KR20210053730A - 배터리 충방전 과전류 보호장치 - Google Patents

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Abstract

배터리 충전기로부터 충전용 제1 스위칭 소자로 연결되어 제2 감지다이오드를 거쳐서 상기 배터리를 충전하고, 상기 배터리로부터 방전용 제2 스위칭 소자로 연결되어 제1 감지다이오드를 거쳐서 부하 또는 인버터에 전력을 공급하는 충방전 회로; 및 상기 제1 감지다이오드 및 제2 감지다이오드의 순방향 전압 변화에 의한 과전류를 감지하여 상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 제어하여 전력을 차단하는 충전전류 감지회로 및 방전전류 감지회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충방전 과전류 보호장치.

Description

배터리 충방전 과전류 보호장치{Overcurrent protection device for charging-discharging of battery}
본 발명은 배터리 충방전 과전류 보호장치에 관한 것이다.
최근에 배터리를 전력 공급원으로 사용하는 전자장치의 사용이 늘어남에 따라, 배터리의 과전류를 보호하는 기술에 대한 관심이 커지고 있다.
국내 공개특허공보 KR 2019-0010015 A1호(배터리 과전류 감지 장치 및 방법)에는 보호 칩에 인가되는 충방전 전압을 측정하고, 이를 기반으로 하여 과전류 여부를 판단하여 과전류가 흐를 경우, 충방전을 차단하는 장치가 소개된 바 있다.
종래 특허 기술에서는 보호 칩에 인가되는 충방전 전압을 측정할 때, 배터리의 (+)출력 단과 상기 보호 칩 사이의 기판에 형성된 패턴으로 인해 발생하는 제1 패턴 저항과 배터리의 (-)출력 단과 상기 보호칩 사이의 기판에 형성된 패턴으로 인해 발생하는 제2 패턴 저항을 포함하여 전압을 측정하는 구성이 기재되어 있다.
그러나 보호 칩 내부에 형성되는 기생 성분 저항보다 상기 제1,2 패턴 저항이 커짐에 따라, 실제로 보호 칩에 인가되는 전압보다 제1,2 패턴 저항에 인가되는 전압이 커지게 되어 과전류 판단에 오류가 발생할 수 있는 문제점이 제기되었다.
또한, 등록특허공보 KR 10-0949763 B1 호에서 종래기술로 배터리에서 방전회로에 흐르는 고압 직류의 검지를 위해서 전류센서를 사용하거나 출력단과 직렬로 연결된 션트저항(Shunt Resistance)을 사용하여 과전류가 흐르면 회로의 보호를 위하여 IGBT 스위칭 소자를 OFF 하는 등의 동작이 수행되도록 하는 기술이 소개된 바 있다.
상기 IGBT 스위칭 소자에 흐르는 출력전류를 검출하기 위해서 전류센서를 사용하게 되는데, 이는 전동차의 제어장치에 흐르는 고압, 고전류를 견딜 수 있도록 부피와 중량이 큰 고가의 전류센서가 필요하게 되며, 이로 인해 상기 제어장치 전체의 부피와 중량이 커지고 비용도 많이 소요될 수 있다.
또한, 저항값이 낮고 주로 정밀한 전류를 측정하는 전류계측기에 많이 사용되는 션트저항을 사용하여 IGBT에 흐르는 전류를 검출하는 방식이 사용하는 방법은 ON/OFF 스위칭에 의한 노이즈의 영향을 많이 받게 되며, 또한, 션트저항에 의한 에너지 손실 및 발열이 발생되며, 제어장치에 흐르는 고압, 고전류를 견딜 수 있도록 충분히 큰 션트저항이 필요로 하게 된다.
또한, 위 등록특허기술에는 배터리 방전회로 장치에서 IGBT의 에미터에서 측정되는 고압 직류의 크기에 비례하여 증가하는 IGBT의 컬렉터와 에미터 사이의 포화전압을 측정하여 상기 CPU가 상기 IGBT를 ON/OFF 하는 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 IGBT 과전류 보호회로를 제공하는 기술이 소개된 바 있다.
그러나 IG BT의 포화전압의 경우, 온도에 따른 변화가 커서 온도 변화가 큰 장치에서는 신뢰성이 떨어질 수 있다.
