DE19706946C2

DE19706946C2 - Battierüberwachungseinheit

Info

Publication number: DE19706946C2
Application number: DE19706946A
Authority: DE
Inventors: Alf Blessing; Peter Hille
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-02-21
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 2000-06-21
Anticipated expiration: 2017-02-22
Also published as: GB9803756D0; GB2322488A; DE19706946A1; US5977751A; GB2322488B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Batterieüberwachungseinheit mit einem in eine Batteriezuleitung eingeschleiften Leistungs halbleiterschalter.

Eine derartige Batterieüberwachungseinheit wurde von der Firma White Products auf der 15. Tagung "Elektronik im Kraftfahrzeug" 1995 in Essen in Form einer an eine Batterieklemme angekoppelten Baueinheit für Kraftfahrzeugbatterien vorgestellt. Der Lei stungshalbleiterschalter dient dort dazu, den Batteriestrom ge steuert abschalten zu können, beispielsweise als Fremdnutzungs schutz für das Kraftfahrzeug oder als Kurzschlußsicherung.

In der Offenlegungsschrift DE 43 39 568 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung des Ladezustands einer Batterie offenbart, mit welcher eine Ladebilanz der Batterie durch Auswertung des Lade- und des Entladestromes durchgeführt und mit Hilfe einer Messung der Batterieruhespannung überprüft und korrigiert wird. Weiter ist die Anwendung dieser Vorgehensweise bei einem Fahrzeugbord netz gezeigt, das einen Generator, dessen Ausgangsspannung von einem Spannungsregler geregelt wird, eine Batterie, die vom Ge nerator geladen wird, und Bordnetzverbraucher umfaßt, die über Schaltmittel an die vom Generator bzw. der Batterie bereitge stellte Versorgungsspannung angelegt werden können. Das Verfah ren zur Ladezustandsermittlung der Batterie ist in einer Rechen einrichtung implementiert, welche geeignete Meßwerte empfängt, insbesondere bezüglich der Batteriespannung, der Ruhespannung, des Ladestroms, des Entladestroms sowie der Temperatur der Bat terie.

Aus der Patentschrift DE 38 35 662 C2 ist es bekannt, einen MOS FET als Verpolschutz innerhalb einer Vorrichtung zur Ansteuerung induktiver Verbraucher in einem Kraftfahrzeug einzusetzen.

In der Patentschrift US 5.084.633 ist eine Schaltungsanordnung zur bidirektionalen Stromerfassung für Leistungs-MOSFET, spezi ell für DMOST beschrieben, wozu der jeweilige DMOST so herge stellt wird, daß er einen relativ niederomigen Abtastwiderstand in Reihe mit dem Drain-Anschluß aufweist.

Auf dem Gebiet der Leistungs-FET, die sich aus einer Vielzahl parallel geschalteter, integrierter Einzel-FET-Bauelemente zu sammensetzen, sind sogenannte Sense-FET-Schaltungsanordnungen bekannt, die es ermöglichen, die über den Leistungs-FET fließen de, häufig vergleichsweise hohe Stromstärke relativ verlustarm zu messen. Hierzu werden einige wenige FET-Einzelbauelemente zu einem sogenannten Sense-FET-Teil zusammengefaßt, während die große Anzahl übriger FET-Einzelbauelemente den eigentlichen Lei stungsteil bildet, der mit seiner Source-Drain-Strecke im Lei stungsstromkreis liegt. Durch eine geeignete Verschaltung wird dafür gesorgt, daß über den Sense-FET-Teil ein Bruchteil des über die Leistungsstrecke fließenden Stroms abgezweigt wird, der gerade dem Bruchteil der Anzahl von Sense-FET-Einzelbauelementen zu derjenigen der Leistungs-FET-Einzelbauelemente entspricht. Dieser folglich gegenüber demjenigen in der Leistungsstrecke merklich geringere, abgezweigte Meßstrom kann mit geringer Ver lustleistung, z. B. als Spannungsabfall an einem Sense-Wider stand, gemessen werden. Solche Sense-FET-Schaltungsanordnungen sind beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 195 20 735 A1 und der dort zitierten Literatur beschrieben.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Batterieüberwachungseinheit zugrunde, die mit vergleichs weise geringem Aufwand in schaltungstechnisch günstiger Weise die Möglichkeit einer gesteuerten Batteriestromabschaltung und/oder die Möglichkeit einer bidirektionalen Batteriestromer fassung bietet, mit der eine Ladezustandsüberwachung für die Batterie realisierbar ist.

