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DE102011115908A1 - Schaltungsordnung und Verfahren für Zellenmanagement in einer mobilen Anwendung - Google Patents

Schaltungsordnung und Verfahren für Zellenmanagement in einer mobilen Anwendung Download PDF

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DE102011115908A1
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Germany
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bms
battery
circuit arrangement
battery pack
arrangement according
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English (en)
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Sven Bauer
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BMZ BATTERIEN-MONTAGE-ZENTRUM GmbH
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BMZ BATTERIEN MONTAGE ZENTRUM GmbH
BMZ BATTERIEN-MONTAGE-ZENTRUM GmbH
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Publication date
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Abstract

Schaltungsanordnung und Verfahren für ein Batteriemanagementsystem (BMS) eines Energiespeichers in einer mobilen Anwendung, vorzugsweise für ein Elektrofahrrad, wobei das BMS passiv den Akkupack überwacht und Meldezustände an Komponenten innerhalb des Antriebsystems weitergibt, die dann aktiv weiterverarbeitet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Ansteuern von Zellen eines Energiespeichers in Verbindung mit Verbrauchern und Steuergeräten. Schaltungsanordnungen dieser Art werden im Folgenden auch Batteriemanagement – BMS – genannt.
  • Akkupacks, insbesondere mit Lithiumanteil, müssen in mobilen Anwendungen eigensicher sein, da sonst bei Unfällen, Beschädigungen oder Funktionsfehlern abbrennen oder explodieren können. Aus diesem Grund ist jedem Akkupack ein aktives BMS zugeordnet, welches sicherheitsrelevante Zustände überwacht und bei Bedarf notwendige Maßnahmen zur Absicherung des Akkupacks schaltet.
  • Hierzu ist das BMS in der Regel mit einem Prozessor und Software ausgestattet, außerdem sind einige aktive Elemente innerhalb des Akkus an das BMS angeliedert wie Schalter, FET's die auf der Platine untergebracht sind.
  • Dazu werden dazu sämtliche Ströme über die Elektronik des BMS und die vorgenannten Schalteinrichtungen geführt, und bei Bedarf in einen sicheren Zustand geschaltet.
  • Es ist Aufgabe dieser Erfindung das BMS und die Beschaltung am Akkupack zu vereinfachen, kostengünstig zu reduzieren, gleichzeitig aber die Sicherheit zu erhöhen.
  • Bisher war es nicht möglich Akkus in mobilen Anwendungen, für Elektrofahrräder mit einem passiven Batteriemanagementsystem – „passiven BMS” – zu versehen, weil die Zellen für sich jeweils nicht eigensicher sind. Viele Zellen eines solchen Akkupacks sind in Serie und/oder parallel geschaltet und bei direktem Herausführen der Powerleitungen/Anschlüsse sind die Zulassungen wie UL, UN, EN Normen nicht erfüllbar. Dies gilt z. B. speziell die Tests zu Überladung, Kurzschluss, sowie erzwungene Entladung. Daher sind bis heute aktive Schaltungskomponenten am Akkupack in Verbindung mit einem aktiven BMS notwendig, die den Akku oder einzelne Zellen von der restlichen Schaltung trennen oder in einen sicheren Zustand schalten können.
  • Das gilt insbesondere auch im Zusammenwirken mit den Ladegeräten.
  • Ladegeräte sind geregelte Netzteile, deren Aufgabe es ist, chemische Energiespeicher nach definierten Ladekennlinien zu laden. Sie wandeln Wechselspannungen in geeignete Gleichspannungen bzw. -ströme um. Übliche Ladegeräte laden einen Akkupack, bestehend aus vielen Einzelzellen als Einheit, d. h. es wird ein Ladegerät benötigt, welches auf die Gesamtspannung optimiert ist. Dadurch wird jede Zelle im Akkupack mit dem gleichen Strom geladen und erhält somit die gleiche Ladung. Herstellungs- und Alterungsbedingte Kapazitätsschwankungen der Zellen führen dazu, dass die Zellen mit der geringsten Kapazität bereits ihre Ladeschlussspannung erreichen während anderen Zellen noch Energie zugeführt wird. Deshalb läd und überwacht ein modernes BMS in Verbindung stehend mit dem Lader jede Zelle einzeln entsprechend aktuellem Ladezustand, verbleibender Restkapazität oder Temperatur.
