Tym razem przedmiotem analizy patentowej jest MBS – Battery Management System, który dał plamę w mojej wiertarce akumulatorowej Worcraft, po krótki czasie bezczynności. Jakie było moje zdziwienie gdy chciałem użyć w/w wiertarki, a tu okazało się, że za długo leżała bezczynnie i baterie Li-Ion ( Litowo-jonowe ) się rozładowały do stanu który uniemożliwiał powtórne naładowanie. Konsultacje z serwisem uświadomiły mi, że winny jest system BMS, który blokuje proces ładowania w/w baterii. Rozwiązaniem jest wymiana baterii na nowe ale żal wyrzucać starych, które w zasadzie są sprawne ale elektronika blokuje ich ładowanie. Niestety takie są koszty postępu, który wymusza wymianę baterii na nowe, jeżeli użytkownik za długo ich nie używał.

EP/PL2092627 System zarządzania baterią, Lithium Balance A/S, IVAN LONCAREVIC, Data patentu: 30.10.2028. Wynalazek dotyczy systemów i sposobów do sterowania ładowaniem i rozładowywaniem ogniw bateryjnych, takich jak na przykład ogniwa litowo-jonowe. Technologia baterii litowo-jonowych potrzebuje ścisłych kryteriów ładowania i rozładowywania. Wymagana jest tutaj ochrona i detekcja nieprawidłowych warunków pracy, co skutkowało opracowaniem systemu BMS (System Zarządzania Baterią) w celu spełnienia tych wymagań. Stąd celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie systemu zarządzania baterią (BMS), który zapewnia optymalne warunki ładowania i rozładowywania dla każdego z indywidualnych ogniw litowych i chroni ogniwa litowe przed wszelkimi szkodliwymi warunkami takimi, jak na przykład przeciążenie  i/lub  zwarcie.
Opracowany system BMS zawiera centralny mikrokontroler sterujący i wiele układów sterujących połączonych z odpowiednim ogniwem bateryjnym i służących do indywidualnego monitorowania ładowania indywidualnego odpowiedniego ogniwa bateryjnego, a w czasie osiągnięcia stanu maksymalnego naładowania utworzenia bocznika na indywidualnym ogniwie bateryjnym w celu umożliwienia ciągłego ładowania pozostałych ogniw bateryjnych i w tym samym czasie komunikowania do centralnego mikrokontrolera sterującego wiadomości informacyjnej, że osiągnięto stan maksymalnego naładowania, a także służących w trakcie rozładowywania baterii do monitorowania stanu indywidualnego odpowiedniego ogniwa bateryjnego i do informowania centralnego mikrokontrolera sterującego w przypadku osiągnięcia stanu minimalnego naładowania, w celu spowodowania, aby centralny mikrokontroler sterujący odłączył baterię od obciążenia w celu zapobiegania nadmiernemu rozładowaniu indywidualnych ogniw bateryjnych.

Według przykładu wykonania wynalazku wspomniany system BMS zawiera sensory temperatury służące do nieustannego monitorowania temperatury w urządzeniu, środki do wyłączenia ładowania/rozładowywania w przypadku przeciążenia/zwarcia, monitorowania prądu za pośrednictwem bocznikującego rezystora, bezpiecznikową ochronę urządzenia w przypadku przeciążenia/zwarcia, zasilanie dla jednostki sterującej i wskaźnik rozładowania.
W celu zapewnienia najwyższej wydajność baterii oraz maksymalne bezpieczeństwo w trakcie ładowania i rozładowywania stosowana jest następująca logika działania:
-w trakcie ładowania wspomnianych ogniw: – etap regulowania napięcia/prądu co do stanu ogniwa w celu uzyskania optymalnej wydajności ładowania i ominięcia jednego lub więcej indywidualnych ogniwa w celu umożliwienia nieustannego ładowania pozostałych ogniw, kiedy wspomniane jedno lub więcej indywidualnych ogniw osiągnęło górne napięcie;
– w trakcie rozładowywania wspomnianych ogniw – napięcie każdego indywidualnego ogniwa jest monitorowane, aż do osiągnięcia minimalnej wartości w jednym lub większej liczbie z indywidualnych ogniw, w którym to czasie wszystkie ogniwa są wyłączone w celu zapobieżenia zniszczenia litowo-jonowego ogniwa, które osiągnęło minimalny poziom napięcia, przez nieustanne rozładowywanie;
Ponadto przedstawiony system zarządzania baterią (BMS) charakteryzuje się o modułową konstrukcją, co oznacza , że system może być przystosowany do różnych liczb i fizycznego umiejscowienia ogniw wielokrotnego ładowania. W modułowym systemie według wynalazku układy/funkcje wspólne dla wszystkich ogniw są więc usytuowane centralnie, na przykład na pojedynczej płycie drukowanej PCB lub inaczej, natomiast indywidualne ogniwa mogą być zaopatrzone w odpowiednie systemy sterowania zawierające środki równoważenia ogniw i/lub podrzędne środki sensorowe, przy czym indywidualne systemy sterowania są albo takiego typu, który jest wspólny dla wszystkich ogniw w systemie albo są indywidualnie dostosowane do każdego indywidualnego ogniwa. Systemy sterowania w indywidualnych ogniwach mogą komunikować się z centralnymi układami systemu za pośrednictwem połączeń przewodowych, na przykład analogowego połączenia lub cyfrowej magistrali komunikacyjnej w zależności od konkretnej implementacji systemu. Może być jednakże, alternatywnie, możliwe, zastosowanie komunikacji pomiędzy systemami sterowania indywidualnych ogniw a centralnymi częściami  systemu za pośrednictwem bezprzewodowych środków komunikacji, a stąd jeszcze większej elastyczności całego zestawu.

