Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Batteriemanagementsystem in einem Batteriesystem für eine Niederspannungsebene und insbesondere für eine 48V-Spannungsebene , das zur permanenten Überwachung von Strömen, Spannungen und Temperaturen innerhalb von miteinander parallel verschalteten Modulen des Batteriesystems vorgesehen ist , wie es u . a . in einem Hybrid- oder Elektro-Fahrzeug eingesetzt ist .

Aus dem Stand der Technik ist bekannt , dass j edes Batteriesystem mit einem Batteriemanagementsystem, kurz BMS , zur permanenten Überwachung von Strömen, Spannungen und Temperaturen innerhalb von Modulen des zugehörigen Batteriesystems und deren fortlaufenden Regelung versehen ist . Um eine Nutzung vergleichsweise preiswerterer Bauelemente zu ermöglichen, wird in der Regel eine 48V-Spannungsebene an Stromschienenanschlüssen der Module gewählt , um einen ausreichenden Abstand zu der 60V- Spannungsebene als Grenze zu einem Hochvolt-Bereich mit deutlich erhöhten Sicherheitsanforderungen und höheren Bauteilkosten etc . zu wahren . Derartige Batteriesysteme sind u . a . für Service- und Lief erf ahrzeuge in kommunalem Einsatz , autonome Kleinfahrzeuge z . B . in der Forst- und Landwirtschaft sowie bei kleineren Bau- und Arbeitsmaschinen oder auch für maritime Anwendungen vorteilhaft , weil sie neben einem gegenüber Hochvolt-Systemen reduzierten Aufwand hinsichtlich Sicherheitsmaßnahmen und elektrischer I solation geringere Anforderungen an Personal und Ausrüstung auch in Blick auf Service und Wartung stellen . In einem Leistungsbereich bis ca . 70kW bieten Niedervolt-Systeme gegenüber Hochvolt-Systemen Kosten- und Gewichtsvorteile , wobei allgemein verfügbare Haus- und Gewerbestromanschlüsse zum Laden nutzbar sind . Auf der 48V-Spannungsebene werden Batteriemanagementsysteme BMS so eingesetzt , dass die Zellspannungsabgri f fe und Temperatursensoren eines zugehörigen Batteriemoduls direkt in einem Zellüberwachungsschaltkreis als Teil eines Batteriemanagementsystems ausgewertet werden . Zusätzlich werden Schalteinheiten zum Zu- oder Abschalten des Batteriemoduls durch MOSFETs auf einer gemeinsamen Platine vorgesehen, auf der auch eine Strommess-Einrichtung integriert sein kann . So ist es bei einem Modul auf der 48V-Spannungsebene möglich, alle diej enigen Komponenten, die bei einem Hochvolt-Batteriesystem in einer Hoch- voltverteilerbox HVJB enthalten sind, funktional auf einer einzigen Platine zusammenzufassen . Damit können die Kosten eines Batteriemanagementsystems auf der 48V-Spannungsebene gegenüber anderen Strukturen stark reduziert werden .

Der fortschreitende Bedarf an immer größeren elektrischen Speicherkapazitäten führt nun dazu, dass mehrere Niederspannungs-Module miteinander zu immer umfangreicheren Batteriesystemen verschaltet werden . Mit einer klassischen aus dem Hochvolt-Bereich bekannten BMS-Architektur könnten so beispielsweise mehrere Module miteinander parallel zu einem Batteriesystem auf der 48V-Ebene mit entsprechend größerer elektrischer Kapazität verschaltet werden . Der beschriebene Stand der Technik zeigt j edoch bei der Parallelisierung der beschriebenen Teil-Systeme Nachteile . Bei einer hohen Anzahl von Teil- Systemen steigen insbesondere die Gesamtkosten für ein Batteriesystem im Wesentlichen linear mit der Anzahl von Teil-Systemen .

