DE19824283A1 - Stromsteuerungsschaltkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsteuerungsschaltkreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Schaltkreise zur Steuerung von bidirektionalem Stromfluß sind in vielen Anwendungen zu finden. Eine zunehmend verbreitete Anwendung besteht in Stromsteuerungsschaltkreisen zur Steuerung des Auf- und Ent­ ladens aufladbarer Batteriezellen einschließlich Lithium- und Lithiumio­ nenbatteriezellen, wie sie in tragbaren Computern verwendet werden.

Bei sekundären (aufladbaren) Batteriezellen ist ein Schutz vor anhaltendem Überladen, Über-Entladen sowie Überlaufströmen erforderlich, um eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Zellen sowie einen Bruch des Zellengehäuses und eine Verbrennung des Elektrolyts innerhalb der Zellen zu verhindern.

Leistungsmetalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor-(MOSFET)-Schalter in Reihe mit dem Strompfad der Zellen werden gewöhnlich verwendet, um die Zellen von Ladeeinrichtungen zu trennen, die darin beim Aufladungsbe­ trieb innerhalb spezifischer Spannungsgrenzen ausfallen. Solche MOSFET- Schalter werden üblicherweise von Schutzschaltungen innerhalb des Batte­ riesatzes angesteuert, welche die individuellen Zellenspannungen zum Überladen und Über-Entladen überwachen und den Strom des Batteriesatzes in bezug auf den Überlaufstrom in jeder Richtung überwachen.

In vielen Anwendungen werden zwei Leistungs-MOSFETs mit den Batteriezellen in Reihe geschaltet. Jeder MOSFET-Schalter wird je nach Art des Ausfalls an- oder ausgeschaltet. Üblicherweise wird, wenn beim Auftreten eines Fehlers beide MOSFETs eingeschaltet sind, einer der MOS­ FETs durch den Schutzschaltkreis abgeschaltet. Der abgeschaltete MOSFET blockiert den Stromfluß im Batteriesatz in derselben Richtung, in der der Strom beim Auftreten des Fehlers geflossen war.

Die Wiederherstellung des originären Schaltzustandes solcher Schutzschaltkreise erfordert normalerweise eine externe Schaltung zur Überwachung des Betriebszustands des Batteriesatzes (z. B. der Temperatur etc.) oder der Klemmenspannungen an den MOSFETs.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromsteuerungsschaltkreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei dem keine externe Schaltung zur Überwachung des Betriebszustands erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Hierzu wird ein Stromsteuerungsschaltkreis geschaffen, welcher nach einer Rückkehr zum sicheren Betriebszustand selbsterholend ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von den in den beigefüg­ ten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Strom­ steuerungsschaltkreises gemäß einer erster Ausführungsform.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines bidirektio­ nalen Stromsteuerungsschaltkreises zur Steuerung des Auf- und Entladens aufladbarer Batteriezellen gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt eines der Schutz-MOSFET-Bauele­ mente im Schaltkreis aus Fig. 2.

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Strom­ steuerungsschaltkreises gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines bidirektio­ nalen Stromsteuerungsschaltkreises zur Steuerung des Auf- und Entladens aufladbarer Batteriezellen gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 umfaßt ein bidirektionaler Stromsteuerungsschalt­ kreis gemäß einer ersten Ausführungsform einen Stromsteuerungsschalt­ kreis 12, einen Stromnachweisschaltkreis 14 und eine Schaltungssteuer­ einheit 16. Ströme 11, 13 und 15 fließen in Richtungen 1 und 2 in den Stromsteuerungsschaltkreis 12 und den Stromnachweisschaltkreis 14, aus diesen heraus sowie zwischen ihnen und zwischen dem Stromsteuerungs­ schaltkreis 12 und einer externen Last (nicht dargestellt) und/oder ei­ ner Stromquelle (nicht dargestellt). Der Stromnachweisschaltkreis 14 liefert ein oder mehrere Stromnachweissignale 17 an die Schaltungssteu­ ereinheit 16, die wiederum ein oder mehrere Steuersignale 19 an den Stromsteuerungsschaltkreis 12 liefert.

