KR20210062577A - And 게이트를 포함하는 병렬구조 mosfet의 진단회로 및 이를 이용한 진단방법 - Google Patents

And 게이트를 포함하는 병렬구조 mosfet의 진단회로 및 이를 이용한 진단방법 Download PDF

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Abstract

본원발명은 이차전지팩을 구비한 전기자동차에 있어서, 상기 이차전지팩과 전기자동차 사이에 마련된 MOSFET 내부에 마련된 다수의 내부 FET의 개별적 이상을 진단할 수 있는 회로 및 진단방법에 관한 것으로서, 각각 내부의 MOSFET을 개별 ON/OFF 하면서 각각 내부의 MOSFET의 양단 전압을 측정하고 이를 진단 테이블과 비교함으로써 이상 여부를 파악하는 것이다.

Description

AND 게이트를 포함하는 병렬구조 MOSFET의 진단회로 및 이를 이용한 진단방법{Diagnostic circuit of parallel structure MOSFET comprising AND gate and diagnostic method using the same}
본원발명은 AND 게이트(AND gate)를 포함하는 병렬구조 MOSFET의 진단회로 및 이를 이용한 진단방법에 관한 것이다. 구체적으로 자동차의 전원 공급에 사용되는 병렬 연결된 다수의 MOSFET 중 특정 MOSFET의 고장을 AND 게이트를 이용하여 진단할 수 있는 회로 및 이를 이용하여 병렬 연결된 다수의 MOSFET 중 특정 MOSFET의 고장을 진단하는 방법이다.
전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV)의 개발로 리튬 이차전지에 대한 수요는 계속 늘어날 전망이다. 전기자동차에 적용되는 이차전지는 통상적으로 이차전지 단위셀(cell)이 복수 개 집합된 형태로 사용된다. 복수 개의 이차전지 단위셀이 직렬/병렬 등으로 연결되는 멀티 모듈 구조를 가지는 이차전지팩(pack)이 보편적으로 이용되고 있다.
이차전지팩은 전기자동차와는 별도의 장치로서 구비되며, 이차전지팩과 전기자동차 사이에는 전기적 온/오프 연결을 위한 릴레이가 마련된다.
자동차용 이차전지팩에서 공급되는 전압은 통상적으로 12V, 48V, 400V가 사용되고 있다. 400V의 경우 물리적인 한계로 인해서 기계식 릴레이를 사용하지만 그 이하에서는 전기적 방식인 FET으로 급속하게 대체되고 있다.
기계식 릴레이는 높은 전압과 대용량의 전류를 처리할 수 있으며, 높은 열에도 사용이 가능하고 가격 또한 저렴하다는 장점이 있다. 반면에 온/오프시에 접점과의 접촉에 의한 소음이 발생하고 접점과의 접촉시 발생하는 스파크로 인해서 수명이 제한이다. 기계식 릴레이는 또한 내부 기계적인 구성 부품으로 인해서 물리적인 충격에 약하다는 단점이 있다.
자동차의 급정거, 충돌 사고 등의 경우에 자동차 자체에 매우 큰 중력가속도가 걸리게 된다. 이러한 힘에 의해서 기계식 릴레이가 파손될 수 있으며, 이러한 파손과 단락에 의해서 화재 등의 2차 사고가 발생할 수 있다.
MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)은 대표적인 전기식 릴레이다. MOSFET은 기계식 릴레이와 대비해서 상대적으로 낮은 용량과 소재의 저항(RDS)으로 인해서 많은 열이 발생하는 단점이 있다. 저항에 의해서 온도가 200℃ 이상으로 올라가는 경우도 발생한다.
발열문제와 기계식 릴레이에 비해서 고가임에도 불구하고 MOSFET은 거의 반영구적인 수명, 자동차의 물리적인 충격에도 거의 손상을 입지 않는 장점 때문에 많은 자동차에서 기계식 릴레이를 대체할 것으로 예상된다. 기계식 릴레이의 작동에 따른 소음 문제 또한 계속적으로 개선이 요구되는 사항으로서 고가의 차량에 전자식 릴레이가 우선적으로 빠르게 보급될 것으로 예상된다.