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe , ein verbessertes Batteriemanagementsystem in einem Niederspannungs-Batteriesystem zu schaf fen . Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst , dass in dem Niederspannungs-Batteriesystem als Einheit aus einer Parallelschaltung von Modulen nur ein übergeordnetes Batteriemanagementsystem BMS vorgesehen ist , das mit j e einem erweiterten Zellüberwachungsschaltkreis CSC j e Modul verbunden ist , wobei j eder Zellüberwachungsschaltkreis CSC hier zusätzlich mit einer Strommess-Einrichtung verbunden und zur Ansteuerung von Schaltern erweitert ausgebildet ist .

Der vorliegenden Erfindung liegt der Ansatz zugrunde , ein kostengünstiges und skalierbares Batteriemanagementsystem auf Basis einer Aufteilung von Aufgaben bekannter Batteriemanagementsysteme zu schaf fen . Es ist dabei insbesondere als ausreichend erkannt worden, einen Steuergeräte-Anteil eines herkömmlichen Batteriemanagementsystems innerhalb eines durch Parallelschaltung von Modulen in der Leistung skalierbaren Niederspannungs-Batteriemoduls nur einmal vorzusehen, wobei ein Messen und Schalten von Strömen auf Basis j edes Moduls sinnvoll ist . Vor einer Parallelschaltung der Module angeordnet treten vergleichsweise geringe Ströme auf , die durch preiswerte Schalter sicher geschaltet werden können . Auch eine Strommessung ist auf Modulbasis aus den gleichen Gründen sinnvoll . Außerdem können auf Modulebene so die zulässigen Ströme bei geringeren Stromstärken grundsätzlich zuverlässiger und genauer gemessen und in Folge dessen auch besser als bei einer Gesamtstrommessung der parallel verschalteten Module überwacht werden . Eine Verarbeitung von Messsignalen sowie eine Auslösung von Schaltsignalen ist auf Modulbasis durch einen funktional entsprechend erweiterten Zellüberwachungsschaltkreis CSC preiswerter realisierbar als durch ein in j edem Modul separat vorgesehenes und mit dem Zellüberwachungsschaltkreis CSC verbundenes Batteriemanagementsystem BMS . Erfindungsgemäß ist also ein Steuergeräte-Anteil aus j edem Modul in ein einziges Batteriemanagementsystem hin ausgelagert , das damit j edoch einen gegenüber herkömmlichen Batteriemanagementsystemen reduzierten und folglich auch preiswerteren Aufbau aufweist . Gegenüber bekannten Ansätzen zeichnet sich eine erfindungsgemäße Lösung dadurch aus , dass sie weniger platz- als auch kostenintensiv ist . Durch ein erfindungsgemäß auf gebautes Batteriemanagementsystem ist damit erreichbar, dass sich die Gesamtkosten für ein skalierbares Batteriesystem nicht weiter linear mit der Anzahl von Teil-Systemen steigert .

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche . Demnach ist für die geringeren Stromstärken innerhalb der Module als Schalter in erweiterten Zell- überwachungsschaltkreisen vorteilhafterweise j eweils ein Halbleiterschalter zum Ein- und Abschalten des betref fenden Moduls vorgesehen, insbesondere ein Schalter in Form eines MOSFET . Halbleiterschalter bauen in aller Regel sehr viel kleiner als mechanische Schalter, sind bei geringerem Stromverbrauch i . d . R . schneller und auch langlebiger . Auch besteht damit die Möglichkeit einer Integration der Schalter in den erweiterten Zellüberwachungsschaltkreis hinein als ein gemeinsames Halbleiterbauteil .

