KR20200104857A - 전기적 분배 버스로의 배터리 시스템의 연결 - Google Patents

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Abstract

분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템은, 전원, 전원의 출력 단자와 분배 버스 사이에 커플링된 스위칭 엘리먼트들의 네트워크, 스위칭 엘리먼트들과 병렬로 커플링된 다이오드들 및 전원이 분배 버스를 통해 부하에 전력을 공급하는 것을 가능하게 하기 위해 스위칭 엘리먼트들 각각을 선택적으로 활성화하거나 또는 활성화해제하도록 구성된 제어기를 포함한다. 스위칭 엘리먼트들은 트랜지스터들일 수 있고, 다이오드들은 트랜지스터들의 기생 바디 다이오드들일 수 있다. 전원은 충전식 배터리와 같은 배터리일 수 있다. 배터리로부터의 출력 전압 레벨은 활성화 또는 활성화해제된 트랜지스터들의 수의 함수로써 제어기에 의해 조정될 수 있다.

Description

전기적 분배 버스로의 배터리 시스템의 연결
본 발명은 일반적으로 배터리 기술에 관한 것으로, 특히, 전기적 분배 버스에 연결될 때 배터리 셀들을 모니터링하고 이들의 방전을 제어하기 위한 시스템에 관한 것이다.
이 섹션은 본 개시내용의 예시적 실시예들과 연관될 수 있는 당해 기술 분야의 다양한 양상들을 소개하도록 의도된다. 이러한 논의는 본 개시내용의 특정 양상들의 더 양호한 이해를 용이하게 하기 위한 프레임워크를 제공하는 것을 돕는 것으로 여겨진다. 따라서, 이 섹션은 이러한 관점에서 읽혀져야 하고, 반드시 종래 기술의 승인들로서 읽혀지지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다.
최신 정보 기술 및 통신 시스템들은 아주 다양한 분배 버스 전압들로 동작하는 전기적 분배 버스들을 포함한다. 예컨대, 컴퓨터 서버들은 통상적으로 12 볼트("V")를 이들의 내부 서브시스템들, 이를테면, 메모리, 프로세서, 스토리지, 냉각 팬들 및 I/O로 분배한다(분배 버스가 공급 전압을 제공하는 그러한 내부 서브시스템들은 본원에서 "부하 회로" 또는 간단히 "부하"로 지칭됨). 유선 전기통신 시스템들은 48 V 분배를 사용하고, 무선 전기통신 및 셀 사이트 시스템들은 종종 24 V를 사용한다. 위에서 언급된 시스템들 모두는, 이러한 분배 버스들이 정상 동작 중에 수십 또는 심지어 수백 암페어의 전류를 전달하고, 일반적으로 버스 상의 최대 전압 익스커션(voltage excursion)이 원하는 공칭 값 초과 또는 미만의 고정 값으로 제한되도록 보장하기 위해 이러한 버스들 상의 전압들이 조정되는 요건들을 가질 수 있다는 점에서 몇몇 공통 특성들을 공유한다. 조정된 분배 버스는 그 공칭 값에 인가된 특정된 전압 허용오차(tolerance)를 가질 것이다. 예컨대, +/- 10% 허용오차를 갖는 12 V 분배 버스는 13.2 V 내지 10.8 V의 범위의 동작 포락선(operational envelope)을 가질 것이다.
지난 5 년 내에, 짧은 듀레이션들 동안 매우 높은 전류들을 전달하도록 최적화된 배터리 시스템들이 개발되었다. 배터리 시스템들은 통상적으로 하나 이상의 배터리 셀들(본원에서, "배터리" 및 "셀"이라는 용어들은 상호 교환가능하게 사용될 수 있음)을 포함한다. 이들의 작은 사이즈로 인해, 이들은 AC 주 전력 정전(power outage)들의 경우 장비의 단기적인 전기적 백업의 역할을 하는 통상적 "UPS"(Uninterruptable Power Supply)를 대체할 목적으로 일부 장비 타입들에서 매력적이게 되었다. 이러한 고전력 배터리 시스템들은 매우 높은 방전 전류를 전달하는 이들의 능력면에서 고유하지만, 단지 충전 전류를 천천히 수용할 수 있다는 단점을 갖는다. 이 방전 전류 대 충전 전류의 비는 현재 시장에 나와 있는 기술로 30:1 또는 심지어 40:1까지 높을 수 있다.
짧은 듀레이션 백업 애플리케이션들에 현재 사용되는 고전력 배터리 시스템들은 통상적으로, 배터리 시스템의 출력 전압을 분배 버스 전압에 매칭하고 분배 버스로부터 배터리들로의 전류의 역류를 방지하기 위해 높은 에너지를 프로세싱할 수 있는 DC-DC 컨버터들(예컨대, 출력 DC-DC 컨버터)의 형태의 출력 레귤레이터들을 사용하는데, 이는 안전하지 않은 충전 전류들을 초래하여 안전 상의 위험을 나타낼 것이다. 많은 현재의 시스템들에서, 충전 전류는 방전 전류와 별개의 경로를 통해 제공되며, 별개의 저전력 충전 DC-DC 컨버터에 의해 제공될 수 있다. 따라서, 배터리 시스템이 더 높은 전기적 효율 및 더 낮은 비용을 갖는 상이한 방식을 통해 분배 버스에 직접적으로 연결될 수 있게 하면서, 그러한 고에너지 출력 DC-DC 컨버터가 이러한 개선된 방식으로 제거되거나 또는 대체될 수 있는 경우, 비용 절감 및 전기적 효율 개선의 기회가 존재한다.
현재, 배터리 시스템들을 전기적 버스들에 직접적으로 연결하기 위한 종래 기술이 존재하고 있으며, 이들의 거의 모두는 충전 및 방전 전류의 ON/OFF 제어를 위해 스위칭 엘리먼트들(본원에서 간단히 "스위치들"로 또한 지칭됨)로서 작용하는 하이-사이드(high-side) 또는 로우-사이드(low-side) "MOSFET"(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 쌍들을 사용한다. MOSFET들은 이들의 제조 프로세스의 특성상, 심지어 MOSFET가 턴 오프될 때에도 MOSFET를 통해 한 방향으로 전류가 흐를 수 있게 하는 다이오드(즉, 바디 다이오드)를 포함하기 때문에, MOSFET들이 이러한 애플리케이션들에서 통상적으로 사용된다. 이러한 바디 다이오드는 많은 애플리케이션들에서 문제를 나타내지만, 실제로 본 발명의 실시예들에서 이점으로서 이용된다.
많은 현재의 배터리 시스템들은 백-투-백 방식으로(back-to-back) 포지셔닝된 2개의 스위치들을 이용하며, 이들 각각은 각각의 스위치와 병렬인 기생 바디 다이오드(parasitic body diode) 또는 스위치에 걸친 외부 다이오드를 포함한다. 순방향 다이오드(배터리로부터 부하로 향함)를 갖는 스위치는 "충전" 스위치(그것의 OFF 상태에서, 임의의 충전 전류를 차단함)로 간주되고, 다른 스위치는 "방전" 스위치(그것의 OFF 상태에서, 임의의 방전 전류를 차단함)이다. 이러한 방식은 다음 조건들이 충족되는 저전력 분배 버스들에 적용된다: (1) 버스의 총 전류 용량(버스 상에서 이용가능하거나 또는 버스에 커플링된 부하에 의해 소비됨)이 배터리의 안전한 충전 또는 방전 전류들을 초과하지 않음, (2) 배터리가 그것이 방전된 이후에 완전한 충전을 수용하기 위해 필요한 경우 분배 버스 전압이 그것이 충분히 높게 상승될 수 있도록 제어가능함, 및 (3) 부하 회로의 허용가능한 동작 전압이 배터리가 완전히 방전될 때(즉, 0% 충전 상태)의 최소 배터리 단자 전압과 배터리가 완전히 충전될 때(즉, 100% 충전 상태)의 최대 배터리 단자 전압 사이의 범위를 갖거나, 또는 이러한 최소 배터리 단자 전압 및 최대 배터리 단자 전압을 포함함. 그러나, 버스 상의 전압이 배터리의 완전히 충전된 전압 미만으로 반드시 유지되도록 (예컨대, 부하에 의해 요구되는 바와 같이) 엄격한 조정을 요구할 때 이러한 접근법을 사용하는 것은 실용적이지 않으며, 버스로부터 정상적으로 이용가능한 전류가 배터리에 대한 충전 전류의 안전한 레벨을 초과할 때에도 이러한 접근법이 사용되지 않을 수 있다.
단일 또는 다중 셀 배터리 시스템들을 분배 버스들에 직접 연결하기 위한 산업 표준은 노트북 및 태블릿 컴퓨터들뿐만 아니라 셀 폰들을 위해 구현된 바와 같은 저전력 시스템들에서 보여진다. 이러한 디바이스들은 충전 및 방전 제어를 위해 단일 트랜지스터 스위치들의 앞서 언급된 "백-투-백" 구성을 사용한다. 도 1은 스위치들의 "하이-사이드" 구성을 예시하며, 여기서 스위치들 Q1 및 Q2(예컨대, MOSFET들)는 스위치들이 배터리의 하이 전압 사이드(+ 사이드)에 연결되도록 배열된다. 스위치들 Q1 및 Q2는 2개의 스위치들 중 어떤 스위치가 턴 온되었는지에 따라 배터리를 충전 및 방전할 수 있도록 연결된다. 제어기는 스위치들 각각에 커플링되며, 스위치들 중 어떤 스위치가 어떤 조건들 하에서 그리고 어떤 듀레이션 동안 턴 온되는지에 대해 제어를 가한다. 따라서, 충전 및 방전 제어는 제어기에 의해 가해진다. 제어기는 배터리 건전 상태(battery state of health), 충전 레벨, 순간 용량, 전압, 전류, 온도 또는 설계자가 선택할 수 있는 임의의 다른 파라미터들에 기초하여 충전 또는 방전을 허용하거나 또는 허용하지 않을 수 있다. 스위치들, 이들의 기생 바디 다이오드들 및 제어기의 조합은 충전 제어, 방전 제어 또는 배터리 출력 단자들의 완전한 전기적 격리를 가능하게 한다.
이러한 듀얼 스위치 제어 방식은, 충전 전류, 방전 전류 및 이용가능한 버스 전류들이 크기가 비슷하거나 또는 허용가능한 충전 전류가 이용가능한 버스 전류보다 상당히 높은 많은 배터리 애플리케이션들에 적용된다. 랩탑 컴퓨터 배터리들은 충전 레이트가 방전 레이트와 거의 동일한, 예컨대, 1C(즉, 공칭 배터리 용량 C의 1배)에 근접한 통상적 설계 포인트를 갖는다. 휴대용 폰 배터리들은 더 높은 충전 레이트들(예컨대, 최대 4C)을 갖도록 설계될 수 있지만, 통상적으로 매우 낮은 방전 레이트들을 가질 수 있다. 이것은 단일 충전으로 긴 동작 수명을 갖는 동시에 폰들이 빠르게 충전될 수 있게 한다. 이러한 낮은 충전 및 방전 레이트들에서, 스위치들의 기생 바디 다이오드들은 온도 상승 및 전력 손실을 최소화하면서 필요한 충전 및 방전 전류들을 통과시키기에 충분한 열 및 전력 능력들을 갖는다.
