KR20210136280A - 역전압 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

역전압 보호 회로는, 입력단과 제1 접점 사이에 연결되어 있는 스위칭 소자 및 상기 제1 접점과 제2 접점 사이에 연결되어 있는 인덕터를 포함하고, 상기 입력단의 전압이 소정의 임계 전압 보다 낮은 역전압일 때, 상기 제2 접점과 그라운드 사이에 연결되어 있는 커패시터에 상기 역전압이 전달되는 것을 차단한다.

Description

역전압 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템{REVERSE VOLTAGE PROTECTING CIRCUIT AND BATTERY SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 개시는 역전압 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
종래 역전압 보호 회로는 다이오드 또는 MOSFET을 이용한다. 특히, 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS) 내부에 부스트(boost) 회로가 없는 경우 p 채널 MOSFET을 이용한 역전압 보호 회로가 적용되었다. 이 역전압 보호 회로에서 p 채널 MOSFET에는 전원 안정화를 위한 알루미늄 커패시터가 연결되는데, 역전압이 발생할 경우 순간적으로 알루미늄 커패시터에 음의 전압이 인가된다. 알루미늄 커패시터는 극성을 가지고 있어 역전압이 인가되면 파손될 수 있다.
역전압을 차단할 수 있는 역전압 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
역전압 보호 회로는, 입력단과 제1 접점 사이에 연결되어 있는 스위칭 소자 및 상기 제1 접점과 제2 접점 사이에 연결되어 있는 인덕터를 포함하고, 상기 입력단의 전압이 소정의 임계 전압 보다 낮은 역전압일 때, 상기 제2 접점과 그라운드 사이에 연결되어 있는 커패시터에 상기 역전압이 전달되는 것을 차단한다.
상기 스위칭 소자는 p 채널 MOSFET이고, 상기 p 채널 MOSFET의 드레인은 상기 입력단에 연결되고, 상기 p 채널 MOSFET의 소스는 상기 제1 접점에 연결될 수 있다.
상기 역전압 보호 회로는, 상기 p 채널 MOSFET의 소스와 게이트 사이에 연결되어 있는 제너 다이오드 및 상기 p 채널 MOSFET의 게이트와 그라운드 사이에 연결되어 있는 저항을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 배터리 시스템은, 배터리 및 상기 배터리의 운용을 제어하는 배터리 관리 시스템을 포함하고, 상기 배터리 관리 시스템은, 상기 배터리 관리 시스템에 전력을 공급하는 전원 회로를 포함하고, 상기 전원 회로는, 입력단과 제1 접점 사이에 연결되어 있는 스위칭 소자; 및 상기 제1 접점과 제2 접점 사이에 연결되어 있는 인덕터를 포함하고, 상기 입력단의 전압이 소정의 임계 전압 보다 낮은 역전압일 때, 상기 배터리 관리 시스템에 상기 역전압이 전달되는 것을 차단한다.
상기 전원 회로는, 상기 제2 접점과 그라운드 사이에 연결되어 있는 커패시터를 더 포함하고, 상기 역전압이 상기 커패시터에 전달되는 것을 차단할 수 있다.
상기 커패시터는 알루미늄 커패시터일 수 있다.
상기 스위칭 소자는 p 채널 MOSFET이고, 상기 p 채널 MOSFET의 드레인은 상기 입력단에 연결되고, 상기 p 채널 MOSFET의 소스는 상기 제1 접점에 연결될 수 있다.
상기 전원 회로는, 상기 p 채널 MOSFET의 소스와 게이트 사이에 연결되어 있는 제너 다이오드 및 상기 p 채널 MOSFET의 게이트와 그라운드 사이에 연결되어 있는 저항을 더 포함할 수 있다.
역전압을 차단할 수 있는 역전압 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템을 제공한다.
도 1은 일 실시예에 따른 역전압 보호 회로를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
도 2는 일 실시예에 따른 역전압 보호 회로에 역전압이 인가되었을 때의 커패시터의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래 역전압 보호 회로에 역전압이 인가되었을 때의 커패시터의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 역전압 보호 회로를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
배터리 시스템(1)은 역전압 보호 회로(10), 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(20), 배터리(30), 및 전원 회로(40)를 포함한다.
BMS(20)는 마이크로 컨트롤 유닛(Micro Control Unit, MCU)(21) 및 전원 회로(40)를 포함하고, 전원 회로(40)는 역전압 보호 회로(10), 커패시터(41), 및 전력 변환 회로(42)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 배터리 시스템(1)의 구성들은 본 발명을 설명하기 위한 일 예로 발명이 이에 제한되지 않는다.