대한민국 공개특허공보 KR 2019-0010015호 A1(배터리 과전류 감지 장치 및 방법) 대한민국 등록특허공보 KR 10-0949763호 B1(전동차용 절연 게이트 양극성 트랜지스터 과전류 보호회로)
본 발명의 목적은 Battery와 Charger/Inverter 사이에 충방전시 흐르는 과전류로부터 충방전 시스템을 보호하기 위한 양방향성 스위치 소자를 이용한 배터리 충방전 과전류 보호장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 최소한의 부품으로 이루어진 간단한 회로구성으로 에너지 손실이 적고 온도에 의한 전류변화가 상대적으로 적은 과전류 감지회로를 가지는 배터리 충방전 과전류 보호장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 배터리의 충방전 과전류 보호장치는 배터리 충전기로부터 충전용 제1 스위칭 소자로 연결되어 제2 감지다이오드를 거쳐서 상기 배터리를 충전하고, 상기 배터리로부터 방전용 제2 스위칭 소자로 연결되어 제1 감지다이오드를 거쳐서 부하 또는 인버터에 전력을 공급하는 충방전 회로; 및 상기 제1 감지다이오드 및 제2 감지다이오드의 순방향 전압 변화에 의한 과전류를 감지하여 상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 제어하여 전력을 차단하는 충전전류 감지회로 및 방전전류 감지회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충방전 회로는, 상기 제1 감지다이오드의 애노드 및 제2 감지다이오드의 애노드는 서로 공통으로 접속되어 그 접속점에 공통노드가 형성되고, 상기 제1 감지다이오드의 캐소드에는 방전전류를 감지하는 제1 노드가 형성되며, 상기 제1노드와 공통노드 사이에는 배터리의 방전전류의 감지를 위한 상기 제1 감지다이오드가 방전전류의 순방향으로 접속되고, 상기 방전전류 감지회로는 상기 제1노드와 공통노드 사이의 전압변화를 감지하여 상기 제2 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하며, 상기 제2 감지다이오드의 캐소드에는 충전전류를 감지하는 제2 노드가 형성되며, 상기 제2노드와 공통노드 사이에는 상기 충전전류의 감지를 위한 상기 제2 감지다이오드가 충전전류의 순방향으로 접속되고, 상기 충전전류 감지회로는 상기 제2노드와 공통노드 사이의 전압변화를 감지하여 상기 제1 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방전전류 감지회로는, 상기 제1노드와 공통노드 사이의 전압이 저항들로 분배가 되어 제1 전압비교기의 입력신호 단자에 입력이 되고, 상기 제1전압비교기의 출력단자는 게이트 제어회로를 통하여 상기 제2 스위칭 소자의 게이트로 연결이 되는 구성을 포함하며, 상기 제2노드와 공통노드 사이의 전압이 저항들로 분배가 되어 제2 전압비교기의 입력신호 단자에 입력이 되고, 상기 제2전압비교기의 출력단자는 상기 게이트 제어회로를 통하여 상기 제1 스위칭 소자의 게이트로 연결되는 구성을 포함하되, 상기 제1 전압비교기 및 제2전압비교기의 입력신호 단자와 상기 공통노드 사이에는 과전압 방지를 위한 제너다이오드 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충방전 회로에서 배터리, 배터리충전기 및 인버터의 기준전위(GND)와 상기 방전전류 감지회로 및 충전전류 감지회로의 기준전위(GND1)는 전기적으로 절연이 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 게이트 제어회로는, 입력신호 및 출력신호가 포토커플러를 통하여 입, 출력되며, 상기 입력신호 및 전원이 리셋될 때까지 그 입력값을 유지하는 Latch 회로 기능을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충방전 회로는, 상기 제1 감지다이오드의 애노드 및 제2 감지다이오드의 애노드가 서로 공통으로 접속되어 그 접속점에 공통노드가 형성되고, 상기 제1 감지다이오드의 캐소드에는 제1 노드가 형성되어, 상기 제1노드와 공통노드 사이에는 배터리의 방전전류의 감지를 위한 상기 제1 감지다이오드가 방전전류의 순방향으로 접속되며, 상기 방전전류 감지회로는 상기 제1노드가 제2 기준전위(GND2)와 접속되어 상기 제1노드와 공통노드 사이의 전압이 저항들로 분배가 되어 제1 전압비교기의 +입력신호 단자에 입력이 되고, 상기 제1전압비교기의 출력단자는 게이트 제어회로를 통하여 상기 제2 스위칭 소자의 게이트로 연결되고, 상기 제1전압비교기에 상기 제2기준전위(GND2)에 의한 제2제어공급전압(VCC2)이 동작전압으로 공급되는 구성을 포함하고, 상기 제2 감지다이오드의 캐소드에는 충전전류를 감지하는 제2 노드가 형성되며, 상기 제2노드와 공통노드 사이에는 상기 충전전류의 감지를 위한 상기 제2 감지다이오드가 충전전류의 순방향으로 접속되고, 상기 충전전류 감지회로는 상기 제2노드가 제3 기준전위(GND3)와 접속되어 상기 제2노드와 공통노드 사이의 전압이 저항들로 분배가 되어 제2전압비교기의 +입력신호 단자에 입력이 되고, 상기 제2전압비교기의 출력단자는 상기 게이트 제어회로를 통하여 상기 제1 스위칭 소자의 게이트로 연결되고, 상기 제2전압비교기에 상기 제3기준전위(GND3)에 의한 제3제어공급전압(VCC3)이 동작전원으로 공급되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충방전 과전류 보호장치의 제어공급전압 회로는, 기준전위(GND)에 대한 전원용 제어공급전압과 상기 제2기준전위(GND2) 및 제3기준전위(GND3)에 대한 제2, 3 제어공급전압은 각각 절연이 유지되어 공급이 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전류센서나 션트저항 등의 별도의 전류센싱 소자 없이 간단한 회로구성으로 고압, 고전류의 과전류를 감지하여 충방전 회로를 차단할 수 있어서, 에너지 손실이 적고 온도에 의한 변화가 상대적으로 적은 과전류 감지회로를 가지는 배터리 충방전 과전류 보호장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, IGBT 혹은 FET로 구성되는 양방향 스위치에서 별도의 전류센싱 소자 없이 과전류의 크기를 감지하여 과전류 발생시 시스템을 보호하기 위한 제어 신호를 발생하여 회로를 차단하는 양방향 스위치를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 충방전 과전류 보호장치에서 충전모드에서의 전류흐름을 도시한 것이다
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충방전 과전류 보호장치에서 인버터 모드에서의 전류흐름을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 게이트 제어회로의 일 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 제어공급전압 회로의 예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 회로도에서 충전모드(charger mode)의 전류 흐름을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 회로도에서 인버터모드의 전류 흐름을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 제어전압공급회로의 일 예를 도시한 것이다.
