DE102010034510A1

DE102010034510A1 - Schaltung zur Überwachung von in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen

Info

Publication number: DE102010034510A1
Application number: DE102010034510A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hauser Clemens
Original assignee: Atmel Automotive GmbH
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2010-08-16
Publication date: 2012-02-16
Also published as: US20120038364A1; US8749244B2

Abstract

Schaltung (100) zur Überwachung von in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen (1, 2, 3, 7, 8, 9),
mit einer Messschaltung (129), wobei an die Messschaltung (129) eine Akkumulatorzelle (9) anschließbar ist,
– bei der die Messschaltung (129) ausgebildet ist, ein von einer Zellspannung (U9) der Akkumulatorzelle (9) abhängiges Stromsignal (I9) am Ausgang (129a) der Messschaltung (129) auszugeben,
– mit einer Schnittstellenschaltung (160s),
– mit einer Pegelschieberschaltung (190) zur Anpassung eines Spannungspegels an dem Ausgang (129a) der Messschaltung (129) an die Schnittstellenschaltung (160s),
– bei der ein Eingang (190i) der Pegelschieberschaltung (190) mit dem Ausgang (129a) der Messschaltung (129) verbindbar ist,
– bei der ein Ausgang (190a) der Pegelschieberschaltung (190) mit der Schnittstellenschaltung (160s) verbindbar ist,
– bei der die Pegelschieberschaltung (190) eine Anzahl von in Reihe geschalteten Transistoren (MP1, MP7, MP8) mit Steueranschlüssen (G1, G7, G8) aufweist, und
– bei der an jedem der Steueranschlüsse (G1, G7, G8) ein unterschiedlicher Anschluss der Akkumulatorzellen (1, 2, 3, 7, 8) anschließbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung zur Überwachung von in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen.
Aus der DE 10 2007 049 528 B4 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Zellenspannungen von Akkumulatorzellen in einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen, beispielsweise eines sogenannten Akkupacks oder Zellenpacks wie zum Beispiel Lilon-Zellenpacks beschrieben, das eine Mehrzahl von solchen in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen aufweist.
Aus der DE 10 2007 051 648 A1 und der DE 102 97 334 B4 sind Pegelschieberschaltungen zur Lieferung eines pegelverschobenen Ausgangssignals bekannt. Mittels eines Transistors wird ein Strom geschaltet, der von einer Niederspannungsseite zu einer Hochspannungsseite fließt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltung zur Überwachung von Akkumulatorzellen möglichst zu verbessern und möglichst kostengünstiger auszubilden.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
Demzufolge ist eine Schaltung zur Überwachung von in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen vorgesehen.
Die Schaltung weist eine Messschaltung, eine Schnittstellenschaltung und eine Pegelschieberschaltung auf. Je nach der Anzahl der zu überwachenden Akkumulatorzellen kann eine Mehrzahl von Messschaltungen und Pegelschieberschaltungen vorgesehen sein. Die Schnittstellenschaltung ist vorzugsweise zur Kommunikation mit weiteren – insbesondere externen – Schaltungen eingerichtet. Hierzu ist die Schnittstellenschaltung vorzugsweise mittels einer Signalverbindung verbindbar.
An die Messschaltung ist eine Akkumulatorzelle anschließbar. Hierzu ist die Messschaltung vorzugsweise an einen Anschluss der Schaltung angeschlossen. Der Anschluss der Schaltung wird mit dem Anschluss zumindest einer Akkumulatorzelle verschaltet.
Die Messschaltung ist ausgebildet, ein Stromsignal am Ausgang der Messschaltung auszugeben. Dabei ist das Stromsignal von einer Zellspannung der anschließbaren Akkumulatorzelle abhängig.
Die Pegelschieberschaltung ist eingerichtet einen Spannungspegel an dem Ausgang der Messschaltung an die Schnittstellenschaltung anzupassen. Hierzu bewirkt die vom Stromsignal durchflossene Pegelschieberschaltung einen Spannungsabfall über der Pegelschieberschaltung. Pegel am Ausgang der Messschaltung, die von den Pegeln der Akkumulatorzelle abhängen, werden durch die Pegelschieberschaltung geschoben auf Pegel die zur Schnittstellenschaltung kompatibel sind.