MOSFET은 용량과 열 발생의 문제만 해결한다면 고전압 차량을 제외한 전기 자동차에서 기계식 릴레이를 대치할 것이다. 습기, 산소에 의한 산화 문제가 있더라도 FET의 케이스를 제거하고 이를 금속 집전체에 바로 연결하여 외부 공기와의 접촉을 차단하거나, 열을 전달하기 위한 면적을 늘리려는 시도 등 다양한 연구가 진행되고 있다.
현재 일부 차량에 적용되고 있는 MOSFET은 용량 등의 문제로 다수의 MOSFET이 병렬로 사용된다. 다수의 MOSFET은 하나의 드라이버에 의해서 제어되고 있다. 실제 외부 구성으로만 보면 자동차의 MOSFET은 하나지만 실제 내부에는 2S3P(2개의 직렬세트 3개가 병렬로 연결됨)의 6개 내부 FET 또는 내부 MOSFET(이하 '내부 FET')으로 구성된 경우가 많다. 필요한 용량에 따라서 내부 FET은 6개, 10개, 12개까지 다양하게 증가가 가능하다.
앞에서 언급한 바와 같이 내부 FET은 직렬 및 병렬로 연결되어 있다. 현재는 이러한 내부 FET중 어느 곳에 이상이 있는지를 판단할 수 있는 회로 또는 방법이 마련되어 있지 않다.
만약 내부 FET 중 일부가 파손되어 계속적으로 연결된 상태(fail on)일 경우, 해당 내부 FET으로 흐르지 않고 분산되어 흐르던 전류가 상기 파손된 내부 FET으로 집중되어 쉽게 과열되는 문제가 발생한다. 이로 인해서 전체적인 시스템이 과열될 수 있다. 배터리 팩의 과열은 자동차 안전에서의 매우 치명적인 위험이 될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 자동차용 MOSFET의 연결 회로도이다. 자동차 팩(BAT)에서 공급되는 전원은 외부적으로 보이는 하나의 MOSFET에 의해서 제어가 된다. 도 1에서 이중쇄선으로 표시된 부분이 외부적으로 보았을 때 하나의 MOSFET에 해당한다. 도 1에 표시된 내부 FET은 하나의 예시로서 2S3P로 연결된 것이나 이는 다양하게 다른 조합으로 변형이 가능하다.
FET1 내지 FET6는 6개의 내부 FET을 나타내는 것으로서 MOSFET은 필요에 따라 N형 또는 P형이 가능하다. 본원발명에 기재된 모든 도면에서는 N형만이 기재되어 있으나, 이를 P형으로 치환하는 것은 필요에 따라 쉽게 선택할 수 있는 정도이다.
게이트에 전압이 걸리지 않을 경우에는 FET1, FET2, FET3과 FET4, FET5, FET6은 다르게 작동한다. 게이트에 전압이 걸릴 경우 FET1, FET2, FET3은 전지팩에서 자동차 방향(도 1에서는 왼쪽에서 오른쪽)으로 전류가 흐를 수 있으며, 게이트에 전압이 걸리지 않을 경우에는 다이오드에 의해서 자동차에서 전지팩 방향(도 1에서는 오른쪽에서 왼쪽)으로 전류가 흐른다. FET4, FET5, FET6은 정반대로 게이트에 전압이 걸릴 경우 자동차에서 전지팩 방향으로 전류가 흐를 수 있으며, 게이트에 전압이 걸리지 않을 경우에는 다이오드에 의해서 전지팩에서 자동차 방향으로 전류가 흐른다.
게이트에 전압이 걸리지 않을 경우에 모든 FET은 작동을 하지 않지만, 별도의 다이오드 또는 내부의 기생다이오드에 의해서 FET1, FET2, FET3은 반대 방향(도 1에서는 오른쪽에서 왼쪽)으로 전류가 흐를 수 있고, FET4, FET5, FET6은 정방향(도 1에서는 왼쪽에서 오른쪽)으로 전류가 흐를 수 있다. 즉 FET1, FET2, FET3은 각각 V2, V3, V4에서 V1 방향으로 전류가 흐를 수 있으며, FET4, FET5, FET6은 V2, V3, V4에서 V5 방향으로 전류가 흐를 수 있다.