도 9는 정격전류 600A인 IGBT에서 온도/전류에 따른 IGBT Channel (Vce)전압의 변화를 도시한 것이다.
도 10은 정격전류 300A일 때 IGBT에서 온도/전류에 따른 IGBT Channel (Vce)전압의 변화를 도시한 것이다.
도 11은 정격전류 600A인 다이오드의 온도/전류에 따른 다이오드의 순방향전압(Vf)의 변화를 도시한 것이다.
도 12는 정격전류 300A일 때 다이오드에서의 온도/전류에 따른 다이오드의 순방향전압(Vf)의 변화를 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
이하 본 발명의 구현에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치에 대하여 실시 예를 통하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에 다른 충방전 과전류 보호장치는 Battery와 Charger 혹은 Inverter 사이에 과충전/과방전을 방지하거나 이상 발생 시 시스템을 보호하기 위한 차단 장치가 포함된다.
본 발명에서 Battery는 충/방전하여 사용하는 2차전지를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 회로도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치는 배터리 충전기(charge)로부터 충전용 제1 스위칭 소자(Z1)로 연결되어 제2 감지다이오드(D2)를 거쳐서 배터리를 충전하고, 배터리로부터 방전용 제2 스위칭 소자(Z2)로 연결되어 제1 감지다이오드(D1)를 거쳐서 인버터 또는 부하에 전력을 공급하는 충방전 회로 및 상기 제1 감지다이오드(D1) 및 제2 감지다이오드(D2)의 순방향 전압 변화에 의한 과전류를 감지하여 상기 제1 스위칭 소자(Z1) 및 제2 스위칭 소자(Z2)를 제어하여 전력을 차단하는 충전전류 감지회로 및 방전전류 감지회로를 포함한다.
상기 제1 감지다이오드(D1)의 애노드 및 제2 감지다이오드(D2)의 애노드는 서로 공통으로 접속되고 그 접속점에 공통노드(nd0)가 형성되며, 제1 감지다이오드(D1)의 캐소드에는 방전전류를 감지하는 제1 노드(nd1)가 형성되고, 제2 감지다이오드(D2)의 캐소드에는 충전전류를 감지하는 제2 노드(nd2)가 형성된다.
즉, 상기 제1노드(Nd1)와 공통노드(Nd0) 사이에는 배터리의 방전전류의 감지를 위한 제1 감지다이오드(D1)가 방전전류의 순방향으로 접속되고, 상기 제2노드(Nd2)와 공통노드(Nd0) 사이에는 배터리의 충전전류의 감지를 위한 제2 감지다이오드(D2)가 충전전류의 순방향으로 접속된다.
상기 방전전류 감지회로는 상기 제1노드(Nd1)와 공통노드(nd0) 사이의 전압변화를 감지하여 상기 제2 스위칭 소자(Z2)를 제어하고, 상기 충전전류 감지회로는 상기 제2노드(Nd2)와 공통노드(nd0) 사이의 전압변화를 감지하여 상기 제1 스위칭 소자(Z1)를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또는 본 발명의 바람직한 실시 예에서 회로구성의 단순화를 따른 제1 스위칭 소자(Z1) 및 제2 스위칭 소자(Z2)는 동일한 off 게이트 신호에 의해 동시에 같이 OFF 작동이 되도록 구성될 수 있다. 이 경우 제1 스위칭 소자(Z1) 및 제2 스위칭 소자(Z2)를 별도로 각각 제어하지 않을 수 있다.
도 1을 참조하여 구체적으로 설명하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 충방전 회로는, 배터리 충전기(charger)의 제1단자와 제1 스위칭 소자(Z1)의 입력단자(in1)가 연결되어 제1노드(nd1)에 접속되고, 배터리의 제1단자(+ 단자)와 제2 스위칭 소자(Z2)의 입력단자(in2)가 연결되어 상기 제2노드(nd2)에 접속된다. 제1 스위칭 소자(Z1)의 출력단자(out1)와 제2 스위칭 소자(Z2)의 출력단자(out2)는 공통노드(nd0)에 접속되고, 배터리의 제2단자(-단자)는 충전기 및 인버터(charger or inverter)의 제2단자(-단자)와 연결되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 충방전 회로에서 제1 스위칭 소자(Z1) 및 제2 스위칭 소자(Z2)는 동일한 게이트 신호에 의해 동시에 off가 되며, 출력단자인 에미터 단자를 공통으로 사용하는 양방향성 FET 또는 IGBT로 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 충방전 과전류 보호장치에서 충전모드에서의 전류흐름을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 충방전 과전류 보호장치에서 인버터 모드에서의 전류흐름을 도시한 것이다.
도 2, 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치에서 제2 스위칭 소자(Z2)는 인버터로 방전하는 인버터 모드시 ON으로 제어되며, 제1 스위칭 소자(Z1)는 배터리 충전기(charger)에서 배터리로 충전 모드시 ON으로 제어된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 충전모드에서 충전전류는 배터리 충전기(charge)로부터 제1 스위칭 소자(Z1)로 연결되어 제2 감지다이오드(D2)를 거쳐서 배터리를 충전한다.