그러나, 허용가능한 방전 레이트가 허용가능한 충전 레이트를 훨씬 초과하는 배터리 충전-방전 비대칭성을 갖는 시스템들의 실세계 예들의 수가 증가하고 있다. 예컨대, 전기적 백업 임무를 하는 배터리들은 통상적으로, 60-90 초 내에 배터리들을 완전히 고갈시킬 수 있는 고속 방전 시간들과 함께, 60-90 분의 충전 시간들을 위해 설계된다. 정상 충전 전류와 정상 방전 전류 사이의 이러한 매우 큰 격차(즉, 큰 충전-방전 전류 비대칭성)는 도 1의 듀얼-스위치 제어 방식을 비실용적이게 한다. 구체적으로, 충전 스위치에서 보여지는 바디 다이오드는, 그것의 전압 강하 및 전력 손실(power dissipation)이 시스템의 동작에 악영향을 미칠 것이므로, 그러한 방식이 사용된다면 발생할 방전 전류를 전달하기에 완전히 부적합하다. 추가적으로, 에너지 저장 디바이스로서 리튬-이온 배터리를 이용하여 엄격하게 조정된 +12 V 분배 버스의 예에서, 그러한 애플리케이션을 위해 선택된 배터리는 가능한 한 +12 V(예컨대, 셀당 4.0 V로 충전된 3개 또는 4개의 직렬-연결 셀들)에 가까울 필요가 있을 것이다. 당업자가 알 수 있는 바와 같이, (종래의 MOSFET들의 기생 바디 다이오드들에서 통상적으로 발생할 바와 같은) 열악한 순방향 전압 특성들을 갖는 격리 다이오드를 통해 +12 V 소스로부터 이러한 배터리를 완전히 충전하는 것은 가능하지 않을 것이다.
앞서 설명된 격리 스위치들에 추가하여, 조정 시스템들은 전력 버스에 연결하기 위해 배터리 전압을 변환할 때 전기적 출력을 제어하도록 설계되었다. 예컨대, 선형 레귤레이터는 특정 값 또는 세트 포인트에서 균일한 전압 출력을 제공하는 데 사용될 수 있다. 도 2를 참조하면, 직렬-패스 엘리먼트(series-pass element)(예컨대, 다이오드가 병렬 연결된 트랜지스터)를 구동하는 연산 증폭기("OPAMP")를 포함하는 피드백 회로가 예시된다. 그러한 조정 시스템들에서, 도 2의 회로는 본질적으로, 직렬-패스 엘리먼트에 걸리는 최소 전압 강하가, 부하 단자에서의 전압을 부하 회로의 최소 동작 전압 임계치(예컨대, 최소로 수용가능한 동작 전압 레벨) 미만이 되게 하기에 충분한, 선형 레귤레이터로의 입력과 그것의 출력 사이의(즉, 배터리 단자와 부하 단자 사이의) 전압 강하를 생성하는 교차 포인트까지 부하에 조정된 전압 출력을 제공하기 위해 도 1의 방전 제어 스위치 Q2를 대체한다.
그러한 선형 레귤레이터는 저전력 디바이스들을 위해 구현될 때 효과적일 수 있다. 그러나, 전력 레벨들이 증가함에 따라 많은 결함들이 발생한다. 첫째는 직렬-패스 엘리먼트가 선형 모드로 동작하는 것인데, 여기서 입력 전압과 출력 전압 사이의 전압 차이가 직렬-패스 엘리먼트 상에 부과되며, 이는 높은 전류들의 경우 매우 높은 전력 손실 및 V-I 기반 열 발생을 생성한다. 이러한 발생된 열은 환경으로 전달되거나 또는 다른 방식으로 디바이스로부터 제거되어야 하는데, 그렇지 않으면 이러한 열은 직렬-패스 엘리먼트 패키지 내부에 집중될 것이고, 심지어 고전력 트랜지스터들이 빠르게 과열되어 고장날 것이다. 이러한 전력 손실로부터 발생된 열을 핸들링할 수 있는 패키지는 직접-장착 히트싱크를 갖는 매우 큰 물리적 패키지를 요구할 것이다. 대부분의 고전력 배터리 시스템들은 이러한 타입의 트랜지스터 패키징의 사용을 방해하는 물리적 공간 제한들 및 제조 제약들을 갖는다. 더욱이, 자신의 "PCB"(printed circuit board) 컨택들을 통해 충분한 열을 방산할 수 있는 "SMT"(surface mount transistor)가 실용적임을 발견하는 것은 어렵다.
스위칭 레귤레이터들은 또한 배터리 전압을 고정 버스 전압으로 변환하는 데 사용된다. 일반적으로, 스텝-다운 또는 "벅(buck)" 컨버터는 최고 효율을 달성하기 위해 그것의 출력 전압보다 높은 입력 전압을 요구한다. 이것은 높은 효율 및 관리가능한 스위칭 듀티 사이클(switching duty cycle)을 달성하는 데 필요한 더 높은 입력 전압을 컨버터에 제공하기 위해 더 높은 직렬 셀 카운트(cell count)를 갖는 직렬-연결된 배터리 스택을 초래한다. 그러나, 그러한 더 높은 셀 카운트는 비용, 회로 복잡성, 총 회로 패키징 볼륨, 및 "BMS"(battery management system) 컴포넌트 카운트 및 복잡성을 증가시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 배터리 시스템을 분배 버스에 연결하기 위한 종래 기술의 시스템들을 예시한다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 시스템을 예시한다.
도 4는 전력 공급 유닛(power supply unit)이 부하에 전력을 공급하는 상태로부터 배터리가 부하에 전력을 공급하는 상태로의 시스템 전이를 도시하는 도 3의 시스템의 예시적 동작을 예시한다.
도 5는 배터리가 부하에 전력을 공급하는 상태로부터 전력 공급 유닛이 부하에 전력을 공급하는 상태로의 시스템 전이를 도시하는 도 3의 시스템의 예시적 동작을 예시한다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 시스템의 회로 블록 다이어그램을 예시하며, 여기서 도 3의 스위치들 중 하나의 스위치 대신에 한 세트의 직렬-연결된 스위치들이 이용된다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 시스템의 회로 블록 다이어그램을 예시하며, 여기서 도 3의 스위치들 중 하나의 스위치 대신에 한 세트의 병렬-연결된 스위치들이 이용된다.
도 8은 단일의 예시적 리튬-이온 충전식 배터리 셀에 대한 상이한 가능한 부하 전류들에서의 일군의 전압 곡선들 대 "SOC"(state of charge)의 도면을 예시한다.
도 9-도 11은 도 8에 설명된 바와 같이, 상이한 수들의 직렬-연결된 예시적 리튬-이온 충전식 배터리 셀들로부터 발생하는 일군의 전압 곡선들 대 SOC의 도면들을 예시한다.
도 12는 도 6의 시스템 내에서 구현될 수 있는 조정 방식의 비-제한적 예를 예시한다.
도 13은 도 7의 시스템 내에서 구현될 수 있는 조정 방식의 비-제한적 예를 예시한다.
본원에서 설명된 특정 실시예들은 본 발명의 실시예들의 제한들로서가 아닌 예시로서 도시된다는 것이 이해될 것이다. 본 발명의 주요 특징들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 실시예들에서 사용될 수 있다.
앞서 개시된 바와 같은 선형 또는 스위칭 레귤레이터들에 대한 대안으로서, 본 발명의 실시예들은, 전원(예컨대, 배터리 단자 전압)을 부하 회로가 연결될 수 있는 출력(예컨대, 분배 버스)에 연결하는 한 세트의 개별적으로 제어된 스위치들(예컨대, MOSFET들)을 제공한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, MOSFET들이 스위치들로서 이용될 때, MOSFET들은, 배터리 스택으로부터의 출력 전압의 전달을 조정하기 위해, MOSFET들의 바디 다이오드들의 고유한 순방향 전압 강하들 및/또는 각각의 MOSFET와 직렬로 커플링된 외부 저항(예컨대, 저항 엘리먼트)을 이용하도록 사전 결정된(예컨대, 프로그래밍된) 방식으로 동작된다. 그러한 회로는, 배터리 방전 DC-DC 컨버터를 대체하고, 높은 방전 전류들을 견디고, 그리고/또는 높은 전력으로 동작하는 선형 또는 스위칭 레귤레이터들에 비해 더 효율적으로 많은 동작 모드들에서 동작하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 프로그래밍된 제어 하에서 동작되는 프로그래밍가능하게 활성화된(예컨대, 순차적, 이진 카운팅 또는 임의의 다른 시퀀스) 충전 및/또는 방전 제어 스위치들(예컨대, MOSFET)을 이용하여 배터리 시스템을 분배 버스에 연결하기 위한 시스템을 제공하는데, 이는 앞서 개시된 피드백 제어된 선형 또는 스위칭 DC-DC 컨버터 레귤레이터들을 대체할 수 있다. 본원에서 개시된 실시예들은 N(N≥1)개의 직렬-연결된 충전 제어 스위치들(예컨대, 도 3 및 도 6 참조) 및/또는 N(N≥1)개의 병렬-연결된 방전 제어 스위치들(예컨대, 도 7 참조)을 구현할 수 있다.
도 8을 참조하면, 충전 제어 스위치들의 직렬 연결 또는 방전 제어 스위치들의 병렬 연결이 어떻게 배터리 방전 전압의 인가를 제어할 뿐만 아니라 동등한 출력 전압 조정을 제공하는지를 이해하기 위해, 통상적 배터리의 특성 동작들이 이제 논의된다. 도 8은 단일의 예시적 리튬-이온 충전식 배터리 셀에 대한 상이한 가능한 부하 전류들에서의 일군의 전압 곡선들 대 "SOC"(state of charge)의 도면을 예시한다. 이러한 곡선들은 배터리 전류와 SOC의 다양한 조합들에 대해 배터리 전압이 동작할 수 있는 동작 포락선을 정의한다.
리튬-이온("Li-ion") 기반 충전식 배터리들과 같은 충전식 배터리들은 각각의 배터리 셀의 동작 전압 범위, 최대 방전 전류, 내부 임피던스 및 비용량을 정의하는 상이한 내부 재료들 및 특정 화학 조성물들로 구성될 수 있다. 이러한 파라미터들 각각은 각각의 타입의 셀에 고유한 일군의 방전 전압 대 방전 전류 곡선들을 정의한다.
배터리들은 배터리의 유한한 양의 활성 화학 재료들에 의해 주어진 바와 같은 주어진 화학 용량으로 구성된다. 용량은 주어진 전류에서의 방전 및 특정 최소 전압이 달성될 때까지 측정된 시간에 의해 측정된다. 용량은 통상적으로 밀리-암페어-시간("mAh") 또는 암페어-시간("Ah")으로 보고된다. 이러한 용량은 본원에서 문자 "C"로 표시되며, 이는 100% SOC의 상태(완전히 충전됨)로부터 0% SOC의 상태(완전히 방전됨)로의 배터리 방전을 초래하는, 1 시간 동안 배터리로부터 이용가능한 연속 전류에 대응한다.
임의의 주어진 방전 전류의 경우, 배터리의 단자 전압은 그것의 "SOC"(state of charge)에 따라 강하될 것이다. 100% 완전한 SOC는 셀의 최대 충전 전압으로 나타낸다. 0% 완전한 또는 100% 비어있는 SOC는 셀의 최소 방전 전압으로 나타낸다. SOC는 배터리의 화학 용량이 고갈됨에 따라 100%로부터 0%로 감소될 것이다.
10 A("amps"), 12 A, 15 A 및 20 A의 전류 수요들 동안 1 Ah의 용량을 갖는 예시적 Li-ion 배터리 셀을 나타내는 상이한 부하 전류들에서의 전압 곡선 대 SOC가 도 8에 도시된다. 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 주어진 SOC에 대한 배터리의 단자 전압은 전류 수요의 증가의 함수로써 더 낮게 시프트될 것이다. 전류 수요가 증가함에 따른 전압 스케일 상의 곡선들 사이의 거리들은 셀의 내부 저항 또는 임피던스로 인한 것이다. 내부 임피던스가 높아질수록, 주어진 인가된 전류 부하에 대한 배터리 단자 전압은 낮아질 것이다. 따라서, 주어진 SOC에서의 배터리 단자 전압은 SOC뿐만 아니라 부하 전류 수요에도 의존하고, 특성 곡선들에 의해 정의된 동작 포락선 내에 존재한다.