Gemäß Fig. 2 ist ein Stromsteuerungsschaltkreis 110 als eine weitere Ausführungsform des bidirektionalen Stromsteuerungsschaltkreises 10 aus Fig. 1 besonders zur Steuerung des Auf- und Entladens aufladbarer Batteriezellen 202 geeignet. Dieser Stromsteuerungsschaltkreis 110 ent­ hält zwei MOSFETs 152, 154 mit Drainanschluß und einen niedrigwertigen Präzisionswiderstand 114, alle in Reihe mit den Batteriezellen 202 ge­ schaltet. Alternativ können die MOSFETS 152, 154 auch Source-an-Source verbunden sein. Knoten 111 und 203 dienen als Anschlüsse für den Batte­ riesatz, welcher die Batteriezellen 202 und den Stromsteuerungsschalt­ kreis 110 enthält.

Der während des Auf- und Entladens der Batteriezellen 202 zu überwachende Strom fließt in Richtungen 1 und 2 durch die MOSFETs 152, 154 und den Präzisionswiderstand 114 während des Auf- bzw. Entladens. In beiden Fällen fällt eine Spannung über dem Präzisionswiderstand 114 an Knoten 113 und 115 ab. Die Differenzspannung liefert zwei Spannungssi­ gnale 117a, 117b, die zusammen als differentielles Stromnachweissignal für eine Schaltungssteuereinheit 116 dienen. Wenn diese Spannungssignale 117a, 117b einen Überlaufstrom bezeichnen, d. h. daß der Strom-mal-Wider­ standsspannungsabfall größer als ein vorbestimmter Schwellenwert infolge eines übermäßigen Auf- oder Entladestroms ist, schaltet die Schaltungs­ steuereinheit 116 den jeweiligen MOSFET 152/154 mit einem den Gatean­ schluß dieses MOSFET 152/154 ansteuernden Steuersignal 119a/119c ab.

Wenn beispielsweise ein übermäßiger Strom, wie durch die Span­ nungssignale 117a, 117b am Präzisionswiderstand 114 identifiziert, wäh­ rend des Aufladens in die Richtung 1 fließt, wird der erste MOSFET 152 über die Schaltungssteuereinheit 116 abgeschaltet, indem die Spannungs­ differenz zwischen dem Steuersignal 119a und einem Steuersignal 119b gleich Null gesetzt wird. Umgekehrt wird bei einem Überlaufstrom während des Entladens der Batteriezellen 202 der zweite MOSFET 154 über die Schaltungssteuereinheit 116 abgeschaltet, indem die Spannungsdifferenz zwischen dem Steuersignal 119c und dem Spannungssignal 117b gleich Null gesetzt wird.

Auch wenn anderweitig abgeschaltet, ermöglicht jeder MOSFET 152, 154 einen Stromfluß in die entgegengesetzte Richtung durch seine jeweilige Substratdiode 162, 164, vorausgesetzt, daß der andere MOSFET 152, 154 noch angeschaltet ist. Wenn beispielsweise während eines Strom­ flusses in Richtung 1 ein Überlaufstrom auftritt, wodurch der erste MOS­ FET 152 abgeschaltet wird, ist in Richtung 2 immer noch ein Entladestrom durch die Substratdiode 162 des MOSFETs 152 möglich, da der zweite MOS­ FET 154 noch eingeschaltet ist. Dies ermöglicht es den Batteriezellen 202, die keine Ladung mehr akzeptieren können, keine Ladeströme (Rich­ tung 1) mehr zu akzeptieren, während sie immer noch das Fließen von Ent­ ladeströmen (Richtung 2) ermöglichen.

Das Vorliegen eines Entladestroms (Richtung 2) nach einem Feh­ lerzustand und einem Abschalten des ersten MOSFETs 152 während eines La­ dungsstromflusses (Richtung 1) zeigt aufgrund des entgegengesetzten Stromflusses an, daß ein sicherer Betriebszustand wiederhergestellt wor­ den ist. Der resultierende entgegengesetzte Spannungsabfall über dem Präzisionswiderstand 114 zeigt diese Rückkehr zu einem sicheren Be­ triebszustand der Schaltungssteuereinheit 116 an, die wiederum den zuvor abgeschalteten MOSFET 152 zurück in seinen leitenden Zustand schaltet, indem sie dessen Steuersignal 119a zurück auf einen ausreichend positi­ ven Wert stellt (d. h. ausreichend weit oberhalb der Schwellenspannung VT des MOSFETs 152).