Ein Eingang der Pegelschieberschaltung ist mit dem Ausgang der Messschaltung verbindbar. In einer möglichen Ausgestaltung ist der Eingang der Pegelschieberschaltung differentiell ausgebildet. Vorzugsweise ist der Eingang der Pegelschieberschaltung an den Ausgang der Messschaltung angeschlossen. Ein Ausgang der Pegelschieberschaltung ist mit der Schnittstellenschaltung verbindbar. Vorzugsweise ist der Ausgang der Pegelschieberschaltung an die Schnittstellenschaltung angeschlossen.
Die Pegelschieberschaltung weist eine Anzahl von in Reihe geschalteten Transistoren mit Steueranschlüssen auf. Dabei sind gesteuerte Strecken – insbesondere Drain-Source-Strecken – der Transistoren in Reihe geschaltet. Durch das Stromsignal wird jeweils ein Spannungsabfall über die gesteuerten Strecken der Transistoren bewirkt.
An jedem der Steueranschlüsse ist ein unterschiedlicher Anschluss der in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen anschließbar. Aufgrund der unterschiedlichen Anschlüsse der in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen weist im Normalbetrieb jeder Steueranschluss der Transistoren einen unterschiedlichen Pegel auf. Um möglichst alle Steueranschlüsse der Transistoren der Pegelschieberschaltung mit Anschlüssen der Akkumulatorzellen zu verschalten, ist vorzugsweise jeweils ein Anschluss der Schaltung mit genau einem Steueranschluss der in Reihe geschalteten Transistoren verbunden. Da ohnehin meist jede Akkumulatorzelle überwacht werden soll, werden daher keine zusätzlichen (Gehäuse-)Anschlüsse der Schaltung benötigt.
Durch Ausführungsformen der Erfindung, wie diese beispielsweise in den Figuren dargestellt werden, kann der Vorteil erzielt werden, dass keine Transistoren mit sehr großer Durchbruchspannung benötigt werden. Es werden keine Transistoren benötigt, die eine Durchbruchspannung aufweisen, die größer ist als die Summe der Zellenspannungen der angeschlossenen Akkumulatorzellen. Werden beispielsweise 16 Akkumulatorzellen überwacht (angeschlossen), so beträgt die Summe der Zellenspannungen bis zu 64 V. Hingegen werden in den gezeigten Ausführungsbeispielen lediglich Transistoren benötigt, deren Durchbruchspannung (bspw. > 10 V) – mit einem entsprechendem Sicherheitsspannungsabstand – größer ist als eine Zellenspannung (bspw. 3 V–4 V). Die Transistoren benötigen folglich eine entsprechend kleinere Chipfläche, so dass die Schaltung kostengünstiger hergestellt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass jeder Transistor der Pegelschieberschaltung ein Wannen-Halbleitergebiet aufweist, das von jedem Wannen-Halbleitergebiet der anderen Transistoren der Pegelschieberschaltung isoliert ist. Vorzugsweise sind die Wannen-Halbleitergebiete durch ein Dielektrikum voneinander isoliert. Alternativ können die Wannen-Halbleitergebiete durch PN-Übergänge voneinander isoliert werden. Durch die elektrische Isolation der Transistoren der Pegelschieberschaltung untereinander können sich die an den Steueranschlüssen anliegenden Spannungen unterscheiden, ohne dass ein Transistor durch eine zu hohe Spannung zerstört wird.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Messschaltung einen Analog-Digital-Umsetzer – beispielsweise einen Sigma-Delta-Umsetzer – auf. Dabei ist das Stromsignal am Ausgang der Messschaltung ein digitales Stromsignal. Vorteilhafterweise sind dabei ein erster Stromwert einer logischen Eins und ein zweiter Stromwert einer logischen Null zugeordnet. Vorzugsweise ist das digitale Stromsignal als Stromimpulsfolge – beispielsweise als Bitstream – ausgebildet.
Bevorzugt weist die Schnittstellenschaltung eine Detektorschaltung zur Auswertung des Stromsignals auf. Vorzugsweise ist die Detektorschaltung zur Wandlung der Stromsignale in Logiksignale zur Weiterleitung an weitere interne oder externe Schaltungen, wie beispielsweise einen Mikrocontroller, eingerichtet.
In einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Transistoren der Pegelschieberschaltung eine Durchbruchspannung aufweisen, die kleiner ist als die Summe der Zellspannungen der an die Schaltung anschließbaren Akkumulatorzellen. Hierdurch können Transistoren einer einfachen und kostengünstigen Technologie verwendet werden.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Schaltung eine weitere Schnittstellenschaltung und eine weitere Pegelschieberschaltung aufweist. Bevorzugt sind die Schnittstellenschaltung und die weitere Schnittstellenschaltung über die weitere Pegelschieberschaltung miteinander verbunden. Vorzugsweise weist die weitere Pegelschieberschaltung eine weitere Anzahl von in Reihe geschalteten Transistoren mit weiteren Steueranschlüssen auf. Die Transistoren sind beispielsweise PMOS- und/oder NMOS-Feldeffekttransistoren. an jedem der weiteren Steueranschlüsse der Transistoren ist wiederum ein unterschiedlicher Anschluss der Akkumulatorzellen anschließbar. Die Schnittstellenschaltung und die weitere Schnittstellenschaltung ermöglichen eine Kommunikation zwischen sehr unterschiedlichen Potentialen, die durch die Zellenspannungen der angeschlossenen Akkumulatorzellen bedingt sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildungsvariante ist die Schnittstellenschaltung und/oder die weitere Schnittstellenschaltung zum Anschluss eines seriellen Datenbusses ausgebildet. Mittels eines beispielsweise synchronen seriellen Datenbusses könnten digitale Schaltungen nach dem Master-Slave-Prinzip miteinander verbunden werden. Der serielle Datenbus weist den Vorteil auf, dass die Anzahl der Datenleitungen signifikant verringert werden kann.
Die zuvor beschriebenen Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei können sämtliche Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert werden. Einige mögliche Kombinationen sind in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Figuren erläutert. Diese dort dargestellten Möglichkeiten von Kombinationen der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht abschließend.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand zeichnerischer Darstellungen näher erläutert.
Dabei zeigen
1 einen schematischen Schaltplan mit einer Vielzahl in Reihe geschalteter Akkumulatorzellen und angeschlossene Schaltungen zur Überwachung der Akkumulatorzellen,
2 einen schematischen Schaltplan einer Schaltung zur Überwachung,
3 einen schematischen Teilschaltplan mit einer Pegelschieberschaltung, und
4 eine schematische Schnittdarstellung mit Transistoren einer Pegelschieberschaltung.
In 1 ist ein schematischer Schaltplan mit in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen 1 bis Z dargestellt. Die Akkumulatorzellen 1 bis Z sind in Reihe geschaltet um eine Gesamtspannung U400 von beispielsweise 400 Volt zu erzeugen. Derartige Verschaltungen von Akkumulatorzellen werden beispielsweise in Hybridkraftfahrzeugen oder Elektrokraftfahrzeugen zur Speisung von Elektromotoren mit elektrischer Energie verwendet. Dabei werden die Akkumulatorzellen 1 bis Z entladen. Zum Laden der Akkumulatorzellen 1 bis Z fließt ein Ladestrom durch die Akkumulatorzellen 1 bis Z, der beispielsweise von einem Generator oder einem Netzanschluss bereitgestellt wird.
Für einen sicheren Betrieb der Akkumulatorzellen 1 bis Z ist es erforderlich möglichst jede Zellenspannung jeder Akkumulatorzelle 1 bis Z separat zu überwachen. Mittels der Überwachung kann beispielsweise der Ladestrom unterbrochen oder eine Tiefenentladung einer Akkumulatorzelle 1 bis Z verhindert werden. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist jeweils ein Teil der Akkumulatorzellen 1 bis Z mit einer Schaltung 100/1, 100/2, 100/k – 1 und 100/k verschaltet. Jede Schaltung 100/1, 100/2, 100/k – 1 und 100/k ist dabei als eine auf einem (separaten) Halbleiterchip integrierte Schaltung 100/1, 100/2, 100/k – 1, 100/k ausgebildet.
