DE19824283B4

DE19824283B4 - Stromsteuerungsschaltkreis

Info

Publication number: DE19824283B4
Application number: DE19824283A
Authority: DE
Inventors: Gregory J. Tuscon Smith; Stuart Tuscon Shacter; Steve Tuscon Martinez
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2018-05-30
Also published as: DE19824283A1; US5883495A; KR19990013384A

Abstract

Stromsteuerungsschaltkreis zur Steuerung des Auf- und Entladens aufladbarer Batteriezellen (202), welcher in einem eingeschalteten Zustand eine bidirektionale Stromleitfähigkeit aufweist, wobei 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 Stromsteuerungsschaltkreis geleiteten Stroms und eine an den Stromsteuerungsschaltkreis und den Stromnachweisschaltkreis (14) gekoppelte Schaltungssteuereinheit (16, 36, 116, 336) vogesehen sind, wobei mittels der Schaltungssteuereinheit (16, 36, 116, 336) der Stromsteuerungsschaltkreis im eingeschalteten 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...

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 Entladens aufladbarer Batteriezellen einschließlich Lithium- und Lithiumionenbatteriezellen, wie sie in tragbaren Computern verwendet werden.
Bei sekundären (aufladbaren) Batteriezellen ist ein Schutz vor anhaltendem Überladen, Über-Entladen sowie Überlauf strömen 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 Aufladungsbetrieb innerhalb spezifischer Spannungsgrenzen ausfallen. Solche MOSFET-Schalter werden üblicherweise von Schutzschaltungen innerhalb des Batteriesatzes 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 MOSFETs 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 Betriebszustandes des Batteriesatzes (z.B. der Temperatur etc.) oder der Klemmenspannungen an den MOSFETs. Ein derartiger gattungsgemäßer Stromsteuerschaltkreis, bei dem die Spannung an den MOSFETs überwacht wird, ist aus der US 5 534 788 A bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromsteuerungsschaltkreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der nach einer Rückkehr zum sicheren Betriebszustand selbsterholend ist.