Die Erfindung löst dieses Problem, durch die Bereitstellung einer Batterieüberwachungseinheit mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, 2, 4 oder 5. Diese Batterieüberwachungseinheit enthält eine Sen se-FET-Schaltungsanordnung, die so ausgelegt ist, daß sie mit einem Sense-FET-Teil den Batteriestrom, d. h. den Lade- und Ent ladestrom der Batterie, bidirektional zu erfassen vermag, so daß durch kontinuierliche Batteriestromüberwachung eine Ladezu standsbilanzierung für die Batterie ermöglicht wird. Gleichzei tig dient der Leistungs-FET-Teil der Sense-FET-Schaltungsanord nung als ansteuerbarer, in die Batteriezuleitung eingeschleifter Leistungshalbleiterschalter, über den der Batteriestrom bei Be darf, z. B. bei einer Anwendung für Kraftfahrzeugbatterien als Fremdnutzungsschutz für das Kraftfahrzeug oder zur Kurzschlußsi cherung, abgeschaltet werden kann.

Des weiteren beinhaltet beider Batterieüberwachungseinheit nach Anspruch 1 die Sense-FET-Schaltungsanordnung speziell eine ein zelne Sense-FET-Gruppe mit zwei Stromauskopplungspfaden sowie eine an einen dieser Pfade angeschlossene Stromspiegelschaltung, so daß eine bidirektionale Stromerfassung mittels der einzelnen Sense-FET-Gruppe erreicht wird.

Bei der Batterieüberwachungseinheit nach Anspruch 2 besteht die Sense-FET-Schaltungsanordnung speziell aus zwei parallelen, ge gensätzlich gepolten Sense-FET-Gruppen zur Erzielung einer bidi rektionalen Stromerfassung.

Bei einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Batterieüberwachungs einheit ist die Möglichkeit eines Offsetspannungsabgleichs für die jeweilige Sense-FET-Gruppe geschaffen.

Bei der Batterieüberwachungseinheit nach Anspruch 4 dient der dazu passend ausgelegte Leistungs-FET-Teil der Sense-FET- Schaltungsanordnung zusätzlich als Verpolschutz, wozu der Lei stungs-FET-Teil zwei in Serie geschaltete, gegensätzlich gepolte Leistungs-FET-Gruppen aufweist.

Bei der Batterieüberwachungseinheit nach Anspruch 5 ist der Lei stungs-FET-Teil in mehrere Gruppen aufgeteilt, die separat ab schaltbar sind, was es erlaubt, das Verhältnis zwischen Last strom und Sense-Strom an die Höhe des Laststroms anzupassen.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 ist die Batterieüberwachungseinheit als batterieklemmennah positionierte Baueinheit realisiert, oder sie ist mit der zugehörigen Batte rieklemme zu einem einzigen Bauteil integriert.

Bei einer nach Anspruch 7 weitergebildeten Batterieüberwachungs einheit beinhaltet die Sense-FET-Schaltungsanordnung zur Auswer tung des erfaßten Batteriestromsignals einen geeigneten Auswer teschaltkreis, insbesondere in Form eines Stromspiegel- Schaltkreises, der das Stromsignal in ein unsymmetrisches, mas sebezogenes Signal umformt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie eine zu derem besserem Verständnis dienende, herkömmliche Sense-FET-Grund schaltung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nach folgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Batterieüberwachungseinheit mit ei ner Sense-FET-Schaltungsanordnung zur bidirektionalen Batteriestromerfassung mittels einer einzelnen Sense-FET- Gruppe,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Batterieüberwachungseinheit analog Fig. 1, jedoch mit einer Sense-FET-Schaltungsanordnung mit zwei Sense-FET-Gruppen,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Batterieüberwachungseinheit ähnlich Fig. 2, jedoch mit einem Leistungs-FET-Teil, der eine zu sätzliche Verpolschutzfunktion erfüllt, und

Fig. 4 ein Schaltbild einer herkömmlichen Sense-FET-Grundschal tung.

