KR20160114408A - 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 보호를 위한 능동제한전류제어 시스템에 관한 것으로서, 배터리의 방전시 온(on)되고, PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호에 따라 방전 스위치의 듀티비를 제어하여, 배터리 출력전류를 기 설정된 설정전류로 제한하는 방전 스위치부, 배터리 출력전류가 상기 설정전류 이상으로 감지된 경우, 상기 설정전류 크기만큼 펄스 폭이 제어되도록 하는 PWM 제어신호를 상기 방전 스위치부로 전송하는 제어부를 포함한다.

Description

배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템{ACTIVE CURRENT CONTROL SYSTEM FOR BATTERY PROTECTION}
본 발명은 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 방전 시 이상현상이 발생할 경우 방전 스위치를 이용하여 능동적으로 전류를 제한하여 과도 전류가 유입되는 것을 방지할 수 있는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템에 관한 것이다.
최근 배터리와 관련하여 사회적으로 가장 큰 이슈가 되고 있는 것이 배터리의 안전성 문제이다. 노트북이나 휴대폰과 같은 전자제품에 대한 사용 인구가 급격히 증가하고 있고, 배터리의 폭발은 휴대용 전자제품의 파손을 가져올 뿐만 아니라 화재로 연결될 수 있다는 점에서 배터리의 안전성 확보가 시급하다. 특히, 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 사용되는 중대형 배터리는 직병렬로 연결된 다수의 단위 전지셀로 구성되어, 고전압을 공급한다는 점에서 배터리의 안전성 확보는 더욱 중요하다. 따라서, 종래에는 배터리의 이상상태 감지시 충방전 전류를 차단하여 배터리의 안전성을 확보하는 다양한 보호 장치들이 사용되고 있다.
한편, 배터리 단락전류 보호장치는 배터리와 부하 사이에 상시 연결되어 배터리와 부하 상태를 점검 및 판단하고, 그 정보를 상위 장치로 전달하거나 직접 제어하는 장치이다.
도 1은 종래의 저항기에 의한 배터리 단락전류 보호 회로를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 저항기에 의한 배터리 단락전류 보호 회로는, 배터리 충전시 온(on)되고, 이상현상 발생 시 배터리 보호를 위해 오프되는 충전 스위치(110), 배터리의 방전시 온(on)되고, 부하 단락이 발생한 경우 오프(off)되는 방전 스위치(130), 부하 단락이 발생하여 방전 스위치(130)가 오프된 경우, 온되어 저항(140)을 통해 전류를 흐르게 하는 전류제한 스위치(120)를 포함한다.
이러한 배터리 단락전류 보호 회로의 동작에 대해 도 2를 참조하여 설명하기로 한다. 배터리 방전 시 정상상태에서 배터리 출력전압이 부하로 전달되는 구간 1에서는 방전 스위치(130)가 온(On)되고, 배터리 출력전압과 부하전압이 동일해지며 배터리 전류와 부하로 흐르는 전류도 같게 된다.
그러나 부하 단락이 발생하는 구간 2에서는 방전 스위치(130)가 오프(off)되고, 전류제한 스위치(120)가 온(On)되어 배터리의 전류는 저항(140)을 통해서 흐르며 제한되게 된다. 이때 부하로 흐르는 전류는 제한되지만 배터리에는 제한된 전류만큼 전류가 흐르게 되므로 배터리의 성능에 나쁜 영향을 주게 된다.
즉, 저항기에 의한 배터리 단락전류 보호 회로는 부하 단락 등 이상현상으로 유입되는 과도 전류가 배터리에 그대로 유입됨으로써, 배터리의 손상이 발생하게 된다.
또한, 고장 전류가 제한되더라도 과도 전류가 저항을 통해 흐르기 때문에 발열량이 커지게 되고, 발열량을 줄이기 위해 냉각을 위한 부가적인 장치 구성이 필요하게 되어, 장치가 커지게 되는 단점이 있다.
선행기술1: 한국등록특허 제1,282,355호: 배터리 전류 제어 장치 및 방법
본 발명의 목적은 배터리 충전 시 배터리 팩의 상태 차이로 과도한 전류가 유입될 경우 배터리의 충전을 차단하고, 방전 시 부하 단락 등 이상이 발생한 경우 과도한 전류가 배터리에 유입되는 것을 방지하는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 배터리 방전시 이상현상이 발생하면, 방전 스위치를 이용하여 능동적으로 전류 제한을 할 수 있는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 배터리의 부하를 병렬로 구성하여 운용할 경우, 국부 부하 노드에 문제가 발생하여도, 해당 국부 부하 노드만 차단하여 나머지 국부 부하 노드에는 전원 공급을 할 수 있는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템을 제공함에 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리, 상기 배터리의 방전시 온(on)되고, PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호에 따라 방전 스위치의 듀티비(duty ratio)를 제어하여, 배터리 출력전류를 기 설정된 설정전류로 제한하는 방전 스위치부, 배터리 방전 시 출력되는 배터리 출력전류가 상기 설정전류 이상으로 측정된 경우, 상기 설정전류 크기만큼 펄스 폭을 제어하기 위한 PWM 제어신호를 상기 방전 스위치부로 전송하는 제어부를 포함하는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템이 제공된다.