역전압 보호 회로(10)는 외부로부터 공급되는 입력 전압이 소정의 임계 전압 보다 낮아지는 역전압이 될 때, 역전압이 다음 단으로 전달되는 것을 방지하는 회로이다. 이때, 외부는 배터리 시스템(1)으로부터 전력을 공급받는 차량일 수 있다.
배터리(30)는 복수의 배터리 셀을 포함하고, BMS(20)의 제어에 따라 운영되어 차량 등의 부하에 전력을 공급하다. BMS(20)는 배터리(30)를 구성하는 복수의 배터리 셀의 전압, 배터리(30)에 흐르는 전류, 온도 등을 감지할 수 있고, 배터리(30)의 충방전을 제어할 수 있으며, 복수의 배터리 셀에 대해서 셀 밸런싱을 제어할 수 있다. BMS(20)의 제어 동작은 MCU(21)에 의해 수행될 수 있다.
커패시터(41)는 역전압 보호 회로(10)를 통과한 전압에 의해 충전되고, 전력 변환 회로(42)는 역전압 보호 회로(10)를 통과한 전압을 변환하여 BMS(20)의 구동에 필요한 전원 전압(VS)을 생성 및 공급한다. 도 1에서는 전원 전압(VS)이 MCU(21)에 공급되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로서 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 1에 도시되어 있지 않으나, BMS(20)를 구성하는 다양한 회로, 소자 등에 전원 전압이 공급될 수 있다. 커패시터(41)는 극성이 있는 알루미늄 커패시터로 구현될 수 있다.
역전압 보호 회로(10)는 p 채널 MOSFET(11), 제너 다이오드(12), 저항(13), 및 인덕터(14)를 포함한다. p 채널 MOSFET(11)은 입력단(IN)과 노드(N1) 사이에 연결되어 있고, p 채널 MOSFET(11)의 소스-드레인 사이에 바디 다이오드(BD)가 형성되어 있다. p 채널 MOSFET(11)의 게이트는 노드(NG)에 연결되고, p 채널 MOSFET(11)의 드레인은 입력단(IN)에 연결되며, p 채널 MOSFET(11)의 소스는 노드(N1)에 연결되어 있다.
제너 다이오드(12)는 노드(N1)와 노드(NG) 사이에 연결되어 있고, 제너 다이오드(12)의 캐소드는 노드(N1)에 연결되어 있으며, 제너 다이오드(12)의 애노드는 노드(NG)에 연결되어 있다. 노드(N1)와 노드(NG) 간의 전압 차가 제너 전압 이상일 때, 제너 다이오드(12)가 도통되어, 노드(N1)와 노드(NG) 간의 전압을 제너 전압으로 유지할 수 있다.
저항(13)은 노드(NG)와 그라운드 사이에 연결되어, 제너 다이오드(12)의 전류 경로를 제공하고, 노드(NG)의 전압을 형성한다.
인덕터(14)는 노드(N1)와 노드(N2) 사이에 연결되고, 커패시터(41)는 노드(N2)와 그라운드 사이에 연결되어 있다.
입력단(IN)의 전압이 정상 전압일 때, p 채널 MOSFET(11)은 온 상태로, p 채널 MOSFET(11)의 게이트-소스 전압은 제너 전압으로 유지될 수 있다. 그러나, 입력단(IN)의 전압이 소정 전압보다 낮은 역전압일 때, p 채널 MOSFET(11)는 턴 오프 된다. 소정 전압은 그라운드 전압일 수 있다.
역전압 발생시 p 채널 MOSFET이 빠르게 턴 오프 되어야 전원 회로(40)가 보호될 수 있다. 커패시터(41)는 벌크 커패시터로 BMS(20)의 전원으로 동작할 수 있다. 예를 들어, BMS(20)에 공급되는 전원이 노이즈나 외부 영향에 의해 흔들릴 경우 BMS(20)에 소정 기간 전력을 공급해 줄 수 있다. 커패시터(41)에 역전압이 걸릴 경우 커패시터(41)가 파손되어 전원 회로(40)가 단락되거나, 개방될 수 있다. 커패시터(41)의 단락은 전원 회로(40)의 발화 원인이 될 수 있고, 커패시터(41)가 개방되면, 벌크 커패시터로 동작하지 못한다.
MOSFET 특성 상 역전압 레벨의 펄스 파형이 인가되는 속도 보다, MOSFET이 턴 오프 되는 스위칭 속도가 느리다. 그러면, 종래 기술과 같이, 커패시터(41)에 역전압이 인가된다.
일 실시예에 따른 역전압 보호 회로(1)는 인덕터(14)를 더 포함하고 있어, 인덕터(14)에 의해 역전압이 노드(N1)에서 노드(N2)로 전달되는데 지연이 발생한다. 인덕터(14)에 의해 발생하는 지연 기간 중 p 채널 MOSFET(11)이 턴 오프 되어, 커패시터(41)에는 역전압이 인가되는 않는다.
도 2는 일 실시예에 따른 역전압 보호 회로에 역전압이 인가되었을 때의 커패시터의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 커패시터(41)의 일단 즉, 접점(N2)의 전압(실선)은 커패시터(41)의 타단 즉, 그라운드 전압(점선) 보다 높은 전압으로 제어된다.
도 3은 종래 역전압 보호 회로에 역전압이 인가되었을 때의 커패시터의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 커패시터의 일단의 전압(실선)이 커패시터 타단의 전압인 그라운드 전압(점선) 보다 낮은 구간(P1)이 발생한다.
이와 같이, 일 실시예에 따른 역전압 보호 회로를 통해 커패시터에 발생하는 역전압을 방지할 수 있어, 전원 회로를 보호할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
1: 배터리 시스템
10: 역전압 보호 회로
20: 배터리 관리 시스템
30: 배터리
40: 전원 회로