즉, 제1 스위칭 소자의 입력단자(in1)는 배터리 충전기(charge)의 제1단자와 연결되며, 제1 스위칭 소자의 출력단자(out1)는 제2 감지다이오드(D2)의 애노드 단자와 연결되고, 제2 감지다이오드(D2)의 캐소드는 배터리의 제1단자(+ 단자)와 연결되어 제1 스위칭 소자(Z1)의 ON동작에 의해 충전모드 과정이 수행된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전모드(인버터 모드)에서 방전전류는 배터리로부터 제2 스위칭 소자(Z2)로 연결되어 제1 감지다이오드(D1)를 거쳐서 인버터에 전력을 공급한다.
즉, 제2 스위칭 소자(Z2)의 입력단자(in2)는 배터리의 제1단자와 연결되며, 제2 스위칭 소자의 출력단자(out2)는 제1 감지다이오드(D1)의 애노드 단자와 연결되고, 제1 감지다이오드(D1)의 캐소드는 인버터(inverter)의 제1단자(+단자)와 연결되어 제2 스위칭 소자(Z2)의 ON 동작에 의해 인버터로 방전하는 인버터 모드 과정이 수행된다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 인버터 모드에서 과전류를 감지하는 제1 방전전류 감지회로는, 상기 제1노드(nd1)와 공통노드(nd0) 사이에 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)이 직렬로 접속되며, 상기 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 접속점에는 방전전류의 센싱전압이 생성되는 제1-2노드(nd1-2)가 형성되고, 상기 제1-2노드(nd1-2)는 제1 감지다이오드(D1)의 순방향 전압을 센싱하는 제1전압비교기(U1)의 -입력신호 단자(-)와 접속된다.
또한, 상기 제1-2노드(nd1-2)와 상기 공통노드(nd0) 사이에는 제3 제너다이오드(D3)와 제5 다이오드(D5)가 서로 역방향으로 직렬 연결되는 제너다이오드 회로를 더 포함한다.
상기 제1전압비교기(U1)의 +입력신호 단자에는 기준전위(GND1) 대비 음의 기준 설정전압(Ref)이 입력되며, 제1전압비교기(U1)의 출력단자는 게이트 제어회로에 연결된다.
인버터 모드에서 방전전류가 설정전류값 이상의 과전류가 흐르게 되면, 상기 -입력신호 단자(-)의 전압이 설정된 기준전압을 초과하는 전압이 입력되어 제1전압비교기(U1)의 출력단자에서는 High의 출력신호(OFF1)가 발생된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 방전전류가 설정 전류값 이상의 과전류가 흐르게 되면, High의 출력신호(OFF1)에 의해 게이트 제어회로로부터 제2 스위칭 소자(Z2)의 Gate2가 off로 작동하여 인버터 모드의 전력공급을 차단하게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 충전모드의 과전류를 감지하는 제2 감지회로는 상기 제2노드(nd2)와 공통노드(nd0) 사이에 제3저항(R3)과 제4저항(R4)이 직렬로 접속되며, 상기 제3저항(R3)과 제4저항(R4)의 접속점에는 충전전류의 센싱전압이 생성되는 제2-2노드(nd2-2)가 형성되고, 상기 제2-2노드(nd2-2)는 제2 감지다이오드(D2)의 순방향 전압을 센싱하는 제2전압비교기(U2)의 -입력신호 단자(-)와 접속된다. 또한, 상기 제2-2노드(nd2-2)와 상기 공통노드(nd0) 사이에는 제4 제너다이오드(D4)와 제6 다이오드(D6)가 서로 역방향으로 직렬 연결되는 제너다이오드 회로를 더 포함한다.
제2전압비교기(U2)의 +입력신호 단자에는 기준전위(GND1) 대비 음의 기준설정전압이 입력되며, 충전전류가 설정전류값 이상의 과전류가 흐르게 되면, 상기 -입력신호 단자(-)의 전압이 설정된 기준설정전압을 초과하는 전압이 입력되어 제2전압비교기(U2)에서는 High의 출력신호(OFF2)가 발생된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 충전전류가 설정 전류값 이상의 과전류가 흐르게 되면, High의 출력신호(OFF2)에 의해 제1 스위칭 소자(Z1)의 Gate가 off로 작동하여 충전 모드의 전력공급을 차단하게 된다.
도 1을 참조하면, 제1, 2 스위칭 소자(Z1, Z2)의 과전류시 동작제어을 위한 제1, 2 감지회로의 기준전위(GND1)와 배터리 충방전 회로의 기준전위(GND) 전원은 서로 전기적으로 절연이 유지된다.
또한, 제1전압비교기(U1) 및 제2전압비교기(U2)의 동작전압은 +단자에 제1제어공급전압(VCC)이 연결되며, -단자에는 제1접지(GND1)에 대해 - 제어공급전압이 공급되는 제2 제어공급전압(VEE)이 연결된다.
또한, 서로 역방향으로 접속된 제3다이오드(D3)와 제4제너다이오드(D4)는, Battery 혹은 Charger/Inverter가 단락되어 제1 스위칭 소자(Z1) 및 제2 스위칭 소자(Z2)가 Off 되었을 때, 고전압의 입력에 의한 감지회로의 보호를 위해 전압비교기 입력단의 전압을 제너 다이오드 전압으로 제한해 준다.