Darauf aufbauend ist in einer Weiterbildung ein funktional erweiterter Zellüberwachungsschaltkreis mit zwei Halbleiterschaltern und einem Strommessshunt-Widerstand als Einheit auf einer gemeinsamen Platine angeordnet , die j e Modul einmal vorzusehen ist . Damit ist der Zellüberwachungsschaltkreis neben einer Messung von Zellspannungen und Zelltemperaturen auch für eine Strommessung verantwortlich, sowie zum Ansteuern der Schalter ausgebildet . Der Zellüberwachungsschaltkreis ist demnach gegenüber bekannten Einrichtungen funktional erweitert bzw . intelligenter gemacht worden . Vorteilhafterweise sind Einrichtungen zur Überwachung der Zellüberwachungsschaltkreise aller parallel miteinander ver- schalteten Module und Ansteuerung der j eweiligen Schalter in Form eines Microcontrollers mit dem Batteriemanagementsystem auf einer gemeinsamen Platine angeordnet . Somit umfasst ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem auf der 48V-Span- nungsebene der Module mindestens zwei Platinen : Eine Platine ist mit einem Microcontroller und einer Software zur Realisierung einer funktionalen Sicherheit ausgebildet , die eine Überwachung und Steuerung von mindestens einem Slave übernimmt . Mindestens eine zweite Platine ist als Slave zum Zu- oder Abschalten eines Zweigstroms bzw . Stroms durch das betref fende mindestens eine Modul sowie zur Messung von Strom, Zellspannungen und Zelltemperaturen in Verbindung mit dem Zellüberwa- chungsschaltkreis ausgebildet und in dem betref fenden Modul angeordnet .

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine zweite Platine auf Modulebene über einen Bus mit der ersten Platine mit dem im Wesentlichen auf einen Steuergeräte-Anteil reduzierten Batteriemanagementsystem mit einem Mikrocontroller verbunden .

In einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung ist das Niederspannungs-BMS auf einer Platine bei galvanischer Trennung zweier einzelner AS ICs für die Auswertung der elektrischen Spannungen an bis zu 24 elementaren Speicherzellen sowie zu deren Überwachung und Regelung vorgesehen und zum Aus führen einer BMS-Software ausgebildet , durch die auch zwei Module mit j eweils 12 elementaren Speicherzellen in paralleler Verschaltung auslesbar sind .

Vorstehend ist damit eine prinzipiell frei skalierbare Architektur eines Batteriemanagementsystems beschrieben worden, die für das Parallelschalten mehrerer gleichartiger Systeme bzw . 48V-Module grundsätzlich nur eine Platine mit einem Microcontroller mit Software benötigt . Gegenüber einem Batteriesystem mit einem Microcontroller für j edes der parallel geschalteten Module ergibt sich hierdurch eine deutliche Einsparung an Material bzw . Hardware und auch nachfolgendem Aufwand, wie z . B . Überprüfung und ggf . Updates einer Software für das Batteriemanagementsystem .

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile einer erfindungsgemäßen Aus führungs form unter Bezugnahme auf Aus führungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert . Darin zeigen in schematischer Darstellung :

Figur 1 : ein Blockdiagramm eines Batteriesystems mit einem Aus führungsbeispiel eines Batteriemanagementsystems ;

Figur 2 : ein Blockdiagramm eines besonderen Aus führungsbeispiels eines Batteriesystems und

Figur 3 : ein Blockdiagramm eines Batteriesystems nach dem Stand der Technik in einer Darstellung gemäß Figur 1 .

Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugs zeichen verwendet . Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz von Aus führungsbeispielen der Erfindung unter Verwendung für Rundzellen-Batteriemodule vor dem Hintergrund eines Einsatzes in einem elektrisch angetriebenen Land- Fahrzeug dargestellt und beschrieben . Es ist aber für den Fachmann of fensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung auf Mischformen, wie z . B . Hybrid- Fahrzeuge , wie auch auf elektrisch angetriebene Flugzeuge oder Schi f fe , andererseits auch auf stationäre Einsätze zur Stromversorgung möglich ist . Als Niederspannungsebene wird im Weiteren ohne Beschränkung nur eine 48V-Ebene betrachtet .