Zum besseren Verständnis der unten beschriebenen, erfindungsge mäßen Batterieüberwachungseinheiten wird zunächst die in Fig. 4 gezeigte, herkömmliche Sense-FET-Grundschaltung erläutert, die als Basis für Sense-FET-Schaltungsanordnungen dient, welche in den Batterieüberwachungseinheiten vorgesehen sind. Grundlegendes Bauteil der Sense-FET-Grundschaltung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, ist ein als integriertes Bauelement realisierter Leistungs- MOSFET, der typischerweise aus mehreren tausend bis mehreren zehntausend MOSFET-Einzelbauelementen besteht. Der Großteil hiervon, z. B. etwa fünfzigtausend, sind parallel geschaltet und bilden dadurch einen Leistungs-FET-Teil, der durch einen n- Kanal-MOSFET 1 repräsentiert ist. Einige wenige MOSFET-Einzel bauelemente, z. B. zehn, sind ihrerseits parallel geschaltet und bilden einen Sense-FET-Teil, der durch einen weiteren n-Kanal- MOSFET 2 repräsentiert ist. Die Gate-Anschlüsse sowohl des Lei stungs-FET-Teils 1 als auch des Sense-FET-Teils 2 sind zusammen geschaltet. Außerdem werden beide MOSFET-Teile 1, 2 über diesel be, nicht weiter gezeigte Gate-Spannung angesteuert, und die Drainanschlüsse beider FET-Teile 1, 2 sind zusammengeschaltet.

Der Leistungs-FET-Teil 1 liegt mit seiner Source-Drain-Strecke im Leistungsstromkreis 3, in dem sich beispielhaft eine ohmsche Last 4 befindet und dessen Stromstärke zu messen ist. Ein Opera tionsverstärker 5 bildet mit einem p-Kanal-MOSFET 6, dessen Ga te-Elektrode vom Operationsverstärker 5 angesteuert wird, einen Stromspiegel, durch den der Sense-FET-Teil 2 auf die gleiche Source-Spannung wie der Leistungs-FET-Teil 1 geregelt und ein Sense-Strom IS erzeugt wird, der über einen Sense-Widerstand 7 geführt wird. Dabei ist der invertierende Eingang des Operati onsverstärkers 5 mit dem Source-Anschluß des Sense-FET-Teils 2 verbunden, während der nichtinvertierende Eingang desselben mit dem Source-Anschluß des Leistungs-FET-Teils 1 verbunden ist. Ei ne Zenerdiode 8 dient als Schutzdiode.

Am Sense-Widerstand 7 wird eine Meßspannung U_M abgegriffen, die ein proportionales Maß für den zwischen Masse und positiver Ver sorgungsspannung U_V über die Last 4 fließenden Strom im Lei stungsstromkreis 3 ist. Bei einer angenommenen Leistungsstrom stärke von 5 A ergibt sich bei dem beispielhaft angegebenen Ver hältnis der Anzahl von Einzeltransistoren im Sense-FET-Teil 2 zu derjenigen im Leistungs-FET-Teil 1 von 1/5000 ein Sense-Strom von nur etwa 1 mA, so daß die ohmschen Meßverluste am Sense- Widerstand entsprechend gering bleiben.