또한, 제5다이오드(D5), 제6다이오드(D6)는 제3제너다이오드(D3), 제4제너다이오드(D4)의 순방향 전류를 제한하여 제1 감지다이오드(D1), 제2 감지다이오드(D2)에서 감지한 전압을 제1~4 저항(R1~R4)을 통해 제1전압비교기. 제2전압비교기의 -입력신호 단자 입력으로 전달하는 기능을 수행한다.
도 1을 참조하면, 제1, 2전압비교기(U1, U2)는 각각 충방전 회로와 별도의 제1, 2 제어공급전압(VCC, VEE)으로 연결되어 동작이 되며, 제1, 2전압비교기(U1, U2)의 출력단자는 Rup저항(Rup)을 통해 제1 제어공급전압(Vcc)에 연결된다.
Rup저항(Rup)은 제1, 2 전압비교기(U1, U2)의 High 신호에 따라 항상 일정한 전위값을 가지도록 하는 기능을 수행한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 급격한 전압 변동으로부터 회로를 보호하기 위해 상기 배터리충전기 및 인버터와 병렬로 연결된 캐패시터(C1)를 더 포함할 수 있다.
배터리 충방전 회로에 과전류가 흐를 시에는 제1 감지다이오드(D1) 혹은 제2 감지다이오드(D2) 순방향 전압과 기준전압을 비교하는 제1, 2전압비교기에서 출력신호 (OFF1, OFF2)가 발생된다, 상기 출력신호 (OFF1, OFF2)는 절연되어 GND1 기준 제1, 2 스위칭 소자(Z1, Z2)의 Gate _ON신호를 Off로 제어한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 전압비교기 출력신호가 연결되는 게이트 제어회로는 Latch 회로를 통해 제1, 2 스위칭 소자(Z1, Z2)의 Gate_ON 신호를 Off하도록 제어하는 구성을 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 게이트 제어회로의 일 예를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 게이트 제어회로는 입력신호나 전원이 리셋될 때까지 그 입력값을 유지하는 Latch 회로 기능을 포함하며, 외부 노이즈에 강하고 각 장치 구성 간 절연된 기준전위(GND - GND1) 사이의 신호를 전달할 수 있도록 제1, 제2 포토커플러(P1, P2) 및 제3포토커플러(P3)를 포함한다.
도 4를 참조하면 배터리 충방전 과전류 보호장치의 게이트 제어회로는, 제1 포토커플러(P1)의 입력 애노드 단자(A1)에 제1전압비교기(U1)에서 발생된 출력신호가 입력되고, 제2 포토커플러(P2)의 입력 애노드 단자(A2)에는 제2전압비교기(U2)에서 발생된 출력신호가 입력된다. 제1 포토커플러(P1)의 컬렉터 단자(C1) 및 제2 포토커플러(P2)의 컬렉터 단자(C2)는 각각 제1제어공급전압(VCC1)에 연결되며, 제1 포토커플러(P1)의 출력 에미터 단자(E1) 및 제2 포토커플러(P2)의 출력 에미터 단자(E2)는 서로 접속이 되어 제1 베이스저항(R11)을 통하여 제1트랜지스터(Q1)의 베이스 단자에 접속된다. 제1트랜지스터(Q1)의 베이스 단자와 제11저항(R11)의 접속점에는 제3노드(nd3)가 형성된다. 제1트랜지스터(Q1)의 컬렉터 단자는 제14저항(R14)을 거쳐서 제1제어공급전압(VCC1)에 연결되며, 제1트랜지스터(Q1)의 에미터 단자는 제1제어공급전압(VCC1)의 기준전위(GND)에 접속된다. 제1트랜지스터(Q1)의 컬렉터 단자와 제14저항(R14) 사이에 제4노드(nd4)가 형성된다. 한편 제2트랜지스터(Q2)의 베이스 단자는 제4노드(nd4)에 연결이 되고, 제2트랜지스터의 컬렉터 단자는 제3노드(nd3)와 접속이 되며 제2트랜지스터(Q2)의 에미터 단자는 제13저항(R13)을 통해 제1제어공급전압(VCC1)에 연결이 된다.
또한, 제4노드(nd4)는 제3포토커플러(P3)의 입력 애노드 단자(A2)와 접속이 되며, 제3포토커플러(P3)의 출력 컬렉터 단자(C3)는 제1, 2 스위칭 소자(Z1, Z2)의 게이트 를 제어하는 단자(gate1, gate2)에 연결된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 바람직한 구현 예에 따르면, 제3포토커플러(P3)는 게이트 드라이버(Gate Driver, 미 도시됨) 입력신호를 제어하고, 게이트 드라이버(Gate Driver)의 출력이 스위치 소자의 Gate와 연결되는 구조가 채택될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 게이트 제어회로는 제1전압비교기, 제2전압비교기(U1, U2)에서 발생된 출력신호(OFF1, OFF2)가 제1포토커플러(P1) 및 제2포토커플러(P2)에 입력되면, 제1 트랜지스터 Q1에 바이어스 전압이 발생되어 on이 된다. 제1 트랜지스터(Q1)가 on이 되면, 제2 트랜지스터(Q2)의 베이스는 Low 전압이 인가되어 제2 트랜지스터(Q2) 역시 ON이 되어 상기 제1 트랜지스터(Q1)의 베이스에 바이어스 전압이 지속적으로 공급된다.