Die Transistoren der jeweiligen integrierten Schaltung 100/1, 100/2, 100/k – 1, 100/k sind Technologie-bedingt für einen begrenzten Spannungsbereich ausgelegt, der kleiner als die Gesamtspannung U400 der Akkumulatorzellen 1 bis Z ist. Um möglichst alle Akkumulatorzellen 1 bis Z überwachen zu können, sind mehrere integrierte Schaltungen 100/1, 100/2, 100/k – 1, 100/k vorgesehen, die jeweils an mehrere benachbarte Akkumulatorzellen anschließbar sind. Die integrierten Schaltungen 100/1, 100/2, 100/k – 1, 100/k sind untereinander durch eine Signalverbindung 300/1, 300/2, 300/k – 1, 300/k und zudem mit einer Recheneinheit 200 über eine weitere Signalverbindung 300 verbunden. Die Recheneinheit 200 ist beispielsweise ein Mikrocontroller MCU. Eine Bitbreite n1, n2, nk – 1, nk der Signalverbindungen 300/1, 300/2, 300/k – 1, 300/k kann entsprechend der benötigten Signalleitungen unterschiedlich sein. Alternativ kann auch ein Datenbus als Signalverbindung 300/1, 300/2, 300/k – 1, 300/k verwendet werden. Sind die Signalverbindungen 300/1, 300/2, 300/k – 1, 300/k bidirektional ausgebildet kann durch die Recheneinheit 200 die Überwachung der Akkumulatorzellen 1 bis Z gesteuert und die aktuelle Zellenspannung der Akkumulatorzellen 1 bis Z ausgewertet werden.
Jede integrierte Schaltung 100/1, 100/2, 100/k – 1, 100/k weist zusammen mit zumindest einer weiteren integrierten Schaltung 100/1, 100/2, 100/k – 1, 100/k einen gemeinsamen Anschluss an eine Akkumulatorzelle und somit einen gemeinsamen Pegel als Bezugspotential für die Signalübertragung auf. Jede integrierte Schaltung 100/1, 100/2, 100/k – 1, 100/k weist eine Pegelschieberschaltung 150/1, 150/2, 150/k – 1, 150/k auf, die eine Signalübertragung innerhalb der integrierten Schaltung 100/1, 100/2, 100/k – 1, 100/k zwischen unterschiedlichen Pegeln ermöglicht, deren Pegelunterschied größer ist als zulässige analoge oder insbesondere digitale (Logik-)Pegel der verbundenen (Logik-)Transistoren.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltung 100 zur Überwachung von Akkumulatorzellen 1, 7, 8, 9 schematisch dargestellt. Die integrierte Schaltung 100 weist mehrere Anschlüsse 101, 106, 107, 108, 109, 199 auf, an die Akkumulatorzellen 1, 7, 8, 9 anschließbar sind. Jede Akkumulatorzelle 1, 7, 8, 9 weist dabei eine Zellenspannung U1, U7, U8 bzw. U9 auf. Für ein einfacheres Verständnis der Funktionalität der Schaltung sind In der 2- wie durch die Unterbrechung angedeutet – nur ein Teil der Akkumulatorzellen 1, 7, 8, 9 und der zugehörigen Schaltung 100 dargestellt. Um die Zellenspannungen U1, U7, U8, U9 der Akkumulatorzellen 1, 7, 8, 9 zu messen, sind mit den Anschlüssen 101, 106, 107, 108, 109, 199 Messschaltungen 121, 127, 128 und 129 verbunden.
Die Messschaltungen 121, 127, 128 und 129 sind eingerichtet, eine am jeweiligen Anschlusspaar 199 und 101, 106 und 107, 107 und 108, sowie 108 und 109 jeweils anliegende Spannung zu messen und ein zu dieser anliegenden Spannung zugehöriges Stromsignal I1, I7, I8, I9 auszugeben. Beispielsweise wird ein zur anliegenden Spannung proportionaler analoger Strom als analoges Stromsignal I1, I7, I8, I9 ausgegeben. Vorteilhafterweise wird die am jeweiligen Anschluss anliegende Spannung in ein digitales Signal als Stromsignal I1, I7, I8, I9 – beispielsweise in eine korrespondierende Stromimpulsfolge – umgesetzt.