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

Hierdurch wird ein Stromsteuerungsschaltkreis geschaffen, der aus einem partiell ausgeschalteten Zustand bei einem Stromrichtungswechsel und Überschreiten eines Mindeststroms einschaltbar und somit 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 beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Stromsteuerungsschaltkreises gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines bidirektionalen Stromsteuerungsschaltkreises zur Steuerung des Auf- und Entladens aufladbarer Batteriezellen gemäß einer weiteren Ausführungsform.
3 zeigt einen Querschnitt eines der Schutz-MOSFET-Sauelemente im Schaltkreis aus 2.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Stromsteuerungsschaltkreises gemäß einer weiteren Ausführungsform.
5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines bidirektionalen Stromsteuerungsschaltkreises zur Steuerung des Auf- und Entladens aufladbarer Batteriezellen gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Gemäß 1 umfaßt ein bidirektionaler Stromsteuerungsschaltkreis gemäß einer ersten Ausführungsform einen Stromsteuerungsschaltkreis 12, einen Stromnachweisschaltkreis 14 und eine Schaltungssteuereinheit 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 Stromsteuerungsschaltkreis 12 und einer externen Last (nicht dargestellt) und/oder einer Stromquelle (nicht dargestellt). Der Stromnachweisschaltkreis 14 liefert ein oder mehrere Stromnachweissignale 17 an die Schaltungssteuereinheit 16, die wiederum ein oder mehrere Steuersignale 19 an den Stromsteuerungsschaltkreis 12 liefert.
Gemäß 2 ist ein Stromsteuerungsschaltkreis 110 als eine weitere Ausführungsform des bidirektionalen Stromsteuerungsschaltkreises 10 aus 1 besonders zur Steuerung des Auf- und Entladens aufladbarer Batteriezellen 202 geeignet. Dieser Stromsteuerungsschaltkreis 110 enthält zwei MOSFETs 152, 154 mit Drainanschluß und einen niedrigwertigen Präzisionswiderstand 114, alle in Reihe mit den Batteriezellen 202 geschaltet. Alternativ können die MOSFETS 152, 154 auch Source-an-Source verbunden sein. Knoten 111 und 203 dienen als Anschlüsse für den Batteriesatz, welcher die Batteriezellen 202 und den Stromsteuerungsschaltkreis 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-Widerstandsspannungsabfall größer als ein vorbestimmter Schwellenwert infolge eines übermäßigen Auf- oder Entladestroms ist, schaltet die Schaltungssteuereinheit 116 den jeweiligen MOSFET 152/154 mit einem den Gateanschluß dieses MOSFET 152/154 ansteuernden Steuersignal 199a/119c ab.
Wenn beispielsweise ein übermäßiger Strom, wie durch die Spannungssignale 117a, 117b am Präzisionswiderstand 114 identifiziert, während des Aufladens in die Richtung 1 fließt, wird der erste MOSFET 152 über die Schaltungssteuereinheit 116 abgeschaltet, indem die Spannungsdifferenz 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 Stromflusses in Richtung 1 ein Überlaufstrom auftritt, wodurch der erste MOSFET 152 abgeschaltet wird, ist in Richtung 2 immer noch ein Entladestrom durch die Substratdiode 162 des MOSFETs 152 möglich, da der zweite MOSFET 154 noch eingeschaltet ist. Dies ermöglicht es den Batteriezellen 202, die keine Ladung mehr akzeptieren können, keine Ladeströme (Richtung 1) mehr zu akzeptieren, während sie immer noch das Fließen von Entladeströmen (Richtung 2) ermöglichen.
Das Vorliegen eines Entladestroms (Richtung 2) nach einem Fehlerzustand und einem Abschalten des ersten MOSFETs 152 während eines Ladungstromflusses (Richtung 1) zeigt aufgrund des entgegengesetzten Stromflusses an, daß ein sicherer Betriebszustand wiederhergestellt worden 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 positiven Wert stellt (d.h. ausreichend weit oberhalb der Schwellenspannung V_T des MOSFETs 152).
Folglich befindet sich jeder MOSFET 152, 154, wenn er eingeschaltet ist, in einem Zustand bidirektionaler Stromleitfähigkeit. Wenn beide MOSFETS 152, 154 abgeschaltet sind, liegt ein partieller Aus-Zustand in dem Sinne vor, als eine einseitig gerichtete Stromleitfähigkeit aufgrund der Anwesenheit einer entsprechenden Substratdiode 162, 164 geschaffen wird.
In 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 Spannungspotentialen befinden.
Gemäß 4 umfaßt ein bidirektionaler Stromsteuerungsschaltkreis 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform den Stromsteuerungsschaltkreis 12 und eine Schaltungssteuereinheit 36. Wie bei dem bidirektionalen Stromsteuerungsschaltkreis 10 aus 1 fließen Ströme 11, 13 in Richtungen 1 und 2 in den und aus dem Stromsteuerungsschaltkreis 12 sowie zwischen den Stromsteuerungsschaltkreis 12 und einer externen Last (nicht gezeigt) und/oder einer Stromquelle (nicht gezeigt). Der Stromsteuerungsschaltkreis 12 liefert Nachweissignale 37 an die Schaltungssteuereinheit 36, welche wiederum ein oder mehrere Steuersignale 19 an den Stromsteuerungsschaltkreis 12 liefert.
Gemäß 5 ist ein Stromsteuerungsschaltkreis 310 als weitere Ausführungsform des bidirektionalen Stromsteuerungsschaltkreises 30 aus 4 insbesondere zur Steuerung des Auf- und Entladens von aufladbaren Batteriezellen 202 geeignet. Der Stromsteuerungsschaltkreis 310 umfaßt zwei Drain-angeschlossene MOSFETs 152, 154 in Reihe mit den Batteriezellen 202. Alternativ können die MOSFETs 152, 154 Source-an-Source verbunden sein. Knoten 311 und 203 dienen als Anschlüsse für den Batteriesatz, welcher die Batteriezellen 202 und den Stromsteuerungsschaltkreis 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 Nachweissignal 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 952, 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. Umgekehrt wird während eines Überlaufstroms beim Entladen der Batteriezellen 202 der zweite MOSFET 154 durch die Schaltungssteuereinheit 336 abgeschaltet, indem die Spannungsdifferenz zwischen der Gatespannung als Steuersignal 119c und der Sourcespannung als Steuersignal 119b gleich Null gesetzt wird. Die Verwendung von zwischen der Schaltungssteuereinheit 336 und Knoten 311 und 313 angeschlossenen Signalleitungen ist insofern 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, 919c 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 jeweilige 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 162 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 Entladeströmen (Richtung 2) ermöglichen.
Das Vorliegen eines Entladestroms (Richtung 2) nach einem Fehlerzustand und einem Abschalten des ersten MOSFETs 152 während eines Ladungsstromflusses (Richtung 1) zeigt aufgrund des entgegengesetzten Stromflusses an, daß ein sicherer Betriebszustand wiederhergestellt worden ist. Der resultierende entgegengesetzte Spannungsabfall über der zugehörigen Substratdiode 162 zeigt diese Rückkehr zu einem sicheren Betriebszustand 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 positiven Wert (d.h. ausreichend oberhalb des Schwellenwertes V_T des MOSFETs 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-Widerstand auftreten, und weil die Polarität dieser Spannung gegenüber der ursprünglichen Spannung beim Auftreten der ursprünglichen Überlaufstrombedingung umgekehrt ist.
Die Schaltungssteuereinheiten 116, 336 können mittels einer von vielen bekannten Techniken zum Überwachen differentieller Spannungen und Erzeugen entsprechender Ausgangsspannungen verwirklicht werden. Beispiele für geeignete Schaltungssteüereinheiten 336 sind in US 5 534 788 A und in US 5 703 463 A zu finden.

