JP2023529822A - リレー駆動回路およびそれを含むバッテリシステム - Google Patents
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Abstract
本発明はプリチャージリレーのオン／オフを制御するゲート電圧を生成するリレーの駆動回路およびそれを含むバッテリシステムに関し、本発明のリレー駆動回路は、外部装置とバッテリパックの電気的な連結を制御するリレーの駆動回路において、イネーブル（ｅｎａｂｌｅ）レベルの制御信号を受信してオン動作する少なくとも一つのトランジスタ、前記トランジスタのオン動作によりバッテリパックの正極に一端が連結され、前記リレーに他端が連結される第１抵抗、そして前記第１抵抗の他端と外部装置の間に連結される第２抵抗を含み、前記リレーは、前記第１抵抗および前記第２抵抗の合算抵抗値に対する前記第２抵抗の抵抗値の比率で前記バッテリパックから供給される電力の印加を受けてオン動作する。
Description
［関連出願との相互引用］
本出願は２０２１年１月１２日付韓国特許出願第１０－２０２１－０００４１４２号に基づく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すべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本出願は２０２１年１月１２日付韓国特許出願第１０－２０２１－０００４１４２号に基づく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すべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明はプリ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リレーの駆動回路およびそれを含むバッテリシステムに関する。
リレー（ｒｅｌａｙ）は予め定められた電気的信号を用いて電気回路のオン／オフを制御する装置であり、作動原理によって機械式リレーと電子式リレーに分類される。機械式リレーは電磁石を用いて電磁石に電流が流れると磁性接点が電極に付いて回路が連結されることによって電気回路に対するオン／オフを制御する方式である。
電子式リレーはリレーの電気回路開閉部に半導体スイッチング素子を使用して電気的接点を除去（無接点）したリレーであって、内部に電気的に絶縁された入力側と半導体で構成されて高負荷の開閉機能を有する出力側がある。すなわち、電子式リレーは、入力側に電気的信号が与えられると出力側に高負荷の電流が流れるようになり電気回路に対するオン／オフを制御する方式である。電子式リレーは入力信号が非常に小さくても高負荷の出力信号を制御することができ、機械的動作部がないため寿命が長くかつ応答速度が速く、衝撃や振動、設置位置などに対する影響を少なく受けて機械式リレーより広く使用されている。
一方、半導体スイッチング素子として金属酸化物電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ，Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が広く使用されるが、このようなＭＯＳＦＥＴを駆動させるためにはゲート（Ｇａｔｅ）に電力を印加しなければならない。
従来のリレー駆動回路は半導体スイッチング素子を駆動させるための別途の電源回路を備えるため、リレー駆動回路が複雑で、回路面積が増加して追加コストが発生する問題がある。
本発明は別途の電源回路なしでバッテリパックの電源でリレー駆動回路を駆動して半導体スイッチング素子のオン／オフを制御するリレー駆動回路およびそれを含むバッテリシステムを提供する。
本発明の一特徴によるリレー駆動回路は、外部装置とバッテリパックの電気的な連結を制御するリレーの駆動回路において、イネーブル（ｅｎａｂｌｅ）レベルの制御信号を受信してオン動作する少なくとも一つのトランジスタ、前記トランジスタのオン動作により前記バッテリパックの正極に一端が連結され、前記リレーに他端が連結される第１抵抗、そして前記第１抵抗の他端と前記外部装置の間に連結される第２抵抗を含み、前記リレーは、前記第１抵抗および前記第２抵抗の合算抵抗値に対する前記第２抵抗の抵抗値の比率で前記バッテリパックから供給される電力の印加を受けてオン動作する。