도 8의 예시로부터 인식될 바와 같이, 통상적 배터리들의 출력(방전) 전압들이 일정하지 않지만, 부하 전류 및 SOC에 따라 가변적이므로, 따라서 통상적 배터리는 저장된 에너지가 배터리로부터 고갈되거나 또는 부하 전류들이 변화하는 데 걸리는 시간에 걸쳐 특정 전압 범위 내에서 그것의 방전 전압을 조정하거나 또는 유지하는 고유한 능력을 갖지 않는다. 그러나, 앞서 언급된 바와 같이, 분배 버스로의 임의의 소스 공급 전력이, 분배 버스 상의 최대 전압 익스커션이 원하는 공칭 값 초과 또는 미만의, 즉, 예컨대, 에러가 없는 동작을 보장하기 위해 부하에 의해 용인될 수 있는 전압들의 허용가능한 범위("특정된 부하 전압 허용오차 범위"로 본원에서 지칭됨)의 특정된 고정 값으로 제한되도록 보장하기 위해 분배 버스에 공급되는 전압들을 조정하도록 요구되는 것이 전력 시스템들에서 매우 통상적이다. 이것은, 그러한 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내에서 분배 버스에 (예컨대, 배터리 또는 다른 소스에 의해) 공급되는 출력 전압을 유지하기 위해, 앞서 기술된 것들과 같은 전압 레귤레이터들이 구현되었던 이유들 중 하나이다.
도 9-도 11은 도 8에 설명된 바와 같이, 상이한 수들의 직렬-연결된 예시적 리튬-이온 충전식 배터리 셀들로부터 발생하는 일군의 전압 곡선들 대 SOC의 도면들을 예시한다. 상이한 수들의 직렬-연결된 셀들은 상이한 통상적으로 구현된 분배 버스 전압들과 호환가능한 특정 배터리 스택 전압들을 달성하도록 요구될 수 있다.
도 9-도 11에 예시된 예들을 참조하면, 분배 버스를 통해 부하에 전달되도록 요구되는 특정된 부하 전압 허용오차 범위에 관한 3개의 전압 영역들이 본원에서 정의된다. 특정된 부하 전압 허용오차 범위에 대응하는 회색-음영 영역이 곡선들의 각각의 세트 상에 중첩된다. 이 중첩의 결과는 각각의 도면이 3개의 영역들로 분할되는 것이다. 영역 1은, (예컨대, 배터리와 같은 전원에 의해 공급되는 바와 같은) 공급 전압이, 특정된 부하 전압 허용오차 범위 위에(회색-음영 영역 위의 영역) 존재하는 모든 동작 포인트들로서 정의된다. 이것은, 공급 전압이, 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내의 최대 전압보다 높다는 것과 동등하다. 영역 2는, 공급 전압이, 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내에(회색 음영 영역 내에) 존재하는 모든 동작 포인트들로서 정의된다. 영역 3은, 공급 전압이, 특정된 부하 전압 허용오차 범위 아래에 존재하는(회색 음영 영역 아래의 영역) 모든 동작 포인트들로서 정의된다. 영역 3은, 공급 전압이, 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내의 최소 전압보다 낮다는 것과 동등하다.
도 9는 도 8에 대해 설명된 배터리 셀과 같은 14개의 직렬-연결된 배터리 셀들의 예시적 48 V 배터리 스택에 대한 상이한 가능한 부하 전류들에서의 일군의 전압 곡선들 대 SOC의 도면을 예시한다. 이 예에서, 특정된 부하 전압 허용오차 범위(영역 2로 표시됨)는 실질적으로 모든 배터리 전류 값들 및 방전이 끝날 때를 제외한 SOC(예컨대, 약 7% 미만의 SOC)에 대한 총 배터리 스택 전압과 동일하다, 즉, 배터리 동작 특성들은 배터리에 저장된 거의 모든 에너지가 고갈될 때까지 실질적으로 영역 2 내에 놓인다는 점이 주목되어야 한다.
도 10은 도 8에 대해 설명된 배터리 셀과 같은 3개의 직렬-연결된 배터리 셀들의 예시적 12 V 배터리 팩에 대한 상이한 가능한 부하 전류들에서의 일군의 전압 곡선들 대 SOC의 도면을 예시한다. 도 9에서와 같이, 특정된 부하 전압 허용오차 범위(영역 2로 표시됨)는 실질적으로 모든 배터리 전류 값들 및 방전이 끝날 때를 제외한 SOC(예컨대, 약 5% 미만의 SOC)에 대한 총 배터리 스택 전압과 동일하다, 즉, 배터리 동작 특성들은 배터리에 저장된 거의 모든 에너지가 고갈될 때까지 실질적으로 영역 2 내에 놓인다는 점이 주목되어야 한다.
도 11은 도 8에 대해 설명된 배터리 셀과 같은 4개의 직렬-연결된 배터리 셀들의 12 V 배터리 팩에 대한 상이한 부하 전류들에서의 예시적인 일군의 전압 곡선들 대 SOC를 예시한다. 이 예에서, 높은 SOC들에서의 배터리 동작 특성 곡선들은 도면의 영역 1 내에 존재하며, 이는 특정된 부하 전압 허용오차 범위(영역 2로 표시됨)를 초과한다는 점이 주목되어야 한다. 배터리가 영역 1 내에서 동작할 때, 배터리로부터 분배 버스에 공급되는 전압의 전압 조정(예컨대, 감소)은, 부하에 공급되는 전압이, 특정된 부하 전압 허용오차 범위(영역 2로 표시됨) 밖에 놓인 레벨들로 변하는 것을 방지하기 위해 결과적인 감소된 전압이 부하에 전달되기 이전에 구현되어야 한다.
예컨대, 도 11에 도시된 바와 같이 (그리고 도 6 및 도 7에 대해 추가로 설명될 바와 같이), 특정된 부하 전압 허용오차 범위(도 11에서 영역 2로 표시됨)는 백업을 목적으로 구현된 배터리 스택의 전체 방전 전압 범위보다 좁을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 실시예들은 종래의 전압 레귤레이터들의 이용 없이도 구현될 수 있지만, 실질적으로 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내에서 분배 버스로의 배터리 스택으로부터 공급되는 출력 전압을 유지(조정)할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 시스템(300)의 회로 블록 다이어그램을 예시한다. 시스템(300)은 스위치들의 정의된 구성을 통해 분배 버스(304)에 배터리(308)의 출력 단자를 선택적으로 커플링시키도록 구성된 배터리 시스템(306)을 포함한다. 이 예에서, 배터리(308)의 단자 전압 특성들은 도 10에 도시된 것들과 유사하며, 여기서 모든 동작 포인트들(전류와 SOC의 조합들)에 대응하는 배터리 전압은 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내에 놓인다(즉, 모든 배터리 동작 포인트들이 특성 곡선들의 영역 2 구역 내에 존재함). 본 발명의 실시예들에 따르면, 이러한 정의된 스위칭 구성은, 잘 알려진 AC 라인 입력 전압을 통해 전력을 공급받는 잘 알려진 "PSU"(power supply unit)(301)에 커플링된 분배 버스(304)와 배터리(308) 사이에 커플링된 직렬-연결된 스위치들(이러한 비-제한적인 예시적 실시예에서, 방전 제어 스위치들(도 3에서 311로 라벨링됨)의 수(N)는 1임)을 포함한다. PSU(301)는 AC 라인 입력 전압을 DC 출력 전압으로 변환하며, 이는 하나 이상의 부하 회로들(본원에서 간단히 "부하"로 또한 지칭됨)(305)이 연결된 분배 버스(304)에 공급된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 배터리 시스템(306), 스위치들의 정의된 구성 및 PSU(301)는 다중-스위치 "BBU"(battery backup unit)를 형성하기 위해 결합된다. BBU는, AC 라인 입력 전압이 존재하고 정상 동작 제한들 내에 있을 때 정상 전력 공급 장치로서 기능하도록 구성될 수 있다. PSU(301)의 출력이 (예컨대, AC 라인 입력 전압 손실 또는 PSU(301)의 내부 오동작으로 인해) 하강하는 경우, 시스템(300)은 사전 결정된 최소 듀레이션(예컨대, 제너레이터 백업으로 스위칭하거나 또는 적절한 셧-다운 프로시저를 완료하기에 충분히 김) 동안 부하(305)를 동작시키도록 배터리(308)로부터 충분한 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 따라서, PSU(301)에 대한 AC 라인 입력 전압이 부족하거나(fail)(또는 정상 또는 요구되는 동작 범위 내에 있지 않거나), 또는 PSU(301)가 내부 컴포넌트 고장을 경험하거나 또는 예상치 못하게 동작을 중단하면, 배터리 시스템(306)은 백업 전원으로서 기능하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 배터리 시스템(306)은 배터리(308) 및 제어기(302)를 포함한다. 제어기(302)는, 본원에서 설명된 기능들을 수행하거나, 제어기(302)에 대해 본원에서 설명된 기능들을 수행할 수 있는 임의의 다른 회로망(circuitry), "IC"(integrated circuit) 모듈 또는 마이크로프로세서로서 구현되도록 구성된 임의의 회로망을 포함할 수 있다. 배터리(308)는 하나 이상의 배터리 셀들(예컨대, 배터리 스택에 구성된 하나 이상의 Li-이온 셀들)로서 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 스위치들(309-311) 중 임의의 하나 이상은 p-타입 또는 n-타입의 MOSFET들과 같은 FET들로서 구현될 수 있으며, 여기서 제어기(302) 내의 회로망은, 본원에서 설명된 다양한 기능들을 구현하기 위해 필요에 따라 (예컨대, 게이트 구동 라인들(320-322) 각각을 통해) FET들(309-311) 각각을 적절하게 그리고 개별적으로 턴 온 및 턴 오프시키도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 스위치들(309-311) 중 임의의 하나 이상은 본원에서 설명된 바와 같이 이들 개개의 기능들을 수행하기에 적합한 임의의 회로로 대체될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, FET들(310-311) 중 하나 이상의 FET들은 기생 바디 다이오드들을 포함하도록 구현될 수 있으며, 이는 이들의 개개의 FET들(310-311)의 전도 채널(들)이 이들의 오프 상태에 있을 때 오직 한 방향으로만 전류를 흐를 수 있게 하도록 작용할 것이다. 본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 스위칭 엘리먼트(311)는 기생 바디 다이오드 없이 구성될 수 있다.
PSU(301)는, 디지털 로직 레벨 또는 아날로그 신호(AC_OK로 표시됨)와 같은, 신호 라인(312)을 통한 출력 신호들을 전송하도록 구성된 잘 알려진 내부 전자 장치들(도시되지 않음)을 포함할 수 있어, PSU(301)가 분배 버스(304)를 통해 부하(305)에 충분한 전력을 공급하고 있는지 아닌지를 표시(예컨대, PSU(301)가 적절히 기능하고 있는지 또는 고장났는지, 또는 AC 라인 입력 전압이 정상(예컨대, 요구되는) 동작 범위 내에 있음을 표시)할 수 있다. 제어기(302)는 AC 라인 입력 전압을 모니터링하기 위해 PSU(301)로부터 신호 라인(312)을 통해 이러한 입력 신호(AC_OK)를 제공받는다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 하나 이상의 PSU(power supply)들(301)은 부하(305)에 전력을 공급하기 위해 분배 버스(304)에 연결될 수 있다는 점이 주목된다.
본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 배터리 시스템(306)은 배터리(308) 내로 또는 배터리(308)로부터 흐르는 전류를 검출 및 측정하도록 구성된 전류 센서(307)를 더 포함할 수 있다. 전류 센서(307)는 도 3에 도시된 바와 같이, 증폭기에 커플링된 감지 저항기로서 구성될 수 있다. 본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 제어기(302)는 전류 센서(307)를 통해 배터리(308)로부터 추출되거나 또는 배터리(308)에 전달되는 전류의 크기(예컨대, 암페어) 및 방향(네거티브(negative) 또는 포지티브(positive)) 둘 다를 측정하도록 구성될 수 있다. 전류 센서(307)의 이용은 도 4-도 5에 대해 추가로 설명된다.