Claims

Stromsteuerungsschaltkreis zur Steuerung des Auf- und Entladens aufladbarer Batteriezellen (202), welcher in einem eingeschalteten Zustand eine bidirektionale Stromleitfähigkeit aufweist, wobei 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 Stromsteuerungsschaltkreis geleiteten Stroms und eine an den Stromsteuerungsschaltkreis und den Stromnachweisschaltkreis (14) gekoppelte Schaltungssteuereinheit (16, 36, 116, 336) vogesehen sind, wobei mittels der Schaltungssteuereinheit (16, 36, 116, 336) der Stromsteuerungsschaltkreis im eingeschalteten 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, aus dem eingeschalteten Zustand in den zweiten partiell ausgeschalteten Zustand schaltbar ist, wenn der Strom in der ersten Richtung (1) fließt und größer als der erste Maximalstrom ist und aus dem zweiten partiell ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsteuerungsschaltkreis 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, 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 zweiter Minimalstrom ist.
Stromsteuerungsschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Reihe geschaltete Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (152, 154) vorgesehen sind.
Stromsteuerungsschaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Dioden (162, 164) vorgesehen sind.
Stromsteuerungsschaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung in integrierter Form vorliegt und die Dioden (162, 164) Substratdioden zu den jeweiligen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (152, 154) in integrierter Form bilden.
Stromsteuerungsschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromnachweisschaltkreis (14) einen in Reihe geschalteten Widerstand (114) umfaßt.
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 partiell ausgeschalteten Zustand der ausgeschaltete Zustand des einen Schaltungskreises und dem zweiten partiell ausgeschalteten Zustand der ausgeschaltete Zustand des anderen Schaltungskreises entspricht.
Stromsteuerungsschaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Schaltungskreise einen der Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (152, 154) umfaßt.
Stromsteuerungsschaltkreis nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungskreise jeweils zum Empfang eines Steuersignals (119a, 119b, 119c, 119d) mit jeweils einem Freigabe- und einem Sperrzustand zur Schaffung einer bidirektionalen Leitfähigkeit bzw. einer einseitig gerichteten Leitfähigkeit, wobei die einseitig gerichteten Leitfähigkeiten der Schaltungskreise einander entgegengesetzt sind, ausgelegt sind.
Stromsteuerungsschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend einem durch den Stromsteuerungsschaltkreis 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.
Stromsteuerungsschaltkreis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an den gegenüberliegenden Enden der Schaltungskreise jeweils Anschlüsse zur Erzeugung der Vielzahl von Signalen (117a, 117b, 337a, 337b) vorgesehen sind.