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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemanagementsystem.
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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.
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Batteriemanagementsysteme werden typischerweise auch im Bereich der elektrischen Fahrräder genutzt.
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Grundsätzlich existieren zwei unterschiedliche Schaltungstopologien, durch welche sowohl ein Ladestrom als auch ein Entladestrom einer Batterie geschaltet werden kann.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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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.
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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.
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Bevorzugt ist der erste Transistor und/oder der zweite Transistor ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein MOSFET.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 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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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem 1, welches mit einer Batterie 4 und einem Ladegerät 21 oder einer Last 22 gekoppelt ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der erste Betriebszustand ist in 2 dargestellt. Da der erste Transistor 5 in einem leitenden Zustand ist, ergibt sich ausgehend von dem ersten Lade- und Entladekontakt 3 ein leitender Pfad über den ersten Strompfad 2, über die Batterie 4 und über den zweiten Strompfad 6 zu dem zweiten Lade- und Entladekontakt 7. Abhängig davon, ob an den Lade- und Entladekontakten 3, 7 ein Ladegerät 21 oder eine Last 22 angeschlossen ist, wird die Batterie 4 geladen oder entladen. Der zweite Transistor 9 ist in einem nicht leitenden Zustand. Die Steuerlogik 10 ist durch ein Bereitstellen entsprechender Steuersignale dazu geeignet, den ersten Transistor 5 in den leitenden Zustand und den zweiten Transistor 9 in den nicht leitenden Zustand zu schalten, um somit das Laden und Entladen der Batterie 4 zu ermöglichen.
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Der zweite Betriebszustand ist in 3 dargestellt. In dem zweiten Betriebszustand wird der erste Transistor 5 von der Steuerlogik 10 in den nicht leitenden Zustand und der zweite Transistor 9 ebenfalls in den nicht leitenden Zustand geschaltet, um ein Entladen der Batterie 4 zu verhindern. Es ist 3 ersichtlich, dass ein Strompfad ausgehend von dem ersten Lade- und Entladekontakt 3 des Batteriemanagementsystems 1 in jedem Fall durch einen der beiden Transistoren 5, 9 unterbrochen wird. Es kann somit ein ungewolltes Entladen der Batterie 4 verhindert werden.
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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.
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Der dritte Betriebszustand ist in 4 dargestellt. In dem dritten Betriebszustand wird der erste Transistor 5 von der Steuerlogik 10 in den nicht leitenden Zustand geschaltet und der zweite Transistor 9 wird von der Steuerlogik 10 in den leitenden Zustand geschaltet. Damit kann ein Überladen der Batterie 4 verhindert werden. Es wird im Folgenden davon ausgegangen, dass das Ladegerät 21 mit den Lade- und Entladekontakten 3, 7 des Batteriemanagementsystems 1 verbunden ist. Dadurch, dass der erste Transistor 5 in dem nicht leitenden Zustand ist, wird kein Strom von dem Ladegerät 21 zu der Batterie 4 über den ersten Strompfad 2 geleitet. Gleichzeitig werden der erste Lade- und Entladekontakt 3 und der zweite Lade- und Entladekontakt 7 über den zweiten Transistor 9 kurzgeschlossen. Optional erfolgt dies über einen zusätzlichen Widerstand.
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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.
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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.
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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.
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Basierend auf der von den Sensoren der Steuerlogik 10 bereitgestellten Informationen kann eine Entscheidung getroffen werden, welcher Betriebszustand ausgelöst werden soll.
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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.
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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.
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5 zeigt ein vorteilhaftes Batteriesystem 20. Dieses umfasst das zuvor beschriebene Batteriemanagementsystem 1, an welches die Batterie 4 angeschlossen ist. Dabei ist das Ladegerät 21 Teil des Batteriesystems 20, wobei dieses über einen Steckverbinder mit seinen Ladekontakten mit dem ersten Lade- und Entladekontakt 3 und dem zweiten Lade- und Entladekontakt 7 des Batteriemanagementsystems 1 verbunden werden kann. Über das Ladegerät 21 wird eine Ladespannung bereitgestellt, um die Batterie 4 zu laden. Durch das Ladegerät 21 wird eine Spannung zwischen dessen Ladekontakte erfasst und ein fließender Ladestrom gemessen. Basierend auf diesen Werten kann ein Kurzschluss zwischen den Ladekontakten erkannt werden. Ein solcher Kurzschluss wird immer dann erkannt, wenn das Batteriemanagementsystem 1 sich in dem dritten Betriebszustand befindet, da in diesem die Lade- und Entladekontakte 3, 7 des Batteriemanagementsystems 1 über den zweiten Transistor 9 kurzgeschlossen sind. Es ist in diesem Fall also davon auszugehen, dass die Batterie 4 vor einem zu hohen Ladestrom geschützt werden muss. Daher wird von dem Ladegerät 21 in Reaktion auf das Vorliegen eines Kurzschlusses ein Ladevorgang der Batterie 4 unterbrochen.
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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.
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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.
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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.
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Die folgende Tabelle zeigt einen Überblick über die unterschiedlichen Betriebszustände:
| Betriebszustand | Erster Transistor (5) | Zweiter Transistor (9) |
| Normales Laden /Entladen | „AN“ | „AUS“ |
| Hoher Entladestrom | „AUS“ | „AUS“ |
| Hoher Ladestrom / Überladen | „AUS“ | „AN“ |
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Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 bis 5 verwiesen.