Die Schaltung 100 weist Schnittstellenschaltungen 160s und 160r auf, die eine Kommunikation mit weiteren integrierten Schaltungen ermöglichen. Die Schnittstellenschaltungen 160s und 160r bilden beispielsweise eine Schnittstelle zu einem n-Bit breiten bzw. m-Bit breiten Bussystem oder dergleichen. Die Messschaltung 121 ist dabei unmittelbar an die Schnittstellenschaltung 160s angeschlossen, da das Stromsignal I1 bereits mit dem für die Schnittstellenschaltung 160s notwendigen Pegel ausgegeben wird. Im Ausführungsbeispiel der 2 ist die Schaltung über den Anschluss 199 mit einem Anschluss der Akkumulatorzelle 1 verbunden, wobei das Potential an dieser Akkumulatorzelle 1 der Schaltung als Bezugspotential – beispielsweise als Massepotential – dient.
Hingegen sind die Messschaltungen 127, 128, 129 jeweils über eine Pegelschieberschaltung 170, 180 190 mit der Schnittstellenschaltung 160s verbunden. Das Stromsignal I9 weist Spannungspegel auf, die durch die angeschlossene Pegelschieberschaltung 190 auf niedrigere Pegel geschoben werden. Die niedrigeren Pegel sind beispielsweise zu Analogpegeln oder Logikpegeln für die folgende Schnittstellenschaltung 160s oder eine Auswertungsschaltung (nicht dargestellt) kompatibel. Ein Eingang 190i der Pegelschieberschaltung 190 ist an den Ausgang 129a der Messschaltung 129 angeschlossen. Ein Ausgang 190a der Pegelschieberschaltung 190 ist an die Schnittstellenschaltung 160s angeschlossen. Entsprechend ist ein Ausgang 128a der Messschaltung 128 über die Pegelschieberschaltung 180 mit der Schnittstellenschaltung 160s verbunden. Ebenso ist ein Ausgang 127a der Messschaltung 127 über die Pegelschieberschaltung 170 mit der Schnittstellenschaltung 160s verbunden. Aufgrund der unterschiedlichen Spannungspegel der Stromsignale I9, I8 und I7 können die Pegelschieberschaltungen 190, 180 und 170 unterschiedlich ausgebildet sein, insbesondere eine unterschiedliche Anzahl Transistoren aufweisen.
Eingänge 191, 197, 198 der Pegelschieberschaltung 190 sind an den Anschlüssen 101, 107 und 108 der Schaltung 100 angeschlossen. Demzufolge liegen die Zellenspannungen U1, U7, U8 der anschließbaren Akkumulatorzellen 1, 7, 8 ebenfalls an den Eingängen 191, 197, 198 der Pegelschieberschaltung 190 an. Die Zellenspannungen U1, U7, U8 bilden dabei Zwischenpegel zwischen dem Ausgangpegel der Messschaltung 129 und den Logikpegel der Schnittstellenschaltung 160s. Die Zwischenpegel werden zum Schieben des Ausgangspegels der Messschaltung 129 verwendet. Die Pegelschieberschaltung 190 ist daher eingerichtet, einen an einem Eingang 190i anliegenden Pegel des Stromsignals I9 mittels der an den weiteren Eingängen 191, 197, 198 anliegenden Zellenspannungen U1, U7, U8 auf einen zulässigen Pegel der angeschlossenen Schnittstellenschaltung 160s zu schieben.
Im Ausführungsbeispiel der 2 ist eine weitere Pegelschieberschaltung 150 vorgesehen, die zwischen die erste Schnittstellenschaltung 160s und eine zweite Schnittstellenschaltung 160r geschaltet ist. Die weitere Pegelschieberschaltung 150 die erste Schnittstellenschaltung 160s und die zweite Schnittstellenschaltung 160r bilden dabei ein Interface 110 zur Verbindung mit externen Schaltungen, die über die Anschlüsse 162, 165 mit der Schaltung 100 verbindbar sind.
Mittels der weiteren Pegelschieberschaltung 150 können Stromsignale zwischen der ersten Schnittstellenschaltung 160s und der zweiten Schnittstellenschaltung 160r übertragen werden. Die erste Schnittstellenschaltung 160s und die zweite Schnittstellenschaltung 160r arbeiten dabei mit unterschiedlichen Pegeln, die durch die Zellenspannungen der angeschlossenen, in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen 1, 7, 8, 9 bedingt sind. Die weitere Pegelschieberschaltung 150 ist ebenfalls eingerichtet, einen anliegenden Pegel der ersten Schnittstellenschaltung 160s mittels der an den Eingängen 151, 157, 158 anliegenden Zellenspannungen U1, U7, U8 auf einen zulässigen Pegel der angeschlossenen zweiten Schnittstellenschaltung 160r zu schieben.