  • Aber auch während dem Betrieb, bei Anschluss am Antrieb/Motor überwacht, schaltet und regelt das BMS, überwacht Temperaturen des Packs, der Zellen, detektiert ob unzulässige Spannungen oder Ströme auftreten. Hierfür sind bisher alle Packs in mobilen Anwendungen oder im Elektro-Fahrradbereich mit einer aktiven BMS-Schaltung versehen. Es wird hierbei zum Beispiel bei Überspannung, Unterspannung und Kurzschluss das Akkupack vom BMS aktiv ab- oder eingeschaltet.
  • Dies geschieht mittels Sensoren oder Abfrage der Spannungen und Ströme in Verbindung einer Software die im Microprozessor des BMS installiert ist, wobei der Prozessor auf dem PCB (Protection Circuit Board) untergebracht ist und mit den Schaltelementen an/oder innerhalb des Akkupacks verbunden ist. Da alle Ladeströme und Entladeströme werden dabei über die zentrale BMS-Platine geführt und mit den vorgenannten Schaltungselementen, z. B. FET's geschalt. Hierbei muss jedoch das gesamte BMS für die Maximal-Leistungen ausgelegt sein. Je nachdem wie hoch die Ströme des Antriebs, Motors sind, benötigt man hierzu auf der BMS Platine sehr breite Kupfer-Leiterbahmen mit großen Querschnitten um die Ströme ohne Verluste oder zu große Erwärmung führen zu können und Schaltungselemente, z. B. FET's mit geringen Innenwiderständen.
  • Nur durch diese aufwendige und sehr teuren aktiven BMS Schaltungen ist die geforderte Eigen-Sicherheit eines Akkupacks realisierbar.
  • Nur so können als Akkupack hochkapazitive Lithium-Ionen Zellen verwendet werden, damit bei Überladung, Kurzschluss oder Tiefentladung frühzeitig die Gefahr von Explosion oder Feuer durch entsprechende Trennung/Abschaltung unterbunden werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird nun hier eine passive Lösung vorgestellt, die mit weniger Aufwand, bzw. teilweise ohne die oben genannten teuren Komponenten und Ausführungen direkt am Akkupack auskommt. Von besonderen Vorteil ist hierbei, daß die Lade- und Entladeströme nicht mehr direkt über das BMS/die Platine des PCB geführt werden müssen.
  • Hierzu werden einzelne stromleitenden Verbindungen direkt von den Zellen in Serie und parallel aus dem Akkupack herausgeführt und nicht mehr über das BMS, die Platine des PCB geführt.
  • Das BMS ist des weiteren nicht mehr aktiv tätig, sondern ist passiv ausgeführt und kommuniziert über eine Schnittstelle mit dem Motor oder dem Ladegerät.
  • Dabei werden vom BMS nur noch vereinfachte Informationen detektiert und weitergegeben, und nicht mehr selbst direkt ausgeführt. So wir z. B. ein Befehl vom BMS über die Kommunikationsschnittstelle an das übergeordnete System, die Verbraucher-Steuerung ausgegeben, wenn eine kritische Unterspannung im Akku erreicht wird. Dieser Befehl wird gegeben und sichert in Folge sichert ab, daß der Motor bei Unterspannung abschaltet, eine Tiefentladung des Akkus wird verhindert.
  • Ebenso wird ein Befehl ausgegeben wenn der Akku am Ladegerät geladen wird, und eine Überspannung erreicht wird. Der Befehl löst z. B. eine Abschaltung des Ladegerät aus.
  • Hierzu wird jedoch nur passiv das Signal an eine andere Steuerung ausgegeben. Die empfangende Steuerung löst dann wiederum aktiv die Abschaltung aus.
  • Die Schaltkomponente ist hierbei nicht mehr am/oder im Akku unbedingt integriert, sondern es wird an einer anderen Stelle im Gesamtsystem eine elektrische Trennung des Stromkreises vorgenommen.
  • Je noch Fehler oder Zustand kann z. B. eine Sicherung am Akkupack, oder aber auch ein Schalter z. B. am Antrieb, Motor oder an der Motorsteuerung ausgelöst werden.
  • Es werden hierbei u. a. Komponenten verwendet die sowieso schon dort, z. B. innerhalb der Motorsteuerung vorhanden sind, vorhanden sein müssen.
  • Hierfür werden also einzelne Zustände durch das BMS erkannt, und vereifachte Befehle über das passive BMS erstellt und übermittelt. Da die Schaltvorgänge selbst nicht mehr innerhalb des Akkus durch das BMS umgesetzt werden, sondern extern z. B. im Motormanagement oder Ladegerätemanagement, kann das BMS am Akkupack wesentlich vereinfacht ausgeführt werden.