Fig.1 przedstawia schematyczny schemat blokowy pierwszej postaci wykonania systemu BMS (System zarządzania baterią) według niniejszego wynalazku,
Fig.2 przedstawia schematyczny widok ilustrujący ładowanie 14 ogniwowej baterii litowo-jonowej przy użyciu systemu BMS z Fig.1,
Fig.3 przedstawia schematyczny widok podobny do widoku z Fig. 2 rozładowywania 14 ogniwowej baterii litowo-jonowej przy użyciu systemu BMS z Fig.1.
Fig.4 przedstawia schematyczny schemat blokowy drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku,
Fig.5 przedstawia schematyczny widok przełącznika baterii z drugiej postaci wykonania systemu BMS według niniejszego wynalazku,
Fig.6 przedstawia schematyczny widok źródła zasilania z drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku,
Fig.7 przedstawia schematyczny diagram rozruchu źródła zasilania z Fig.6 z drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku,
Fig.8 przedstawia schematyczny widok części zasilającej do magistrali komunikacyjnej, wewnętrzny sensor temperatury, zewnętrzny sensor temperatury i wyjściowy wskaźnik rozładowania z drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku,
Fig.9 przedstawia schematyczny widok jednostki sterującej i synchronizującej z drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku,
Fig.10 przedstawia schematyczny widok modułu równoważenia ogniw i pomiaru napięcia ogniwa z drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku,
Fig.11 przedstawia schematyczny widok jednoliniowej magistrali z drugiej postaci wykonania systemu BMS, według niniejszego wynalazku.

Schemat blokowy pierwszej postaci wykonania systemu zarządzania baterią BMS, 10, według wynalazku, zawiera przykładowo w sumie 15 ogniw litowo-jonowych oznaczonych odnośnikiem 12. System BMS centralnie zawiera główny mikrokontroler wykonujący całościowo pomiary i sterowanie systemu BMS, który to centralny mikrokontroler jest oznaczony odnośnikiem numerycznym 14.  Mikrokontroler 14 może być połączony z zewnętrznym osprzętem, takim jak na przykład zewnętrzny komputer PC, poprzez interfejsowe złącze 16. System BMS jest połączony ze wspólnym złączem lub terminalem 18 uziemienia i jest połączony z wejściowym złączem lub terminalem 20 ładowania poprzez MOSFET 22 sterowania ładowaniem służący do oddzielenia wejściowego złącza ładowania od wyjściowego złącza 24 baterii stanowiącego dodatni wyjściowy zacisk układu baterii względem wspólnego złącza lub terminalu 18 uziemienia.

Szeregowa konfiguracja 15 ogniw litowo-jonowych wyznacza dodatni zacisk, który jest połączony z łączeniem pomiędzy wyjściowym zaciskiem lub złączem 24 baterii a zaciskiem sensora napięcia baterii tranzystora MOSFET 22 sterowania ładowaniem. Ujemny zacisk szeregowej konfiguracji 15 ogniw litowo jonowych jest połączony poprzez szeregową konfigurację tranzystora MOSFET 26 sterowania rozładowywaniem i nisko omowy rezystor ze wspólnym złączem lub terminalem 18 uziemienia. Napięcie na nisko omowym rezystorze 28 jest mierzone przez wzmacniacz prądowy podający napięcie wyjściowe w odpowiedzi na nadmierny prąd płynący przez nisko omowy rezystor 28 w celu poinformowania centralnego głównego mikrokontrolera 14 o wystąpieniu nadmiernego obciążenia prądowego przez szeregową konfigurację 15 ogniw litowo-jonowych. Tranzystor MOSFET 26 sterowania rozładowywaniem jest sterowany przez centralny główny mikrokontroler 14 i jest używany do wyłączania zasilania prądu z ogniw litowo-jonowych.