In der 3 ist ein Teil der Schaltung 100 als Schaltplan schematisch dargestellt. Eine mit der Akkumulatorzelle 9 verbundene Messschaltung 129 weist einen Analog-Digital-Umsetzer ADC auf, der am Ausgang 129a der Messschaltung 129 ein digitales Stromsignal I9 bewirkt. An den Ausgang 129a der Messschaltung 129 ist ein Eingang 190i einer Pegelschieberschaltung 190 angeschlossen, in die das Stromsignal I9 fließt. Die Pegelschieberschaltung 190 des Ausführungsbeispiels der 3 weist eine Anzahl von Feldeffekttransistoren auf, von denen für eine bessere Übersicht lediglich drei Feldeffekttransistoren MP1, MP7, MP8 dargestellt sind. Im Ausführungsbeispiel der 3 weist die Pegelschieberschaltung 190 PMOS-Feldeffekttransistoren MP1, MP7, MP8 auf. Alternativ könnten auch NMOS-Feldeffekttransistoren oder Bipolartransistoren verwendet werden. Die Transistoren MP1, MP7, MP8 der Pegelschieberschaltung 190 sind in Reihe geschaltet. Im Ausführungsbeispiel der 3 sind die Drain-Source-Strecken der Feldeffekttransistoren MP1, MP7, MP8 in Reihe geschaltet.
Bei jedem Feldeffekttransistor MP1, MP7, MP8 fällt über der Drain-Source-Strecke eine Drain-Source-Spannung U_DS ab. Die über der Pegelschieberschaltung 190 abfallende Spannung teilt sich mithin auf die mehreren Drain-Source-Spannungen U_DS der Feldeffekttransistoren MP1, MP7, MP8 auf. Die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren MP1, MP7, MP8 sind an den Anschlüssen 101, 107, 108 der Schaltung 100 angeschlossen, so dass an den Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren MP1, MP7, MP8 von den Akkumulatorzellen 1, 7, 8 usw. abhängige Spannungen anliegen. Demzufolge sind zwei der Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren MP1, MP7, MP8 durch den Anschluss der Akkumulatorzellen 1, 7, 8 – über die Akkumulatorzellen 1, 7, 8 – miteinander verbindbar. Zur Sicherung der Anschlüsse 101, 107, 108, 109, 199 der Schaltung 100 können ESD-Schutzbauelemente vorgesehen sein.
Der Source-Pegel an dem jeweiligen Feldeffekttransistor MP1, MP7, MP8 ist im Ausführungsbeispiel der 3 um die Gate-Source-Spannung U_GS vom Gate-Pegel verschieden. Der Source-Pegel ist also abhängig von der jeweiligen Zellenspannung der angeschlossenen Akkumulatorzelle und nur um die Gate-Source-Spannung U_GS des verbundenen Transistors verschieden. Über der Gate-Source-Strecke des Transistors liegt die Drain-Source-Spannung U_DS an, die im Wesentlichen der Zellenspannung U₁ der angeschlossenen Akkumulatorzelle 1 entspricht.
Durch die Verwendung von mehreren Transistoren MP1, MP7, MP8 der Pegelschieberschaltung 190 in der dargestellten Verschaltung wird der Effekt erzielt, dass der Ausgangspegel am Ausgang der Pegelschieberschaltung 190 sich nur geringfügig abhängig von einer Änderung der Zellenspannung U1 der ersten Akkumulatorzelle 1 ändert, so dass eine große Änderung der Summe der Zellenspannungen U1 bis U9 keine signifikanten Pegeländerungen am Ausgang der Pegelschieberschaltung 190 verursacht.
Im Ausführungsbeispiel der 3 weist die Schnittstellenschaltung 160s eine Detektorschaltung 166s auf, mittels der das Stromsignal I9 ausgewertet werden kann. Beispielsweise wird ein vom Stromsignal I9 abhängiges Signal über den Anschluss 160a ausgegeben. Weiterhin weist die Schnittstellenschaltung 160s im Ausführungsbeispiel der 3 eine steuerbare Stromquelle 163 auf, deren Steuereingang mit einem Anschluss 160i der Schaltung 100 verbunden ist.