방전 스위치들의 수(N)가 1과 동일한, 도 3에 대해 설명된 예시적 실시예에서, 배터리(308)의 특성 동작 전압 범위는 (예컨대, 부하(305)에 의해 요구된 바와 같이) 분배 버스(304)에 공급될 특정된 부하 전압 허용오차 범위(이를테면, 도 10 및 도 11에서 영역 2로 표시됨)와 실질적으로 매칭하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 제어기(302)는 별개의 충전 회로("충전기")(303)에 의해 배터리(308)의 충전을 가능하게 하기 위해 충전 제어 FET(309)(또는 임의의 적합한 스위칭 엘리먼트)를 스위칭 온시키도록 구성될 수 있다. FET(309)는 또한 도 3에 도시된 바와 같이 기생 바디 다이오드를 포함할 수 있다. 게다가, 본 발명의 실시예들은 배터리(308)로부터의 전력이 충전기(303)를 통과하는 것을 방지하도록 구성된 다이오드(330)(또는 등가 회로 엘리먼트(들))를 더 포함할 수 있다.
다중-스위치 배터리 동작 - PSU로부터 배터리로의 전력 스위칭
도 3 및 도 4를 참조하면, 다음의 설명은, 이를테면, PSU(301)에 대한 AC 라인 입력 전력의 손실 또는 PSU(301)의 고장 동안, 분배 버스(304)를 통한 부하(305)로의 배터리(308)의 다중-스위치 연결의 예시적인 비-제한적 프로그래밍가능한 구성을 설명한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 분배 버스(304)에 공급되는 PSU(301)로부터의 전압이 일부 이유로 인해 임계 레벨 미만으로(예컨대, 특정된 부하 전압 허용오차 범위의 허용가능한 하한 미만으로) 감소될 때, 시스템(300)은 배터리(308)가 부하(305)에 전력을 제공하도록 구성될 수 있다. 예로서, 일부 시점에 PSU(301)에 대한 AC 라인 입력 전압이 제거되거나 또는 PSU(301)가 적절하게 동작하지 못하는 것으로(본원에서 "PSU 고장 이벤트"로 지칭됨) 고려해보자. 예컨대, 이것은 AC 라인 입력 전압을 제공하는 외부 AC 전력 정전으로 인한 것일 수 있다.
PSU(301) 내의 회로망이 고장나거나 또는 PSU(301)의 내부 전자 장치에 의해 검출된 AC 라인 입력 전압 강하가 존재할 때, PSU(301)는, PSU(301)가 PSU 고장 이벤트를 경험하고 전력 셧-다운이 발생하고 있을 수 있다는 전체 시스템에 대한 경고로서 신호 라인(312) 상에서 AC_OK 신호의 상태 변화(예컨대, AC_OK=0)를 야기하도록 구성될 수 있다. 도 4에서, 부하(305)에 공급되는 전압("부하에서의 전압"으로 지칭됨)은 점선으로 나타내고, PSU(301)에 의해 공급되는 전압("PSU 전압"으로 지칭됨)은 인접하는(adjoining) 실선으로 나타내고, 배터리(308)에 의해 공급되는 전압은 파선으로 나타낸다.
본 발명의 실시예들에 따르면, PSU(301)는 AC 라인으로부터 수신된 에너지를 저장하도록 구성된 하나 이상의 잘 알려진 에너지 저장 엘리먼트들(예컨대, 커패시터들, 도시되지 않음)을 포함할 수 있으며, 이는 버스(304) 상의 PSU 전압이 심지어 AC 입력 전력의 부재 시(도 4에서 "PSU 홀드업 시간"으로 지칭됨)에도 짧은 시간 기간 동안 실질적으로 일정하게 유지될 수 있게 한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 이러한 PSU 홀드업 시간은 통상적으로 2 밀리초 내지 20 밀리초의 시간스케일의 범위일 수 있지만, PSU 홀드업 시간의 정확한 듀레이션은 그러한 에너지 저장 엘리먼트(들)의 에너지 저장 용량에 의존할 것이다. PSU(301) 내부의 에너지 저장 엘리먼트(들)에 이러한 저장된 에너지가 소진되기 시작할 때, 버스(304) 상의 PSU 전압은 PSU(301)의 내부 회로들 및 외부 부하(예컨대, 에너지 저장 엘리먼트(들)) 및 (예컨대, 부하(305)에 의한) PSU(301)로부터의 순간 출력 전압 인출에 의해 결정된 바와 같은 일부 특정 감쇠 레이트로 드루핑(droop)하거나 또는 새깅(sag)하기 시작한다. 전압 드룹은 제약된 전력 전달의 조건들 하에서 부하를 구동시키므로, 디바이스로부터의 출력 전압의 점진적 감소로 당해 기술 분야에 잘 알려져 있다. 이러한 전압 드룹은 도 4의 PSU 전압 곡선에 "PSU 출력 전압 드룹"으로 도시된다.
제어기(302)는 신호 라인(312) 상에서의 AC_OK 신호의 상태 변화(예컨대, AC_OK=0)의 수신에 대한 응답으로, (예컨대, Q2 게이트 구동 라인(322)(도 4에서 "Q2 게이트 신호 하이"로 지칭됨) 상에 적절한 전압을 어서트(assert)함으로써) FET(311)를 턴 온시키도록 구성될 수 있다. 이것은, (제어기(302)가 이때 FET(310)의 전도 채널을 턴 온시키기에 불충분한 전압 신호를 Q1 게이트 구동 라인(321) 상에서 출력하도록 구성되므로) FET(310)의 전도 채널이 오프 상태로 유지됨에 따라 배터리(308)로부터의 전압이 FET(310)의 바디 다이오드를 통해 버스(304)에 연결되게 한다. 분배 버스(304)로부터 역방향으로 (즉, 배터리(308)로) 흐르려고 시도하는 임의의 전류는 FET(310)의 바디 다이오드에 의해 차단되지만, 버스(304) 상의 전압이 배터리(308)로부터의 전압과 FET(310)의 바디 다이오드의 순방향 전압의 차(Vbatt - VfQ1) 미만으로 강하되는 순간에 배터리(308)로부터 분배 버스(304)로 전력이 흐를 수 있다. 이러한 상태는 도 4에서 "배터리 방전 준비 상태"로 지칭된다.
PSU(301) 내부의 에너지 저장 엘리먼트들에 에너지가 소진되기 시작함에 따라, 버스(304) 상의 전압은 그것이 배터리(308)로부터의 전압과 FET(310)의 바디 다이오드의 순방향 전압의 차(Vbatt - VfQ1)와 동일한 포인트에 도달할 때까지 강하될 것이다. 이 시점에서, 배터리(308)는 FET(310)의 바디 다이오드를 통해(Q1 바디 다이오드 전도 기간) 분배 버스(304)(및 그에 따라 또한 부하(305))에 전류를 전달하기 시작하고, 배터리(308) 및 PSU(301)는 분배 버스(304) 상으로 전류(도 3에서 "배터리 전류" 및 "PSU 전류"로 나타냄)를 공유하고 있다. 이것은 도 4에서 배터리(308) 방전 기간의 "PSU로부터 배터리로의 전력 스위칭"으로 본원에서 지칭된다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 일단 FET(310)의 바디 다이오드가 전도하기 시작하면, 제어기(302)는 배터리(308)로부터 분배 버스(304) 상으로 흐르는 0이 아닌(non-zero) 전류를 검출하도록 구성될 수 있으며, 이는 배터리 전류 측정 라인(325) 상에서 제어기(302)에 전송되는, 전류 센서(307)에서의 순간 전류(instantaneous current)에 비례하는 신호(예컨대, 아날로그)의 송신에 의해 달성될 수 있다.
이 시점에서, FET(310)의 바디 다이오드에서 추가적 전력 손실(및 대응하는 열 발생)을 방지하기 위해, 제어기(302)는 (예컨대, Q1 게이트 구동 라인(321)(도 4에서 "Q1 게이트 신호 하이"로 지칭됨) 상에 적절한 전압을 어서트함으로써) FET(310)를 턴 온시키도록 구성될 수 있어서, 전도 채널이 Q1 내에서 설정되게 하며, 이는 고손실(high-dissipation) 바디 다이오드로부터 저손실(low dissipation) 전도 채널로 전류를 전환시켜서 그에 따라 FET(310)에서의 전체 전력 손실을 감소시킨다. FET들(310 및 311) 둘 다가 턴 온되는 상태는 도 4에서 "Q1 및 Q2 전도 채널들을 통한 배터리 방전 전류"로 본원에서 지칭된다. FET들(310 및 311) 둘 다가 "ON" 상태에 있고, 배터리(308)가 PSU(301)와 부하 전류를 공유하는 이러한 상태는 PSU(301) 내의 에너지 저장 엘리먼트(들)의 낮은 에너지 임계치에 도달될 때까지 계속될 것이며, 낮은 에너지 임계치에 도달될 때, PSU(301)는 동작을 중단하거나 또는 스위칭 오프할 것이다. PSU(301)의 스위칭-오프 시에, 배터리(308)는 부하(305)에 전력을 인계할 것이다. 이러한 상태는, 배터리(308)가 버스(304)를 통해 부하(305)에 연결된 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 배터리(308) 방전의 영역 2 구역 내에서의 동작에 대응한다. 통상적 부하들(305)은 보통 일정한 전력 특성들을 나타낼 수 있어서, 배터리(308) 전류는 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리(308)의 전압이 하강하는 레이트에 비례하여 천천히 상승할 것이다. 배터리(308)는 그것의 저장된 에너지가 소비됨에 따라 정상적으로 방전될 것이고, 제어기(302)는 자신이 배터리 단자 전압이 최소 허용가능한 버스 전압에 도달했거나 또는 도 9 및 도 10에 도시된 배터리(308) 방전의 영역 3 구역으로 본원에서 지칭되는 것으로 넘어가는 것을 검출할 때 배터리 방전을 종료할 것이다. 이 포인트는 최소 허용가능한 부하 전압에 대한 애플리케이션 또는 부하 회로 제한들에 의해 정의된 사전 결정된 전압 하한(예컨대, 특정된 부하 전압 허용오차 범위의 하한)에 의해 결정될 수 있다. 일단 영역 3 구역에 도달하면 배터리(308)에 남아 있는 어떠한 에너지도 버스(304)에 이용가능하지 않을 것이다.
배터리(308)에 화학 에너지가 소진됨에 따라, 제어기(302)는 이에 응답하여 (예컨대, Q1 게이트 구동 라인(321) 및 Q2 게이트 구동 라인(322)을 통해) FET들(310 및 311) 둘 다를 턴 오프시키도록 구성될 수 있고, 그에 따라 분배 버스(304)로부터 배터리(308)를 격리시켜서, 부하로부터의 전력을 제거하고, 그것의 동작을 종료시킨다. 도 4에 도시된 총 실행 시간은, 부하(305), 및 배터리(308) 내의 셀들의 전체 에너지 저장 능력에 의해 결정될 수 있다.