상기 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템은 상기 방전 스위치부와 부하 사이에 배치되어, 고주파 성분을 제거하는 제2필터부, 부하 단락이 발생하여 상기 방전 스위치의 오프(off) 시, 상기 제2필터부에 축적된 에너지를 DC 링크부로 피드백시키는 FD(Freewheeling Diode)를 더 포함할 수 있다.
또한, 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템은 상기 배터리를 과도전류로부터 보호하기 위한 퓨즈, 상기 퓨즈와 연결되고, 고주파 성분을 제거하는 제1필터부, 상기 제1필터부와 상기 충천 스위치부 사이에 배치되고, 상기 배터리의 충전 또는 방전시 급격한 돌입전류를 제한하는 연결 스위치부, 상기 연결 스위치부와 연결되어, 상기 배터리 충전시 온(on)되고, 이상현상 발생 시 배터리 보호를 위해 오프되는 충전 스위치부, 상기 충전 스위치부와 방전 스위치부 사이에 배치되어, 직류 링크 전압의 크기를 일정하게 유지하는 DC 링크부를 더 포함할 수 있다.
상기 충전 스위치부는, 배터리 충전시 온되고, 이상현상 발생 시 배터리 보호를 위해 오프되는 충전 스위치, 상기 충전 스위치와 병렬로 연결되어, 상기 충전 스위치의 오프시 에너지 방전 회로를 구성하는 제1 다이오드, 상기 충전 스위치의 듀티비를 제어하는 제1 PWM 제어부를 포함할 수 있다.
상기 방전 스위치부는, 상기 배터리의 방전시 온(on)되고, 제2 PWM 제어부의 제어에 의해 배터리 출력전류를 상기 설정전류로 제한하는 방전 스위치, 상기 방전 스위치와 병렬로 연결되어, 상기 방전 스위치의 오프시 에너지 충전 회로를 구성하는 제2 다이오드, 상기 PWM 제어신호에 따라 듀티비를 조절하여 상기 방전 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 제2 PWM 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 배터리, 병렬로 연결된 복수의 부하, 상기 배터리와 각 부하 사이에 구비되어, 상기 배터리에서 출력되는 출력전류가 기 설정된 설정전류 이상으로 측정된 경우, 상기 설정전류 크기만큼 펄스 폭을 제어하여, 배터리 출력 전류를 상기 설정전류로 제한하는 각 부하와 각각 연결된 능동 전류제한회로를 포함하는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템이 제공된다.
상기 능동 전류제한회로는, 상기 배터리의 방전시 온(on)되고, 제2 PWM 제어부의 제어에 의해 배터리 출력전류를 상기 설정전류로 제한하는 방전 스위치, 상기 방전 스위치와 병렬로 연결되어, 상기 방전 스위치의 오프시 에너지 충전 회로를 구성하는 제2 다이오드, 제어부로부터 전송된 PWM 제어신호에 따라 듀티비를 조절하여 상기 방전 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 제2 PWM 제어부, 배터리 방전 시 출력되는 배터리 출력전류가 상기 설정전류 이상으로 측정된 경우, 상기 설정전류 크기만큼 펄스 폭을 제어하기 위한 PWM 제어신호를 상기 제2 PWM 제어부로 전송하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 능동전류제어회로는 상기 방전 스위치와 부하 사이에 배치되어, 고주파 성분을 제거하는 제2필터부, 부하 단락이 발생하여 상기 방전 스위치의 오프(off) 시, 상기 제2필터부에 축적된 에너지를 DC 링크부로 피드백시키는 FD(Freewheeling Diode)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 능동 전류제어회로는 상기 배터리를 과도전류로부터 보호하기 위한 퓨즈, 상기 퓨즈와 연결되고, 고주파 성분을 제거하는 제1필터부, 상기 제1필터부와 상기 충천 스위치부 사이에 배치되고, 상기 배터리의 충전 또는 방전시 급격한 돌입전류를 제한하는 연결 스위치부, 상기 연결 스위치부와 연결되어, 상기 배터리 충전시 온(on)되고, 이상현상 발생 시 배터리 보호를 위해 오프되는 충전 스위치부, 상기 충전 스위치부와 방전 스위치부 사이에 배치되어, 직류 링크 전압의 크기를 일정하게 유지하는 DC 링크부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 충전 시 배터리 팩의 상태 차이로 과도한 전류가 유입될 경우 배터리의 충전을 차단하고, 방전 시 부하 단락 등 이상이 발생할 경우 과도한 전류가 유입되는 것을 방지함으로써, 배터리의 2차 사고를 방지할 수 있고, 이상 고장 전류를 제한함으로써 배터리 사용에 있어 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 배터리 방전시 이상현상이 발생하면, 방전 스위치를 이용하여 능동적으로 전류 제한을 할 수 있으므로, 배터리 및 부하 임피던스의 간섭현상이 적어 계통 특성의 의존성이 적고, 배터리로 유입되는 고장전류를 차단하여 배터리의 안정성을 향상시킬 수 있으며, 고장전류 제한 동작 시 발열량이 감소되어 장치의 크기가 상대적으로 작게 되는 효과가 있다.