Um Signale von der Schnittstellenschaltung 160s an eine weitere Schnittstellenschaltung 160r zu übertragen, ist eine weitere Pegelschieberschaltung 150 vorgesehen. Die weitere Pegelschieberschaltung 150 weist eine Anzahl von NMOS-Transistoren MN1, MN7, MN8 auf, deren Gate-Anschlüsse ebenfalls über Anschlüsse 101, 107, 108 der Schaltung 100 an den Akkumulatorzellen 1, 2, 7, 8 anschließbar sind. Die weitere Schnittstellenschaltung 160r ist mit dem Anschluss 109, beispielsweise zur Bereitstellung eines Bezugspegels an ihrem Ausgang 162 verbunden. Die weitere Schnittstellenschaltung 160r weist insbesondere einen Stromschalter zu Aktivierung oder Deaktivierung des Ausgangs 162 und/oder eine ESD-Schutzschaltung und/oder eine Strombegrenzung zur Begrenzung des Ausgangsstroms auf.
Um weitere Bits parallel zu übertragen, ist eine entsprechend höhere Anzahl von parallelen Pegelschieberschaltungen erforderlich.
In 4 ist eine Schnittansicht durch einen Teil einer Pegelschieberschaltung schematisch dargestellt. Das Substrat 10 ist durch einen dielektrischen Bereich 19 von Halbleiterbereichen 11, 17, 18 getrennt. Die Halbleiterbereiche 11, 17 18 sind ebenfalls durch das Dielektrikum 19 voneinander elektrisch isoliert. Die Transistoren MP1, MP7 und MP8 sind Bestandteil der Pegelschieberschaltung 190 wie in 3 dargestellt. Im Ausführungsbeispiel der 4 sind die Transistoren MP1, MP7 und MP8 PMOS-Feldeffekttransistoren, alternativ können auch NMOS-Feldeffekttransistoren oder Bipolartransistoren verwendet werden. Die Transistoren MP1, MP7, MP8 sind jeweils in einem der Halbleiterbereiche 11, 17, 18 ausgebildet, die durch das Dielektrikum 19 voneinander isoliert sind. Alternativ können PN-Übergänge zur Isolierung der Halbleiterbereiche 11, 17, 18 voneinander ausgebildet sein (in 4 nicht dargestellt).
Im Ausführungsbeispiel der 4 weist jeder Transistor MP1, MP7 und MP8 der Pegelschieberschaltung 190 ein Wannen-Halbleitergebiet 11, 17, 18 auf, das von den Wannen-Halbleitergebieten 11, 17 bzw. 18 der anderen Transistoren MP1, MP7 bzw. MP8 isoliert ist. Im Ausführungsbeispiel der 4 weist jeder Transistor ein p+dotiertes Draingebiet D1, D7, D8, ein p+dotiertes Sourcegebiet S1, S7, S8, ein n+dotiertes Wannenanschlussgebiet B1, B7, B8, ein Wannen-Halbleitergebiet 11, 17, 18 und eine Gateelektrode G1, G7, G8 auf. Die Transistoren MP1, MP7, MP8 sind in Reihe geschaltet. Jedes p+dotiertes Sourcegebiet S1, S7, S8 ist mit dem n+dotierten Wannenanschlussgebiet B1, B7, B8 desselben Transistors MP1, MP7 bzw. MP8 kurzgeschlossen.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausgestaltungsvarianten der 1 bis 4 beschränkt. Beispielsweise ist es möglich einen anderen Transistortyp zu verwenden. Auch sind Schaltungen zur Überwachung von 8 oder 16 oder einer anderen Anzahl von Akkumulatorzellen möglich. Die Funktionalität der Schaltung gemäß 2 kann besonders vorteilhaft für Akkumulatorzellen eines Hybridfahrzeugs oder Elektrofahrzeugs verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1...Z, 2, 3, 7, 8, 9: Akkumulatorzelle
10: Substrat
11, 17, 18, 19: Wannen-Halbleitergebiet
19: Dielektrikum
100, 100/1, 100/2, 100/k – 1, 100/k: Schaltung
101, 106, 107, 108, 109, 160a, 160i, 165, 162, 199: Anschluss
121, 127, 128, 129: Messschaltung
121a, 127a, 128a, 129a, 190a: Ausgang
150, 150/1, 150/2, 150/k – 1, 150/k, 170, 180, 190: Pegelschieberschaltung
151, 157, 158, 161, 167, 168, 169, 171, 181, 187, 190i, 191, 197, 198: Eingang
160s, 160r: Schnittstellenschaltung
163: gesteuerte Stromquelle