이에 따라 상기 제1 트랜지스터(Q1)의 컬렉터 단자 및 상기 제2트랜지스터(Q2)의 베이스 단자의 접속점과 연결된 제3 포토커플러(P3) 애노드 단자에는 지속적인 Low 신호가 인가되어 Gate_ON 신호는 제1 트랜지스터(Q1)를 통해 Low로 유지하여 Gate를 Off할 수 있다.
도 1 내지 4를 참조하면, 제1 감지다이오드(D1) 및 제2 감지다이오드(D2)의 anode 단자를 기준전위(GND1)로 잡으면 측정하고자 하는 Diode의 전압은 '-' 전압이 측정되어 비교기 전압은 +, - 두 전원이 필요하게 된다. 또한, 제1, 2전압비교기(U1, U2)의 Ref 전압을 위한 - 전압의 공급이 필요하게 된다. 본 발명에서 이에 따른 제어공급전압의 제어전압공급회로의 예는 다음 도 5에 도시된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 제어공급전압 회로의 예를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어전압 공급전압회로는 전원이 연결된 제1차 코일(L1)로부터 유도된 제2차 제1코일(L3)에 유도된 전압이 제1정류회로를 거쳐서 기준전위(GND1)에 대해 '+' 제어전압이 생성되는 제1 제어공급전압(VCC) 회로 및 전원이 연결된 제1차 코일(L1)로부터 유도된 제2차 제2코일(L2)에 유도된 전압이 제2정류회로를 거쳐서 기준전위(GND1)에 대해 '-' 제어전압이 생성되는 제2 제어공급전압(VEE) 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 회로의 단락 상황에서 IGBT가 Off 되면 제1 감지다이오드(D1) 및 제2 감지다이오드(D2)의 cathode 단자에는 anode 기준 고전위의 + 전압이 생성될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서는 이를 Zener Diode(D3, D4)로 전압을 Clamp 해 주거나 저항분배로 전압비교기 입력전압을 제한하여 안정된 과전류제어를 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 회로도에서 충전모드(charger mode)의 전류 흐름을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 회로도에서 인버터모드의 전류 흐름을 도시한 것이다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치는, 배터리 충전기(charger)로부터 제1 스위칭 소자(Z1)로 연결되어 제2 감지다이오드(D2)를 거쳐서 배터리를 충전하고, 배터리로부터 제2 스위칭 소자(Z2)로 연결되어 제1 감지다이오드(D1)를 거쳐서 인버터에 전력을 공급하는 충방전 회로 및 상기 제1 감지다이오드(D1) 및 제2 감지다이오드(D2)에 흐르는 과전류를 감지하여 상기 충방전 회로의 제1 스위칭 소자(Z1) 및 제2 스위칭 소자(Z2)를 off로 제어하여 전력을 차단하는 감지회로를 포함한다.
상기 제1 감지다이오드(D1)의 애노드 및 제2 감지다이오드(D2)는 애노드는 서로 공통으로 접속되고 그 접속점에 공통노드(nd0)가 형성되고 제1 감지다이오드(D1)의 캐소드에는 방전전류를 감지하는 제11 노드(nd11)가 형성되고, 제2 감지다이오드(D2)의 캐소드에는 충전전류를 감지하는 제12 노드(nd12)가 형성된다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 충방전 회로는, 배터리 충전기(charger)의 제1단자와 제1 스위칭 소자(Z1)의 입력단자(in1)가 연결되어 제11노드(nd11)에 접속되고, 배터리의 제1단자(+ 단자)와 제2 스위칭 소자(Z2)의 입력단자(in2)가 연결되어 제12노드(nd12)에 접속된다. 제1 스위칭 소자(Z1)의 출력단자(out1)와 제2 스위칭 소자(Z2)의 출력단자(out2)는 서로 연결되어 공통노드(nd0)에 접속되고, 배터리의 제2단자(-단자)는 충전기 및 인버터(charge or inverter)의 제2단자(-단자)와 연결되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전류센서나 션트저항 등의 별도의 전류센싱 소자 없이 간단한 회로구성으로 고압, 고전류의 과전류를 감지하여 충방전 회로를 차단할 수 있어서, 에너지 손실이 적고 온도에 의한 변화가 상대적으로 적은 과전류 감지회로를 가지는 배터리 충방전 과전류 보호장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, IGBT 혹은 FET로 구성되는 양방향 스위치에서 별도의 전류센싱 소자 없이 과전류의 크기를 감지하여 과전류 발생 시 시스템을 보호하기 위한 제어 신호를 발생하여 회로를 차단하는 양방향 스위치를 Off 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 충전모드에서 충전전류는 배터리 충전기(charger)로부터 충전용 제1 스위칭 소자(Z1)로 연결되어 제2 감지다이오드(D2)를 거쳐서 배터리를 충전한다.