Szczególną cechą systemu BMS według niniejszego wynalazku jest to, że każde ogniwo litowo jonowe jest połączone z odrębnym układem monitorowania i sterowania zawierającym dla każdego ogniwa litowo-jonowego układ 32 równoważenia ogniw, sensor temperatury 34 oraz komunikacyjny lub pomiarowy układ podrzędny 36 ustanawiający komunikację od układu 32 równoważenia ogniw i sensora temperatury do i od centralnego głównego mikrokontrolera 14. Układ 32 równoważenia ogniw zasadniczo służy do monitorowania napięcia na ogniwie litowo-jonowym w trakcie ładowania i w przypadku, kiedy ogniwo litowo jonowe połączone z rozważanym układem równoważenia ogniw osiągnęło górne napięcie i główny mikrokontroler 14 wciąż steruje systemem BMS,  aby nieustannie ładował pozostałe  ogniwa litowo-jonowe, układ 32 równoważenia ogniw bocznikuje dane ogniwo litowo-jonowe w celu umożliwienia nieustannego ładowania pozostałych ogniw litowo-jonowych.

Sensor temperatury 34 służy do monitorowania, czy wystąpiła nadmierna temperatura w ogniwie litowo-jonowym i/lub w układach podrzędnych równoważenia i mierzenia ogniw, 32 i 36 odpowiednio, zaś pomiarowy układ podrzędny 36 służy w trakcie rozładowywania ogniwa litowo-jonowego do monitorowania rozładowywania ogniwa litowo-jonowego do minimum, w którym to czasie pomiarowy układ podrzędny 36 informuje główny mikrokontroler 14 o wystąpieniu całkowitego rozładowania jednego z ogniw powodując wyłączenie przez główny mikrokontroler 14 całości układów w celu zapobieżenia zniszczeniu ogniw litowo jonowych, które osiągnęły minimalny poziom napięcia, przez nieustanne rozładowywanie ogniwa litowo jonowego.

Na Fig.2, pokazano diagram ilustrujący korzystne ładowanie w sumie 14 ogniw przez użycie systemu BMS pokazanego na Fig.1, jednakże, zmodyfikowanego do komunikacji z 14 ogniwami litowo-jonowymi zamiast 15 ogniwami litowo-jonowymi, jak zilustrowano na Fig.1. Z Fig.2 wynika, że indywidualne ogniwa litowo-jonowe są ładowane jednocześnie do tego samego maksymalnego poziomu wynoszącego w przybliżeniu 4,2V.
Odwołując się do Fig.3, pokazano diagram ilustrujący korzystne rozładowywanie i sterowanie w sumie 14 ogniw przez użycie systemu BMS pokazanego na Fig.1, jednakże, zmodyfikowanego do komunikacji z 14 ogniwami litowo-jonowymi zamiast 15 ogniwami litowo-jonowymi, jak zilustrowano na Fig.1. Z Fig.2 oczywiste jest, że każde z indywidualnych ogniw jest monitorowane a bateria jako całość może zostać wyłączona, kiedy pojedyncze ogniwo litowo-jonowe osiągnie minimalny poziom napięcia wynoszący 2,8V.