또한, 배터리의 부하를 병렬로 구성하여 운용할 경우, 국부 부하 노드에 문제가 발생하여도, 해당 국부 부하 노드만 차단하여 나머지 국부 부하 노드에는 전원 공급을 할 수 있으므로, 장치의 효율적인 운전이 가능하여 장치의 신뢰성이 향상된다.
또한, 배터리 방전 시 이상현상이 발생할 때를 대비하여 상시 배터리 출력전류를 감지하다 설정된 전류 이상의 큰 전류가 배터리로부터 발생할 경우 자동으로 능동전류제한회로를 구동함으로서 배터리의 출력전류를 설정 전류로 유지시킬 수 있다.
또한, 배터리로 다수의 부하가 전력을 공급받는 회로구조를 가지는 전력분배 시스템에서 하나 혹은 다수의 부하가 이상현상을 나타낼 때 기존 방식이 내재하고 있던 위험상황인 배터리 소손, 화재, 배터리 완전방전, 모든 부하 전력공급 중단 등의 치명적 상황을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 저항기에 의한 배터리 단락전류 보호 회로를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 회로의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리를 방전하는 경우 능동 전류제어회로의 동작을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리의 부하를 병렬로 운용할 경우 전류 제한을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 '배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템'을 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
한편, 이하에서 표현되는 각 구성부는 본 발명을 구현하기 위한 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 다른 구현에서는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 구성부가 사용될 수 있다. 또한, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 배터리 보호를 위한 능동전류제어시스템은 배터리와 부하 사이에 구비되어, 배터리 충전 시 배터리 팩의 상태 차이로 과도한 전류가 유입될 경우, 충전 스위치를 오프시켜 배터리의 충전을 차단하고, 배터리 방전 시 부하 단락 등의 이상현상이 발생할 경우, 방전 스위치의 펄스폭 제어를 통해 과도한 전류가 배터리에 유입되는 것을 방지한다.
이러한 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템은 퓨즈(fuse)(310), 제1필터부(320), 연결 스위치부(330), 충전 스위치부(340), DC 링크부(350), 방전 스위치부(360), 제2필터부(370), FD(Freewheeling Diode)(380), 차단기(390), 제어부(400)를 포함한다.
퓨즈(310)는 배터리를 과도전류로부터 보호한다. 즉, 퓨즈(310)는 규정값 이상의 과도한 전류가 계속 흐르지 못하게 자동으로 차단하는 역할을 수행한다.
제1 필터부(320)는 퓨즈(310)와 연결되고, 고주파 노이즈를 제거하는 기능을 수행한다.
제1필터부(320)는 필터 리액터 기능을 수행하는 제1인덕터(L1)(322), 제1인덕터(322)와 배터리 캐피시터 성분과의 공진 억제를 위한 제1저항(RD)(324)을 포함한다. 이때, 제1인덕터(322)와 제1저항(324)은 병렬로 연결되어 있다. 제1인덕터(322)는 고조파가 배터리측으로 나가는 것을 억제하는 필터 리액터 기능을 수행한다.
이와 같은 제1필터부(10)는 직렬 연결된 인덕터(11)와 병렬로 연결된 저항(12)으로 이루어져 고주파 노이즈를 제거하지만, 고주파 노이즈를 제거하기 위한 것으로서 다른 등가 회로 등으로 치환이 가능하다.
연결 스위치부(330)는 제1필터부(320)와 연결되고, 배터리의 충전 또는 방전시 급격한 돌입전류를 제한한다.
이러한 연결 스위치부(330)는 저항 연결 스위치(CHK)(332), 제2저항(RC)(334), 주연결 스위치(MK)(336)를 포함한다.