In den nun beschriebenen Batterieüberwachungseinheiten wird die ses Sense-FET-Meßprinzip auf verschiedene Weisen so verwendet, daß eine bidirektionale Batteriestromerfassung mit gleichzeiti ger Batteriestromabschaltmöglichkeit und gegebenenfalls zusätz lichem Verpolschutz erreicht wird. Alle drei in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Batterieüberwachungseinheiten können als batterieklem mennahe Baueinheiten realisiert sein, oder sie können mit einer zugehörigen Batterieklemme in einem gemeinsamen Bauteil inte griert sein, das dann als intelligente Batterieklemme angespro chen werden kann. Ein wichtiger Anwendungsfall ist die Überwa chung von Kraftfahrzeugbatterien, wobei in den Fig. 1 bis 3 je weils ein batterieseitiger Abschnitt 9 und ein bordnetzseitiger Abschnitt 10 der Batteriezuleitung wiedergegeben sind.

Bei der Batterieüberwachungseinheit von Fig. 1 ist eine Sense- FET-Schaltungsanordnung zur bidirektionalen Batteriestromerfas sung vorgesehen, die einen Leistungs-MOSFET-Teil 11 beinhaltet, der in die Batteriezuleitung 9, 10 eingeschleift und in Fig. 1 durch zwei parallel geschaltete Leistungs-FET-Gruppen 11a, 11b repräsentiert ist, von denen jede eine eigene Gateansteuerung 12a, 12b besitzt. Des weiteren beinhaltet die Sense-FET-Schal tungsanordnung einen Sense-FET-Teil in Form einer einzelnen Sen se-MOSFET-Gruppe 13, deren Gate-Anschluß mit dem Gate-Anschluß einer der beiden Leistungs-FET-Gruppen 11a, 11b zusammengeschal tet ist, während ihr Drain-Anschluß mit den Drain-Anschlüssen beider Leistungs-FET-Gruppen 11a, 11b zusammengeschaltet ist. Für den Leistungs-FET-Teil 11 und den Sense-FET-Teil 13 sind im allgemeinen n-Kanal-MOSFET bevorzugt, da sie höhere Ströme er möglichen. Die Teilung des Leistungs-FET 11 in mehrere Unter gruppen, z. B. die zwei Untergruppen 11a und 11b, erlaubt es, das Verhältnis zwischen Laststrom und Sense-Strom der Höhe des Last stroms anzupassen. So kann bei niedrigem Laststrom ein Teil der Untergruppen abgeschaltet werden, wodurch die Meßbeschaltung in einem günstigen Arbeitsbereich betrieben wird. Die Genauigkeit der Strommessung für niedrige Lastströme läßt sich dadurch erhö hen.

Die Sense-FET-Schaltungsanordnung beinhaltet des weiteren einen Operationsverstärker 14 und einen p-Kanal-MOSFET 15, über den der Sense-Strom des Sense-FET-Teils 13 in der einen Stromrich tung über einen ersten Widerstand R1 nach Masse geführt wird. Um auch einen in der anderen Richtung fließenden Sense-Strom erfas sen zu können und damit eine bidirektionale Stromerfassung zu ermöglichen, sind ein n-Kanal-MOSFET 20, dessen Gate-Anschluß parallel zu demjenigen des p-Kanal-MOSFET 15 vom Operationsver stärker 14 angesteuert wird, und eine anschließende, von einer Hilfsspannung VH gespeiste Stromspiegelschaltung mit zwei p- Kanal-MOSFET 16, 17 und einem zweiten Widerstand R2 vorgesehen, auf den der in dieser Richtung fließende Sense-Strom des Sense- FET-Teils 13 gespiegelt wird. Als Meßspannung U_D dient die Span nungsdifferenz zwischen den Potentialen an den beiden Sense- Widerständen R1, R2.