즉, 제1 스위칭 소자의 입력단자(in1)는 배터리 충전기(charge)의 제1단자와 연결되며, 제1 스위칭 소자의 출력단자(out1)는 제2 감지다이오드(D2)의 애노드 단자와 연결되고, 제2 감지다이오드(D2)의 캐소드는 배터리의 제1단자(+ 단자)와 연결되어 제1 스위칭 소자(Z1)의 ON동작에 의해 충전모드 과정이 수행된다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 방전모드(인버터 모드)에서 방전전류는 배터리로부터 방전용 제2 스위칭 소자(Z2)로 연결되어 제1 감지다이오드(D1)를 거쳐서 인버터에 전력을 공급한다.
즉, 제2 스위칭 소자(Z2)의 입력단자(in2)는 배터리의 제1단자와 연결되며, 제2 스위칭 소자의 출력단자(out2)는 제1 감지다이오드(D1)의 애노드 단자와 연결되고, 제1 감지다이오드(D1)의 캐소드는 인버터(inverter) 또는 부하의 제1단자(+단자)와 연결되어 제2 스위칭 소자(Z2)의 ON 동작에 의해 인버터로 방전하는 인버터 모드 과정이 수행된다.
다시 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 충전모드의 과전류를 감지하는 제3 충전전류 감지회로는, 상기 기준전위(GND)와 접속되는 제12노드(nd12)로부터 제3저항(R3)과 제4저항(R4)이 직렬로 접속되며, 제4 저항(R4)의 타단은 공통노드(nd0)에 접속되고, 상기 제3저항(R3)과 제4저항(R4)의 접속점에 충전전류의 센싱전압을 생성하는 제12-2노드(nd12-2)가 형성된다.
상기 제12-2노드(nd12-2)는 제3전압비교기(U3)의 +입력신호 단자(+)와 접속된다. 또한, 상기 제12-2노드(nd12-2)는 제6 다이오드(D6)의 애노드와 연결되고 제6 다이오드(D6)의 캐소드는 제4 제너다이오드(D4)의 캐소드와 연결되며 제4 제너다이오드(D4)의 애노드는 제12노드(nd12)와 연결된다.
도 6을 참조하면, 제3 전압비교기(U3)는 제3 제어공급전압(VCC3)에 의해 +동작전원이 공급되며, 제3 전압비교기(U3)의 -동작전원은 기준전위(GND3)가 접속된 제12노드(nd12)에 접속이 된다.
또한, 제3전압비교기(U3)의 출력단자는 Rup저항(Ru)을 통해 제3 제어공급전압(VCC3)에 연결된다.
제2 감지다이오드(D2)에 흐르는 충전전류가 설정전류값 이상의 과전류가 흐르게 되면, 상기 -입력신호 단자(-)의 전압의 설정된 기준설정전압을 초과하는 전압이 입력되어 제3전압비교기(U3)에서는 High 출력신호(OFF2)가 발생되고 게이트 제어회로를 통해 제1 스위칭 소자(Z1)의 Gate1이 off로 작동하여 충전 모드의 전력공급을 차단하게 된다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 인버터모드의 방전 과전류를 감지하는 제4 방전전류 감지회로는 기준전위(GND2)가 접속된 제11노드(nd11)로부터 제1저항(R1)과 제2저항(R2)이 직렬로 접속되며, 제1저항(R1)의 타단은 공통노드(nd0)에 접속되고, 상기 제1 저항(R1)과 제2저항(R2)의 접속점에 방전전류의 센싱전압이 생성되는 제11-2노드(nd11-2)가 형성된다.
또한, 제11-2노드(nd11-2)는 제4전압비교기(U4)의 +입력신호 단자(+)와 접속된다. 또한, 상기 제11-2노드(nd11-2)는 제5 다이오드(D5)의 애노드와 연결되고 제5 다이오드(D5)의 캐소드는 제3 제너다이오드(D3)의 캐소드와 연결되며 제3 제너다이오드(D3)의 애노드는 제11노드(nd11)와 연결되는 구성을 더 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제4 전압비교기(U4)의 +동작전원단자(+)는 제2 제어공급전압의 +공급단자(VCC2)에 연결되어 +동작전원이 공급되며, -동작전원 단자(-)는 제2 제어공급전압의 기준전위(GND2) 및 상기 제11노드(nd11)에 접속이 된다.
또한, 제4전압비교기(U4)의 출력단자는 Rup저항(Ru)을 통해 제2 제어공급전압(VCC2)에 연결된다.
제1 감지다이오드(D1)에 흐르는 충전전류가 설정전류값 이상의 과전류가 흐르게 되면, 상기 제4전압비교기(U4)의 +입력신호 단자(+)의 전압이 설정된 기준설정전압을 초과하는 전압이 입력되어 제4전압비교기(U4)에서는 High 출력신호(OFF1)가 발생되고 게이트 제어회로를 통해 제2 스위칭 소자(Z2)의 Gate2가 off로 작동하여 인버터 모드의 전력공급을 차단하게 된다.
본 발명의 제2실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치에서 제1, 2 감지 다이오드(D1, D2)의 cathod를 기준전위(GND2, GND3)로 한 것으로써, 이에 따라 감지하고자 하는 감지다이오드의 전압은 +로 측정된다.
