des MOSFET, mit ihrer Kathodenseite auf der Seite der Batterie 4 angeordnet ist und mit ihrer Anodenseite auf der Seite des ersten Lade- und Entladekontakts 3 angeordnet ist.The battery management system 1 has a first
Der erste Transistor 5 ist somit in dem ersten Strompfad 2 angeordnet, um den ersten Strompfad 2 zu schalten. Der Schaltvorgang kann dabei über einen Gate-Kontakt des ersten Transistors 5 ausgelöst werden, welcher mit einer Steuerlogik 10 des Batteriemanagementsystems 1 verbunden ist.The
Das Batteriemanagementsystem 1 weist ferner einen zweiten Strompfad 6 auf, welcher mit einer ersten Seite mit dem zweiten Lade- und Entladekontakt 7 verbunden ist und mit seiner zweiten Seite mit dem zweiten Pol 4b der Batterie 4 verbunden ist. Der zweite Strompfad 6 verbindet somit den zweiten Lade- und Entladekontakt 7 mit dem zweiten Batterieanschluss 4b. In dem zweiten Strompfad 6 ist bevorzugt kein Transistor zum Schalten des Strompfades angeordnet. Damit ist der zweite Strompfad 6 bevorzugt nicht schaltbar.The battery management system 1 further has a second
Das Batteriemanagementsystem 1 umfasst ferner einen dritten Strompfad 8, welcher auf einer ersten Seite mit dem ersten Lade- und Entladekontakt 3 und auf einer zweiten Seite mit dem zweiten Lade- und Entladekontakt 7 verbunden ist. Durch den dritten Strompfad 8 wird somit der erste Lade- und Entladekontakt 3 kontaktiert. Der dritte Strompfad 8 verläuft nicht über den ersten Transistor 5. Dies wird dadurch erreicht, dass der dritte Strompfad 8 auf der dem ersten Lade- und Entladekontakt 3 zugewandten Seite des ersten Transistors 5 mit dem ersten Strompfad 2 verbunden ist. Der erste Strompfad 2 kann einen gemeinsamen Abschnitt mit dem dritten Strompfad 8 aufweisen. Dies ist jedoch optional, da der dritte Strompfad 8 auch direkt an den ersten Lade- und Entladekontakt 3 seinen Anfang nehmen kann, wodurch dieser zwar mit dem ersten Strompfad 2 über den gemeinsamen Lade- und Entladekontakt 3 verbunden ist, jedoch keinen gemeinsamen Abschnitt aufweist.The battery management system 1 further comprises a third
In gleicher Weise gilt, dass der zweite Strompfad 6 einen gemeinsamen Abschnitt mit dem dritten Strompfad 8 haben kann, dies jedoch nicht zwingend der Fall ist.In the same way, the second
In dem dritten Strompfad 8 ist ein zweiter Transistor 9 angeordnet, welcher ebenfalls ein MOSFET ist. Dabei ist ein Drain-Kontakt des zweiten Transistors 9 mit dem ersten Lade- und Entladekontakt 3 verbunden. Ein Source-Kontakt des zweiten Transistors 9 ist mit dem zweiten Lade- und Entladekontakt 7 verbunden. Der dritte Strompfad 8 kann durch den zweiten Transistor 9 geschaltet werden. Dazu weist der zweite Transistor 9 einen Gate-Kontakt auf, welcher mit der Steuerlogik 10 gekoppelt ist. Der zweite Transistor 9 ist nicht in dem ersten Strompfad 2 zwischen dem ersten Lade- und Entladekontakt 3 und dem ersten Batterieanschluss 4a angeordnet. Das bedeutet, dass ein von dem Ladegerät 21 an den Lade- und Entladekontakten 3, 7 bereitgestellter Ladestrom nicht durch den zweiten Transistor 9 fließen muss, um die Batterie 4 zu laden.A
Das Batteriemanagementsystem 1 kann in drei unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben werden. Die unterschiedlichen Betriebszustände werden durch die Steuerlogik 10 durch Schalten der Transistoren 5, 9 angesteuert.The battery management system 1 can be operated in three different operating states. The different operating states are controlled by the
In einem ersten Betriebszustand wird durch das Batteriemanagementsystem 1 ein Laden und Entladen der Batterie 4 ermöglicht. In einem zweiten Betriebszustand wird durch das Batteriemanagementsystem 1 ein Überladen der Batterie 4 verhindert. In einem dritten Betriebszustand wird durch das Batteriemanagementsystem 1 ein Entladen der Batterie 4 verhindert.In a first operating state, the battery management system 1 enables charging and discharging of the battery 4. In a second operating state, the battery management system 1 prevents the battery 4 from being overcharged. In a third operating state, the battery management system 1 prevents the battery 4 from discharging.