도 1에 따른 종래의 MOSFET은 하나의 드라이버에 의해서 모두 한꺼번에 제어가 된다. 도 1에서 V2, V3, V4가 서로 연결된 것은 자동차의 급가속, 급제동과 같은 순간적으로 많은 전류가 흐름 경우 이를 다수의 내부 FET에 분산하기 위한 것이다. 종래의 자동차용 MOSFET은 하나의 드라이버에 의해서 동시에 ON/OFF가 되며, 어떠한 내부 FET의 오류를 진단할 수 있는 방법이 없다.
특허문헌 1 내지 3은 모두 병렬 연결된 복수개의 FET 고장을 진단하는 기술이라는 점에서 일부 공통점이 있다.
구체적인 구성에 있어서, 특허문헌 1은 각 FET에 구비된 미러 FET의 개별 검출 저항의 전압값을 이용하는 점에서 구성이 복잡하고, 개별 미러 FET의 추가 유지 보수가 필요하다. 특허문헌 2는 복수의 FET의 온/오프를 제어함으로써 생성되는 부하 측 단자, 즉 최종 출력의 전압값의 변화를 측정하여 고장을 진단하는 점에서 일부 유사하지만, 특허문헌 2는 검출을 위한 별도의 전원을 사용하지 않아 고전압에 필요한 전류 측정 수단을 별도로 마련해야 하며, 또한 특허문헌 2는 구체적인 회로와 같은 해결 수단을 제시하지 못하고 있다. 특허문헌 3은 모든 FET의 구동을 개별적으로 제어하고 모든 FET에 전류 검출을 위한 별도의 저항을 부가한 점에서 구성이 복잡하고 이를 유지하기 위한 다수의 부품이 추가되며, 또한 이들 진단 회로 자체의 또한 고장이 문제가 될 수 있다.
이상과 같이 이차전지팩을 구비한 전기자동차에 있어서, MOSFET의 개별 FET의 이상 여부를 진단할 수 있는 효과적인 방법이 마련되지 않아, 향후 계속적으로 수요가 증가되는 MOSFET에 의한 사고 위험성이 커지고 있다.
일본 공개특허공보 제2000-293201호 ('특허문헌 1') 일본 등록특허공보 제5526965호 ('특허문헌 2') 대한민국 공개특허공보 제2016-0041495호 ('특허문헌 3')
본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 이차전지팩을 구비한 전기자동차에 있어서, 상기 이차전지팩과 전기자동차 사이에 마련된 MOSFET 내부에 마련된 다수의 내부 FET의 개별적 이상을 효과적으로 진단할 수 있는 회로 및 이를 이용하여 내부 FET의 이상을 효과적으로 진단할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원발명은 또한, 직렬로 연결된 2개의 MOSFET 중 상기 전지팩쪽에 배치된 MOSFET 및 상기 자동차쪽에 배치된 MOSFET에 대해서 모두 개별 이상 진단을 효과적으로 할 수 있는 회로 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본원발명은 자동차에 전력을 공급하는 이차전지팩의 (+) 단자와 상기 이차전지팩으로부터 전력을 공급받는 자동차 사이의 연결을 제어하는 다수의 MOSFE이 직렬 및 병렬로 연결된 MOSFET 어셈블리에 있어서,
상기 MOSFET 어셈블리의 각각의 MOSFET 게이트(Gate)에 각각 연결된 복수개의 AND 게이트; 상기 복수개의 AND 게이트의 모든 AND 게이트의 하나의 입력단에 동시에 연결되는 드라이버 모듈; 상기 복수개의 AND 게이트의 모든 AND 게이트의 또 다른 입력단에 각 채널별로 연결되는 마이크로 컨트롤 유닛;을 포함하는 MOSFET 어셈블리를 제공한다.
본원발명은 또한 상기 이차전지팩의 (+) 단자와 상기 이차전지팩으로부터 전력을 공급받는 자동차 사이에 스위치를 포함하는 추가의 병렬 연결을 더 포함할 수 있다.
