JP2022530388A - プリーチャージ回路およびこれを含むバッテリーシステム - Google Patents

プリーチャージ回路およびこれを含むバッテリーシステム Download PDF

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Abstract

本発明は、プリーチャージ回路およびこれを含むバッテリーシステムに関し、本発明のバッテリーシステムは、複数のバッテリーセルを含むバッテリーパック;バッテリーパックの一側電極と出力端との間に直列に連結される第1MOSFETおよび第2MOSFETと、第1MOSFETに並列に連結されている第3MOSFETと、第2MOSFETに並列に連結されている第4MOSFETとを含むプリーチャージリレー;およびリレーのオン/オフを制御するためのゲート電圧を生成するBMSを含む。

Description

[関連出願との相互引用]
本出願は、2019年10月21日付韓国特許出願第10-2019-0130846号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として組み含まれる。
本発明は、プリーチャージ回路およびこれを含むバッテリーシステムに関する。
最近、ノートパソコン、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が増加し、HEV(ハイブリッド電気自動車)およびPEV(純粋電気自動車)のような電気自動車、ロボット、衛星などの開発が本格化することに伴って高性能二次電池に対する研究が活発に行われている。
二次電池としてニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池など多様な二次電池が商用化されているが、充電/放電が自由であり、自己放電率が低く、エネルギー密度が高いリチウム二次電池が脚光を浴びている。二次電池は、高電圧、大容量の電力貯蔵装置を提供するために複数の二次電池が直列/並列に連結されたバッテリーパック状態で使用される場合が多い。
メインリレー(relay)は、予め定められた電気的信号を利用してバッテリーパックと外部装置(例:負荷、充電器)との間の電気的連結を制御することができる。バッテリーパックと外部装置が連結される駆動初期に過電流(サージ電流)が発生してメインリレーが破損する場合が多いが、これを防止するためにプリーチャージリレーをメインリレーと並列に連結して多く使用している。
一方、金属酸化物電界効果トランジスター(Metal-Oxide Field Effect Transistor、MOSFET)のような半導体スイッチング素子を使用してリレーを構成する場合、駆動信号を受信すると設定された状態にスイッチングされなければならない。しかし、生産過程、保管状態など多様な原因により現場で使用されるMOSFETは、基準内圧および瞬時許容電流の仕様を充足しない場合が多い。基準内圧および瞬時許容電流の仕様を外れるMOSFETは、回路内で本来の機能を発揮できなくなる。
例えば、プリーチャージリレーに要求されるプリーチャージ基準内圧およびプリーチャージ瞬時許容電流があり、これを考慮して複数のMOSFETでプリーチャージリレーを構成することができる。MOSFETの実際の性能は、知られている基準内圧および瞬時許容電流の仕様を満たしていないこともある。実際のオン/オフ制御時、MOSFETは、プリーチャージ基準内圧およびプリーチャージ瞬時許容電流に耐えることができず、過度ショックが発生する可能性があるため、問題として指摘されている。
本発明の目的は、過度ショックの誘発の可能性が低いプリーチャージ回路およびこれを含むバッテリーシステムを提供することにある。
本発明の一特徴によるプリーチャージ回路は、バッテリーパックの一側電極と出力端との間に直列に連結される第1MOSFETおよび第2MOSFET;第1MOSFETに並列に連結されている第3MOSFET;および第2MOSFETに並列に連結されている第4MOSFET;を含む。
プリーチャージ回路は、第1MOSFETの一端と第3MOSFETの一端、第1MOSFETの他端と第3MOSFETの他端に並列に連結されている第1抵抗;および第2MOSFETの一端と第4MOSFETの一端、第2MOSFETの他端と第4MOSFETの他端に並列に連結されている第2抵抗;をさらに含むことができる。
第1MOSFET、第2MOSFET、第3MOSFETおよび第4MOSFETは、PタイプのMOSFETで構成され得る。
第1MOSFETのドレイン端と第2MOSFETのソース端は直列に連結され、第3MOSFETのドレイン端は第1MOSFETのドレイン端と並列に連結され、第4MOSFETのソース端は第2MOSFETのソース端と並列に連結され得る。