Entsprechend dem Sense-FET-Prinzip ist der Operationsverstärker 14 mit seinem invertierenden Eingang an den Source-Anschluß des Sense-FET-Teils 13 angeschlossen, während sein nichtinvertieren der Eingang zur Batteriezuleitung 9, 10 geführt ist, deren Stromstärke gemessen werden soll. Diese Anbindung des nichtin vertierenden Operationsverstärkereingangs an die Batteriezulei tung 9, 10 erfolgt über einen Analogmultiplexer 18, mit dem ein Offsetabgleich bewirkt wird. Dazu legt der Analogmuliplexer 18 auf ein Steuersignal 19 hin das Potential des batterieklemmen seitigen Abschnitts 9 der Batteriezuleitung 9, 10 an den nicht invertierenden Operationsverstärkereingang, wodurch sich über dem Sense-FET-Teil 13 genau die Offsetspannung abbildet. Der daraus resultierende Sense-Strom wird gemessen und zur Korrektur in einem nicht gezeigten Microcontroller der Batterieüberwa chungseinheit gespeichert. Durch periodische Wiederholung dieses Abgleichvorgangs kann jegliche Offsetdrift erfaßt und eliminiert werden.

Die Batterieüberwachungseinheit von Fig. 1 leistet auf diese Weise eine sehr zuverlässige, bidirektionale, kontinuierliche Stromerfassung mit einer Genauigkeit im Prozentbereich. Dies macht ein Batteriemanagement durch den Microcontroller der Bat terieüberwachungseinheit möglich, indem die Lade- und Entlade ströme der Batterie integral erfaßt werden, so daß der Microcon troller jederzeit über den Ladezustand der Batterie informiert ist. Zudem ermöglicht die Ansteuerbarkeit des in die Batteriezu leitung 9, 10 eingeschleiften Leistungs-FET-Teils 11 der Sense- FET-Schaltungsanordnung eine kontrollierte Unterbrechung des Batteriestromkreises auf dessen Seite hohen Potentials. Dies kann beispielsweise als Fremdnutzungsschutz für das Fahrzeug oder als Kurzschlußsicherung z. B. vorbeugend bei erkannter Un fallgefahr verwendet werden. Für die Batterieüberwachungseinheit von Fig. 1 ist ein üblicher Sense-FET-Teil einsetzbar, dessen Meßzellen kontinuierlich betrieben werden, so daß keine Verfäl schung des Meßergebnisses durch Schaltschwellen oder ähnliches auftritt, wobei auf einfache Weise ein Offsetabgleich realisiert ist.

Beim Schaltungsaufbau von Fig. 1 wird die Hilfsspannung (VH), mit welcher der Stromspiegel betrieben wird, mit dem gesamten Sense-Strom belastet, was bei verhältnismäßig hohen Sense- Strömen von z. B. 10 mA bis 50 mA mit einer üblichen Ladungspumpe allein nicht ohne weiteres zu bewältigen ist. Allerdings tritt dieser hohe Sense-Strom nur beim Laden der Batterie auf, während er sich bei der Überwachung der Entladung der Batterie im Ruhe zustand auf den Betriebsstrom des Operationsverstärkers 14 redu ziert. Über eine von einem Watchdog-Element gesteuerte Schlaf funktion kann dann der Eigenstromverbrauch der Schaltung bis auf ein nicht mehr nennenswertes Maß reduziert werden. Es versteht sich, daß neben den in Fig. 1 explizit gezeigten Schaltungsele menten im allgemeinen weitere, periphere Schaltungskomponenten in der Batterieüberwachungseinheit vorhanden sind, wie eine Schutzbeschaltung und eine zweckmäßige Ruhestromeinstellung der beiden, im jeweiligen Sense-FET-Stromauskoppelungspfad liegen den, gemeinsam vom Operationsverstärker 14 angesteuerten MOSFET 15, 20.