Folglich befindet sich jeder MOSFET 152, 154, wenn er einge­ schaltet ist, in einem Zustand bidirektionaler Stromleitfähigkeit. Wenn beide MOSFETS 152, 154 abgeschaltet sind, liegt ein partieller Aus-Zu­ stand in dem Sinne vor, als eine einseitig gerichtete Stromleitfähigkeit aufgrund der Anwesenheit einer entsprechenden Substratdiode 162, 164 ge­ schaffen wird.

In Fig. 3 ist die Substratdiode 162 des ersten MOSFETs 152 dargestellt. Eine solche Substratdiode 162 wird gebildet, wenn sich ein Substrat 252 und der Sourceanschluß auf im wesentlichen gleichen Span­ nungspotentialen befinden.

Gemäß Fig. 4 umfaßt ein bidirektionaler Stromsteuerungsschalt­ kreis 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform den Stromsteuerungsschalt­ kreis 12 und eine Schaltungssteuereinheit 36. Wie bei dem bidirektiona­ len Stromsteuerungsschaltkreis 10 aus Fig. 1 fließen Ströme 11, 13 in Richtungen 1 und 2 in den und aus dem Stromsteuerungsschaltkreis 12 so­ wie zwischen den Stromsteuerungsschaltkreis 12 und einer externen Last (nicht gezeigt) und/oder einer Stromquelle (nicht gezeigt). Der Strom­ steuerungsschaltkreis 12 liefert Nachweissignale 37 an die Schaltungs­ steuereinheit 36, welche wiederum ein oder mehrere Steuersignale 19 an den Stromsteuerungsschaltkreis 12 liefert.

Gemäß Fig. 5 ist ein Stromsteuerungsschaltkreis 310 als weite­ re Ausführungsform des bidirektionalen Stromsteuerungsschaltkreises 30 aus Fig. 4 insbesondere zur Steuerung des Auf- und Entladens von auflad­ baren Batteriezellen 202 geeignet. Der Stromsteuerungsschaltkreis 310 umfaßt zwei Drain-angeschlossene MOSFETs 152, 154 in Reihe mit den Bat­ teriezellen 202. Alternativ können die MOSFETs 152, 154 Source-an-Source verbunden sein. Knoten 311 und 203 dienen als Anschlüsse für den Batte­ riesatz, welcher die Batteriezellen 202 und den Stromsteuerungsschalt­ kreis 310 enthält.

Der während des Auf- und Entladens zu überwachende Strom fließt in Richtungen 1 und 2 durch die MOSFETs 152, 154 während des Auf- bzw. Entladens. In beiden Fällen fällt eine Spannung über den MOSFETs 152, 154 an Knoten 311 und 313 ab. Diese Differenzspannung liefert zwei Spannungssignale 337a, 337b, die gemeinsam als differentielles Nachweis­ signal für eine Schaltungssteuereinheit 336 dienen. Wenn diese Spannungssignale 337a, 337b einen Überlaufstrom anzeigen, d. h. daß der Spannungsabfall über den MOSFETs 152, 154 (der Strom multipliziert mit der Summe der Drain-Source-Widerstände der MOSFETs 152, 154) größer als ein vorbestimmter Schwellenwert aufgrund übermäßigen Auf- oder Entladestroms ist, schaltet die Schaltungssteuereinheit 336 den jeweiligen MOSFET 152/154 ab, wobei das Steuersignal 119a/119c den Gateanschluß dieses MOSFETs 152/154 ansteuert.