Z kolei na Fig.4, pokazano schematyczny schemat blokowy drugiej postaci wykonania systemu zarządzania baterią lub systemu BMS według wynalazku, który jest połączony z wieloma ogniwami litowo-jonowymi, gdzie jedno z ogniw litowo-jonowych jest oznaczone odnośnikiem numerycznym 12 a system BMS jest jako całość oznaczony odnośnikiem numerycznym 10.
System BMS centralnie zawiera główny mikrokontroler 14 wykonujący ogólne pomiary i sterowanie systemem BMS. Główny mikrokontroler 14 może być połączony z zewnętrznym oprzyrządowaniem, takim jak zewnętrzny komputer PC, poprzez magistralę 16 urządzeń zewnętrznych. System BMS jest połączony ze wspólnym złączem lub terminalem 24 baterii, który jest połączony z szeregową konfiguracją 15 ogniw litowo-jonowych 12 i wyznacza zacisk dodatni. Ujemny zacisk szeregowej konfiguracji 15 ogniw litowo-jonowych jest połączony poprzez nisko omowy bocznikujący rezystor 28. Napięcie na nisko-omowym bocznikującym rezystorze 28 jest mierzone przez wzmacniacz prądowy 44 podający napięcie wyjściowe w odpowiedzi na nadmierny prąd płynący poprzez nisko-omowy bocznikujący rezystor 28 w trakcie ładowania lub w trakcie rozładowywania w celu poinformowania centralnego głównego mikrokontrolera 14 o wystąpieniu nadmiernego obciążenia prądowego płynącego poprzez szeregową konfigurację 15 ogniw litowo-jonowych. W przypadku zwarcia/przeciążenia, osiągana jest wartość progowa prądów ładujących lub prądów rozładowujących i centralny główny mikrokontroler wyłącza proces ładowania/rozładowywania. Niskoomowy bocznikujący rezystor 28 jest ponadto połączony z łączem pomiędzy pozwalającym na obciążenie tranzystorem MOSFET 26 a pozwalającym na ładowanie tranzystorem MOSFET 22 służąc do oddzielenia zacisku uziemienia 18 rozładowującego obciążenia i zacisku uziemienia 20 ładowania. Pozwalający na obciążenie tranzystor MOSFET 26 i pozwalający na ładowanie tranzystor MOSFET 22 są sterowane przez centralny główny mikrokontroler 14 i są używane do podłączenia ogniw litowo-jonowych do obciążenia w przypadku rozładowywania i do ładowarki w przypadku ładowania i do wyłączenia zasilania prądowego w przypadku zwarcia/przeciążenia.

Szczególną cechą systemu BMS według niniejszego wynalazku jest to, że każde ogniwo litowo-jonowe jest połączone z odrębnym układem monitorowania i sterowania zawierającym dla każdego ogniwa litowo-jonowego układ 32 równoważenia ogniw oraz komunikacyjny i pomiarowy układ podrzędny 36 nawiązujący komunikację od układu 32 równoważenia ogniw do i od centralnego głównego mikrokontrolera 14. Pomiarowy układ 36 służy do monitorowania napięcia na ogniwie litowo-jonowym w trakcie ładowania i w przypadku, kiedy ogniwo litowo-jonowe połączone z rozważanym układem równoważenia ogniw osiągnęło górne napięcie a główny mikrokontroler 14 wciąż steruje systemem BMS do ładowania pozostałych ogniw litowo-jonowych, oznacza to, że układ 32 równoważenia ogniw bocznikuje rozważane ogniwo litowo-jonowe, które osiągnęło górne napięcie w celu umożliwienia ładowania pozostałych ogniw litowo-jonowych.

Bocznikowanie jest wykonywane przez układ 32 równoważenia ogniw poprzez zwarcie dodatniego i ujemnego bieguna ogniwa poprzez rezystor mocy i szybko przełączający się tranzystor. W celu zapewnienia regulacji przepływu prądu przez rezystor wykonuje się modulację szerokość impulsu (PWM). Pomiarowy układ podrzędny 36 służy w trakcie rozładowywania ogniwa litowo-jonowego do monitorowania rozładowywania ogniwa litowo-jonowego do minimum, w którym to czasie pomiarowy układ podrzędny 36 informuje główny mikrokontroler 14 o wystąpieniu całkowitego rozładowania jednego z ogniw, powodując, że główny mikrokontroler 14 wyłącza całość układów w celu zapobieżenia zniszczenia ogniwa litowo-jonowego, które osiągnęło minimalny poziom napięcia przez nieustanne rozładowywanie ogniwa litowo-jonowego.

Wewnętrzny sensor temperatury 34 służy do monitorowania i raportowania do głównego mikrokontrolera 14 temperatury panującej w głównym mikrokontrolerze 14 i w przypadku osiągnięcia nadmiernej temperatury, główny mikrokontroler 14 spowoduje wyłączenie ładowania/rozładowywania. Sensor temperatury 40 baterii służy do monitorowania i raportowania do głównego mikrokontrolera temperatury panującej w ogniwie litowo-jonowym i/lub w układach podrzędnych równoważenia i mierzenia ogniw, odpowiednio 32 i 36. Jeśli w ogniwie litowo-jonowym i/lub w układach podrzędnych 32 i 36 równoważenia i mierzenia ogniw osiągnięta zostanie nadmierna temperatura, wówczas główny mikrokontroler spowoduje wyłączenie procesu ładowania/rozładowywania.

Do komunikacji pomiędzy głównym mikrokontrolerem a mikrokontrolerem podrzędnym stosowana jest magistrala komunikacyjna 42 ogniwa obecna w każdym indywidualnym układzie podrzędnym. Magistrala jest oddzielona od głównego mikrokontrolera za pośrednictwem stopnia izolacji i (roz)łączenia 38. Magistrala jest także używana dla wskaźnika rozładowania, gdzie raportowana jest pozostała pojemność baterii.