  • Der Prozessor kann hartverdrahtet – ohne Software verinfacht ausgeführt werden. Es ist dann in einer solchen Ausführung desweiteren störunanfälliger.
  • Die Leiterbahnen können reduziert werden, es wird Kupfer eingespart.
  • Sicherheitstelevante Aspekte wie Kurzschluss werden hierbei mit einer Schmelzsicherung in der Powerleitung (stromführenden Leitung) innerhalb des Akkupacks abgesichert, desweiteren sind die Kontakte optional durch Berührungsschutz gekennzeichnet, bzw. nach innen in den Pack versetzt angeordnet.
  • Bei einer weiteren Ausführung dieser Erfindung in Zusammenspiel mit dem passiven BMS ist eine Sicherung innerhalb des Akkupacks in einer der Anschluss-/Powerleitungen von Plus oder Minus, die vom passiven BMS angesteuert wird integriert. Diese Sicherung ist jedoch nicht als Schalter/FET ausgeführt, sondern sie ist als eine vereinfachte ansteuerbare Sicherung ausgeführt. Sie wird nicht nur bei zu hohen Strömen oder zu hohen Temperaturen vom Laststrom direkt selbst abgeschmolzen, sondern ist auch vom passiven BMS aus ansteuerbar und auslösbar bei Unterspannung, Überspannung und Kurzschluss. Bei allen kritischen Fehlern wird die Sicherung dann mit einem kleinen Strom beaufschlagt und hierauf wird die Sicherung abgeschmolzen bzw. zum Auslösen gebracht.
  • Für die Kommunikation mit den aktiven Schaltungsteilen eines Elektroantriebskonzepts oder einer übergeordneten Systemsteuerung (z. B. Motormanagement oder Ladegerätmanagement) sind parallel zu den Plus/Minus Kontakten des Akkupacks (Powerleitungen) einmal die Kommunikationsschnittstelle installiert, die mit einem oder zwei oder mehreren Kontakten heraus geführt wird und zusätzlich ist als redundante Abschaltung (Alarm Kontakt) einen Alarmpin herausgeführt.
  • Der Alarm Kontakt ist hierbei optional auch für die Unterbrechung des Temperatursensors der bei Laden und Entladen des Akkupacks verwendet wird nutzbar.
  • Der Pin kann deshalb auch als Temperaturüberwachungs- oder NTC Kontakt (Temperatursensor) bezeichnet werden.
  • Es gibt insgesamt verschiedenste Abschaltzustände/-werte bei denen das passive BMS ohne aufwendige Komponenten tätig wird, sondern ohne Microprozessorsteuerung einfach bei bestimmten hinterlegten Schwellen/Zuständen Komponenten im gesamten Strang zu bestimmten Zustandsänderungen anregt, insbesondere wenn es um sicherheitsrelevante Zustände geht.
  • Ein Beispiel hierzu wäre eine Fehlerbehebung bei Überspannung:
    Überspannung wird im normalen Zustand vom Ladegerät überwacht und entsprechend behandelt. Sollte das Ladegerät diesbezüglich eine Fehlfunktion haben, wird dies vom BMS erkannt und an den Lader kommuniziert. Falls auch diese Kommunikation nicht funktioniert, unterbricht das vereinfachte BMS den Alarmpin (Signal für den Lader als Alarm). Sollte die Meldung über den Alarmpin auch nicht funktionieren, schmilzt das BMS die Schmelzsicherung durch.
  • Schaltwerte für solch eine gestufte, eskalierende Fehlerabarbeitung wären z. B.
    Ladegerät Abschaltung bei 4,2 V/Zelle
    Alarmpin bei 4,35 V/Zelle
    Schmelzsicherung bei 4,5 V/Zelle
  • Ein weiteres Beispiel hierzu wäre eine Fehlerbehebung bei Unterspannung:
    Sollte das passive BMS eine Unterspannung detektieren, wird dies an den Motor, die Motorsteuerung kommuniziert. Die Abschaltung wird dann dort vor dem Motor mittels des dort serienmäßigen verbauten Leistungsschalters vorgenommen. Der sonst extra im Akkupack verbaute Leistungsschalter kann so eingespart werden.