저항 연결 스위치(332)는 배터리의 충전 또는 방전시 급격한 돌입전류를 제한한다. 즉, 저항 연결 스위치(332)는 배터리의 충전 또는 방전시 급격한 돌입전류가 흐르는 경우, 온(on)되어 제2저항(334)으로 전류가 흐르도록 하여 돌입전류를 제한한다. 저항 연결 스위치(332)는 예컨대, 마그네틱 콘택터일 수 있다.
제2저항(334)은 저항 연결 스위치(332)와 직렬로 연결되고, 배터리의 충전 또는 방전시 급격한 돌입전류를 제한한다.
주 연결 스위치(336)는 제1필터부(320)와 충전 스위치부(340)를 연결하는 것으로, 주연결 스위치(336)의 일단은 제1필터부(320)의 타단과 저항 연결 스위치(332)의 일단이 연결된 노드에 연결되고, 타단은 제2저항(334)의 타단과 충전 스위치부(340)의 일단이 연결된 노드에 연결된다.
주연결 스위치(336)는 예컨대, 마그네틱 콘택터일 수 있다.
제어부(400)는 주 연결 스위치(336)를 통한 전류를 모니터링하여, 주 연결 스위치(336)를 통한 전류가 기 설정된 제한 값을 초과하는 경우, 주 연결 스위치(332)를 개방하고, 저항 연결 스위치(332)를 온 시킨다. 그런 후, 제어부(400)는 저항 연결 스위치(332)를 통한 전류의 지속시간을 모니터링하고, 지속기간이 기 결정된 제한값을 초과하는 경우에 저항연결 스위치(332)를 개방한다. 기 정의된 과전류가 제2저항(334)을 통해 얼마나 오랫동안 흐르는지를 판정하고, 단락 회로가 사전 결정된 시간 주기 내에 제거될 수 없다면, 저항 연결 스위치(332)를 개방시키고, 그 결과로서 전류가 분리된다. 단락 회로가 소정 시간 주기 내에 제거될 수 있다면, 저항 연결 스위치(332)는 닫힌 상태로 유지된다. 배터리 전류가 기 결정된 제한값 아래로 다시 떨어진다면, 주 연결 스위치(336)는 온되고, 배터리 전류는 다시 제2저항(334)을 바이패싱하는 주 연결 스위치(336)를 통해 흐른다.
충전 스위치부(340)는 연결 스위치부(330)와 연결되고, 배터리 충전시 온되고, 이상현상 발생 시 배터리 보호를 위해 오프된다. 충전 스위치부(340)는 DC link 전압을 배터리로 충전하거나, 배터리의 전압을 DC link 전압으로 승압한다.
충전 스위치부(340)는 제1다이오(D1)드(342), 충전 스위치(CHR)(344), 제1커패시터(C1)(348), 제1PWM 제어부(G_CHR)(346)를 포함한다.
제1 다이오드(342)는 연결 스위치부(330)와 충전 스위치(334) 사이에 구비되고, 충전 스위치(334)의 오프 시 에너지 방전 회로를 구성한다.
충전 스위치(334)는 일단이 제1 다이오드(342)의 일단이 연결된 노드에 연결되고, 타단이 제1커패시터(348)의 일단이 연결된 노드에 연결된다. 충전 스위치(334)는 배터리 충전시 온되고, 이상현상 발생 시 오프되어, 배터리와 외부의 연결을 차단한다. 배터리를 충전하는 경우, 충전 스위치(344)는 온되고, 방전 스위치(364)는 오프되어 충전 회로가 구성된다. 배터리를 충전하는 중에 과도전류 유입 등의 이상현상이 발생하게 되면, 충전 스위치(344)는 오프되어, 배터리의 충전을 차단한다.
충전 스위치(334)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET(metal oxide silicon field effect transistor) 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, PWM 방식으로 전달되는 제어신호에 따라 턴온, 턴오프, 스위칭 동작을 수행할 수 있는 구성이라면 무관하다.
제1커패시터(348)는 일단이 충전 스위치(344)의 타단이 연결된 노드에 연결되고, 충전 스위치(344)의 온 또는 오프시 고주파 성분을 억제한다.
제1 PWM 제어부(346)는 충전 스위치(334)의 듀티비를 제어한다. 이때, 제1 PWM 제어부(334)는 제어부(400)의 PWM 제어신호에 따라 듀티비(duty ratio)를 조절하여 충전 스위치(334)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어 모듈(G1)을 구비할 수 있다.