상기 MOSFET 어셈블리는 2개의 MOSFET이 직렬로 연결되고, 상기 직렬로 연결된 2개의 MOSFET이 2개 이상 병렬로 연결된 것이다.
상기 직렬로 연결된 2개의 MOSFET 중 상기 전지팩쪽에 배치된 MOSFET은 게이트에 전압이 걸릴 경우에는 상기 전지팩에서 상기 자동차 방향으로 전류가 흐르도록 작동이 되며, 게이트에 전압이 걸리지 않을 경우에는 상기 자동차에서 상기 전지팩 방향으로 전류가 흐를 수 있는 다이오드가 배치되며,
상기 직렬로 연결된 2개의 MOSFET 중 상기 자동차쪽에 배치된 MOSFET은 게이트에 전압이 걸릴 경우에는 상기 자동차에서 상기 전지팩 방향으로 전류가 흐르도록 작동이 되며, 게이트에 전압이 걸리지 않을 경우에는 상기 전지팩에서 상기 자동차 방향으로 전류가 흐를 수 있는 다이오드가 배치된다.
상기 전지팩 또는 자동차 쪽에 배치된 MOSFET은 같은 MOSFET이 대칭되게 배치된 것이다.
상기 다이오드는 별도로 연결된 다이오드이거나 상기 MOSET 내부에 배치된 기생 다이오드일 수 있다.
상기 MOSFET 어셈블리는 외부적으로 하나의 MOSFET으로 구성된 것일 수 있으며, 상기 MOSFET 어셈블리는 상기 이차전지팩의 BMS(Battery Management System, 배터리 관리 시스템)에 의해서 같이 제어될 수 있다.
본원발명은 또한 MOSFET 어셈블리를 사용하여 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법에 있어서,
1) 드라이버 모듈을 온 상태로 변환하는 단계;
2) 마이크로 컨트롤 유닛의 각 채널을 차례대로 온/오프하면서 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계;
를 포함하는 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법을 제공한다. 상기 단계 2)에서 모든 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계가 추가될 수 있다. 개별 MOSFET의 이상을 확인하는 방법에 있어서, 상기 MOSFET 어셈블리는 2개의 MOSFET이 직렬로 연결되고, 상기 직렬로 연결된 2개의 MOSFET이 2개 이상 병렬로 연결되고, 상기 직렬로 연결된 2개의 MOSFET 중 전지팩쪽에 배치된 MOSFET의 이상을 상기 전지팩에서 공급되는 전류를 사용하여 이상을 확인하는 것을 포함하는 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법을 제공한다.
본원발명은 또한 이차전지팩의 (+) 단자와 상기 이차전지팩으로부터 전력을 공급받는 자동차 사이에 스위치를 포함하는 추가의 병렬 연결을 더 포함하는 MOSFET 어셈블리를 사용하여 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법에 있어서,
1) 상기 스위치를 오프 상태로 변환하는 단계;
2) 상기 드라이버 모듈을 온 상태로 변환하는 단계;
3) 상기 마이크로 컨트롤 유닛의 각 채널 중 상기 전지팩쪽에 배치된 MOSFET을 제어하는 AND 게이트의 입력단에 연결된 채널만을 차례대로 온/오프하면서 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계;
4) 상기 스위치를 온 상태로 변환하는 단계;
5) 상기 마이크로 컨트롤 유닛의 각 채널 중 상기 자동차쪽에 배치된 MOSFET을 제어하는 AND 게이트의 입력단에 연결된 채널만을 차례대로 온/오프하면서 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계;
를 포함하는 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법을 제공한다. 상기 단계 3) 및 단계 5)에서 모든 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계가 추가될 수 있다.
본원발명은 상기 모든 MOSFET 양단의 모든 전압의 값을 비교함으로써 개별 MOSFET의 이상 여부를 확인하는 방법을 제공한다.