  • Sollte der Leistungsschalter am Motor aus anderen Gründen nicht auslösen/trennen (z. B. Fehler im Kommunikationspfad), wird vom BMS der Alarmpin gesetzt, bzw. unterbrochen, welches also als die gestufte Rückfalllösung einer zweiten Abschaltung zu betrachten ist. Sollte auch dieser Alarmpin nicht zu einer Abschaltung führen, wird vom BMS als letzte Rückfalllösung, Stufe die Schmelzsicherung abgesteuert, ausgelöst.
  • Das BMS kann hierbei mittels eines Microprozessors oder einer hartverdrahteten Schaltungslogik gesteuert werden, welche den Vorteil hat auch gegen EMV Störungen unempfindlicher zu sein. Sie wiedersteht auch erhöhte Anforderungen an EMV-Burst Tests.
  • Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist in der Figuren schematisch dargestellt und im Folgenden erläutert. Es zeigt:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines Elektrofahrrads
  • 2 eine Prinzipskizze zur Schaltung des BMS am Akkupack für ein solches Elektrofahrrad, im wesentlichen bestehend aus Bediensockel (8) mit mobilem Interface (2), Akkupack (2) und Antriebseinheit (3), bestehend aus Motor und Motorsteuerung.
  • Die übergeordnete Systemsteuerung kann hierbei an die Motorsteuerung angegliedert sein, oder am/im Bediensockel (1, 8) oder im mobilen Interface/PDA/mobilen abnehmbaren Computerteil welches in den Sockel (1) einsteckbar ist.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Schaltung des BMS für ein solches Elektrofahrrad im Zusammenspiel mit den Komponenten eines elektrischen Antriebs.
  • Akkupack (2) und Antriebseinheit (3), bestehend aus Motorsteuerung (4), Leistungsschalter und Motor (5) welcher ein Antriebszahnrad (6) mittels Verzahnung antreiben kann. Der Akku (2) enthält hierbei ein Anzahl von Zellen (10), wobei das BMS (11) mittels Stichleitungen (11a) elektrisch auf jede Zelle einzeln zugreifen kann, und wobei die Powerleitungen (22, 23) welche den Zellenverbund elektrisch jeweils vorne und hinten abgreifen direkt von der Zellen (10) aus dem Akkupack zu Anschlusskontakten (30) herausgeführt werden, ohne über das BMS oder die BMS-Platine geleitet zu werden.
  • Das BMS (11) kann über eine Leitung (20) auf eine Sicherung oder einen Schalter (21) zugreifen, welche hierbei z. B. auch erfindungsgemäß als anregbare Schmelzsicherung ausgeführt ist.
  • Das BMS (11) und die Motorsteuerung (4) sowie der Bediensockel (1) sind hierbei über Kommunikationsleitungen (14, 15) verbunden.
  • In den Bediensockel (1) integriert ist eine Anzeige und Schaltelemente, wie ein Drehfahrschaltgriff (8) oder eine Anzeige (9) welche als Touchscreen, berührungsempfindlicher Bildschirm oder als einsteckbarer PDA, Minicomputer ausgeführt sein kann.
  • In einem detektierten Fehlerfall kann das BMS (11) entweder auf die Schmelzsicherung (21) zugreifen oder über die Kommunikationsleitungen auf eine übergeordnete Systemkomponenten, wie beispielsweise die Steuerung im Bediensockel (1) oder in der Motorsteuerung (4) welche wiederum externe Leistungsschalter, z. B. am Motor einen Leistungsschalter (7) auslösen.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Schaltung des BMS (11) am Akkupack einsteckbar/vor einer Ladestation (13). Hierbei kann über die Kommunikationsleitungen/schnittstelle (12) auch die im Akkupack (2) ermittelte Temperatur über einen Temperatursensor (28, NTC) an die Steuerung des Ladegeräts (13) übermittelt werden.

Claims (10)

  1. Schaltungsanordnung und Verfahren für Zellenmanagement eines Energiespeichers in einer mobilen Anwendung zum Überwachen und Behandeln von unterschiedlichen Zuständen des Energiespeichers (2), dadurch gekennzeichnet, dass das dem Akkupack zugeordnete Batteriemanagentsystem (BMS, 11) an einzelnen Knotenpunkten Spannungen, Ströme und Temperaturen überwacht, und die Information hierüber mit im BMS hinterlegten Schwellwerten vergleicht und bei Über- oder Unterschreitung dieser Schwellwerte Informationen an andere Komponenten innerhalb des elektrischen Antriebs über zumindest eine Kommunikationsleitung übermittelt, und wobei die Plus/Minus Kontakte, Powerleitungen des Akkupacks (22, 23) direkt aus dem Akkupack herausgeführt werden.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das BMS (11) als Knotenpunkte Spannungen und Ströme zwischen den einzelnen Zellen und/oder an den Enden des Akkupacks das maximale Spannungspotential abgreift.