System zarządzania baterią (BMS) do sterowania i monitorowania wielu ogniw litowo-jonowych lub podobnych ogniw bateryjnych zawierających ogniwa litowo-molibdenowe, niklowe, kadmowe i ołowiowe, PB, przy czym system BMS zawiera centralny mikrokontroler sterujący (14) i wiele układów sterujących (32, 36) połączonych z odpowiednim ogniwem bateryjnym (12) i służy do indywidualnego monitorowania ładowania indywidualnego odpowiedniego ogniwa bateryjnego i w czasie osiągania stanu maksymalnego naładowania w indywidualnym ogniwie bateryjnym ustanowienia bocznika na indywidualnym ogniwie bateryjnym w celu umożliwienia ciągłego ładowania pozostałych ogniw bateryjnych i w tym samym czasie komunikowania do centralnego mikrokontrolera sterującego (14) wiadomości reprezentującej, że osiągnięto stan maksymalnego naładowania i służy w trakcie rozładowywania baterii do monitorowania stanu indywidualnego odpowiedniego ogniwa bateryjnego i do informowania centralnego mikrokontrolera sterującego (14), w przypadku osiągnięcia stanu minimalnego naładowania w indywidualnym ogniwie bateryjnym w celu spowodowania odłączenia przez centralny mikrokontroler sterujący (14) baterii jako całości od obciążenia w celu zapobiegania nadmiernemu rozładowaniu indywidualnych ogniw bateryjnych, gdzie wspomniane układy sterujące zawierają środki równoważenia ogniw (32)  i podrzędne środki wykrywające (36), i gdzie wspomniane podrzędne środki wykrywające (36) zawierają mikrokontroler podrzędny.

Wspomniany system zarządzania baterią zawiera ponadto magistralę komunikacyjną (42) ogniwa do komunikacji pomiędzy wspomnianym centralnym mikrokontrolerem sterującym (14) a wspomnianym mikrokontrolerem podrzędnym obecną w każdych indywidualnych podrzędnych środkach wykrywających (36). Wspomniana magistrala komunikacyjna (42) jest oddzielona od centralnego mikrokontrolera sterującego (14) przez stopień izolacji i (roz)łączenia (38).

Reasumując:

System zarządzania baterią, ponadto zawiera sensory temperatury do nieustannego monitorowania temperatury ogniw i/lub w równoważeniu i mierzeniu ogniw oraz układy sterujące odpowiednio pozwalające, aby centralna jednostka sterująca zredukowała prąd ładowania w przypadku wysokiej temperatury oraz środki (26, 22) do wyłączania ładowania/rozładowywania ogniw sterowanego przez wspomniany centralny mikrokontroler sterujący (14) w przypadku przeciążenia lub zwarcia baterii. System zarządzania baterią zawiera również środki (28,30) do monitorowania prądu płynącego poprzez wiele ogniw (12), przez co używany jest bocznikujący rezystor ulokowany szeregowo z ogniwami oraz bezpiecznik do ochrony w przypadku przeciążenia lub zwarcia baterii oraz jednostkę zasilającą do zasilania jednostki sterującej.
Sposób sterowania i monitorowania wieloma litowo-jonowymi ogniwami zawiera etap zastosowania wspomnianego systemu:

A) w trakcie ładowania wspomnianych ogniw: 
– regulowania napięcia/prądu względem stanu ogniwa w celu uzyskania optymalnej wydajności ładowania i ominięcia jednego lub większej liczby indywidualnych ogniw w celu umożliwienia ciągłego ładowania pozostałych ogniw, kiedy wspomniane jedno lub więcej indywidualnych ogniw osiągnęło górne napięcie;

B) w trakcie rozładowywania wspomnianych ogniw:
– monitorowania napięcia każdego indywidualnego ogniwa, aż osiągnięta zostanie minimalna wartość w jednym lub większej liczbie z indywidualnych ogniw, w którym to czasie wszystkie ogniwa są wyłączone w celu zapobieżenia temu, aby wspomniane jedno lub więcej ogniw, które osiągnęły minimalny poziom napięcia, uległy uszkodzeniu lub zniszczeniu przez kontynuowanie rozładowywania; zapewniając przez to najwyższą wydajność procesów ładowania/rozładowywania i zapobiegając uszkodzeniu indywidualnych ogniw.

How does a BMS (Battery Management System) work? | Passive & Active cell balancing Explained