本発明の他の特徴によるバッテリーシステムは、複数のバッテリーセルを含むバッテリーパック;バッテリーパックの一側電極と出力端との間に直列に連結される第1MOSFETおよび第2MOSFETと、第1MOSFETに並列に連結されている第3MOSFETと、第2MOSFETに並列に連結されている第4MOSFETとを含むプリーチャージリレー;およびリレーのオン/オフを制御するためのゲート電圧を生成するBMS;を含む。
プリーチャージリレーは、第1MOSFETの一端と第3MOSFETの一端、第1MOSFETの他端と第3MOSFETの他端に並列に連結されている第1抵抗と、第2MOSFETの一端と第4MOSFETの一端、第2MOSFETの他端と第4MOSFETの他端に並列に連結されている第2抵抗とをさらに含むことができる。
第1MOSFET、第2MOSFET、第3MOSFETおよび第4MOSFETは、PタイプのMOSFETで構成され得る。
第1MOSFETのドレイン端と第2MOSFETのソース端は直列に連結され、第3MOSFETのドレイン端は第1MOSFETのドレイン端と並列に連結され、第4MOSFETのソース端は第2MOSFETのソース端と並列に連結され得る。
BMSは、ハイレバルの駆動信号を受信してグラウンドレベルのゲート電圧を生成して第1MOSFET、第2MOSFET、第3MOSFETおよび第4MOSFETに印加することができる。
バッテリーシステムは、バッテリーパックと外部装置との間の電気的連結を制御するメインリレー;をさらに含み、プリーチャージリレーは、メインリレーのターンオン前に先にターンオンされ、メインリレーがターンオンされて所定時間の経過後にターンオフされ得る。
本発明は、直列/並列に連結される複数個のMOSFETでプリーチャージリレーを構成して一部のMOSFETがプリーチャージ内圧および電流仕様を外れても本来の機能を発揮することができるプリーチャージリレーを提供する効果を有する。
本発明は、直列/並列に連結される複数個のMOSFETに並列に連結される抵抗を含んでMOSFETに加えられるショックを分散して安定性が高いプリーチャージリレーを提供する効果を有する。
本発明は、ローサイド駆動(LSD、Low Side Driver)形態でゲート駆動回路を具現してゲート駆動回路の面積を縮小させ、費用を節減することができる効果を有する。
一実施形態によるバッテリーシステムを示すブロック図である。 図1のプリーチャージリレーとBMSを詳細に説明する回路図である。
以下、添付した図面を参照して本明細書に開示された実施形態を詳細に説明するが、同一または類似の構成要素には同一または類似の図面符号を付与し、これについての重複説明は省略する。以下の説明で使用される構成要素に対する接尾辞「モジュール」および/または「部」は、明細書作成の容易さだけを考慮して付与されたり混用されたりするものであって、それ自体で互いに区別される意味または役割を有するものではない。また、本明細書に開示された実施形態を説明するに当たり、関連した公知技術に対する具体的な説明が本明細書に開示された実施形態の要旨を不明確にし得ると判断される場合、その詳細な説明を省略する。また、添付した図面は、本明細書に開示された実施形態を容易に理解できるようにするためのものに過ぎず、添付した図面により本明細書に開示された技術的な思想が制限されず、本発明の思想および技術範囲に含まれる全ての変更、均等物または代替物を含むものと理解されなければならない。
第1、第2などのように序数を含む用語は、多様な構成要素を説明することに使用され得るが、構成要素は用語により限定されない。用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使用される。
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるか、または「接続されて」いると言及された時には、その他の構成要素に直接的に連結されているか、または接続されていることもできるが、中間に他の構成要素が存在することもできると理解されなければならない。反面、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるか、または「直接接続されて」いると言及された時には、中間に他の構成要素が存在しないと理解されなければならない。
本出願で、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。
図1は一実施形態によるバッテリーシステムを示すブロック図であり、図2は図1のプリーチャージリレーとBMSを詳細に説明する回路図である。