본원발명은 상기 발명의 임의의 조합이 가능한 상태로 제공될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본원발명은 이차전지팩을 구비한 전기자동차에 있어서, 상기 이차전지팩과 전기자동차 사이에 마련된 MOSFET 내부에 마련된 다수의 내부 FET의 개별적 이상을 진단할 수 있는 장점이 있다. 이로 인해서 본원발명은 종래의 MOSFET 어셈블리에 대비해 안전도가 높은 전력 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 자동차용 MOSFET의 연결 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 자동차용 MOSFET의 연결 회로도를 일부 변경한 것이다.
도 3은 본원발명의 제1실시예에 따른 자동차용 MOSFET의 연결 회로도이다.
도 4는 본원발명의 제2실시예에 따른 자동차용 MOSFET의 연결 회로도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 본원발명을 보다 자세히 설명한다.
도 2는 종래 기술에 따른 자동차용 MOSFET의 연결 회로도를 일부 변경한 것이다.
본원발명은 개별 MOSFET의 이상 여부를 판별하기 위해서 종래 기술에 따른 자동차용 MOSFET 연결 회로도를 일부 변경하였다. 도 1에서 V2, V3, V4가 연결되었으나, 본원발명은 이들을 단락시켜 각각 2개의 개별 MOSFET이 직렬로 연결되며 이들이 다수로 병렬 연결될 수 있도록 변경하였다.
도 3은 본원발명의 제1실시예에 따른 자동차용 MOSFET의 연결 회로도이고, 도 4는 본원발명의 제2실시예에 따른 자동차용 MOSFET의 연결 회로도이다. 이하 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.
도 1 내지 도 4를 포함한 본원 명세서에 FET으로 기재된 것은 전력 공급용 MOSFET을 말한다.
본원발명은 자동차에 전력을 공급하는 이차전지팩의 (+) 단자와 상기 이차전지팩으로부터 전력을 공급받는 자동차 사이의 연결을 제어하는 다수의 MOSFE(FET1 내지 FET6)이 직렬 및 병렬로 연결된 MOSFET 어셈블리에 관한 것이다. 이때 자동차의 연결점을 V6과 V7로 나타내었다.
FET1 내지 FET6은 6개의 내부 FET을 나타내는 것으로서 MOSFET은 필요에 따라 N형 또는 P형이 가능하다. 본원발명에 기재된 모든 도면에서는 N형만이 기재되어 있으나, 이를 P형으로 치환하는 것은 필요에 따라 쉽게 선택할 수 있는 정도이다.
게이트에 전압이 걸리지 않을 경우에는 FET1, FET2, FET3과 FET4, FET5, FET6은 다르게 작동한다. 게이트에 전압이 걸릴 경우 FET1, FET2, FET3은 전지팩에서 자동차 방향으로 전류가 흐를 수 있으며, 게이트에 전압이 걸리지 않을 경우에는 다이오드에 의해서 자동차에서 전지팩 방향으로 전류가 흐른다. FET4, FET5, FET6은 정반대로 게이트에 전압이 걸릴 경우 자동차에서 전지팩 방향으로 전류가 흐를 수 있으며, 게이트에 전압이 걸리지 않을 경우에는 다이오드에 의해서 전지팩에서 자동차 방향으로 전류가 흐른다.
상기 MOSFET 어셈블리의 각각의 MOSFET 게이트(Gate)에 각각 연결된 6개의 AND 게이트(N1, N2, N3, N4, N5, N6); 상기 복수개의 AND 게이트(N1, N2, N3, N4, N5, N6)의 모든 AND 게이트의 하나의 입력단에 동시에 연결되는 드라이버 모듈(DRIVER); 상기 복수개의 AND 게이트(N1, N2, N3, N4, N5, N6)의 모든 AND 게이트의 또 다른 입력단에 각 채널별로 연결되는 마이크로 컨트롤 유닛(MCU)포함한다. 마이크로 컨트롤 유닛(MCU)은 모두 6개의 채널(CH1, CH2, CH3, CH4, CH5, CH6)을 가지며 각각의 채널은 모두 해당 AND 게이트((N1, N2, N3, N4, N5, N6)의 하나의 입력단자에 연결되어 있다.
상기 MOSFET 어셈블리는 2개의 MOSFET이 직렬로 연결되고, 상기 직렬로 연결된 2개의 MOSFET이 2개 이상 병렬로 연결된 것이다.