다중-스위치 동작 - 배터리로부터 PSU로의 전력 스위칭
도 5를 참조하면, 배터리(308)의 셀들이 아직 완전히 고갈되지 않았고, AC 라인 전력이 PSU(301)로 복원될 때(또는 다른 방식으로 PSU(301)의 정상 동작이 복원될 때) 배터리(308)가 여전히 분배 버스(304)에 전류를 전달하고 있다고 가정하면, PSU(301)는 자신의 시동 시퀀스(startup sequence)를 시작하도록 구성되어, 신호 라인(312) 상의 AC_OK 신호의 상태를 변화시킬 수 있고(예컨대, AC_OK=1), 분배 버스(304)에 연결된 PSU 출력 전압(도 5에서 "PSU 전압" 라인으로 도시됨)은 상승하기 시작할 것이다("PSU 출력 전압 램프"). 상승하는 PSU 전압이 분배 버스(304) 전압과 매칭할 때, PSU(301)는 부하(305)에 전달되는 전류의 일부분을 인계하기 시작할 것이다. 그 이후, PSU 전압이 배터리(308)의 전압을 초과하여 상승하기 시작할 때, 배터리(308)의 출력 단자에 역방향 (충전) 전류(도 5에서 "배터리로의 네거티브 전류"로 지칭됨)가 나타날 것이며, 이는 전류 센서(307)에 의해 감지될 수 있다. PSU(301)로부터의 유효한 AC_OK=1 신호 및 "배터리로의 네거티브 전류" 둘 다가 검출될 때, 제어기(302)는 Q2 게이트 구동 신호(322)의 상태를 FET(311)로 변화시켜, FET(311)의 Q2 전도 채널이 폐쇄되게 할 것이다. 얼마의 시간 이후에, PSU(301)의 출력 전압이 안정될 때, 제어기(302)는 배터리(308)를 분배 버스(304)로부터 격리시키는 역할을 하는 자신의 Q1 게이트 구동 신호(321)를 통해 FET(310)를 턴 오프시키도록 구성될 수 있다. 그러면, PSU(301)가 그것의 정상 동작 전압 조정 레벨들을 달성할 때까지 PSU 전압이 계속 상승할 수 있고, PSU(301)는 다른 전력 정전 이벤트가 발생할 때까지 이러한 상태로 계속 있을 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 시스템(600)의 회로 블록 다이어그램을 예시한다. 시스템(600) 내의 엘리먼트들 각각은 시스템(300)에 대해 앞서 설명된 대응적으로 라벨링된 엘리먼트들과 유사한 방식으로 동작할 수 있다. 시스템(600)은 정의된 스위칭 구성(즉, 다수의 직렬-연결된 스위치들)을 통해 분배 버스(604)에 배터리(608)의 출력 단자를 선택적으로 커플링시키도록 구성된 배터리 시스템(606)을 사용한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 이러한 정의된 스위칭 구성은 배터리(608)와 분배 버스(604) 사이에 직렬로 연결된 일련의 N(여기서, N≥2)개의 충전 제어 스위치들(예컨대, MOSFET들일 수 있는 FET들)을 포함하며, 여기서 각각의 FET는 제어기(602)에 의해 독립적으로 제어된다.
시스템(600)은 특정된 부하 전압 허용오차 범위(예컨대, 부하(605)에 의해 요구되는 바와 같음; 예컨대, 도 11의 예에 도시된 영역 2 구역 참조)를 초과하는(extend above) 배터리 단자 전압 동작 포인트들을 갖는 배터리 시스템들에 대해 이용될 수 있다. 본원의 다른 경우에서 논의된 바와 같이, 통상적 배터리들은 많은 부하들에 의해 요구되는 그러한 더 좁은 특정된 부하 전압 허용오차 범위 밖에 놓인 동작 포인트들을 갖는다. 그에 따라서, 시스템(600)은 이러한 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내에서 공급되는 배터리 전압을 실질적으로 조정하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 배터리(608)의 전압은 일부 SOC 및 배터리 전류 조건들에서 분배 버스(604)의 특정된 부하 전압 허용오차 범위를 초과하고, 다른 SOC 또는 배터리 전류 조건들 하에서 분배 버스(604)의 특정된 부하 전압 허용오차 범위와 실질적으로 매칭하도록 구성될 수 있다.
시스템(600)은 잘 알려진 AC 라인 입력 전압을 통해 전력을 공급받는 잘 알려진 "PSU"(power supply unit)(601)를 포함한다. PSU(601)는 AC 라인 입력 전압을 DC 출력 전압으로 변환하며, 이는 부하(605)가 연결된 분배 버스(604)에 공급된다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 배터리 시스템(606), 정의된 스위칭 구성 및 PSU(601)는 다중-스위치 "BBU"(battery backup unit)를 형성하기 위해 결합된다. BBU는, AC 라인 입력 전압이 존재하고 정상 동작 제한들 내에 있을 때 정상 전력 공급 장치로서 기능하도록 구성될 수 있다. PSU(601)의 출력이 (예컨대, AC 라인 입력 전압 손실 또는 PSU(601)의 내부 오동작으로 인해) 하강하는 경우, 시스템(600)은 최소의 정의된 듀레이션(예컨대, 제너레이터 백업으로 스위칭하거나 또는 적절한 셧-다운 프로시저를 완료하기에 충분히 김) 동안 부하(605)를 동작시키도록 적절한 사이즈의 배터리(608)로부터 충분한 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 따라서, PSU(601)에 대한 AC 라인 입력 전압이 부족하거나(또는 PSU(601)의 출력이 정상 또는 요구되는 동작 범위 밖에 있거나), 또는 PSU(601)가 고장나거나 또는 예상치 못하게 동작을 중단하면, 배터리 시스템(606)은 백업 전원으로서 기능하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 배터리 시스템(606)은 배터리(608) 및 제어기(602)를 포함한다. 배터리(608)는 하나 이상의 배터리 셀들(예컨대, Li-이온 셀들)로서 구현될 수 있다. 제어기(602)는, 본원에서 설명된 기능들을 수행하거나, 제어기(602)에 대해 본원에서 설명된 기능들을 수행할 수 있는 임의의 다른 회로망, IC 모듈 또는 마이크로프로세서로서 구현되도록 구성된 임의의 회로망을 포함할 수 있다.
도 6에 예시된 비-제한적인 예시적 실시예에서, 시스템(600)은 도 3의 FET(310) 대신에 N(여기서, N≥2)개의 충전 제어 스위치들(예컨대, N개의 MOSFET들(610a…610c))의 네트워크를 구현한다. 직렬-연결된 충전 제어 FET들의 수는 구현된 제어기(602)에 의해 실제적으로 제어될 수 있는 2개 내지 임의의 더 큰 수의 범위일 수 있다. FET들의 수(N)는 최대 배터리 스택 전압과 요구되는 출력 전압의 차이에 의해 결정될 수 있다(예컨대, 특정된 부하 전압 허용오차 범위에 의해 결정됨(예컨대, 도 11의 영역 2 참조)). 본 발명의 실시예들에 따르면, 제어기(602) 내의 회로망은 본원에서 설명된 본 발명의 실시예들의 기능들을 구현하기 위해 필요에 따라 (예컨대, 게이트 구동 라인들(620, 621a…621c 및 622) 각각을 통해) FET들(609, 610a…610c 및 611) 각각을 적절하게 턴 온 및 턴 오프시키도록 구성될 수 있다. 대안적으로, FET들(609, 610a…610c 및 611) 중 임의의 하나 이상은 본원에서 설명된 바와 같이 이들 개개의 기능들을 수행하기에 적합한 임의의 회로로 대체될 수 있다.
제어기(602)는 FET들(610a…610c 및 611) 각각을 독립적으로 턴 온 및 턴 오프시키도록 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, FET들(610a…610c 및 611) 중 하나 이상의 FET들은 기생 바디 다이오드들을 포함하도록 구현될 수 있으며, 이는 개개의 FET들(610a…610c)이 오프 상태에 있을 때 배터리로의 전류 흐름(충전 전류)을 방지하고, FET(611)가 오프 상태에 있을 때 부하로의 방전 전류를 방지하도록 작용할 것이다. 본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 스위칭 엘리먼트(611)는 기생 바디 다이오드 없이 구성될 수 있다. 본 발명의 대안적 실시예들에 따르면, FET 패키지들(즉, N개의 충전 제어 FET들(610a…610c) 및 방전 제어 FET(611))에서의 전력 손실들(및 결과적인 열 발생)을 최소화하기 위해, 전류가 바디 다이오드들을 통해 전도되고 있을 때, 외부 쇼트키(Schottky) 다이오드들(도시되지 않음)이 또한 임의의 또는 모든 충전 제어 스위치들과 병렬로 연결(또는 이들의 패키지 내에 구축)될 수 있다.
PSU(601)는, 디지털 로직 레벨 또는 아날로그 신호(AC_OK로 표시됨)와 같은, 신호 라인(612)을 통한 출력 신호들을 전송하도록 구성된 내부 전자 장치들(도시되지 않음)을 포함할 수 있어, PSU(601)가 분배 버스(604)를 통해 부하(605)에 충분한 전력을 공급하고 있는지 아닌지를 표시(예컨대, PSU(601)가 적절히 기능하고 있는지 또는 고장났는지, 또는 AC 라인 입력 전압이 정상(예컨대, 요구되는) 동작 범위 내에 있음을 표시)할 수 있다. 제어기(601)는 AC 라인 입력 전압을 모니터링하기 위해 PSU(601)로부터 신호 라인(612)을 통해 이러한 입력(AC_OK)을 제공받는다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 하나 이상의 PSU(power supply)들(601)은 부하(605)에 전력을 공급하기 위해 분배 버스(604)에 연결될 수 있다는 점이 주목된다.
본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 배터리 시스템(606)은 배터리(608) 내로 또는 배터리(608)로부터 흐르는 전류를 검출 및 측정하도록 구성된 전류 센서(607)를 더 포함할 수 있다. 전류 센서(607)는 배터리 전류 센서 라인(625) 상에서 신호를 출력하는 증폭기(예컨대, OPAMP)에 커플링된 감지 저항기(R)로서 구성될 수 있다. 본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 제어기(602)는 전류 센서(607)를 통해 배터리(608)로부터 추출되거나 또는 배터리(608)에 전달되는 전류의 크기(예컨대, 암페어) 및 방향 둘 다를 측정하도록 구성될 수 있다. 시스템(600)은 배터리(608)의 전압 레벨 및 부하(605)에서의 출력 전압 레벨을 결정하기 위해 전압 센서들로서 기능하도록 구성된 배터리 전압 피드백 회로(642) 및 부하 전압 피드백 회로(641)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 제어기(602)는 충전 회로("충전기")(603)에 의해 배터리(608)의 충전을 가능하게 하기 위해 충전 제어 FET(609)(또는 임의의 적합한 스위칭 엘리먼트)를 스위칭 온시키도록 구성될 수 있다. FET(609)는 또한 도 6에 도시된 바와 같이 기생 바디 다이오드를 포함할 수 있다. 게다가, 본 발명의 실시예들은 배터리(608)로부터의 전력이 충전기(603)를 통과하는 것을 방지하도록 구성된 다이오드(630)(또는 등가 회로 엘리먼트(들))를 더 포함할 수 있다.
배터리 연결 시에 그리고 배터리(608)로부터 부하(605)로의 전류 전달(FET(611)를 턴 온시키는 것에 대응함)의 시작과 실질적으로 동시에, 배터리 단자 전압은 배터리(608)의 특성 임피던스 곡선에 따라 하강 또는 강하할 것이고, 분배 버스(604)에 제공되는 전압은 (제어기(602)에 의해 결정된 바와 같이) 오프 상태에 있는 N개의 FET들(610a…610c)의 수를 곱한 각각의 바디 다이오드의 총 순방향 전압 강하들의 합만큼 감소된 결과적인 배터리 단자 전압일 것이다. 제어기(602)는 전압 센서(642)를 통해 배터리 전압 및 전압 센서(641)를 통해 (부하(605)로의) 출력 전압을 감지하고, 이에 응답하여, 원하는 동작 범위(예컨대, 특정된 부하 전압 허용오차 범위(예컨대, 도 11에 도시된 영역 2 참조)) 내에서 부하(605)에서의 전압을 유지하기 위해 온 또는 오프 상태가 되는 데 필요한 충전 제어 스위치들(예컨대, N개의 FET들(610a…610c))의 수를 결정하도록 구성될 수 있다. 전류 증가의 결과로서(임피던스 곡선 효과) 또는 충전 상태의 감소에 의해(SOC 기반 전압 강하) 배터리 전압이 계속 강하함에 따라, 배터리(608)에 의해 부하(605)에 공급되는 전압을 조정하기 위해 배터리 단자와 출력(부하) 단자 사이의 일련의 순방향 다이오드 전압 강하들의 총 수를 감소시키도록 전압 센서들(642 및 641)에 의해 감지된 바와 같은 전압 조건들을 변화시키는 것에 대한 응답으로, N FET들(610a…610c)은 제어기(602)에 의해 사전 결정된 프로그래밍된 방식으로(예컨대, 순차적, 이진 카운팅 또는 임의의 다른 시퀀스) 턴 온될 수 있다. 마찬가지로, 특성 임피던스 효과로 인한 배터리 단자 전압 증가를 야기하는, 부하(605)에 의해 인출된 전류의 갑작스러운 감소는, 제어기(602)가 N개의 FET들(610a… 610c) 중 하나 이상의 FET들을 턴 오프시키고, 그에 따라 N개의 FET들(610a…610c)의 직렬 회로에 하나 이상의 순방향 다이오드 전압 강하들을 다시 추가함으로써 보상될 수 있다.