DC 링크부(C2)(350)는 충전 스위치부(340)와 방전 스위치부(360)의 사이에 연결되어, DC 전압 레벨을 DC 링크 레벨로 유지시킨다. DC 링크부(350)는 DC 전압 레벨 안정화를 위해 구비될 수 있으며, 예를 들면, 커패시터 등으로 구현될 수 있다. 여기서, 커패시터는 직류전해 커패시터, 알루미늄 전해 커패시터(Electrolytic Capacitor), 고압용 필름 커패시터(Polymer Capacitor), 고압 대전류용 적층 칩 커패시터(Multi Layer Ceramic Capacitor, MLCC) 등이 사용될 수 있다.
방전 스위치부(360)는 배터리의 방전시 온되고, 이상현상 발생시 스위칭으로 전류를 제한한다. 즉, 방전 스위치부(360)는 배터리의 방전시 온(on)되고, PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호에 따라 방전 스위치의 듀티비(duty ratio)를 제어하여, 배터리 출력전류를 기 설정된 설정전류로 제한한다.
이러한 방전 스위치부(360)는 제3커패시터(C3)(362), 방전 스위치(DCHR)(364), 제2 다이오드(D2)(368), 제2 PWM제어부(G_DCHR)(366)를 포함한다.
제3 커패시터(362)는 일단이 제2 커패시터(350)의 일단이 연결된 노드에 연결되고, 방전 스위치(364)의 온 또는 오프시 고주파 성분을 억제한다.
방전 스위치(364)는 일단이 제2커패시터(362)의 일단이 연결된 노드에 연결되고, 타단이 제2다이오드(368)의 일단이 연결된 노드에 연결된다.
방전 스위치(364)는 배터리의 방전시 온되고, 이상현상 발생시 스위칭으로 전류를 제한한다. 즉. 방전 스위치(364)는 배터리의 방전시 온(on)되고, 제2 PWM 제어부(366)의 제어에 의해 배터리 출력전류를 설정전류로 제한한다.
방전 스위치(364)는 배터리의 방전 경로상에 마련되어, 배터리 출력전류의 흐름을 선택적으로 제어한다.
한편, 방전 스위치(364)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET(metal oxide silicon field effect transistor) 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, PWM 방식으로 전달되는 제어신호에 따라 턴온, 턴오프, 스위칭 동작을 수행할 수 있는 구성이라면 무관하다.
제2 다이오드(368)는 일단이 방전 스위치(364)의 타단이 연결된 노드에 연결되고, 방전 스위치(364)의 오프시 에너지 충전 회로를 구성한다.
제2 PWM 제어부(366)는 방전 스위치(364)의 듀티비를 제어한다. 즉, 제2 PWM 제어부(366)는 배터리 방전시 이상현상이 발생하면, 설정 전류 크기만큼 펄스 폭이 제어되도록 방전 스위치(364)의 스위칭 동작을 제어하여 전류를 제한한다. 이때, 제2 PWM 제어부(366)는 제어부(400)로부터의 PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호에 따라 듀티비(duty ratio)를 조절하여 방전 스위치(364)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어 모듈(G2)을 구비할 수 있다.
방전 스위치부(360)는 제어부(400)로부터의 스위칭에 의해 발생한 전압 또는 전류 고조파를 다수 포함하기 때문에 제2 필터부(370)를 설치하여 고조파를 제거하고 보호와 절연을 위하여 방전 스위치부(360)와 부하 사이에 차단기(390)를 설치한다.
제2 필터부(L2)(370)는 방전 스위치부(360)와 연결되고, 필터 리액터 기능을 수행하는 것으로, 인덕터로 구현될 수 있다.
이와 같은 제2필터부(370)는 직렬 연결된 인덕터로 이루어져 고주파 노이즈를 제거하지만, 고주파 노이즈를 제거하기 위한 것으로서 다른 등가 회로 등으로 치환이 가능하다.
특히, 제2필터부(370)의 과전류는 주변 시스템에 큰 문제를 일으킬 수 있으므로 보호회로가 구비되어야 하며, 이는 FD(380)를 구비하여서 이루어진다.
FD(380)는 방전 스위치(364)가 온(ON)되어 부하로 에너지가 공급되다가 방전 스위치(364)가 오프(off)되면 제2필터부(370)에 축적된 에너지를 소모시키기 위하여 DC 링크(LINK)부(350)로 피드백하여 제2필터부(370)에 축적된 에너지를 소모시킨다. 즉, 배터리 방전 시 부하의 단락이나 이상이 발생하면, 방전 스위치(364)는 오프되어 부하로 흐르는 단락 전류를 제한한다. 이때, 부하로 흐르는 단락 전류를 제한하기 위해 제2필터부(370)에 축적된 에너지를 소모시킬 필요가 있다. 이를 위해 FD(380)는 방전 스위치(364)가 오프되면, 제2필터부(370)에 축적된 에너지를 소모시키기 위하여 DC 링크(LINK)부(350)으로 피드백하여 제2필터부(370)에 축적된 에너지를 소모시킨다.