Figur 3 stellt ein Blockdiagramm eines aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannten Batteriesystems 1 dar . Das Batteriesystem 1 ist für eine 48 V-Niederspannungsebene ausgelegt und umfasst in dem dargestellten Beispiel fall eine aus drei identisch aufgebauten Modulen 2 durch eine Parallelschaltung von Stromschienen 3 gebildete Einheit . Im Innern bestehen die Module 2 hier j eweils in nicht weiter zeichnerisch dargestellter Weise aus 576 miteinander seriell und/oder parallel ver- schalteten elementaren zylindrischen Speicherzellen, bei der j e 12 miteinander seriell verschaltete Zellverbunde vorgesehen sind, bei denen j eder Zellverbund aus 48 parallel verschalte- ten Speicherzellen besteht . Damit ergibt sich also eine 12 s48p-Verschaltung zur Lieferung einer 48V-Spannung an nach außen hin verlaufenden Stromschienen 3 . Jedes Rundzellenmodul 2 hat ein eigenes Batteriemanagementsystem BMS und einen eigenen Zellüberwachungsschaltkreis CSC, so dass eine Überwachung einer j eweiligen Zellspannung und Temperatur der Speicherzellen über den Zellüberwachungsschaltkreis CSC erfolgen kann . Aufgrund einer direkten Kopplung mit dem Batteriemanagementsystem BMS kann der Zellüberwachungsschaltkreis CSC auch als interner Teil des Batteriemanagementsystems BMS ausgeführt sein . Zudem verfügt das Batteriemanagementsystem BMS auf der 48 V-Spannungsebene über Halbleiterschalter in Form von MOS- FETs zum Schalten eines Teilstroms i durch das Modul 2 und zur Messung einer Größe dieses Teilstrom i über einen eigenen Strommessshunt-Widerstand für das betref fende Modul 2 als Pa- rallel-Ast innerhalb des Batteriesystems 1 . Durch reine Addition der Teilströme i j e Modul 2 ergibt sich ein Gesamtstrom I des Batteriesystems 1 zu 3* i . In der in Figur 3 angedeuteten Weise können mehrere baugleiche Einheiten des vorstehend beschriebenen Moduls 2 miteinander parallelgeschaltet werden, hier sind es drei Module 2 . Die einzelnen Batteriemanagementsysteme BMS der Module 2 werden über einen Datenbus 4 in Form eines isoSPI-Bussystems in einer Master-Slave-Schaltung miteinander verbunden . Aus einem der Batteriemanagementsysteme BMS als Master bildet dann ein Bus 5 , hier in Form eines CAN-Busses , eine Daten- und Kontrollverbindung zu einem übergeordneten Fahrzeug-Kontrollsystem VCU .

Ein fortschreitender Bedarf an immer größeren elektrischen Speicherkapazitäten führt auch bei Niedervolt-Anwendungen nun dazu, dass mehrere Batterie-Module 2 miteinander zu immer umfangreicheren Batteriesystemen 1 verschaltet werden . Wie anhand der vorstehenden Darstellung und Beschreibung zu Figur 3 erkennbar steigen die Gesamtkosten für ein Batteriesystem 1 mit parallel miteinander verbundenen Modulen 2 im Wesentlichen linear mit der Anzahl von Teil-Systemen bzw . Modulen 2 . Figur 1 stellt ein Aus führungsbeispiel eines verbesserten Batteriemanagementsystems in einem Batteriesystem 1 als Lösung mit Einsparungspotential insbesondere bei umfangreichen Parallelschaltungen dar . Hier ist in einem Batteriesystemen 1 mit einer Parallelschaltung von drei Modulen 2 nur ein übergeordnetes und auf diese Niedervolt-Anwendung konzipiertes Batteriemanagementsystem NV-BMS- vorgesehen . Das Batteriemanagementsystem NV-BMS- ist mit j e einem erweiterten Zellüberwa- chungsschaltkreis CSC+ j e Modul 2 verbunden . Jeder Zellüberwa- chungsschaltkreis CSC+ ist gegenüber einem bekannten Zellüber- wachungsschaltkreis CSC, der nur Sensoren und Signalauswertungen für eine Zellspannungs- und Temperaturüberwachung umfasst , mit einer Strommess-Einrichtung in Form eines Strommessshunt- Widerstands zum Bestimmen der Größe eines Teilstroms i durch das betref fende Modul 2 verbunden und zur Ansteuerung von Halbleiter-Schaltern zum Ein- und Abschalten eines Flusses dieses Teilstroms i erweitert ausgebildet .

Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen sichern ein Batteriesystem 1 mit mehreren Modulen 2 durch ein einziges modi fi ziertes Batteriemanagementsystem NV-BMS- ab, das hier als reines Steuergerät auf eine Sicherheitsüberwachung von Zellspannungen, Teilströmen i und Zell-Temperaturen reduziert ist , wobei diese Überwachung für alle angeschlossenen Module 2 über einen isoSPI-Bus 4 wahrgenommen wird . Das Batteriemanagementsystem NV-BMS- umfasst auf einer ersten separaten Platine im Wesentlichen nur einen Mikroprozessor . Diese Platine ist j e Modul 2 mit einem erweiterten Zellüberwachungsschaltkreis CSC+ als einer zweiten Platine zum Datenaustausch verbunden . Auch bei n miteinander parallel verschalteten Modulen 2 ist in einem Batteriesystem 1 damit statt n Mikroprozessoren nur ein Batteriemanagementsystem BMS mit einem einzigen Mikroprozessor und einer entsprechenden Software für die Überwachungsaufgaben vorgesehen . Bei prinzipiell freier Skalierbarkeit eines Batteriesystems 1 ist in einer Schaltung gemäß Figur 1 ein schaltungstechnischer Aufwand, wie auch ein Aufwand einer Software- Wartung damit in diesem Aus führungsbeispiel deutlich gegenüber einem bekannten Ansatz gemäß Figur 3 reduziert worden .

Die Abbildung von Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm eines besonderen Aus führungsbeispiels eines Niedervolt-Batteriesystems 1 , bei dem auf eine bereits vorhandene Baugruppe eines Batteriemanagementsystems zurückgegri f fen wird . Diese Baugruppe zeichnet sich als eine Platine durch eine galvanische Trennung zweier einzelner AS ICs Al , A2 für die Auswertung der Zellspannungen sowie eine BMS-Software aus , die bei einem 48V- bzw . NV-BMS auch zwei Module 2 mit j eweils 12 Zellen auslesen kann, wenn diese Module 2 parallel verschaltet sind . Dadurch können mit diesem NV-BMS- auf einer Platine mit den zugehörigen Zell- Überwachungsschaltkreisen CSC+ zwei Batteriemodule 2 parallel verschaltet in einem einzigen Batteriemanagementsystem überwacht werden . So lassen sich größere Systeme mit höherer Kapazität bei geringeren Hardwarekosten durch Einsparung von Hardware in Form eines kompletten zweiten 48V- bzw . Niedervolt- Batteriemanagementsystems erreichen . Unter Anpassung einer Software dieses Batteriemanagementsystems ist auswählbar, ob 24 elementare Zellen entweder in einem Modul 2 seriell , oder auf zwei Module 2 aufgeteilt bei paralleler Verschaltung zum Einsatz kommen, wie durch die Pfeile der AS ICs Al , A2 in Figur 2 angedeutet . Die Hardware-Kosten eines Niedervolt-Batteriesystems nach Figur 2 sind gegenüber einem gemäß Figur 3 deutlich gesenkt .

Bezugs z ei chenl i s te

1 Batteriesystem

2 Rundzellenmodul / Modul

3 Stromschiene

4 Bus / isoSPI

5 Bus / CAN

Al , A2 Anwendungsspezi fische Integrierte Schaltkreise (AS IC )

BMS Batterie-Management-System

CSC Zellüberwachungsschaltkreis

CSC+ funktional erweiterter Zellüberwachungsschaltkreis i Teilstrom j e Modul 2

I Gesamtstrom des Batteriesystems 1

NV-BMS- funktional reduziertes Niedervolt-Batteriemanagementsystem

VCU zentrale Fahrzeugsteuerung