제어기(602) 내에서 구현될 수 있는 조정 방식의 비-제한적 예가 도 12에 도시되며, 이는 턴 온 또는 턴 오프된 FET들의 수(0…N)의 함수로써 N(여기서, N=3)개의 직렬-연결된 FET들(610a… 610c)에 걸리는 총 전압 강하를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, N개의 FET들(610a…610c)의 네트워크에 걸리는 총 전압 강하는 본질적으로 0 V로부터 FET들의 수(N)에 의해 정의된 전압까지 별개의 단계들로 제어기(602)에 의해 제어될 수 있으며, 이는 요구되는 부하 전압(및 그것의 허용오차)과 배터리(608)의 단자들에서의 최대 전압(이 예에서, N=3인 경우, 대략 2.4 V) 사이의 차이에 의해 결정된다. 배터리(608)의 출력 단자와 부하(605)의 입력 단자 사이의 회로에서의 배치로 인해, 부하(605)는, 그것의 입력 전압을, 배터리(608)의 단자 전압과 FET 네트워크에 걸리는 전압 강하의 차인 것으로 본다. 이 기법에 의해, FET 네트워크에 걸리는 전압 강하를 조절하기 위해 제어기(602)에 의해 N개의 FET들(610a…610c)의 스위칭 온/오프를 통해 (예컨대, 실질적으로 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내에서의) 부하(605)에 제공되는 전압의 조정이 달성되고 유지될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 제어기(602)는 또한, 임의의 개별 FET의 바디 다이오드에서 전력 손실을 최소화하기 위해 FET들(610a… 610c 및 611) 중 임의의 하나 이상을 턴 온/오프시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 센서들(642 및 641)에 의해 제공되는 전압 감지 및 센서(607)에 의해 제공되는 전류 감지에 대한 응답으로, 임의의 특정 FET(예컨대, N개의 FET들(610a…610c))를 턴 온 또는 턴 오프시키는 시퀀스 및 타이밍을 결정하기 위해 제어기(602)로 구현될 수 있는 에러 증폭기들의 구현, 상태 공간 제어 또는 히스테리시스 제어 방법들과 같은 다수의 널리 알려진 제어 기법들이 존재한다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따라 구성된 시스템(700)의 회로 블록 다이어그램을 예시한다. 시스템(700) 내의 엘리먼트들 각각은 시스템들(300 및 600)에 대해 앞서 설명된 대응적으로 라벨링된 엘리먼트들과 유사한 방식으로 동작할 수 있다. 시스템(700)은 정의된 스위칭 구성을 통해 분배 버스(704)에 배터리(708)의 출력 단자를 선택적으로 커플링시키도록 구성된 배터리 시스템(706)을 사용한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 이러한 정의된 스위칭 구성은, N개의 FET/저항기 쌍들의 네트워크를 형성하기 위해 각각 저항기(750a…750d)와 직렬로 커플링된 N(여기서, N≥2)개의 병렬-연결된 방전 스위치들(710a…710d)(예컨대, MOSFET들)의 네트워크를 포함한다.
시스템(700)은 특정된 부하 전압 허용오차 범위(예컨대, 부하(705)에 의해 요구되는 바와 같음; 예컨대, 도 11의 예에 도시된 영역 2 구역 참조)를 초과하는 배터리 단자 전압들을 갖는 배터리 시스템들에 대해 이용될 수 있다. 본원의 다른 경우에서 논의된 바와 같이, 통상적 배터리들은 많은 부하들에 의해 요구되는 그러한 더 좁은 특정된 부하 전압 허용오차 범위 밖에 놓인 특정 동작 포인트들에서의 단자 전압들을 갖는다. 그에 따라서, 시스템(700)은 이러한 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내에서 공급되는 배터리 전압을 실질적으로 조정하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 배터리(708)의 전압은 일부 SOC 및 배터리 전류 조건들에서 분배 버스(704)의 특정된 부하 전압 허용오차 범위를 초과하고, 다른 SOC 또는 배터리 전류 조건들 하에서 분배 버스(704)의 특정된 부하 전압 허용오차 범위와 실질적으로 매칭하도록 구성될 수 있다.
저항기들(750a…750d) 각각은 상이한 저항 값으로 구성될 수 있고, 직렬인 저항기(750a…750d) 각각의 저항 값이 직렬인 이전 저항기보다 낮도록 구성될 수 있다(예컨대, 저항기(750b)가 저항기(750a)보다 낮은 저항 값을 갖고, 저항기(750c)가 저항기(750b)보다 낮은 저항 값을 갖는 식임). FET/저항기 쌍들은 분배 버스(704)로부터 직접 배터리의 충전을 방지하는 다른 스위칭 엘리먼트(예컨대, MOSFET)(711)를 통해 배터리 단자와 분배 버스(704) 사이에 병렬로 연결될 수 있으며, N개의 FET들(710a…710d) 각각 및 그것의 페어링된 저항기뿐만 아니라 FET(711)는 제어 라인들(721a…721e)을 통해 제어기(702)에 의해 독립적으로 제어된다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 실질적으로 동등한 저항 값들을 갖는 저항기들(750a… 750d) 중 하나 이상의 저항기들로 구현될 수 있다.
병렬-연결된 방전 제어 FET/저항기 쌍들의 수(N)는 제어기(702)에 의해 실제적으로 제어될 수 있는 2개 내지 임의의 수의 범위일 수 있다. 방전 제어 FET/저항기 쌍들의 수(N)는 일반적으로, (예컨대, 특정된 부하 전압 허용오차 범위(예컨대, 도 11의 영역 2 참조)에 의해 결정된 바와 같이) 배터리 스택으로부터 이용가능한 최소 및 최대 전압들, 예상된 범위의 최소 및 최대 출력 전류들, 및 요구되는 최소 및 최대 출력 전압 범위와 같은 다수의 팩터들에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 배터리(708)는, 가장 높은 저항 값 저항기(750a)와 페어링될 수 있는 FET(710a)로 시작하는 것과 같이 프로그래밍된 방식으로(예컨대, 순차적, 이진 카운팅 시퀀스 또는 임의의 다른 시퀀스) N개의 FET들(710a…710d) 중 하나 이상의 FET들을 제어기(702)에 의해 활성화(예컨대, 턴 온)시킴으로써 분배 버스(704)에 연결될 수 있다. FET(710a)의 턴 온 시에, 전류는 부하(705)로 흐르기 시작할 것이고, 배터리(708)의 단자 전압은 배터리 임피던스 특성 곡선에 따라 강하되기 시작할 것이다. FET/저항기 쌍(710a/750a)의 직렬 조합을 통한 부하(705)의 전류가 충분히 높은 경우, FET/저항기 쌍(710a/750a)의 직렬 조합에 걸리는 전압 강하는, 부하(705)에서의 전압이 사전 결정된 임계치로 강하될 때까지 증가할 것이며, 이 임계치는 부하(705)의 최소 조정 포인트 규격(예컨대, 특정된 부하 전압 허용오차 범위의 하한)에 따라 (예컨대, 제어기(702) 내에서) 세팅될 수 있다. 이러한 임계치에 도달되고 출력 전압 센서(741)를 통해 제어기(702)에 의해 감지됨에 따라, 제어기(702)는 FET/저항기 쌍(710a/750a)을 턴 오프시키고, 일련의 저항기들(750a…750d) 중 다음으로 가장 높은 저항 값을 가질 수 있는 저항기(750b)와 페어링된 FET를 턴 온시키도록 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, FET(710b)와 직렬인 저항기(750b)는 저항기(750a)보다 훨씬 작은 저항 값을 갖도록 구성될 수 있고, 따라서 FET(710b)와 저항기(750b)의 직렬 조합에 걸리는 전압 강하는 FET(710a)와 저항기(750a)의 직렬 조합에 걸리는 전압 강하보다 낮을 것이다. 이것의 효과는 부하(705)의 최소 조정 포인트 규격에 관한, 앞서 기술된 임계치(예컨대, 특정된 부하 전압 허용오차 범위의 하한)를 초과하여 부하(705)로의 출력 전압을 상승시킬 것이고, 따라서 부하(705)로의 출력 전압이 이러한 최소 사전 결정된 임계치를 초과하도록 유지할 것이다. 이러한 방식으로, 부하(705)로의 출력 전압은, 제어기(702)가 부하 전압을 상승시키기 위해 (예컨대, 상향 이진 카운팅 시퀀스에서) N개의 FET들(710a…710d)을 선택적으로 활성화하고, 부하 전압을 저하시키기 위해 (예컨대, 하향 이진 카운팅 시퀀스에서) N개의 FET들(710a…710d)을 선택적으로 활성화해제시킴으로써, 배터리 전압 센서(742), 출력 전압 센서(741) 및 전류 센서(707)를 통해 제어기(702)에 의해 감지된 바와 같은 배터리 단자 전압들 및 부하 전류들의 변화 하에서 조정 윈도우(예컨대, 특정된 부하 전압 허용오차 범위(예컨대, 도 11의 영역 2 참조)) 내에서 제어기(702)에 의해 유지될 수 있으며, 여기서 FET(710a)는 이진 순차 카운터의 최하위 비트와 연관되고, FET(710d)(또는 그 이상)는 최상위 비트와 연관된다.
제어기(702) 내에서 구현될 수 있는 조정 방식의 비-제한적 예가 도 13에 도시되며, 이는 N개의 FET들(710a…710d)의 제어기(702)에 의한 선택적 활성화를 위한 이진 카운팅 시퀀스의 함수로써 병렬-연결된 FET/저항기 쌍들에 걸리는 총 전압 강하를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, FET/저항기 쌍 네트워크에 걸리는 전압 강하는 본질적으로 0 V 내지 일부 원하는 최대 전압(이 예에서, 대략 3.0 V)까지의 범위를 갖도록 N2 이산 단계들(예컨대, N=4일 때 16)로 제어될 수 있다. 배터리(708)의 출력 단자와 부하(705)의 입력 단자 사이의 회로에서의 배치로 인해, 부하(705)는, 그것의 입력 전압을, 배터리(708)의 단자 전압과 FET/저항기 쌍 네트워크에 걸리는 전압 강하의 차인 것으로 본다. 이 기법에 의해, FET/저항기 쌍 네트워크에 걸리는 전압 강하를 조절하기 위해 제어기(702)에 의해 N개의 FET들(710a…710d)의 스위칭 온/오프를 통해 (예컨대, 실질적으로 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내에서의) 부하(605)에 제공되는 전압의 조정이 달성되고 유지될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, N개의 병렬 방전 스위칭 엘리먼트들(즉, N개의 FET/저항기 쌍들)의 그러한 네트워크는 (즉, 배터리(708)로부터의) 소스 전압이 시간에 따라 일정하지 않은 고전류 디지털-아날로그 컨버터(예컨대, 도 8 참조)로서 (예컨대, 제어기(702)로부터 수신된 명령들에 대한 응답으로) 동작하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에서, 전압 센서들(741, 742) 및 전류 센서(707)로부터의 정보는 입력 및 출력 전압들 둘 다(즉, 배터리(708) 및 부하(705))의 변동들을 보상하기 위해 제어기(702)에 의해 이용될 수 있다.