図1に示されているように、バッテリーシステム1は、バッテリーパック10、BMS20、そしてリレー30を含む。
バッテリーパック10は、複数のバッテリーセルが直列/並列に連結されて必要な電源を供給することができる。図1では、バッテリーパック10が直列に連結されている複数のバッテリーセルを含み、バッテリーシステム1の二つの出力端OUT1、OUT2の間に連結されており、バッテリーシステム1の正極と出力端OUT1との間にリレー30が連結されている。図1に示された構成および構成間の連結関係は一例であり、発明がこれに限定されるのではない。
BMS20は、ゲート駆動回路21を含んでリレー30のオン/オフを制御するためのゲート電圧VG1、VG2を生成する。図1で、BMS20は、ゲート駆動回路21を含むものと示されているが、これに限定されず、ゲート駆動回路21はBMS20と独立して構成されてもよい。
ゲート駆動回路21は、図2を参照すれば、駆動トランジスターTRを含むことができる。駆動トランジスターTRのベース端は駆動信号CSを受信し、コレクター端は第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4のゲート端と連結され得る。駆動トランジスターTRは、NPNタイプのトランジスターで、ハイレバルの駆動信号CSによりオンされ、ローレベルの駆動信号CSによりオフされる。ゲート駆動回路21は、駆動トランジスターTRがオフされると、P-typeのMOSFETをオフさせることができる正の駆動電圧VBを第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4に印加することができる。
リレー30は、メインリレー31、そしてメインリレー31と並列に連結されるプリーチャージリレー(Pre-charge Relay)33を含むことができる。リレー30は、半導体スイッチング素子を含んで電子式リレーで構成され得る。半導体スイッチング素子は、金属酸化物電界効果トランジスター(MOSFET、Metal-Oxide Field Effect Transistor)が使用され得るが、これに限定されるのではない。
メインリレー31は、MOSFETで具現されてBMS20から受信した第1ゲート電圧VG1によりスイッチングされ得る。メインリレー31は、バッテリーシステム1と外部装置(例:負荷、充電器)との間の電気的連結を制御する。メインリレー31がオンレベルの第1ゲート電圧VG1によりオンされると、バッテリーシステム1と外部装置が電気的に連結されて充電または放電が行われる。例えば、外部装置が負荷である場合、バッテリーパック10から負荷に電力が供給される放電動作が行われ、外部装置が充電器である場合、バッテリーパック10が充電器により充電される充電動作が行われ得る。メインリレー31がオフレベルの第1ゲート電圧VG1によりオフされると、バッテリーシステム1と外部装置が電気的に分離される。
プリーチャージリレー33は、MOSFETで具現されてBMS20から受信した第2ゲート電圧VG2によりスイッチングされ、プリーチャージ抵抗RCと直列に連結され得る。プリーチャージリレー33は、バッテリーパック10と外部装置の連結時(例えば、充電または放電のための駆動初期)に発生するサージ電流を減少させてサージ電流によるメインリレー31の破損を防止することができる。例えば、プリーチャージリレー33は、メインリレー31のターンオン前に先にターンオンされ、メインリレー31がターンオンされて所定時間の経過後にターンオフされてサージ電流を減少させることができる。
図2を参照すれば、プリーチャージリレー33は、直列/並列に連結される第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4、そして第1、2抵抗R1、R2を含むことができる。
第1MOSFET Q1および第2MOSFET Q2は、バッテリーパック10の一側電極と出力端との間に直列に連結され、第3MOSFET Q3は、第1MOSFET Q1に並列に連結され、第4MOSFET Q4は、第2MOSFET Q2に並列に連結される。第1抵抗R1は、第1MOSFET Q1の一端と第3MOSFET Q3の一端および第1MOSFET Q1の他端と第3MOSFET Q3の他端に並列に連結される。第2抵抗R2は、第2MOSFET Q2の一端と第4MOSFET Q4の一端および第2MOSFET Q2の他端と第4MOSFET Q4の他端に並列に連結される。図2で、第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4をP-typeのMOSFETで示したが、これに限定されず、N-typeのMOSFET、BJT、IGBTなどスイッチング動作を行う他のトランジスターで具現され得る。