제어부(400)는 배터리 방전 시 배터리 출력전류를 감지하다 기 설정된 설정전류 이상의 배터리 출력전류가 감지된 경우, 이상현상이 발생한 것으로 판단하여, 배터리 출력전류를 설정 전류 크기만큼 펄스 폭을 제어하기 위한 PWM 제어신호를 제2 PWM 제어부(366)로 전송한다. 그러면, 제2 PWM 제어부(366)는 PWM 제어신호에 따라 방전 스위치(364)의 듀티비를 제어하여, 배터리의 출력전류를 기 설정된 설정전류로 유지시킨다.
이렇게 함으로써, 배터리 방전시 부하의 단락이나 이상이 발생할 경우 과도한 전류 가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 제어부(400)는 MCU에 의해 구현될 수 있다. 여기서, MCU(Micro Controller Unit)란 배터리 팩의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 배터리 제어 장치를 의미한다. 그러나, 본 발명이 반드시 이러한 제어부(400)의 실시 형태에 의해 한정되는 것은 아니며, 제어부(400)는 MCU와 별도로 구성될 수 있다. 또한, 제어부(400)는 배터리 팩 외부에 별도로 구성될 수도 있다.
상기와 같이 구성된 능동 전류제어회로는 상위 배터리 관리 시스템과 연계되어 부하로 전류 공급을 관장하고, 배터리의 충전 또는 방전을 제어하며, 배터리 충전 시 배터리 팩의 상태 차이로 인해 과도한 전류가 유입될 경우 충전을 차단하고, 방전 시 부하의 단락이나 이상이 발생할 경우 과도한 전류가 유입되는 것을 방지한다. 이를 통해 연결 케이블, 부하 등의 2차 사고를 방지할 수 있고, 이상 고장전류를 제한할 수 있다.
또한, 이러한 능동 전류제어회로를 사용하면, 배터리로 다수의 부하가 전력을 공급받는 회로구조를 가지는 전력분배 시스템에서 하나 혹은 다수의 부하가 이상현상을 나타낼 때 기존 방식이 내재하고 있던 위험상황인 배터리 소손, 화재, 배터리 완전방전, 모든 부하 전력공급 중단 등의 치명적 상황을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리를 방전하는 경우 능동 전류제어회로의 동작을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 배터리 방전 시 배터리 출력 전압이 부하로 전달되는 구간 1에서는 정상상태로 방전 스위치(364)는 온(On)되고, 배터리 출력전압과 부하전압이 동일해지며 배터리 출력 전류와 부하로 흐르는 전류도 같게 된다.
다음으로, 배터리 방전시 부하 단락이 발생하는 구간 2에서는 방전 스위치(364)가 스위칭을 하게 되고, 제2 PWM 제어부(366)의 제어에 의해 방전 스위치(364)는 제한 전류 크기만큼 펄스 폭을 제어하게 된다. 또한, 부하 단락이 발생하여 방전 스위치(364)가 오프되면, FD(380)는 제2인덕터(370)에 축적된 에너지를 소모시키기 위하여 DC 링크(LINK)단으로 피드백하여 제2인덕터(370)에 축적된 에너지를 소모시킨다. 이를 통해 부하로 흐르는 단락 전류는 제한되고, 배터리에서 유입되는 전류는 없다. 즉, 부하 단락이 발생한 경우, 배터리에 단락전류가 흐르지 않으므로 배터리의 안정성이 향상된다.
또한, 전류제한을 방전 스위치(364)의 스위칭으로 제한함으로써, 발열량을 크게 감소시킬 수 있고, 장치의 크기도 상대적으로 감소시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리의 부하를 병렬로 운용할 경우 전류 제한을 설명하기 위한 도면이다.
배터리의 부하를 병렬로 운용할 경우에는 도 3과 같은 능동 전류제한회로가 부하와 각각 연결된다. 즉, 부하가 많아지면 배터리의 용량은 커지고, 여러 개의 노드(node)를 통해 부하에 연결된다. 이때, 대용량 배터리는 각 부하와 능동 전류제어 회로를 통해 각각 연결된다. 즉, 하나의 배터리는 복수 개의 능동 전류제어회로를 통해 복수 개의 부하와 각각 연결되어 있다.