상기 직렬로 연결된 2개의 MOSFET 중 상기 전지팩쪽에 배치된 MOSFET(FET1, FET2, FET3)은 게이트에 전압이 걸리지 않을 경우에는 상기 자동차에서 상기 전지팩 방향으로 전류가 흐를 수 있는 다이오드가 배치되며,
상기 직렬로 연결된 2개의 MOSFET 중 상기 자동차쪽에 배치된 MOSFET(FET4, FET5, FET6)은 게이트에 전압이 걸리지 않을 경우에는 상기 전지팩에서 상기 자동차 방향으로 전류가 흐를 수 있는 다이오드가 배치된 것이다.
상기 다이오드는 별도로 연결된 다이오드이거나 상기 MOSET 내부에 배치된 기생 다이오드일 수 있다.
본원발명의 제1실시예에 따른 자용차용 MOSFET 어셈블리를 사용하여 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법에 있어서,
1) 드라이버 모듈(DRIVER)을 온 상태로 변환하는 단계;
2) 마이크로 컨트롤 유닛(MCU)의 각 채널을 차례대로 온/오프하면서 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계;
를 포함하는 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법을 제공한다.
상기 단계 2)에서 모든 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계가 추가될 수 있다.
드라이버 모듈(DRIVER)이 온 상태이므로 모든 AND 게이트의 하나의 입력은 ON 상태가 된다. 이때 마이크로 컨트롤 유닛에 의해서 각 채널이 ON이 되면 해당 ON이 되는 채널에서 신호가 발생하여 각 AND 게이트의 최종 출력이 ON이 된다. 만약 CH1의 ON이 되면 N1이 ON이 되고 이에 따라 FET1의 게이트에만 전압이 걸리게 된다. 예를 들어 전지팩의 전압이 48V이고, FET1이 정상 작동을 한다면 FET1만 ON을 할 경우 V1, V2, V5는 48V가 될 것이며, V3, V4는 0V가 될 것이다. 만약 FET1이 계속 ON 상태(fail on 또는 short)이면 모든 FET을 OFF 하여도 V1, V2, V5가 48V가 될 것이며, 만약 FET1이 계속 OFF 상태(fail off)이면 FET1만을 ON 하여도 V1만 48V가 될 것이다.
아래는 FET1에 대한 진단 테이블이다.
Figure pat00001
이와 같은 방법으로 FET1, FET2, FET3의 이상 여부를 측정할 수 있다. FET2, FET3의 경우에는 상기 V2에 해당하는 값이 각각 V3, V4로 대치된다.
본원발명의 제2실시예에 따른 자동차용 MOSFET 연결 회로도는 제1실시예에 부가하여 상기 이차전지팩의 (+) 단자와 상기 이차전지팩으로부터 전력을 공급받는 자동차 사이에 스위치(SW1)를 포함하는 추가의 병렬 연결을 더 포함하고 있다. 상기 스위치(SW1)는 진단을 위해서만 연결된다.
본원발명의 제2실시예에 따른 자용차용 MOSFET 어셈블리를 사용하여 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법에 있어서,
1) 상기 스위치(SW1)를 오프 상태로 변환하는 단계;
2) 드라이버 모듈(DRIVER)을 온 상태로 변환하는 단계;
3) 마이크로 컨트롤 유닛(MCU)의 각 채널 중 상기 전지팩쪽에 배치된 MOSFET을 제어하는 AND 게이트(N1, N2, N3)의 입력단에 연결된 채널(CH1, CH2, CH3)만을 차례대로 온/오프하면서 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계;
4) 상기 스위치(SW1)를 온 상태로 변환하는 단계;
5) 마이크로 컨트롤 유닛(MCU)의 각 채널 중 상기 자동차쪽에 배치된 MOSFET을 제어하는 AND 게이트(N4, N5, N6)의 입력단에 연결된 채널(CH4, CH5, CH6)만을 차례대로 온/오프하면서 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계;
를 포함하는 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법을 제공한다.
상기 단계 3) 및 단계 5)에서 모든 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계가 추가될 수 있다.