前記リレー駆動回路は、前記第２抵抗と並列連結されて前記第２抵抗の両端電圧のレベルを維持するツェナーダイオードをさらに含み得る。
前記トランジスタは、イネーブル（ｅｎａｂｌｅ）レベルの制御信号を受信してオン動作する第１トランジスタ、そして前記第１トランジスタがオンされるとグラウンドレベルの電圧の印加を受けてオン動作して前記バッテリパックの正極と前記第１抵抗を電気的に連結する第２トランジスタを含み得る。
本発明の一特徴によるバッテリシステムは、外部装置とバッテリパックの電気的な連結を制御するメインリレー；前記メインリレーに並列連結されて前記メインリレーのターンオン前にターンオンされ、前記メインリレーがターンオンされて所定時間が経過した後ターンオフされるプリチャージリレー；前記メインリレーおよび前記プリチャージリレーのスイッチングを制御する制御信号を生成するＢＭＳ；および前記ＢＭＳからイネーブル（ｅｎａｂｌｅ）レベルの第１制御信号を受信してオン動作する少なくとも一つのトランジスタと、前記トランジスタのオン動作により前記バッテリパックの正極に一端が連結されて前記プリチャージリレーに他端が連結される第１抵抗と、前記第１抵抗の他端と前記外部装置の間に連結される第２抵抗を含んで前記プリチャージリレーのオン／オフを制御する第１リレー駆動回路を含むリレー駆動回路を含み、前記プリチャージリレーは、前記第１抵抗および前記第２抵抗の合算抵抗値に対する前記第２抵抗の抵抗値の比率で前記バッテリパックから供給される電力の印加を受けてオン動作する。
前記第１リレー駆動回路は、前記第２抵抗と並列連結されて前記第２抵抗の両端電圧のレベルを維持するツェナーダイオードをさらに含み得る。
前記トランジスタは、イネーブル（ｅｎａｂｌｅ）レベルの第１制御信号を受信してオン動作する第１トランジスタ、そして前記第１トランジスタがオンされるとグラウンドレベルの電圧の印加を受けてオン動作して前記バッテリパックの正極と前記第１抵抗を電気的に連結する第２トランジスタを含み得る。
前記プリチャージリレーは、前記バッテリパックから供給される電力を、ゲート端子を介して印加を受けてオン動作するモスフェット（ＭＯＳＦＥＴ）を含み得る。
本発明は、リレー駆動回路に備えられた別途の電源回路を除去してリレー駆動回路の簡素化、面積縮小、そしてコスト削減の効果を有する。
以下、添付する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、類似の図面符号を付与してこれに係る重複する説明は省略する。以下の説明で使用される構成要素に対する接尾辞の「モジュール」および／または「部」は明細書作成の容易さだけが考慮されて付与されるか混用されるものであって、それ自体が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あたり関連する公知技術に係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曖昧にすると判断される場合はその詳細な説明を省略する。また、添付する図面は本明細書に開示された実施形態に対する理解を容易するためのものであり、添付する図面によって本明細書に開示された技術的思想は制限されず、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物または代替物を含むものとして理解しなければならない。
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ために使用できるが、前記構成要素は前記用語によって限定されない。前記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にのみ使用される。
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いる、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、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ものとして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するためであり、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の可能性をあらかじめ排除しないものとして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システムを示すブロック図であり、図２は図１の第１リレー駆動回路の機能を詳しく説明するブロック図であり、図３は図１の第２リレー駆動回路の機能を詳しく説明するブロック図である。