Wenn beispielsweise ein übermäßiger Strom, wie er durch die Spannungssignale 337a/337b über den MOSFETs 152, 154 angezeigt wird, während des Aufladens in Richtung 1 fließt, wird der erste MOSFET 152 durch die Schaltungssteuereinheit 336 abgeschaltet, indem die Spannungsdifferenz zwischen der Gatespannung als Steuersignal 119a und der Sourcespannung als Steuersignal 119b gleich Null gesetzt wird. Umge­ kehrt wird während eines Überlaufstroms beim Entladen der Batteriezellen 202 der zweite MOSFET 154 durch die Schaltungssteuereinheit 336 abge­ schaltet, indem die Spannungsdifferenz zwischen der Gatespannung als Steuersignal 119c und der Sourcespannung als Steuersignal 119b gleich Null gesetzt wird. Die Verwendung von zwischen der Schaltungssteuerein­ heit 336 und Knoten 311 und 313 angeschlossenen Signalleitungen ist in­ sofern mehrfach, als während des Eingabe- oder Spannungslesemodus die Schaltungssteuereinheit 336 sie dazu verwendet, um die Spannungssignale 337a, 337b an den Sourceanschlüssen der MOSFETS 152, 154 zu überwachen, und im Ausgabemodus die Schaltungssteuereinheit 336 sie dazu verwendet, die Steuersignale 119a, 119b, 119c und 119d für die MOSFETs 152, 154 zu übertragen.

Auch wenn anderweitig abgeschaltet, ermöglicht jeder MOSFET 152, 154 eine Stromfluß in die entgegengesetzte Richtung durch die je­ weilige Substratdiode 162, 164, vorausgesetzt, daß der andere MOSFET 152, 154 noch eingeschaltet ist. Wenn beispielsweise ein Überlaufstrom während eines Stromfluß in Richtung 1 auftritt, wodurch der erste MOSFET 152 abgeschaltet wird, ist immer noch ein Entladestrom in Richtung 2 durch die Substratdiode 262 dieses MOSFETs 152 möglich, da der zweite MOSFET 154 noch eingeschaltet ist. Dies ermöglicht es Batteriezellen 202, welche keine Ladung mehr akzeptieren sollten, keine Ladeströme (Richtung 1) zu akzeptieren, während sie immer noch den Fluß von Entla­ deströmen (Richtung 2) ermöglichen.

Das Vorliegen eines Entladestroms (Richtung 2) nach einem Feh­ lerzustand und einem Abschalten des ersten MOSFETs 152 während eines La­ dungsstromflusses (Richtung 1) zeigt aufgrund des entgegengesetzten Stromflusses an, daß ein sicherer Betriebszustand wiederhergestellt wor­ den ist. Der resultierende entgegengesetzte Spannungsabfall über der zu­ gehörigen Substratdiode 162 zeigt diese Rückkehr zu einem sicheren Be­ triebszustand der Schaltungssteuereinheit 336 an, die wiederum den zuvor ausgeschalteten MOSFET 152 zurück in seinen leitenden Zustand schaltet, indem sie dessen Steuerungssignal 119a zurück auf einen ausreichend po­ sitiven Wert (d. h. ausreichend oberhalb des Schwellenwertes VT des MOS­ FETs 152) setzt. Diese Rückkehr zu einem sicheren Betriebszustand wird durch die Schaltungssteuereinheit 336 erkannt, da der Spannungsabfall über der Substratdiode 162 einige Zehntel V beträgt, gegenüber einigen Tausendstel V, die üblicherweise über einem komplett leitenden (d. h. eingeschalteten) MOSFET mit entsprechend niedrigem Drain-Source-Wider­ stand auftreten, und weil die Polarität dieser Spannung gegenüber der ursprünglichen Spannung beim Auftreten der ursprünglichen Überlaufstrom­ bedingung umgekehrt ist.

Die Schaltungssteuereinheiten 116, 336 können mittels einer von vielen bekannten Techniken zum Überwachen differentieller Spannungen und Erzeugen entsprechender Ausgangsspannungen verwirklicht werden. Bei­ spiele für geeignete Schaltungssteuereinheiten 336 sind in US 5 534 788 und in der US-Patentanmeldung 08/801,162 zu finden.