166s, 166r: Detektorschaltung
200: Recheneinheit, Mikrocontroller
300/1, 300/2, 300/k – 1, 300/k: Signalbus, Datenbus
MP1, MP7, MP8: PMOS-Feldeffekttransistor
MN1, MN7, MN8: NMOS-Feldeffekttransistor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007049528 B4 [0002]
DE 102007051648 A1 [0003]
DE 10297334 B4 [0003]

Claims

Schaltung (100) zur Überwachung von in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen (1, 2, 3, 7, 8, 9), – mit einer Messschaltung (129), wobei an die Messschaltung (129) eine Akkumulatorzelle (9) anschließbar ist, – bei der die Messschaltung (129) ausgebildet ist, ein von einer Zellspannung (U9) der Akkumulatorzelle (9) abhängiges Stromsignal (I9) am Ausgang (129a) der Messschaltung (129) auszugeben, – mit einer Schnittstellenschaltung (160s), – mit einer Pegelschieberschaltung (190) zur Anpassung eines Spannungspegels an dem Ausgang (129a) der Messschaltung (129) an die Schnittstellenschaltung (160s), – bei der ein Eingang (190i) der Pegelschieberschaltung (190) mit dem Ausgang (129a) der Messschaltung (129) verbindbar ist, – bei der ein Ausgang (190a) der Pegelschieberschaltung (190) mit der Schnittstellenschaltung (160s) verbindbar ist, – bei der die Pegelschieberschaltung (190) eine Anzahl von in Reihe geschalteten Transistoren (MP1, MP7, MP8) mit Steueranschlüssen (G1, G7, G8) aufweist, und – bei der an jedem der Steueranschlüsse (G1, G7, G8) ein unterschiedlicher Anschluss der Akkumulatorzellen (1, 2, 3, 7, 8) anschließbar ist.
Schaltung (100) nach Anspruch 1, – bei der jeder Transistor (MP8) der Pegelschieberschaltung (190) ein Wannen-Halbleitergebiet (18) aufweist, das von den Wannen-Halbleitergebieten (11, 17) der anderen Transistoren (MP1, MP7) der Pegelschieberschaltung (190) isoliert ist.
Schaltung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die Messschaltung (129) einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) aufweist, und – bei der das Stromsignal (I9) ein digitales Stromsignal (I9) ist.
Schaltung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die Messschaltung (129) einen analogen Spannungs-zu-Strom-Wandler aufweist, und – bei der das Stromsignal (I9) ein analoges Stromsignal (I9) ist.
Schaltung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die Schnittstellenschaltung (160s) eine Detektionsschaltung (166s) zur Auswertung des Stromsignals (I9) aufweist.
Schaltung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die Transistoren (MP1, MP7, MP8) der Pegelschieberschaltung (190) eine Durchbruchspannung aufweisen, die kleiner ist als die Summe der Zellenspannungen (U1, U2, U7, U9) der an die Schaltung (100) anschließbaren Akkumulatorzellen (1, 2, 3, 7, 8, 9).
Schaltung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – mit einer weiteren Schnittstellenschaltung (160r), – mit einer weiteren Pegelschieberschaltung (150), – bei der die Schnittstellenschaltung (160s) und die weitere Schnittstellenschaltung (160r) über die weitere Pegelschieberschaltung (150) miteinander verbunden sind, und – bei der die weitere Pegelschieberschaltung (150) eine weitere Anzahl von in Reihe geschalteten Transistoren (MN1, MN7, MN8) mit weiteren Steueranschlüssen aufweist, wobei an jedem der weiteren Steueranschlüsse ein unterschiedlicher Anschluss der Akkumulatorzellen (1, 7, 8) anschließbar ist.
Schaltung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem die Schnittstellenschaltung (160s) und/oder die weitere Schnittstellenschaltung (160r) zum Anschluss eines Datenbusses (300/1, 300/2, 300/k – 1, 300/k) ausgebildet sind.