図１を参照すると、バッテリシステム１はバッテリパック１０、ＢＭＳ２０、リレー３０、そしてリレー駆動回路４０を含む。
バッテリパック１０は複数のバッテリセルが直列／並列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、バッテリパック１０が直列連結されている複数のバッテリセルを含み、バッテリシステム１の二つの出力端ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の間に連結されており、バッテリシステム１の正極と出力端ＯＵＴ１の間にリレー３０が連結されている。図１に示す構成および構成の間の連結関係は一例であり、発明がこれに限定されるものではない。
ＢＭＳ２０はリレー３０のスイッチングを制御する制御信号を生成してリレー駆動回路４０に伝達することができる。例えば、ＢＭＳ２０はリレー駆動回路４０をイネーブル（ｅｎａｂｌｅ）させる第１制御信号ＣＳ１および第２制御信号ＣＳ２をリレー駆動回路４０に伝達する。
リレー３０は、プリチャージリレー（Ｐｒｅ－ｃｈａｒｇｅ Ｒｅｌａｙ）３１、そしてプリチャージリレー３１と並列連結されるメインリレー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ることができる。例えば、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（ＭＯＳＦＥＴ，Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ，Ｂｉｐｏｌａｒ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が使用できるが、これに限定されるものではない。
プリチャージリレー３１はモスフェット（ＭＯＳＦＥＴ）として具現されてオンレベルの第１ゲート電圧ＶＧ１に応じてスイッチングされることができ、プリチャージ抵抗Ｒｆと直列連結されることができる。プリチャージリレー３１はバッテリパック１０と外部装置を連結する時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３３の破損を防止することができる。例えば、プリチャージリレー３１はメインリレー３３のターンオン前に先にターンオンされ、メインリレー３３がターンオンされて所定時間が経過した後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。
メインリレー３３はバイポーラ接合トランジスタＢＪＴとして具現されてオフレベルの第２ゲート電圧ＶＧ２に応じてスイッチングされることができる。メインリレー３３はバッテリシステム１と外部装置（例：負荷、充電器）の間の電気的な連結を制御する。メインリレー３３がオンされると、バッテリシステム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、バッテリパック１０が充電器によって充電される充電動作が行われる。メインリレー３３がオフされると、バッテリシステム１と外部装置が電気的に分離される。
リレー駆動回路４０は第１リレー駆動回路４１および第２リレー駆動回路４３を含むことができる。
第１リレー駆動回路４１は、イネーブルレベルの第１制御信号ＣＳ１を受信してプリチャージリレー３１をオンさせることができる第１ゲート電圧ＶＧ１を生成する。第１リレー駆動回路４１は、一端がバッテリパック１０の正極に連結されて他端はバッテリシステム１の第１出力端ＯＵＴ１に連結されることができる。
図２を参照すると、第１リレー駆動回路４１は、第１トランジスタＱ１、第２トランジスタＱ２、第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２、そしてツェナーダイオードＺＤを含むことができる。図２に示す保護ブロック（ＰＢ，ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｂｌｏｃｋ）はヒューズ（ｆｕｓｅ）のような各種素子を含んでプリチャージリレー３１を保護することができる。