Claims (10)

  1. 입력단과 제1 접점 사이에 연결되어 있는 스위칭 소자; 및
    상기 제1 접점과 제2 접점 사이에 연결되어 있는 인덕터를 포함하고,
    상기 입력단의 전압이 소정의 임계 전압 보다 낮은 역전압일 때, 상기 제2 접점과 그라운드 사이에 연결되어 있는 커패시터에 상기 역전압이 전달되는 것을 차단하는, 역전압 보호 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는 p 채널 MOSFET인, 역전압 보호 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 p 채널 MOSFET의 드레인은 상기 입력단에 연결되고, 상기 p 채널 MOSFET의 소스는 상기 제1 접점에 연결되는, 역전압 보호 회로.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 p 채널 MOSFET의 소스와 게이트 사이에 연결되어 있는 제너 다이오드; 및
    상기 p 채널 MOSFET의 게이트와 그라운드 사이에 연결되어 있는 저항을 더 포함하는, 역전압 보호 회로.
  5. 배터리; 및
    상기 배터리의 운용을 제어하는 배터리 관리 시스템을 포함하고,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 배터리 관리 시스템에 전력을 공급하는 전원 회로를 포함하고,
    상기 전원 회로는,
    입력단과 제1 접점 사이에 연결되어 있는 스위칭 소자; 및
    상기 제1 접점과 제2 접점 사이에 연결되어 있는 인덕터를 포함하고,
    상기 입력단의 전압이 소정의 임계 전압 보다 낮은 역전압일 때, 상기 배터리 관리 시스템에 상기 역전압이 전달되는 것을 차단하는, 배터리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전원 회로는,
    상기 제2 접점과 그라운드 사이에 연결되어 있는 커패시터를 더 포함하고,
    상기 역전압이 상기 커패시터에 전달되는 것을 차단하는, 배터리 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 커패시터는 알루미늄 커패시터인, 배터리 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는 p 채널 MOSFET인, 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 p 채널 MOSFET의 드레인은 상기 입력단에 연결되고, 상기 p 채널 MOSFET의 소스는 상기 제1 접점에 연결되는, 배터리 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전원 회로는,
    상기 p 채널 MOSFET의 소스와 게이트 사이에 연결되어 있는 제너 다이오드; 및
    상기 p 채널 MOSFET의 게이트와 그라운드 사이에 연결되어 있는 저항을 더 포함하는, 배터리 시스템.
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