따라서, 결과적인 시스템(700)은 N개의 고정 임피던스 엘리먼트들(즉, N개의 FET들(710a… 710d) 및 연관된 저항기들(750a… 750d))의 네트워크로서 구성되며, 이는 입력(즉, 배터리(708)) 및 출력(즉, 부하(705)) 상에서의 전압들의 변화들을 보상하기 위해 제어기(702)에 의해 네트워크 내에서 그리고 밖에서 스위칭될 수 있다. 저항기들(750a… 750d)의 저항 값들을 변경하여, 개별 엘리먼트 임피던스들이 정의될 것이다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 각각의 FET/저항기 쌍은 사전 결정된 인가된 전류에서의 특정 전압 강하로 구성될 수 있다. 결과적으로, 시스템(700)은 배터리(708)와 부하(705) 사이의 가변적이고 제어가능한 임피던스를 정의하는 엘리먼트들의 네트워크를 제어하도록 구성될 수 있다. 부하(705)의 전압이 증가함에 따라, 전체 임피던스가 증가되고 부하(705)에 전달되는 전압이 감소되도록 네트워크가 제어기(702)에 의해 조절된다. 배터리(708)의 전압이 감소함에 따라, 전체 임피던스가 감소되고, 그에 따라 네트워크에 걸리는 전압이 또한 감소되어, 그에 따라 원하는 범위 내에서(예컨대, 실질적으로 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내에서) 부하(705)에 전달되는 전압을 유지하기 위해 서빙하도록, 네트워크가 제어기(702)에 의해 재구성된다. 그런 다음, 배터리 전압으로부터 감산된 네트워크에 걸리는 보상 전압 강하는, 부하(705)에 전달되는 결과적인 전압이 배터리 동작 포인트가 (예컨대, 도 11에 도시된 바와 같은) 영역 1 동작 범위 내에 존재(예컨대, 어떤 이유에서든 드리프트)할 때마다 고분해능 전압 매칭을 제공하기 위해 시스템(700) 내의 다양한 N개의 FET/저항기 쌍들의 시퀀싱을 통해 제어되도록 임의의 수의 상이한 제어 기법들을 사용하여 제어기(702)에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전압 센서들(741 및 742)에 의해 제공되는 전압 감지 및 전류 센서(707)에 의해 제공되는 전류 감지에 대한 응답으로, 특정 FET/저항기 쌍을 턴 온 또는 턴 오프시키는 시퀀스 및 타이밍을 결정하기 위해 제어기(702)로 구현될 수 있는 에러 증폭기들의 구현, 상태 공간 제어 또는 히스테리시스 제어 방법들과 같은 다수의 널리 알려진 제어 기법들이 존재한다.
위의 설명의 결과로서, 시스템(600) 또는 시스템(700), 또는 시스템들(600 및 700) 둘 다의 FET 네트워크들을 결합하는 시스템은 (예컨대, BBU로서의 이용을 위해) 전압 레귤레이터로서 시스템(600) 및/또는 시스템(700)을 구현할 수 있도록 요구되는 동작 전압 범위 내에서(예컨대, 실질적으로 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내에서) 그러한 출력 전압을 유지하는 것을 포함하여, 배터리가 방전될 때 원하는 전압 범위 내에서 배터리로부터의 부하 회로에 제공되는 출력 전압을 유지하도록 구성될 수 있다는 것이 용이하게 인식될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 예시적인 비-제한적 실시예에서, PSU(301)는 +/-15% 편차를 갖는 분배 버스(304)에 대한 공칭 48 V 출력인 40.8 V - 55.2 V의 출력 전압 범위를 갖도록 구성될 수 있다. PSU(301)는 14S 구성을 정의하기 위해 직렬로 연결된 14개의 개별 배터리 셀들을 갖는 Li-이온 배터리 스택(308)에 커플링될 수 있다. 배터리 셀당 3.95 V로 충전될 때, 배터리(308)는 55.3 V의 완전히 충전된 전압 및 39.2 V의 완전히 방전된 전압을 가지고, 그에 따라 남은 용량의 마지막 4% - 5%를 제외한 모든 충전 및 부하 조건들에 대해 그러한 48 V 분배 버스(304)에 대한 요구되는 규격들 내에(예컨대, 실질적으로 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내에) 있을 것이다. 이러한 14S 셀 구성은 완전한 충전 및 정상적 방전 전압을 가지며, 이는 배터리 전압의 임의의 감소를 요구하지 않고(즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 배터리 전압은 SOC 범위의 95 % 이상인 경우 영역 2 동작 구역으로 제약됨) 분배 버스(304)에 직접 연결될 수 있게 한다. 따라서, 이것은 그러한 방전 스위칭 엘리먼트들의 수가 도 3에 도시된 바와 같이 하나(즉, N=1)인 본 발명의 실시예들에 대해 적합한 애플리케이션 환경이다.
배터리(308)가 분배 버스(304)로 방전하게 하는 이벤트(예컨대, PSU 고장 이벤트; 도 4 참조) 동안, 배터리(308)의 전압은 인가된 부하(305) 하에서 강하될 것이다. 배터리(308)의 전압 강하의 양은 인가된 부하(305)의 크기 및 배터리(308) 내의 배터리 셀들 각각의 내부 임피던스에 의존할 것이다. 방전 이벤트 동안 그것의 전압 제한들(예컨대, +/-15% 편차를 갖는 전술된 공칭 48 V 출력)(예컨대, 실질적으로 특정된 부하 전압 허용오차 범위) 내에서 분배 버스(304)를 유지하기에 충분히 작도록 전압 강하를 유지하면서, 배터리(308)의 배터리 셀들은 이들이 연결된 분배 버스(304)의 전체 전력 요건들을 지원할 수 있도록 이들의 전압, 전류 및 임피던스 특성들에 대해 주의 깊게 선택될 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 또 다른 비-제한적인 예시적 실시예에서, 4-셀 배터리 팩은 12 V 전기적 버스에 직접 연결되도록 구성될 수 있다. 이전 예와 비교하여, 배터리 V-I-SOC 곡선은 이러한 4 셀 배터리가 영역 2 구역으로 이동하기 이전에 영역 1 동작 구역에서 방전의 상당 부분들에 대해 동작할 것임을 표시한다. 이러한 비-제한적인 예시적 실시예에 따르면, 도 6 및/또는 도 7에 도시된 것과 같은 회로 구성이 이용될 수 있어서, 배터리와 부하 사이에 구현된 교환 네트워크를 통해 배터리 단자 전압이 감소될 수 있게 한다.
본 발명의 실시예들이 (예컨대, 배터리 백업 목적으로) 배터리를 전원으로서 이용하는 것으로 본원에서 개시되지만, 본 발명의 실시예들은 임의의 적절한 타입의 전원을 이용하도록 구성될 수 있다. 대응적으로, 시스템들(300, 600 및/또는 700)은 조정되지 않은 출력 전압(예컨대, 그러한 전원의 출력 전압은 분배 버스 전압 허용오차 범위 밖에서 변함)을 갖는 임의의 타입의 전원(배터리 대신)과 함께 이용하기에 적합하다.
당업자에 의해 인식될 바와 같이, 본 발명의 양상들(예컨대, 제어기(302, 602 및/또는 702))은 시스템, 방법 및/또는 프로그램 제품으로서 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 양상들(예컨대, 제어기(302, 602 및/또는 702))는 전체 하드웨어 실시예, 전체 소프트웨어 실시예(펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로-코드 등을 포함함), 또는 본원에서 모두 일반적으로 "회로", "회로망", "모듈" 또는 "시스템"으로 지칭될 수 있는 소프트웨어 및 하드웨어 양상들을 결합하는 실시예들의 형태를 취할 수 있다. 게다가, 본 발명의 양상들은 컴퓨터 판독가능한 프로그램 코드가 구현된 하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 저장 매체(들)에 구현된 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다. (그러나, 하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 매체(들)의 임의의 조합이 이용될 수 있다. 컴퓨터 판독가능한 매체는 컴퓨터 판독가능한 신호 매체 또는 컴퓨터 판독가능한 저장 매체일 수 있다.)
도 4 및 도 5의 다이어그램들에 나타낸 회로 블록 다이어그램들 및/또는 기능들의 각각의 블록, 및 도 4 및 도 5의 다이어그램들에 나타낸 회로 블록 다이어그램들 및/또는 기능들 내의 블록들의 조합은 특정된 기능들 또는 동작들을 수행하는 특수 목적 하드웨어-기반 시스템들, 또는 특수 목적 하드웨어와 컴퓨터 명령들의 조합들에 의해 구현될 수 있다는 점이 또한 주목될 것이다. 예컨대, 모듈(예컨대, 제어기들(302, 602 및/또는 702))은 커스텀 VLSI 회로들 또는 게이트 어레이들을 포함하는 하드웨어 회로, 로직 칩(logic chip)들과 같은 규격품(off-the-shelf) 반도체들, 트랜지스터들, 제어기들 또는 다른 개별 컴포넌트들로서 구현될 수 있다. 모듈(예컨대, 제어기들(302, 602 및/또는 702))은 또한, 필드 프로그래밍가능한 게이트 어레이들, 프로그래밍가능한 어레이 로직, 프로그래밍가능한 로직 디바이스들 등과 같은 프로그래밍가능한 하드웨어 디바이스들로 구현될 수 있다.
이와 다르게 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 현재 개시된 청구 대상이 속하는 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미들을 갖는다. 단수 표현들은 청구항들을 포함한 본 출원에서 사용될 때 "하나 이상"을 의미한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "약"이라는 용어는 주어진 값이 엔드포인트(endpoint)의 "약간 초과" 또는 "약간 미만"일 수 있다는 것을 규정함으로써 수치 범위 엔드포인트에 유연성을 제공하기 위해 사용된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "실질적으로"라는 용어는 작용, 특성, 속성, 상태, 구조, 항목 또는 결과의 완전한 또는 거의 완전한 범위 또는 정도를 지칭한다. 예컨대, "실질적으로" 밀폐되는 오브젝트는 오브젝트가 완전히 밀폐되거나 또는 거의 완전히 밀폐되는 것을 의미할 것이다. 절대적 완전함으로부터의 편차의 정확한 허용가능한 정도는 일부 경우들에서 특정 맥락에 의존할 수 있다. 그러나, 일반적으로 말하면, 완전함의 근접은, 절대적이고 전체적인 완전함이 얻어진 경우와 동일한 전반적 결과를 갖도록 할 것이다. "실질적으로"의 사용은 작용, 특성, 속성, 상태, 구조, 항목 또는 결과의 완전한 또는 거의 완전한 결여를 지칭하기 위해 부정적 의미로 사용될 때 동일하게 적용가능하다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "및/또는"이라는 용어 및 엔티티들의 리스팅의 맥락에서 사용될 때 2개의 단어들 사이의 "/"라는 문자의 사용은, 단독으로 또는 조합으로 존재하는 엔티티들을 지칭한다. 따라서, 예컨대, "A, B, C 및/또는 D"라는 문구는 A, B, C 및 D를 개별적으로 포함하지만, A, B, C 및 D의 임의의 그리고 모든 조합들 및 하위 조합들을 또한 포함한다.