In Fig. 2 ist eine gegenüber derjenigen von Fig. 1 modifizierte Batterieüberwachungseinheit gezeigt, wobei funktionsgleiche Ele mente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und insoweit auf die Beschreibung von Fig. 1 verwiesen werden kann. Die Bat terieüberwachungseinheit von Fig. 2 beinhaltet eine Sense-FET- Schaltungsanordnung mit dem gleichen Leistungs-FET-Teil 11 in der Batteriezuleitung 9, 10 wie in Fig. 1 samt zugehöriger Gate ansteuerung 12a, 12b. Jedoch beinhaltet ihr Sense-FET-Teil 21 zwei Sense-FET-Gruppen 21a, 21b, deren Gate-Anschlüsse gemeinsam an den Gate-Anschluß einer der beiden Leistungs-FET-Gruppen 11a, 11b angeschlossen sind. Eine erste Sense-FET-Gruppe 21a ist ana log zum Sense-FET-Teil 13 von Fig. 1 angeordnet, wobei ihr Sour ce-Anschluß nun über nur noch einen Strompfad nach Masse geführt ist, der einen p-Kanal-MOSFET 23 und den zugehörigen Sense- Widerstand R2 beinhaltet. Der p-Kanal-MOSFET 23 wird analog zu Fig. 1 von einem Operationsverstärker 22 angesteuert, dessen in vertierender Eingang an den Source-Anschluß der zugehörigen Sen se-FET-Gruppe 21a angeschlossen ist, während sein nichtinvertie render Eingang direkt zum bordnetzseitigen Abschnitt 10 der Bat teriezuleitung 9, 10 geführt ist.

Spiegelsymmetrisch zu dieser ersten Sense-FET-Gruppe 21a nebst zugehörigen Komponenten ist die zweite Sense-FET-Gruppe 21b mit ihrem Source-Anschluß direkt an den bordnetzseitigen Abschnitt 10 der Batteriezuleitung 9, 10 angeschlossen, während ihr Drain- Anschluß über einen zugehörigen Strompfad nach Masse geführt ist, der spiegelbildlich zum Strompfad der anderen Sense-FET- Gruppe 21a einen p-Kanal-MOSFET 24 und den anderen Sense-Wider stand R1 beinhaltet. Der p-Kanal-MOSFET 24 wird von einem zwei ten Operationsverstärker 25 angesteuert, dessen invertierender Eingang mit dem Drain-Anschluß der zweiten Sense-FET-Gruppe 21b verbunden ist, während sein nichtinvertierender Eingang direkt zum batterieklemmenseitigen Abschnitt 9 der Batteriezuleitung 9, 10 geführt ist. Als Meßspannung dient wiederum die Differenz spannung U_D der Potentiale an den beiden Sense-Widerständen R1, R2.

Dieser Schaltungsaufbau kommt ohne Hilfsspannung für den Meß schaltungsteil aus, wenn sogenannte Rail-to-Rail-Operations verstärker 22, 25 verwendet werden. Die Gatespannung für den Leistungs-FET-Teil 11 kann dann über eine übliche Ladungspumpe gewonnen werden. Gegenüber dem Schaltungsaufbau von Fig. 1 wird eine Vereinfachung hinsichtlich Gleichrichtung und Polaritätsan zeige erzielt, während ansonsten die zu Fig. 1 oben genannten Vorteile und Eigenschaften auch für den Schaltungsaufbau von Fig. 2 gelten. Insbesondere ist bei Bedarf auch ein hier nicht explizit gezeigter, entsprechender Offsetabgleich möglich, wozu dann die Operationsverstärker 22, 25 etwas vorgespannt werden, da die beiden Sense-FET-Meßzweige bei Spannung null stromlos werden, so daß eine positive Offsetspannung nicht mehr detek tierbar ist.