Der erste Betriebszustand ist ein Betriebszustand, welcher dann vorliegt, wenn die Batterie 4 als Stromquelle genutzt wird oder über das Ladegerät 21 geladen wird. In dem ersten Betriebszustand ist der erste Transistor 5 in einen leitenden Zustand geschaltet und der zweite Transistor 9 in einen nicht leitenden Zustand geschaltet. Somit ist es ermöglicht, dass durch die Batterie 4 an den Lade- und Entladekontakten 3, 7 eine Ausgangsspannung und ein Laststrom bereitgestellt wird, wenn dort die Last 22 angeschlossen ist.The first operating state is an operating state that exists when the battery 4 is used as a power source or is being charged via the
Der erste Betriebszustand ist in
Der zweite Betriebszustand ist in
Es wird beispielhaft angenommen, dass die Last 22 mit den Lade- und Entladekontakten 3, 7 des Batteriemanagementsystems 1 verbunden ist. Da der erste Transistor 5 in einem nicht leitenden Zustand ist, wird keine leitende Verbindung zwischen dem positiven Pol 4a der Batterie 4 und dem ersten Lade- und Entladekontakt 3 hergestellt. Somit kann von der Last 22 keine Energie aus der Batterie 4 gezogen werden. Es wird darauf hingewiesen, dass auch über die parasitäre Diode des ersten Transistors 5 kein Strom fließt, da der erste Pol der Batterie 4, welcher mit dem ersten Batterieanschluss 4a verbunden ist, der positive Pol der Batterie 4 ist. Bei dem sich ergebenden Spannungsgefälle über den ersten Strompfad 2 wird kein Strom über die parasitäre Diode des ersten Transistors 5 geleitet. Somit wird ein Entladen der Batterie 4 effektiv verhindert.It is assumed by way of example that the
Der dritte Betriebszustand ist in
Durch den Kurzschluss zwischen den beiden Lade- und Entladekontakten 3, 7 erfolgt ein Stromfluss innerhalb des Batteriemanagementsystems 1 nahezu ausschließlich über den zweiten Transistor 9. Somit wird auch in diesem Fall, unabhängig von der Ausrichtung der parasitären Diode des ersten Transistors 5 kein Strom zu der Batterie 4 geleitet. Es kann somit kein Ladestrom von dem Ladegerät 21 zu der Batterie 4 fließen und somit ein Überladen der Batterie 4 verhindert werden.Due to the short circuit between the two charging and discharging
Der erste Transistor 5 ist dazu ausgelegt, auf Dauer einen höheren Strom zu leiten als der zweite Transistor 9 ohne eine Beschädigung davonzutragen. Dadurch wird insbesondere bei dem Betrieb in dem ersten Betriebszustand bei angeschlossener Last 22 ein hoher Strom von der Batterie 4 zu der Last 22 ermöglicht. Gleichzeitig kann durch den zweiten Transistor 9 ein zu hoher Ladestrom effizient durch das Kurzschließen der Lade- und Entladekontakte 3, 7 verhindert werden. Bei so einem Kurzschließen treten typischerweise nur sehr kurz hohe Ströme auf, da diese durch das Ladegerät 21 schnell unterbunden werden. Der im regulären Betrieb häufiger auftretende hohe Ladestrom wird nicht über den zweiten Transistor 9 geführt.The
Ob das Batteriemanagementsystem 1 in dem ersten Betriebszustand, dem zweiten Betriebszustand oder dem dritten Betriebszustand betrieben wird, wird von der Steuerlogik 10 oder alternativ durch ein externes Steuersignal entschieden. Erfolgt die Entscheidung durch die Steuerlogik 10, so ist es vorteilhaft, wenn das Batteriemanagementsystem 1 eine Sensorik umfasst, durch welche der Steuerlogik 10 Entscheidungsparameter bereitgestellt werden. So umfasst das Batteriemanagementsystem 1 beispielsweise einen Stromsensor 11, welcher in dem zweiten Strompfad 6 angeordnet ist und Messsignale an die Steuerlogik 10 liefert. Ferner umfasst das Batteriemanagementsystem 1 bevorzugt einen Spannungssensor 12, durch welchen eine Batteriespannung der Batterie 4 erfasst wird. Bevorzugt wird dabei jeweils eine Zellenspannung der einzelnen Batteriezellen der Batterie 4, welche beispielsweise zu einer Batteriespannung aufaddiert werden können. Dies ist daher vorteilhaft, da durch die Steuerlogik 10 typischerweise auch andere Aufgaben übernommen werden, beispielsweise ein Cell-Balancing. Des Weiteren umfasst das Batteriemanagementsystem 1 bevorzugt einen oder mehrere Temperatursensoren 13, 13', durch welche beispielsweise eine Temperatur des Batteriemanagementsystems 1 und eine Temperatur der Batterie 4 erfasst werden.Whether the battery management system 1 is operated in the first operating state, the second operating state or the third operating state is decided by the