第１トランジスタＱ１のベースＢ端はＢＭＳ２０から伝達される第１制御信号ＣＳ１を受信し、第１トランジスタＱ１のコレクタＣ端は第２トランジスタＱ２のベースＢ端に連結される。第２トランジスタＱ２のコレクタＣ端はバッテリパック１０の正極に連結され、第２トランジスタＱ２のエミッタＥ端は第１抵抗Ｒ１の一端と連結される。具体的には、第２トランジスタＱ２のエミッタＥ端は第１抵抗Ｒ１により第２抵抗Ｒ２の一端、ツェナーダイオードＺＤのカソード、およびプリチャージリレー３１のゲートＧ端に連結される。
第１トランジスタＱ１はＮＰＮ型トランジスタであり、第１制御信号ＣＳ１のハイレベルによってオンされ、ローレベルによってオフされる。第２トランジスタＱ２はＰＮＰ型トランジスタであり、ベースＢ端に入力される信号のハイレベルによってオフされ、ローレベルによってオンされる。
例えば、イネーブル（ｅｎａｂｌｅ）レベル、例えば、ハイレベルの第１制御信号ＣＳ１が第１トランジスタＱ１のベースＢ端に入力されると、第１トランジスタＱ１はオンされて第１トランジスタＱ１のコレクタＣ端はグラウンドＧＮＤに連結される。第１トランジスタＱ１のコレクタＣ端に連結された第２トランジスタＱ２のベースＢ端にグラウンドＧＮＤレベルの電圧が印加され、第２トランジスタＱ２がオンされる。すると、第２トランジスタＱ２を介してバッテリパック１０の正極と第１抵抗Ｒ１が連結され、バッテリパック１０から供給される電力がモスフェット（ＭＯＳＦＥＴ）のゲート端に印加されてプリチャージリレー３１がターンオンされる。
第１抵抗Ｒ１は第２トランジスタＱ２のオン動作によりバッテリパック１０の正極に一端が連結され、プリチャージリレー３１に他端が連結される。具体的には、第１抵抗Ｒ１の他端は、第２抵抗Ｒ２の一端、ツェナーダイオードＺＤのカソード、およびプリチャージリレー３１のゲート端に連結される。
第２抵抗Ｒ２は第１抵抗Ｒ１と外部装置の間に連結される。具体的には、第２抵抗Ｒ２の一端は第１抵抗Ｒ１の他端と連結され、第２抵抗Ｒ２の他端はバッテリシステム１の第１出力端ＯＵＴ１を介して外部装置と連結される。
ツェナーダイオードＺＤは第２抵抗Ｒ２と並列連結されて第２抵抗Ｒ２の両端の電圧をツェナーダイオードＺＤの降伏電圧にクランピングして、プリチャージリレー３１のゲートＧ端に印加される第１ゲート電圧ＶＧ１のレベルを一定に維持させることができる。
図２を参照すると、プリチャージリレー３１はモスフェット（ＭＯＳＦＥＴ）として具現されてオンレベルの第１ゲート電圧ＶＧ１に応じてスイッチングされることができる。モスフェット（ＭＯＳＦＥＴ）のドレインＤ端はバッテリパック１０の正極に連結され、モスフェット（ＭＯＳＦＥＴ）のソースＳ端はバッテリシステム１の第１出力端ＯＵＴ１を介して外部装置と連結される。モスフェット（ＭＯＳＦＥＴ）はゲートＧ端に印加される第１ゲート電圧ＶＧ１によりターンオンされてバッテリパック１０と外部装置を電気的に連結することができる。
一実施形態により、プリチャージリレー３１は第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２の合算抵抗値に対する第２抵抗Ｒ２の抵抗値の比率（Ｒ２／Ｒ１＋Ｒ２）でバッテリパック１０から供給される電力（Ｐ＝ＶＩ）の印加を受けてオン動作することができる。例えば、第１ゲート電圧ＶＧ１の電圧値はバッテリパック１０の電力に対応する電圧（Ｖ）値と第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２の合算抵抗値（Ｒ１＋Ｒ２）に対する第２抵抗Ｒ２の抵抗値の比率（Ｒ２／Ｒ１＋Ｒ２）を乗じて算出されることができる。
第２リレー駆動回路４３は、イネーブルレベルの第２制御信号ＣＳ２を受信してメインリレー３３をターンオンさせることができる。第２リレー駆動回路４３は、一端がバッテリパック１０の正極に連結されて他端はバッテリシステム１の第１出力端ＯＵＴ１に連結されることができる。
図３を参照すると、第２リレー駆動回路４３は、第３トランジスタＱ３を含むことができる。第３トランジスタＱ３のベースＢ端はＢＭＳ２０から伝達される第２制御信号ＣＳ２を受信し、コレクタＣ端はメインリレー３３のベースＢ端に連結される。図３に示す保護ブロック（ＰＢ，ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｂｌｏｃｋ）はヒューズ（ｆｕｓｅ）のような各種素子を含んでメインリレー３３を保護することができる。