각 부하와 연결된 능동 전류제한회로는 배터리에서 출력되는 출력전류가 기 설정된 설정전류 이상으로 측정된 경우, 설정전류 크기만큼 펄스 폭을 제어하여, 배터리 출력 전류를 설정전류로 제한한다. 또한, 배터리 방전시 특정 부하에 단락이 발생하게 되면, 그 특정 부하에 연결된 능동 전류제어회로의 방전 스위치를 통해 부하로 흐르는 단락 전류를 제한한다. 이러한 능동 전류제한회로는 도 3과 같이 구성되나. 도 5에서는 설명의 편의를 위해 방전 스위치만을 도시하였다.
도 5를 참조하면, 하나의 배터리는 복수 개의 능동 전류제어회로를 통해 복수 개의 부하와 각각 연결된다. 즉, 부하 1은 방전 스위치 1(능동 전류제어회로1)을 통해 배터리와 연결, 부하 2는 방전 스위치 2(능동 전류제어회로2)를 통해 배터리와 연결, 부하 N은 방전 스위치 N(능동 전류제어회로N)을 통해 배터리와 연결된다.
부하 1에 단락이 발생하게 되면 부하 1에 흐르는 전류제한은 방전 스위치 1로 제한한다. 이때 배터리는 부하 1의 단락전류에 영향을 받지 않으므로 다른 부하로의 전원공급이 가능하다.
이처럼 하나의 국부 부하 노드(node)에 문제가 발생하면, 해당 국부 부하 노드만 차단하도록 제어하여 나머지 노드에는 전원공급이 가능하므로, 장치의 효율적인 운전이 가능하여 장치의 신뢰성을 향상시킨다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템을 제공함으로써, 배터리 충전 시 과도한 전류가 유입될 경우 배터리의 충전을 차단하고, 방전 시 부하 단락 등 이상이 발생할 경우 과도한 전류가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
310 : 퓨즈 320 : 제1필터부
330 : 연결 스위치부 340 : 충전 스위치부
350 : DC 링크부 360 : 방전 스위치부
370 : 제2필터부 380 : FD(Freewheeling Diode)
390 : 차단기 400 : 제어부

Claims (9)

  1. 배터리의 방전시 온(on)되고, PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호에 따라 방전 스위치의 듀티비(duty ratio)를 제어하여, 배터리 출력전류를 기 설정된 설정전류로 제한하는 방전 스위치부; 및
    배터리 방전 시 출력되는 배터리 출력전류가 상기 설정전류 이상으로 측정된 경우, 상기 설정전류 크기만큼 펄스 폭을 제어하기 위한 PWM 제어신호를 상기 방전 스위치부로 전송하는 제어부;
    를 포함하는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방전 스위치부와 부하 사이에 배치되어, 고주파 성분을 제거하는 제2필터부; 및
    부하 단락이 발생하여 상기 방전 스위치의 오프(off) 시, 상기 제2필터부에 축적된 에너지를 DC 링크부로 피드백시키는 FD(Freewheeling Diode)를 더 포함하는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리를 과도전류로부터 보호하기 위한 퓨즈;
    상기 퓨즈와 연결되고, 고주파 성분을 제거하는 제1필터부;
    상기 제1필터부와 상기 충천 스위치부 사이에 배치되고, 상기 배터리의 충전 또는 방전시 급격한 돌입전류를 제한하는 연결 스위치부;
    상기 연결 스위치부와 연결되어, 상기 배터리 충전시 온(on)되고, 이상현상 발생 시 배터리 보호를 위해 오프되는 충전 스위치부; 및
    상기 충전 스위치부와 방전 스위치부 사이에 배치되어, 직류 링크 전압의 크기를 일정하게 유지하는 DC 링크부를 더 포함하는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 충전 스위치부는,
    배터리 충전시 온되고, 이상현상 발생 시 배터리 보호를 위해 오프되는 충전 스위치;
    상기 충전 스위치와 병렬로 연결되어, 상기 충전 스위치의 오프시 에너지 방전 회로를 구성하는 제1 다이오드; 및
    상기 충전 스위치의 듀티비를 제어하는 제1 PWM 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방전 스위치부는,
    상기 배터리의 방전시 온(on)되고, 제2 PWM 제어부의 제어에 의해 배터리 출력전류를 상기 설정전류로 제한하는 방전 스위치;
    상기 방전 스위치와 병렬로 연결되어, 상기 방전 스위치의 오프시 에너지 충전 회로를 구성하는 제2 다이오드; 및
    상기 PWM 제어신호에 따라 듀티비를 조절하여 상기 방전 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 제2 PWM 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템.