드라이버 모듈(DRIVER)이 온 상태이므로 모든 AND 게이트의 하나의 입력은 ON 상태가 된다. 이때 마이크로 컨트롤 유닛에 의해서 각 채널이 ON이 되면 해당 ON이 되는 채널에서 신호가 발생하여 각 AND 게이트의 최종 출력이 ON이 된다. 만약 CH1의 ON이 되면 N1이 ON이 되고 이에 따라 FET1의 게이트에만 전압이 걸리게 된다. 예를 들어 전지팩의 전압이 48V이고, FET1이 정상 작동을 한다면 FET1만 ON을 할 경우 V1, V2, V5는 48V가 될 것이며, V3, V4는 0V가 될 것이다. 만약 FET1이 계속 ON 상태(fail on 또는 short)이면 모든 FET을 OFF 하여도 V1, V2, V5가 48V가 될 것이며, 만약 FET1이 계속 OFF 상태(fail off)이면 FET1만을 ON 하여도 V1만 48V가 될 것이다.
반대의 경우에는 SW1을 ON으로 하면 V5에도 48V의 전압이 걸린다.
드라이버 모듈(DRIVER)이 온 상태이므로 모든 AND 게이트의 하나의 입력은 ON 상태가 된다. 이때 마이크로 컨트롤 유닛에 의해서 각 채널이 ON이 되면 해당 ON이 되는 채널에서 신호가 발생하여 각 AND 게이트의 최종 출력이 ON이 된다. 만약 CH4가 ON이 되면 N4가 ON이 되고 이에 따라 FET4의 게이트에만 전압이 걸리게 된다. 예를 들어 전지팩의 전압이 48V이고, FET4가 정상 작동을 한다면 FET4만 ON을 할 경우 V1, V2, V5는 48V가 될 것이며, V3, V4는 0V가 될 것이다. 만약 FET4가 계속 ON 상태(fail on 또는 short)이면 모든 FET을 OFF 하여도 V1, V2, V5가 48V가 될 것이며, 만약 FET4가 계속 OFF 상태(fail off)이면 FET4만을 ON 하여도 V1, V5만 48V가 될 것이다.
아래는 FET1 및 FET4에 대한 진단 테이블이다.
Figure pat00002
이와 같은 방법으로 FET1, FET2, FET3 및 FET4, FET5, FET6의 이상 여부를 측정할 수 있다. FET2, FET3와 FET5, FET6의 경우에는 상기 V2에 해당하는 값이 각각 V3, V4로 대치된다.
도 3 및 도 4는 2개의 직렬 연결과 이들이 3개의 병렬 연결하는 것으로 도식화되어 있지만, 이들을 2개 이상에서 다수로 변형하여도 본원발명의 해결원리가 동일하게 적용되는바, 이들 또한 본원발명의 권리에 포함되어야 할 것이다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
10 : 종래 기술에 따른 자동차용 MOSFET 연결 회로도
20 : 종래 기술의 일부를 개선한 자동차용 MOSFET 연결 회로도
30 : 본원발명의 제1실시예에 따른 자동차용 MOSFET 연결 회로도
40 : 본원발명의 제2실시예에 따른 자동차용 MOSFET 연결 회로도
BAT : 이차전지팩
V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7 : 전압측정 포인트
FET1, FET2, FET3, FET4, FET5, FET6 : 내부 FET
N1, N2, N3, N4, N5, N6 : AND 게이트
DRIVER : 드라이버
MCU : 마이크로컨트롤유닛 (Micro-control Unit)
CH1, CH2, CH3, CH4, CH5, CH6 : MCU의 제어채널

Claims (13)

  1. 자동차에 전력을 공급하는 이차전지팩의 (+) 단자와 상기 이차전지팩으로부터 전력을 공급받는 자동차 사이의 연결을 제어하는 다수의 MOSFET이 직렬 및 병렬로 연결된 MOSFET 어셈블리에 있어서,
    상기 MOSFET 어셈블리의 각각의 MOSFET 게이트(Gate)에 각각 연결된 복수개의 AND 게이트;
    상기 복수개의 AND 게이트의 모든 AND 게이트의 하나의 입력단에 동시에 연결되는 드라이버 모듈;
    상기 복수개의 AND 게이트의 모든 AND 게이트의 또 다른 입력단에 각 채널별로 연결되는 마이크로 컨트롤 유닛;
    을 포함하는 MOSFET 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지팩의 (+) 단자와 상기 이차전지팩으로부터 전력을 공급받는 자동차 사이에 스위치를 포함하는 추가의 병렬 연결을 더 포함하는 MOSFET 어셈블리.