In Fig. 3 ist eine Batterieüberwachungseinheit gezeigt, die weitgehend, insbesondere hinsichtlich der beiden spiegelbildli chen Sense-FET-Meßzweige, derjenigen von Fig. 2 entspricht, wo bei wiederum funktionell gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auf das zu Fig. 2 gesagte verwiesen wird. Die bei dieser Batterieüberwa chungseinheit verwendete Sense-FET-Schaltungsanordnung beinhal tet einen Leistungs-FET-Teil 26, der aus zwei gegensinnig in Se rie in die Batteriezuleitung 9, 10 eingeschleiften Leistungs- FET-Gruppen 26a, 26b mit den zugehörigen Gateansteuerungen 12a, 12b besteht. Die Gate-Ansteuerungen 12a, 12b für die beiden Lei stungs-FET-Gruppen 26a, 26b beziehen sich, wie gezeigt, jeweils auf deren Source-Anschluß, um keine unerwünscht hohen Gate- Source-Spannungen zu erzeugen. Der zugehörige Sense-FET-Teil 27 beinhaltet symmetrisch dazu zwei gleichfalls gegensinnig in Rei he geschaltete Sense-FET-Gruppen 27a, 27b, deren Drain- Anschlüsse miteinander sowie mit den ebenfalls miteinander ver bundenen Drain-Anschlüssen der beiden Leistungs-FET-Gruppen 26a, 26b verbunden sind. An die beiden Source-Anschlüsse der Sense- FET-Gruppen 27a, 27b schließen sich dann die beiden symmetri schen Meßzweige für den Sense-Strom gemäß Fig. 2 an. Die Lei stungs- und Sense-FET-Anordnung ist durch zwei integrierte, mit ihren Drain-Anschlüssen zusammengeschaltete Leistungs-DMOS-FET mit jeweils zugehöriger Sense-FET-Gruppe 27a, 27b gebildet.

Durch geeignete Dimensionierung bietet diese Anordnung nicht nur die Möglichkeit der bidirektionalen Stromerfassung und der steu erbaren Kurzschlußsicherung, sondern dient darüber hinaus als Verpolschutz, indem der Leistungs-FET-Teil 26 nur bei ordnungs gemäßer Batteriepolung niederohmig leitet, während er bei ver kehrter Polung der beiden zugeführten Batteriezuleitungsab schnitte 9, 10 sperrt. Die bidirektionale Stromerfassung er folgt, wie in Fig. 2, durch Messen der Differenzspannung U_D zwi schen den beiden Sense-Widerständen R1, R2, wobei abhängig von der Stromrichtung einmal über den einen R1 und das andere Mal über den anderen Sense-Widerstand R2 hinweg eine Spannung er zeugt wird. Um einen sanften Übergang zwischen den beiden Strom richtungen und damit des Nulldurchgangs der Meßspannung U_D herzu stellen, ist es zweckmäßig, die beiden Stromquellen des jeweili gen Meßzweiges, bestehend aus dem jeweiligen Operationsverstär ker 22, 25 mit davon angesteuertem p-Kanal-MOSFET 23, 24, so vorzuspannen, daß immer ein geringer Ruhestrom fließt. Dies ver meidet eine Lücke beim Polaritätswechsel, die ansonsten durch Offsetspannungen entstehend kann. Eine Polaritätsanzeige ist we gen der differentiellen Meßspannungserfassung nicht erforder lich.

Alternativ zu den beiden, zu Fig. 3 genannten Leistungs-DMOS-FET kommt für den Leistungs-FET-Teil 26 die Verwendung eines bidi rektionalen Leistungs-NMOS-FET in Betracht, wie er in R. K. Wil liams et al., The Bidirectional Power NMOS - A New Concept In Battery Disconnect Switching, Proc. of 1995 Int. Symp. on Power Semicond. Dev. & ICs, Yokohama, Seite 480 zur Verwendung als bi direktionales Schaltelement beschrieben wird. Da dieser nur eine einzige Gateansteuerung benötigt, kann dann eine der beiden Ga teansteuerungen 12a, 12b von Fig. 3 entfallen. Dieser bidirek tionale Leistungs-NMOS-FET ist ein kammförmiges Bauelement, bei dem die Funktion des Sense-FET-Teils in der Batterieüberwa chungseinheit von Fig. 3 von kurzen Drain-Source-Bereichen statt einzelnen Transistorzellen übernommen werden kann.