第３トランジスタＱ３はＮＰＮ型トランジスタであり、第２制御信号ＣＳ２のハイレベルによってオンされ、ローレベルによってオフされる。この時、メインリレー３３はＰＮＰ型トランジスタであり、ベースＢ端に入力される信号のハイレベルによってオフされ、ローレベルによってオンされる。
例えば、イネーブル（ｅｎａｂｌｅ）レベル、例えば、ハイレベルの第２制御信号ＣＳ２が第３トランジスタＱ３のベースＢ端に入力されると、第３トランジスタＱ３はオンされて第３トランジスタＱ３のコレクタＣ端はグラウンドＧＮＤに連結される。第３トランジスタＱ３のコレクタＣ端に連結されたメインリレー３３のベースＢ端にグラウンドＧＮＤレベルの電圧が印加され、メインリレー３３がオンされる。すると、メインリレー３３を介してバッテリパック１０と外部装置が電気的に連結されることができる。
すなわち、第２リレー駆動回路４３では、バッテリパック１０を用いて第２ゲート電圧ＶＧ２を別に生成せず、第３トランジスタＱ３によるグラウンドＧＮＤレベルの電圧がメインリレー３３をオンさせ得る第２ゲート電圧ＶＧ２の機能を遂行することができる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるのではなく、本発明の属する分野で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また、本発明の権利範囲に属する。
Claims (7)
- 外部装置とバッテリパックの電気的な連結を制御するリレーの駆動回路において、
イネーブルレベルの制御信号を受信してオン動作する少なくとも一つのトランジスタ、
前記トランジスタのオン動作により前記バッテリパックの正極に一端が連結され、前記リレーに他端が連結される第１抵抗、および
前記第１抵抗の他端と前記外部装置の間に連結される第２抵抗を含み、
前記リレーは、
前記第１抵抗および前記第２抵抗の合算抵抗値に対する前記第２抵抗の抵抗値の比率で前記バッテリパックから供給される電力の印加を受けてオン動作する、リレー駆動回路。 - 前記第２抵抗と並列連結されて前記第２抵抗の両端電圧のレベルを維持するツェナーダイオードをさらに含む、請求項１に記載のリレー駆動回路。
- 前記トランジスタは、
イネーブルレベルの制御信号を受信してオン動作する第１トランジスタ、および
前記第１トランジスタがオンされるとグラウンドレベルの電圧の印加を受けてオン動作して前記バッテリパックの正極と前記第１抵抗を電気的に連結する第２トランジスタを含む、請求項１または２に記載のリレー駆動回路。 - 外部装置とバッテリパックの電気的な連結を制御するメインリレーと、
前記メインリレーに並列連結されて前記メインリレーのターンオン前にターンオンされ、前記メインリレーがターンオンされて所定時間が経過した後ターンオフされるプリチャージリレーと、
前記メインリレーおよび前記プリチャージリレーのスイッチングを制御する制御信号を生成するＢＭＳと、
前記ＢＭＳからイネーブルレベルの第１制御信号を受信してオン動作する少なくとも一つのトランジスタと、前記トランジスタのオン動作により前記バッテリパックの正極に一端が連結されて前記プリチャージリレーに他端が連結される第１抵抗と、前記第１抵抗の他端と前記外部装置の間に連結される第２抵抗を含んで前記プリチャージリレーのオン／オフを制御する第１リレー駆動回路を含むリレー駆動回路を含み、
前記プリチャージリレーは、
前記第１抵抗および前記第２抵抗の合算抵抗値に対する前記第２抵抗の抵抗値の比率で前記バッテリパックから供給される電力の印加を受けてオン動作する、バッテリシステム。 - 前記第１リレー駆動回路は、
前記第２抵抗と並列連結されて前記第２抵抗の両端電圧のレベルを維持するツェナーダイオードをさらに含む、請求項４に記載のバッテリシステム。 - 前記トランジスタは、
イネーブルレベルの第１制御信号を受信してオン動作する第１トランジスタ、および
前記第１トランジスタがオンされるとグラウンドレベルの電圧の印加を受けてオン動作して前記バッテリパックの正極と前記第１抵抗を電気的に連結する第２トランジスタを含む、請求項４または５に記載のバッテリシステム。 - 前記プリチャージリレーは、
前記バッテリパックから供給される電力を、ゲート端子を介して印加を受けてオン動作するＭＯＳＦＥＴを含む、請求項４から６のいずれか一項に記載のバッテリシステム。
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