図2に示されているように、第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4および第1、2抵抗R1、R2間の連結関係を説明するために接点N1、N2、N3、N4が示されている。第1ノードN1は、バッテリーパック10の正の端子に連結され、第4ノードN4は、図1に示された出力端OUT1に連結されている。
例えば、第1MOSFET Q1のソース端および第3MOSFET Q3のソース端は第1ノードN1に連結され、第1MOSFET Q1のドレイン端および第3MOSFET Q3のドレイン端は第2ノードN2に連結される。第1抵抗R1の一端は第1ノードN1に、他端は第2ノードN2に連結される。第2MOSFET Q2のソース端および第4MOSFET Q4のソース端は第3ノードN3に連結され、第2MOSFET Q2のドレイン端および第4MOSFET Q4のドレイン端は第4ノードN4に連結される。第2抵抗R2の一端は第3ノードN3に、他端は第4ノードN4に連結される。第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4のゲート端は全て駆動トランジスターTRのコレクター端に連結されて、第2ゲート電圧VG2に同期してオン/オフされ得る。
第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4は、オンレベルの第2ゲート電圧VG2に同期してオンされ得る。例えば、駆動トランジスターTRのベース端がハイレバルの駆動信号CSを受信してオンされると、駆動トランジスターTRのコレクター端はグラウンドGNDに連結される。駆動トランジスターTRのコレクター端に連結された第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4のゲート端にグラウンドGNDレベルの電圧が印加されて全てオンされる。ここで、ゲート駆動回路21は、第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4をグラウンドGND側と連結して駆動するローサイド駆動(LSD、Low Side Driver)形態で具現され得る。
第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4は、オフレベルの第2ゲート電圧VG2に同期してオフされ得る。例えば、駆動トランジスターTRのベース端がローレベルの駆動信号CSを受信するとオフされ、第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4のゲート端は正の駆動電圧VBが印加されて全てオフされる。
理想的には、第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4は、オンレベルの第2ゲート電圧に同期してターンオンされ得る。しかし、第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4間の実際のターンオン時点間に時間差が発生し得る。この場合、後でターンオンされるMOSFETには過度な電圧が印加され得る。
例えば、プリーチャージリレー33は、第1抵抗R1、第2抵抗R2なしに直列/並列に連結される第1、2、3、4MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4を含むことができる。この時、第3MOSFET Q3が残りの第1、2、4MOSFET Q1、Q2、Q4よりも後でターンオンされる時、第3MOSFET Q3と残りの第1、2、4MOSFET Q1、Q2、Q4間のターンオン時点差に該当する期間の間に第3MOSFET Q3の両端には過度な電圧が印加されてショックが発生することがある。そうすると、第3MOSFET Q3が破損されることがある。
上記のような現象を防止するために、第1抵抗R1が第1MOSFET Q1および第3MOSFET Q3に対して並列に連結され、第2抵抗が第2MOSFET Q2および第4MOSFET Q4に対して並列に連結され得る。つまり、第1抵抗R1は、駆動初期に第1MOSFET Q1および第3MOSFET Q3の限界仕様を超える過度ショックが発生しても、これを分散して第1MOSFET Q1および第3MOSFET Q3の破損を防止することができる。第2抵抗R2は、駆動初期に第2MOSFET Q2および第4MOSFET Q4の限界仕様を超える過度ショックが発生しても、これを分散して第2MOSFET Q2および第4MOSFET Q4の破損を防止することができる。