Basierend auf der von den Sensoren der Steuerlogik 10 bereitgestellten Informationen kann eine Entscheidung getroffen werden, welcher Betriebszustand ausgelöst werden soll.Based on the information provided by the sensors of the
So kann beispielsweise durch ein Überschreiten von Strom, Spannungs- und/oder Temperaturgrenzwerten erkannt werden, dass die Batterie 4 davorsteht, überladen zu werden. Wird dies von der Steuerlogik 10 erkannt, so wird der dritte Betriebszustand ausgelöst, um das Überladen der Batterie 4 zu verhindern. Es wird somit eine Überlastsicherung ausgelöst.For example, if the current, voltage and/or temperature limit values are exceeded, it can be recognized that the battery 4 is about to be overcharged. If this is recognized by the
Des Weiteren kann von der Steuerlogik 10 basierend auf den Messwerten der Sensorik ermittelt werden, ob ein durch den zweiten Strompfad 6 fließender Entladestrom einen vordefinierten Grenzwert überschreitet. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn von einer angeschlossenen Last 22 ein zu hoher Strom gezogen wird. Ist dies der Fall, so kann in Reaktion auf das Erfassen des zu hohen Entladestroms der zweite Betriebszustand ausgelöst werden. Dabei wird durch das Schalten der Transistoren 5, 9 in den offenen Zustand verhindert, dass weiter ein Strom von der Batterie 4 gezogen wird. Es wird somit ein Entladen der Batterie 4 verhindert. In den verbleibenden Fällen kann der erste Betriebszustand ausgelöst werden. Dies ist also insbesondere immer dann der Fall, wenn der zweite Betriebszustand und der dritte Betriebszustand nicht ausgelöst werden.Furthermore, the
Das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem 1 nutzt eine gemeinsame Schnittstelle bzw. einen gemeinsamen Kontakt zum Laden und Entladen der Batterie 4. Dabei wird jedoch ein separater Strompfad, hier der dritte Strompfad 8, bereitgestellt, um einen Ladestrom zu unterbrechen. Ferner wird der erste Strompfad 2 mit dem ersten Transistor 5 bereitgestellt, um Entladeströme zu unterbrechen.The battery management system 1 according to the invention uses a common interface or a common contact for charging and discharging the battery 4. However, a separate current path, here the third
Um einen Überlastschutz der Batterie 4 bei einem Ladevorgang bereitzustellen, wird ein Strompfad nicht durch ein Unterbrechen der von dem Ladegerät bereitgestellten Spannung bzw. des von dem Ladegerät 21 bereitgestellten Stromes, sondern durch ein Bereitstellen eines definierten Strompfades zwischen den Lade- und Entladekontakten 3, 7 unterbrochen. Es ist somit immer nur einer der Transistoren 5, 9 ein Strom führender Transistor. Gleichzeitig kann sowohl ein Lade- als auch ein Entladestrom über den gleichen Lade- und Entladekontakt 3 geführt werden.In order to provide overload protection for the battery 4 during a charging process, a current path is created not by interrupting the voltage provided by the charger or the current provided by the
Da eine Spannung zwischen den Lade- und Entladekontakten 3, 7 des Batteriemanagementsystems 1 nahe gegen 0 Volt sein wird, wenn der zweit Transistor 9 in den leitenden Strom geschaltet wird, was typischerweise bei einem zu hohen Ladestrom der Fall ist, ist das Ladegerät 21 dazu in der Lage diesen Fehler zu detektieren und den Ladevorgang zu stoppen. Dies erfolgt typischerweise über eine Überstrom- oder Unterspannungsdetektion. Bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem wird somit der zweite Transistor 9 nur kurzzeitig stromführend sein.Since a voltage between the charging and discharging
Die folgende Tabelle zeigt einen Überblick über die unterschiedlichen Betriebszustände:
Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der
Claims (10)
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---|---|---|---|
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---|---|---|---|
DE102022207731.8A DE102022207731A1 (en) | 2022-07-27 | 2022-07-27 | Battery management system |
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---|---|
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2022
- 2022-07-27 DE DE102022207731.8A patent/DE102022207731A1/en active Pending
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