  6. 배터리;
    병렬로 연결된 복수의 부하;
    상기 배터리와 각 부하 사이에 구비되어, 상기 배터리에서 출력되는 출력전류가 기 설정된 설정전류 이상으로 측정된 경우, 상기 설정전류 크기만큼 펄스 폭을 제어하여, 배터리 출력 전류를 상기 설정전류로 제한하는 각 부하와 각각 연결된 능동 전류제한회로;
    를 포함하는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 능동 전류제한회로는,
    상기 배터리의 방전시 온(on)되고, 제2 PWM 제어부의 제어에 의해 배터리 출력전류를 상기 설정전류로 제한하는 방전 스위치;
    상기 방전 스위치와 병렬로 연결되어, 상기 방전 스위치의 오프시 에너지 충전 회로를 구성하는 제2 다이오드;
    제어부로부터 전송된 PWM 제어신호에 따라 듀티비를 조절하여 상기 방전 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 제2 PWM 제어부; 및
    배터리 방전 시 출력되는 배터리 출력전류가 상기 설정전류 이상으로 측정된 경우, 상기 설정전류 크기만큼 펄스 폭을 제어하기 위한 PWM 제어신호를 상기 제2 PWM 제어부로 전송하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방전 스위치와 부하 사이에 배치되어, 고주파 성분을 제거하는 제2필터부; 및
    부하 단락이 발생하여 상기 방전 스위치의 오프(off) 시, 상기 제2필터부에 축적된 에너지를 DC 링크부로 피드백시키는 FD(Freewheeling Diode)를 더 포함하는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리를 과도전류로부터 보호하기 위한 퓨즈;
    상기 퓨즈와 연결되고, 고주파 성분을 제거하는 제1필터부;
    상기 제1필터부와 상기 충천 스위치부 사이에 배치되고, 상기 배터리의 충전 또는 방전시 급격한 돌입전류를 제한하는 연결 스위치부;
    상기 연결 스위치부와 연결되어, 상기 배터리 충전시 온(on)되고, 이상현상 발생 시 배터리 보호를 위해 오프되는 충전 스위치부; 및
    상기 충전 스위치부와 방전 스위치부 사이에 배치되어, 직류 링크 전압의 크기를 일정하게 유지하는 DC 링크부를 더 포함하는 배터리 보호를 위한 능동 전류제어시스템.

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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180049457A (ko) 2016-11-02 2018-05-11 주식회사 엘지화학 부하 구동전류 제어방법 및 시스템
CN111725795A (zh) * 2019-03-19 2020-09-29 Trw有限公司 电池保护电路
KR102225270B1 (ko) * 2020-09-04 2021-03-10 주식회사 패러다임 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치
CN112803548A (zh) * 2021-02-25 2021-05-14 沃太能源南通有限公司 充放电装置
CN113954686A (zh) * 2021-10-14 2022-01-21 珠海冠宇动力电池有限公司 一种电池包、电池管理系统及车辆
CN114497907A (zh) * 2020-11-13 2022-05-13 智一新能源发展有限公司 一种新型防反器及其电池簇和电池模块

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101282355B1 (ko) 2011-10-19 2013-07-04 주식회사 코디에스 배터리 전류 제어 장치 및 방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008289302A (ja) * 2007-05-18 2008-11-27 Toyota Motor Corp 電力制御装置
JP2009148110A (ja) * 2007-12-17 2009-07-02 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 充放電器とこれを用いた電源装置
KR101629581B1 (ko) 2014-12-15 2016-06-13 현대오트론 주식회사 부스트 전압을 방지하기 위한 솔레노이드 밸브 제어 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101282355B1 (ko) 2011-10-19 2013-07-04 주식회사 코디에스 배터리 전류 제어 장치 및 방법

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180049457A (ko) 2016-11-02 2018-05-11 주식회사 엘지화학 부하 구동전류 제어방법 및 시스템
US10505477B2 (en) 2016-11-02 2019-12-10 Lg Chem, Ltd. Load drive current control method and system
CN111725795A (zh) * 2019-03-19 2020-09-29 Trw有限公司 电池保护电路
US11456593B2 (en) * 2019-03-19 2022-09-27 ZF Automotive UK Limited Battery protection circuit
CN111725795B (zh) * 2019-03-19 2024-02-02 Trw有限公司 电池保护电路
KR102225270B1 (ko) * 2020-09-04 2021-03-10 주식회사 패러다임 배터리 셀의 무손실 밸런싱 제어 장치
CN114497907A (zh) * 2020-11-13 2022-05-13 智一新能源发展有限公司 一种新型防反器及其电池簇和电池模块
CN114497907B (zh) * 2020-11-13 2024-04-26 智一新能源发展有限公司 一种新型防反器及其电池簇和电池模块
CN112803548A (zh) * 2021-02-25 2021-05-14 沃太能源南通有限公司 充放电装置
CN113954686A (zh) * 2021-10-14 2022-01-21 珠海冠宇动力电池有限公司 一种电池包、电池管理系统及车辆

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