Claims

1. Batterieüberwachungseinheit mit

- einem in eine Batteriezuleitung (9, 10) eingeschleiften Lei stungshalbleiterschalter,

gekennzeichnet durch

- eine Sense-FET-Schaltungsanordnung, die den Batteriestrom bi direktional erfaßt und deren Leistungs-FET-Teil (11) den in die Batteriezuleitung (9, 10) eingeschleiften Leistungshalbleiter schalter bildet,
- wobei die Sense-FET-Schaltungsanordnung eine einzelne Sense- FET-Gruppe (13), einen Operationsverstärker (14) zur Nachführung des Source-Potentials der Sense-FET-Gruppe, einen ersten Sense- FET-Stromauskopplungspfad mit einem ersten, vom Operationsver stärker angesteuerten FET-Bauelement (15) und einem dazu seriell geschalteten ersten Sense-Widerstand (R1) und einen zweiten Sen se-FET-Stromauskopplungspfad mit einem zweiten, vom Operations verstärker angesteuerten FET-Bauelement (20) und einer Strom spiegelschaltung mit einem zweiten Sense-Widerstand (R2) bein haltet, wobei die Differenzspannung (U_D) zwischen den beiden Wi derständen (R1, R2) als Meßspannung dient.

2. Batterieüberwachungseinheit mit

gekennzeichnet durch

- eine Sense-FET-Schaltungsanordnung, die den Batteriestrom bi direktional erfaßt und deren Leistungs-FET-Teil (11) den in die Batteriezuleitung (9, 10) eingeschleiften Leistungshalbleiter schalter bildet,
- wobei die Sense-FET-Schaltungsanordnung spiegelbildlich zwei Sense-FET-Gruppen (21a, 21b) mit zugehörigen Sense-Strommeßzwei gen beinhaltet, von denen jeder einen Operationsverstärker (22, 25) zur Nachführung des Source- bzw. Drain-Potentials der be treffenden Sense-FET-Gruppe und einen zugehörigen Stromauskopp lungspfad mit einem vom Operationsverstärker angesteuerten FET- Bauelement (23, 24) und einem dazu in Serie geschalteten Sense- Widerstand (R1, R2) aufweist, wobei die Differenzspannung zwi schen den beiden Widerständen (R1, R2) als Meßspannung dient.

3. Batterieüberwachungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingang des Operationsverstärkers (14, 22, 25) des jeweili gen Sense-FET-Strommeßzweiges über eine Offsetabgleichstufe (18) mit der Batteriezuleitung (9, 10) verbunden ist.

4. Batterieüberwachungseinheit, insbesondere nach einem der An sprüche 1 bis 3, mit

gekennzeichnet durch

- eine Sense-FET-Schaltungsanordnung, die den Batteriestrom bi direktional erfaßt und deren Leistungs-FET-Teil (26) den in die Batteriezuleitung (9, 10) eingeschleiften Leistungshalbleiter schalter bildet,
- wobei der Leistungs-FET-Teil (26) der Sense-FET-Schaltungs anordnung aus zwei gegensinnig in Serie in die Batteriezuleitung (9, 10) eingeschleiften Leistungs-FET-Gruppen (26a, 26b) be steht, denen je eine korrespondierende Sense-FET-Gruppe (27a, 27b) zugeordnet ist und die eine Verpolschutzfunktion für die Batteriezuleitung (9, 10) erfüllen.

5. Batterieüberwachungseinheit, insbesondere nach einem der An sprüche 1 bis 4, mit

gekennzeichnet, durch

- eine Sense-FET-Schaltungsanordnung, die den Batteriestrom bi direktional erfaßt und deren Leistungs-FET-Teil (11) den in die Batteriezuleitung (9, 10) eingeschleiften Leistungshalbleiter schalter bildet,
- wobei der Leistungs-FET-Teil (11) der Sense-FET-Schaltungs anordnung aus mehreren parallelen Leistungs-FET-Gruppen (ha, 11b) besteht, die zur Anpassung des Verhältnisses von Laststrom zu Sense-Strom an die Laststromstärke separat abschaltbar sind.

6. Batterieüberwachungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß sie als batterieklemmennahe Baueinheit oder als mit einer Batte rieklemme integriertes Bauteil realisiert ist.

7. Batterieüberwachungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Sense-FET-Schaltungsanordnung einen Auswerteschaltkreis, insbesondere in Form eines Stromspiegel-Schaltkreises, zur Aus wertung des erfaßten Stromsignals unter Umformung desselben in ein unsymmetrisches massebezogenes Signal aufweist.