Claims (10)

1. Stromsteuerungsschaltkreis zur Steuerung des Auf- und Ent­ ladens aufladbarer Batteriezellen (202), welcher in einem eingeschalte­ ten Zustand eine bidirektionale Stromleitfähigkeit aufweist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in einem ersten partiell ausgeschalteten Zustand eine erste einseitig gerichtete Stromleitfähigkeit in einer ersten Richtung (1) und in einem zweiten partiell ausgeschalteten Zustand eine zweite einseitig gerichtete Stromleitfähigkeit in einer zweiten Richtung (2) entgegengesetzt zur ersten Richtung (1) vorliegt, wobei ein mit dem Stromsteuerungsschaltkreis gekoppelter Stromnachweisschaltkreis (14) zum Nachweis der Größe und der Richtung eines durch den Stromsteuerungs­ schaltkreis geleiteten Stroms und eine an den Stromsteuerungsschaltkreis und den Stromnachweisschaltkreis (14) gekoppelte Schaltungssteuereinheit (16, 36, 116, 336) vorgesehen sind, wobei mittels der Schaltungssteuer­ einheit (16, 36, 116, 336) der Stromsteuerungsschaltkreis im eingeschal­ teten Zustand haltbar ist, wenn der Strom kleiner als ein erster und ein zweiter Maximalstrom ist, aus dem eingeschalteten Zustand in den ersten partiell ausgeschalteten Zustand schaltbar ist, wenn der Strom in der zweiten Richtung (2) fließt und größer als der zweite Maximalstrom ist, aus dem ersten partiell ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand schaltbar ist, wenn die Stromrichtung von der zweiten Richtung (2) zur ersten Richtung (1) wechselt und der Strom größer als ein erster Minimalstrom ist, aus dem eingeschalteten Zustand in den zweiten par­ tiell ausgeschalteten Zustand schaltbar ist, wenn der Strom in der er­ sten Richtung (1) fließt und größer als der erste Maximalstrom ist und aus dem zweiten partiell ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand schaltbar ist, wenn die Stromrichtung von der ersten Richtung (1) zur zweiten Richtung (2) wechselt und der Strom größer als ein zwei­ ter Minimalstrom ist.

2. Stromsteuerungsschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei in Reihe geschaltete Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (152, 154) vorgesehen sind.

3. Stromsteuerungsschaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Dioden (162, 164) vorgesehen sind.

4. Stromsteuerungsschaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltungsanordnung in integrierter Form vorliegt und die Dioden (162, 164) Substratdioden zu den jeweiligen Metalloxidhalb­ leiter-Feldeffekttransistoren (152, 154) in integrierter Form bilden.

5. Stromsteuerungsschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromnachweisschaltkreis (14) einen in Reihe geschalteten Widerstand (114) umfaßt.

6. Stromsteuerungsschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Schaltungssteuereinheit (16, 36, 116, 336) zwei Schaltungskreise gekoppelt sind, wobei dem ersten par­ tiell ausgeschalteten Zustand der ausgeschaltete Zustand des einen Schaltungskreises und dem zweiten partiell ausgeschalteten Zustand der ausgeschaltete Zustand des anderen Schaltungskreises entspricht.

7. Stromsteuerungsschaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest einer der Schaltungskreise einen der Metalloxid­ halbleiter-Feldeffekttransistoren (152, 154) umfaßt.

8. Stromsteuerungsschaltkreis nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungskreise jeweils zum Empfang eines Steu­ ersignals (119a, 119b, 119c, 119d) mit jeweils einem Freigabe-und einem Sperrzustand zur Schaffung einer bidirektionalen Leitfähigkeit bzw. ei­ ner einseitig gerichteten Leitfähigkeit, wobei die einseitig gerichteten Leitfähigkeiten der Schaltungskreise einander entgegengesetzt sind, aus­ gelegt sind.

9. Stromsteuerungsschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend einem durch den Stromsteue­ rungsschaltkreis fließenden Strom eine Vielzahl von Signalen (117a, 117b, 337a, 337b) erzeugbar ist, welche eine aufgrund des Stromflusses über dem Stromsteuerungsschaltkreis abfallende Spannung identifizieren, die bei einem Stromfluß in der ersten (1) bzw. zweiten (2) Richtung eine jeweils entgegengesetzte Polarität aufweist.

10. Stromsteuerungsschaltkreis nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an den gegenüberliegenden Enden der Schaltungskreise jeweils Anschlüsse zur Erzeugung der Vielzahl von Signalen (117a, 117b, 337a, 337b) vorgesehen sind.