Claims (20)

  1. 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛(power supply unit)을 위한 백업 시스템으로서,
    전원;
    상기 전원의 출력 단자와 상기 분배 버스 사이에 직렬로 연결된 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터;
    상기 제2 트랜지스터와 병렬로 커플링된 제1 다이오드; 및
    상기 전원이 상기 분배 버스를 통해 상기 부하에 전력을 공급하는 것을 가능하게 하기 위해 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터를 선택적으로 턴 온 및 턴 오프시키도록 구성된 회로망(circuitry)을 포함하며,
    상기 회로망은 상기 전력 공급 유닛이 고장을 경험하였다는 신호에 대한 응답으로, 상기 제2 트랜지스터를 오프 상태로 유지하면서 상기 제1 트랜지스터를 턴 온시키도록 구성되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 다이오드는 기생 바디 다이오드로서 상기 제2 트랜지스터에 커플링되며, 상기 제1 트랜지스터를 턴 온시키는 것은, 상기 제1 트랜지스터, 및 상기 제2 트랜지스터의 상기 기생 바디 다이오드를 통해 상기 전원으로부터 공급되는 제1 전압의 상기 분배 버스로의 커플링을 초래하는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 회로망은, 상기 전력 공급 유닛으로부터 공급되는 제2 전압이 상기 전원으로부터 공급되는 상기 제1 전압과 상기 제1 다이오드의 순방향 전압의 차 미만으로 강하될 때, 상기 제2 트랜지스터를 턴 온시키도록 구성되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 회로망은, 상기 전력 공급 유닛이 상기 고장을 경험한 이후에 상기 전력 공급 유닛으로부터 상기 분배 버스로의 충분한 전압이 복원되었다는 신호에 대한 응답으로, 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터를 턴 오프시키도록 구성되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 회로망은, 상기 전원으로부터 흐르는 0이 아닌(non-zero) 전류의 검출에 대한 응답으로, 상기 제2 트랜지스터를 턴 온시키도록 구성되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 전원에 커플링된 전류 센서를 더 포함하며,
    상기 전류 센서는 상기 전원으로부터 흐르는 0이 아닌 전류가 검출되었다는 데이터 신호를 상기 회로망에 전송하도록 구성되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 전원은 하나 이상의 직렬-연결된 셀들을 포함하는 배터리인, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 배터리와 배터리 충전기 사이에 커플링된 제3 트랜지스터를 더 포함하며,
    상기 회로망은 상기 배터리 충전기로 상기 배터리를 충전하기 위해 상기 제3 트랜지스터를 턴 온시키도록 구성되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 회로망은 상기 배터리로 흐르는 충전 전류의 검출에 대한 응답으로 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터를 턴 오프시키도록 구성되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 전력 공급 유닛에 의해 경험되는 상기 고장은 상기 전력 공급 유닛이 AC 라인 입력 전압을 수신하지 않은 결과인, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터와 직렬로 커플링된 제3 트랜지스터; 및
    상기 제3 트랜지스터와 병렬로 커플링된 제2 다이오드를 더 포함하며,
    상기 제1 다이오드는 제1 기생 바디 다이오드로서 상기 제2 트랜지스터에 커플링되고,
    상기 제2 다이오드는 제2 기생 바디 다이오드로서 상기 제3 트랜지스터에 커플링되고, 상기 제1 트랜지스터를 턴 온시키는 것은 상기 제1 트랜지스터, 상기 제2 트랜지스터의 상기 제1 기생 바디 다이오드, 및 상기 제3 트랜지스터의 상기 제2 기생 바디 다이오드를 통해 상기 전원으로부터 공급되는 제1 전압의 상기 분배 버스로의 커플링을 초래하고,
    상기 회로망은, 상기 제1 기생 바디 다이오드 및 상기 제2 기생 바디 다이오드에 걸리는 순방향 전압 강하들의 함수로써 상기 부하에 공급되는 제2 전압을 조정하기 위해, 상기 제2 트랜지스터 및 상기 제3 트랜지스터를 선택적으로 그리고 독립적으로 턴 온/오프시키도록 구성되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  12. 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛(power supply unit)을 위한 백업 시스템으로서,
    전원;
    상기 전원의 출력 단자와 상기 분배 버스 사이에 커플링된 N(여기서, N>1)개의 트랜지스터들의 네트워크 ― 상기 N개의 트랜지스터들 각각은 다이오드와 병렬로 커플링됨 ― ; 및
    활성화/활성화해제된 상기 N개의 트랜지스터들의 수의 함수로써 조정된 출력 전압 레벨로, 상기 전원이 상기 분배 버스를 통해 상기 부하에 전력을 공급하는 것을 가능하게 하기 위해 상기 N개의 트랜지스터들을 선택적으로 그리고 독립적으로 활성화/활성화해제하도록 구성된 제어기를 포함하는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 N개의 트랜지스터들에 커플링된 다이오드들은 기생 바디 다이오드들이고,
    상기 출력 전압 레벨은, 상기 활성화/활성화해제된 트랜지스터들에 관한, 상기 기생 바디 다이오드들 중 하나 이상의 기생 바디 다이오드들에 걸리는 순방향 전압 강하들의 양의 함수로써 조정되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 전원은 하나 이상의 직렬-연결된 셀들을 포함하는 배터리인, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 N개의 트랜지스터들의 네트워크는 N개의 직렬-연결된 트랜지스터들을 포함하고,
    상기 출력 전압 레벨은, 상기 제어기에 의해 활성화/활성화해제된 상기 N개의 트랜지스터들의 수에 관한, 상기 다이오드들 중 하나 이상의 다이오드들에 걸리는 순방향 전압 강하들의 양의 함수로써 조정되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 N개의 트랜지스터들의 네트워크는 N개의 병렬-연결된 트랜지스터/저항기 쌍들을 포함하고,
    상기 제어기는, 상기 네트워크를 통한 순간 전류(instantaneous current) 및 상기 네트워크에 대한 입력 전압의 함수로써 상기 N개의 병렬-연결된 트랜지스터/저항기 쌍들 중 특정 수의 병렬-연결된 트랜지스터/저항기 쌍을 활성화/활성화해제시킴으로써, 상기 네트워크에 걸리는 전압 강하를 조절하도록 구성되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 N개의 트랜지스터들 각각과 직렬로 커플링된 저항기를 더 포함하며,
    상기 N개의 트랜지스터들의 네트워크는 N개의 병렬-연결된 트랜지스터들을 포함하고,
    상기 출력 전압 레벨은, 상기 제어기에 의해 활성화/활성화해제된 상기 N개의 트랜지스터들의 수에 관한, 상기 저항기들 중 하나 이상의 저항기들에 걸리는 전압 강하들의 양의 함수로써 조정되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 출력 전압 레벨은 또한, 상기 제어기에 의해 활성화/활성화해제된 상기 N개의 트랜지스터들의 수에 관한, 상기 다이오드들 중 하나 이상의 다이오드들에 걸리는 순방향 전압 강하들의 양의 함수로써 조정되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  19. 제14 항에 있어서,
    상기 출력 전압 레벨은 상기 배터리의 초기 방전 전압보다 낮은 최대 레벨을 갖는 전압 범위 내에 있도록 조정되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
  20. 제14 항에 있어서,
    상기 출력 전압 레벨은 특정된 부하 전압 허용오차 범위 내에 있도록 조정되는, 분배 버스를 통해 부하에 전력을 제공하는 전력 공급 유닛을 위한 백업 시스템.
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10971935B2 (en) * 2017-07-24 2021-04-06 Clark Equipment Company Can bus terminating resistor arrangement
US11128214B2 (en) * 2017-12-27 2021-09-21 Nicslab Pty Ltd. Multi-channel power controller
CN113258652A (zh) * 2018-08-01 2021-08-13 Oppo广东移动通信有限公司 电池控制系统和方法、电子设备
TW202112040A (zh) * 2019-08-05 2021-03-16 美商立泰克實驗室公司 能量傳送系統
US11211785B2 (en) * 2019-10-02 2021-12-28 Motorola Solutions, Inc. Dynamic battery voltage restriction for hazardous environments
TWI733211B (zh) * 2019-10-07 2021-07-11 應能科技股份有限公司 不斷電系統
US11424492B2 (en) 2019-10-31 2022-08-23 Sion Power Corporation System and method for operating a rechargeable electrochemical cell or battery
US11056728B2 (en) * 2019-10-31 2021-07-06 Sion Power Corporation System and method for operating a rechargeable electrochemical cell or battery
JP7469110B2 (ja) 2020-04-01 2024-04-16 Fdk株式会社 無停電電源装置
CN111987791B (zh) 2020-08-18 2024-05-24 百度在线网络技术（北京）有限公司 电池模组控制装置和方法、电源设备和系统
US11791642B2 (en) 2020-10-08 2023-10-17 Element Energy, Inc. Safe battery energy management systems, battery management system nodes, and methods
US10992149B1 (en) 2020-10-08 2021-04-27 Element Energy, Inc. Safe battery energy management systems, battery management system nodes, and methods
TWI755926B (zh) * 2020-11-06 2022-02-21 精英電腦股份有限公司 不斷電系統及不斷電系統運作方法
TWI779423B (zh) * 2020-12-15 2022-10-01 瑞昱半導體股份有限公司 電源切換電路以及電源切換方法
US11831192B2 (en) 2021-07-07 2023-11-28 Element Energy, Inc. Battery management controllers and associated methods
US11269012B1 (en) 2021-07-19 2022-03-08 Element Energy, Inc. Battery modules for determining temperature and voltage characteristics of electrochemical cells, and associated methods
TWI786877B (zh) * 2021-10-12 2022-12-11 國立勤益科技大學 快速供電系統
EP4197075A4 (en) * 2021-10-19 2024-04-03 Litech Laboratories Llc POWER SYSTEM
US11699909B1 (en) 2022-02-09 2023-07-11 Element Energy, Inc. Controllers for managing a plurality of stacks of electrochemical cells, and associated methods
US11664670B1 (en) 2022-08-21 2023-05-30 Element Energy, Inc. Methods and systems for updating state of charge estimates of individual cells in battery packs

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1023678A (ja) * 1996-07-04 1998-01-23 Sony Corp 電力供給方法および電子機器
JP2004096857A (ja) * 2002-08-30 2004-03-25 Sanyo Electric Co Ltd 電源バックアップ装置
JP2005253220A (ja) * 2004-03-05 2005-09-15 Fujikura Ltd 電源切換回路
JP2008283743A (ja) * 2007-05-08 2008-11-20 Fuji Electric Device Technology Co Ltd 二次電池保護装置及び半導体集積回路装置

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5598041A (en) * 1995-11-16 1997-01-28 Lockheed Martin Corporation Efficient fault tolerant switching circuit for redundant d. c. power supplies
US5764032A (en) * 1997-03-06 1998-06-09 Maxim Integrated Products, Inc. Multiple battery switchover circuits
US7038522B2 (en) * 2001-11-13 2006-05-02 International Business Machines Corporation System and method for redundant power supply connection
JP2004297851A (ja) 2003-03-25 2004-10-21 Sansha Electric Mfg Co Ltd モータ制御用電源装置
JP2006524980A (ja) 2003-04-25 2006-11-02 マックスウェル テクノロジーズ， インク ２重層キャパシタ用電荷平衡回路
US7202631B2 (en) * 2003-06-24 2007-04-10 Dell Products L.P. Battery and system power selector integration scheme
JP5189343B2 (ja) * 2007-10-23 2013-04-24 ローム株式会社 セレクタ回路およびそれを用いた電子機器
US7893560B2 (en) * 2008-09-12 2011-02-22 Nellcor Puritan Bennett Llc Low power isolation design for a multiple sourced power bus
CN202103477U (zh) * 2011-06-14 2012-01-04 深圳市盈九州实业有限公司 直流电源控制电路
CN202121506U (zh) * 2011-07-04 2012-01-18 珠海瓦特电力设备有限公司 一种采用多权位控制技术的硅链调压装置
RU2487392C2 (ru) 2011-07-08 2013-07-10 Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" Резервированный стабилизатор напряжения на мдп-транзисторах
US9207735B2 (en) 2011-08-02 2015-12-08 Gram Power, Inc. Power management device and system
US9065277B1 (en) * 2012-02-29 2015-06-23 Google Inc. Battery backup system for uninterrupted power supply
DE102012103904B4 (de) * 2012-05-03 2016-08-04 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Energieversorgungsmodul als Zweitor und Verfahren zum Betrieb eines solchen Energieversorgungsmoduls
JP6010808B2 (ja) * 2012-10-19 2016-10-19 株式会社サンメディカル技術研究所 電源切換回路及び人工心臓システム
CN104571238B (zh) * 2013-10-25 2016-04-13 珠海格力电器股份有限公司 电压调节电路
CN105429280A (zh) 2014-08-15 2016-03-23 光宝电子(广州)有限公司 不断电系统及其供应方法
US20160134160A1 (en) 2014-11-07 2016-05-12 Schneider Electric It Corporation Systems and methods for battery management
WO2016085460A1 (en) 2014-11-25 2016-06-02 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Switch between first power source and second power source
CN105790423B (zh) 2014-12-16 2019-03-15 康舒科技股份有限公司 交替式电池备援模组与电池备援系统
US10658840B2 (en) * 2015-07-17 2020-05-19 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Current restriction for a power source

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1023678A (ja) * 1996-07-04 1998-01-23 Sony Corp 電力供給方法および電子機器
JP2004096857A (ja) * 2002-08-30 2004-03-25 Sanyo Electric Co Ltd 電源バックアップ装置
JP2005253220A (ja) * 2004-03-05 2005-09-15 Fujikura Ltd 電源切換回路
JP2008283743A (ja) * 2007-05-08 2008-11-20 Fuji Electric Device Technology Co Ltd 二次電池保護装置及び半導体集積回路装置

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