  3. 제1항 또는 제2항 있어서,
    상기 MOSFET 어셈블리는 2개의 MOSFET이 직렬로 연결되고, 상기 직렬로 연결된 2개의 MOSFET이 2개 이상 병렬로 연결된 것인 MOSFET 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 직렬로 연결된 2개의 MOSFET 중 상기 전지팩쪽에 배치된 MOSFET은 게이트에 전압이 걸릴 경우에는 상기 전지팩에서 상기 자동차 방향으로 전류가 흐르도록 작동이 되며, 게이트에 전압이 걸리지 않을 경우에는 상기 자동차에서 상기 전지팩 방향으로 전류가 흐를 수 있는 다이오드가 배치되며,
    상기 직렬로 연결된 2개의 MOSFET 중 상기 자동차쪽에 배치된 MOSFET은 게이트에 전압이 걸릴 경우에는 상기 자동차에서 상기 전지팩 방향으로 전류가 흐르도록 작동이 되며, 게이트에 전압이 걸리지 않을 경우에는 상기 전지팩에서 상기 자동차 방향으로 전류가 흐를 수 있는 다이오드가 배치되는 MOSFET 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다이오드는 별도로 연결된 다이오드이거나 상기 MOSET 내부에 배치된 기생 다이오드인 MOSFET 어셈블리.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 MOSFET 어셈블리는 외부적으로 하나의 MOSFET으로 구성된 것인 MOSFET 어셈블리.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 MOSFET 어셈블리는 상기 이차전지팩의 BMS(Battery Management System, 배터리 관리 시스템)에 의해서 같이 제어되는 것인 MOSFET 어셈블리.
  8. 제1항에 따른 MOSFET 어셈블리를 사용하여 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법에 있어서,
    1) 상기 드라이버 모듈을 온 상태로 변환하는 단계;
    2) 상기 마이크로 컨트롤 유닛의 각 채널을 차례대로 온/오프하면서 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계;
    를 포함하는 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법.
  9. 제2항에 따른 MOSFET 어셈블리를 사용하여 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법에 있어서,
    1) 상기 스위치를 오프 상태로 변환하는 단계;
    2) 상기 드라이버 모듈을 온 상태로 변환하는 단계;
    3) 상기 마이크로 컨트롤 유닛의 각 채널 중 상기 전지팩쪽에 배치된 MOSFET을 제어하는 AND 게이트의 입력단에 연결된 채널만을 차례대로 온/오프하면서 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계;
    4) 상기 스위치를 온 상태로 변환하는 단계;
    5) 상기 마이크로 컨트롤 유닛의 각 채널 중 상기 자동차쪽에 배치된 MOSFET을 제어하는 AND 게이트의 입력단에 연결된 채널만을 차례대로 온/오프하면서 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계;
    를 포함하는 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 단계 2)에서 모든 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계가 추가되는 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 단계 3) 및 단계 5)에서 모든 개별 MOSFET의 양단 전압을 측정하는 단계가 추가되는 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 모든 MOSFET 양단의 모든 전압의 값을 비교함으로써 개별 MOSFET의 이상 여부를 확인하는 것을 포함하는 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 MOSFET 어셈블리는 2개의 MOSFET이 직렬로 연결되고, 상기 직렬로 연결된 2개의 MOSFET이 2개 이상 병렬로 연결되고,
    상기 직렬로 연결된 2개의 MOSFET 중 전지팩쪽에 배치된 MOSFET의 이상을 상기 전지팩에서 공급되는 전류를 사용하여 이상을 확인하는 것을 포함하는 개별 MOSFET의 이상 확인하는 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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