  3. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das BMS (11) zumindest eine Temperatur über einen integrierten Temperatursensor oder an einem Sensor zwischen den einzelnen Zellen, innerhalb des Akkupacks abgreift.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an das BMS (11) über eine Kommunikationsschnittstelle oder über eine Kommunikationsleitung andere Komponente innerhalb des elektrischen Antriebsstrangs angekoppelt sind, welche wiederum mit Schalt- oder Regelelementen verbunden sind, und wobei bei Detektierung eines bestimmten Zustands, einer bestimmten Temperatur oder eine bestimmten Spannung oder bei Über- oder Unterschreitung einer bestimmten Spannung das BMS über eine Kommunikationsschnittstelle oder über eine Kommunikationsleitung einen Befehl zumindest eine andere Komponente innerhalb des elektrischen Antriebsstrangs abgibt, welche daraufhin eine angegliedertes Schalt- oder Regelelemente aktiviert.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das BMS (11) bei Detektierung eines bestimmten Zustands, einer bestimmten Temperatur oder eine bestimmten Spannung oder bei Über oder Unterschreitung einer bestimmten Spannung über eine Kommunikationsschnittstelle oder über eine Kommunikationsleitung einen Befehl an einer andere Komponente innerhalb des elektrischen Antriebsstrangs abgibt und wobei zeitgleich oder zeitversetzt eine Meldung über den Bediensockel oder eine dort integrierte Anzeige angezeigt wird.
  6. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das BMS (11) in eine Elektrofahrrad integriert ist und bei Unterspannung über die Kommunikationsschnittstelle am Antrieb/über die Motorsteuerung (3, 4) einen Leistungsschalter auslöst.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im BMS (11) mehrere Schaltstufen eines eskalierenden Fehlerpfads hinterlegt sind, und das bei Detektierung eines Zustands wie Überspannung, Unterspannung, Kurzschluss oder Übertemperatur innerhalb des Akkupacks zunächst ein Befehl oder ein Wert über die Kommunikationsleitungen an eine andere übergeordnete Steuerung abgegeben wird, und bei Erreichen eines nächsten Stufenwerts ein weiterer Befehl abgegeben wird, oder innerhalb des Akkupacks eine Schmelzsicherung auslöst wird.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das BMS (11) in einem Akku für Elektrofahrrad integriert ist und bei Laden an einem Ladegerät und bei auftretender Überspannung über die Kommunikationsschnittstelle im Lader (13) einen Leistungsschalter im Lader oder im Akkupack auslösen läßt und/oder die Daten bezüglich Ladezyklen, Ladezeit, Temperatur, Überspannung oder Unterspannung über die Zeit im BMS aufgezeichnet werden und über die Kommunikationsschnittstelle durch das Ledegerät oder einen Computer oder einen PDA ausgelesen werden können und/oder an einen Webserver übermittelt werden und dort mit einer für den Akku hinterlegten Kennung abgespeichert werden, wobei die Akku-Kennung außen auf dem Akku alphanumerisch oder als Dot-Matrix-Code oder als QR-Matrix-Code aufgebracht ist.
  9. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das BMS (11) bei auftretender Unterspannung oder Unterschreitung einer Kapazitätsgrenze über die Kommunikationsschnittstelle eine Meldung an ein ansteckbares mobiles Interface abgibt, und dieses hierauf die Position über GPS ermittelt und aus einer Datenbank zumindest eine nächste Ladestelle am Display oder Tonausgang meldet, oder daß nach Auslösung der Schmelzsicherung eine Warnmeldung in Form einer optischen Anzeige, eines Warntons oder in Form Sprachausgabe einer aufgezeichneten Datei ausgegeben wird.
  10. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das BMS (11) unter Zuhilfenahme von externen Steuer- oder Sensorelementen über die Kommunikationsschnittstelle den Spannungsabfall den Zustand der Akkupowerkontake ermittelt, auswertet und gegebenenfalls bei Detektierung einer kritischen Größe oder nach Auswertung der. Werte Spannung oder Widerstand über die Zeit eine Korrosion oder einen nicht richtig eingesteckten Zustand des Akkus oder beschädigte Kontaktelemente erkennt und dies an die übergeordnete Steuerung meldet oder an dem Bediensockel über angeschlossene Anzeigen ausgibt.
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