一実施形態で、第1抵抗R1および第2抵抗R2がバッテリーパック10と外部装置との間に直列に連結されており、漏洩電流が発生する可能性がある。これを防止するために、第1抵抗R1および第2抵抗R2は抵抗値が非常に大きい抵抗で構成される。例えば、第1抵抗R1および第2抵抗R2の抵抗値は、少なくとも数メガオーム(mgea-ohm、M)以上であり得る。そうすると、プリーチャージリレー33およびメインリレー31のスイッチング状態に関係なく、バッテリーパック10と外部装置との間に漏洩電流が実質的に発生しない。
以上で本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲がこれに限定されるのではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者が多様に変形および改良した形態も本発明の権利範囲に属する。
1:バッテリーシステム
10:バッテリーパック
20:BMS
30:リレー

Claims (10)

  1. バッテリーパックの一側電極と出力端との間に直列に連結される第1MOSFETおよび第2MOSFETと、
    前記第1MOSFETに並列に連結されている第3MOSFETと、
    前記第2MOSFETに並列に連結されている第4MOSFETを含むプリーチャージ回路。
  2. 前記第1MOSFETの一端と前記第3MOSFETの一端、前記第1MOSFETの他端と前記第3MOSFETの他端に並列に連結されている第1抵抗と、
    前記第2MOSFETの一端と前記第4MOSFETの一端、前記第2MOSFETの他端と前記第4MOSFETの他端に並列に連結されている第2抵抗をさらに含む、請求項1に記載のプリーチャージ回路。
  3. 前記第1MOSFET、前記第2MOSFET、前記第3MOSFETおよび前記第4MOSFETは、PタイプのMOSFETで構成される、請求項1に記載のプリーチャージ回路。
  4. 前記第1MOSFETのドレイン端と第2MOSFETのソース端は直列に連結され、前記第3MOSFETのドレイン端は前記第1MOSFETのドレイン端と並列に連結され、前記第4MOSFETのソース端は前記第2MOSFETのソース端と並列に連結される、請求項3に記載のプリーチャージ回路。
  5. 複数のバッテリーセルを含むバッテリーパックと、
    前記バッテリーパックの一側電極と出力端との間に直列に連結される第1MOSFETおよび第2MOSFETと、前記第1MOSFETに並列に連結されている第3MOSFETと、前記第2MOSFETに並列に連結されている第4MOSFETとを有するプリーチャージリレーと、
    前記プリーチャージリレーのオン/オフを制御するためのゲート電圧を生成するBMSと、を含むバッテリーシステム。
  6. 前記プリーチャージリレーは、
    前記第1MOSFETの一端と前記第3MOSFETの一端、前記第1MOSFETの他端と前記第3MOSFETの他端に並列に連結されている第1抵抗と、前記第2MOSFETの一端と前記第4MOSFETの一端、前記第2MOSFETの他端と前記第4MOSFETの他端に並列に連結されている第2抵抗とをさらに含む、請求項5に記載のバッテリーシステム。
  7. 前記第1MOSFET、前記第2MOSFET、前記第3MOSFETおよび前記第4MOSFETは、PタイプのMOSFETで構成される、請求項5に記載のバッテリーシステム。
  8. 前記第1MOSFETのドレイン端と第2MOSFETのソース端は直列に連結され、前記第3MOSFETのドレイン端は前記第1MOSFETのドレイン端と並列に連結され、前記第4MOSFETのソース端は前記第2MOSFETのソース端と並列に連結される、請求項7に記載のバッテリーシステム。
  9. 前記BMSは、
    ハイレバルの駆動信号を受信してグラウンドレベルの前記ゲート電圧を生成して前記第1MOSFET、前記第2MOSFET、前記第3MOSFETおよび前記第4MOSFETに印加する、請求項8に記載のバッテリーシステム。
  10. 前記バッテリーパックと外部装置との間の電気的連結を制御するメインリレーをさらに含み、
    前記プリーチャージリレーは、前記メインリレーのターンオン前に先にターンオンされ、前記メインリレーがターンオンされて所定時間の経過後にターンオフされる、請求項5に記載のバッテリーシステム。
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