본 발명에서는 이에 따른 제어공급전압의 제어전압 공급회로도는 다음 도 8에 도시된다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치의 제어전압공급회로의 일 예를 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 제어전압 공급회로는 전원이 연결된 제1차 코일로부터 유도된 제2차 제1코일(L2)에 유도된 전압이 제1정류회로를 거쳐서 제1기준전위(GND1)에 대해 + 제어전압이 공급되는 제1 제어공급전압(VCC1)과 제1차 코일(L1)로부터 유도된 제2차 제2코일(L3)에 유도된 전압이 제2정류회로를 거쳐서 제2 기준전위(GND2)에 대해 + 제어전압이 공급되는 제2 제어공급전압(VCC2) 및 제1차 코일(L1)로부터 유도된 제2차 제3코일(L4)에 유도된 전압이 제3정류회로를 거쳐서 제3 기준전위(GND3)에 대해 + 제어전압이 공급되는 제3 제어공급전압(VCC3)이 각각 독립적으로 생성이 된다.
즉, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 제어공급전압은 G ND 기준 제어공급전압과 GND1, GND2, GND3기준 제어공급전압은 각각 절연이 유지되어 공급이 된다.
본 발명의 제2실시 예에 따른 제1저항 내지 제4저항(R1~R4) 각각 Battery 혹은 Charger/Inverter가 단락되어 스위치가 Off 되었을 때 고전압을 저항값 비로 분배하여 전압비교기 입력단의 전압을 제한하고 제너다이오드 D3, D4에 흐르는 전류를 제한하는 기능이 수행된다.
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또한, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치에서 과전류 시 제3, 4 전압비교기의 출력신호(OFF1, OFF2)는 도 4의 게이트 제어회로를 통해 제1, 2 스위칭 소자(Z1, Z2)의 Gate_ON 신호를 Off로 제어한다.
본 발명의 제2 실시 예에 따르면, Battery나 Charger/Inverter 한쪽이 단락된 상황에서 IGBT가 Off 되면 전압비교기 입력단에 고전압이 인가될 수 있어서, Zener Diode에 의해 전압을 Clamp 해 주고, 저항에 의한 전압분배로 전압비교기의 입력전압을 안정적으로 제한할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 배터리 충방전 장치에서 회로 차단 수단은 기계식 릴레이나 반도체 스위치가 사용될 수 있다.
기계식 릴레이는 손실이 작고 저렴하다는 장점이 있으나 과전류 등 이상 발생 시 동작속도가 느리고 과전류에 의한 접점에서의 용융 등이 발생하여 2차 사고의 위험성이 있으며 Off시 역전압에 의한 스파크가 발생하여 화재 발생 위험이 크고 릴레이의 수명이 짧아지는 단점이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치에서 상기 제1, 2 스위칭 소자(Z1, Z2)는 FET 또는 IGBT가 적용될 수 있다. 저압에서의 반도체 스위치는 FET가 유리하고 고압에서는 IGBT가 유리할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, IGBT 혹은 FET로 구성되는 양방향 스위치에서 별도의 전류센싱 소자 없이 전류의 크기를 예측하고 과전류 발생 시 소자를 보호하기 위한 제어 신호를 발생시켜서 스위치소자를 Off할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 감지다이오드의 센싱회로를 위한 별도의 절연된 제어공급전원으로 구성을 하여 전압의 간섭 및 혼촉으로 인한 오류를 줄일 수 있다, 또한, 발생된 전압비교기의 출력제어신호를 Photo-coupler 등 절연된 매체를 통하여 제1, 2 스위칭 소자(Z1, Z2)의 Gate 신호를 제어함으로써, 과전류 발생시 신속하고 안정적으로 회로를 차단할 수 있다.
스위치 채널 전압은 대략 전류에 비례하며, 소자의 온도에 따라 변하게 되는데 Diode의 순방향 전압(Vf)은 온도에 따른 전압 변화가 상대적으로 작다
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 스위칭 소자에 흐르는 전류를 직렬로 연결된 다이오드의 전압으로 센싱을 하고 전압비교기를 통해 제어 신호를 발생하는 것에 의해 최소한 부품으로 구성되고 온도변화에 따른 작동 오류가 적은 것을 특징으로 한다.
도 9는 정격전류 600A인 IGBT에서 온도/전류에 따른 IGBT Channel (Vce)전압의 변화를 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, IGBT Channel (Vce)전압 2.0V에서 IGBT에 흐르는 전류는 온도 Tvj= 25°C 일 때 약 600A, Tvj =125°C 일 때 약 440A가 된다.
즉, IGBT Channel (Vce)전압 2.0V에서 IGBT의 Tvj=25℃ ~ Tvj =125℃ 온도에 따른 전류 차이는 600-440 = 160A가 된다.
도 10은 정격전류 300A일 때 IGBT에서 온도/전류에 따른 IGBT Channel (Vce)전압의 변화를 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, 정격전류를 300A로 가정하면 과전류 기준을 정격전류의 120%인 360A로 설정하였을 경우, 온도 Tvj =125℃ 일 때 Vce 전압은 약 1.8V가 된다. 이 전압이 기준 전압이 된다. 한편 온도 Tvj=25℃ 일 때 전류는 약 485A가 된다. 따라서 IGBT의 온도에 따른 전류 차이는 485 - 360 = 125A가 된다.
도 11은 정격전류 600A인 다이오드의 온도/전류에 따른 다이오드의 순방향전압(Vf)의 변화를 도시한 것이다.
도 11을 참조하면, 최대 정격전류 600A의 경우, 다이오드의 순방향전압(Vf)은 약 1.8V로 측정이 된다. 다이오드의 순방향전압(Vf) 1.8V에서 다이오드에 흐르는 전류는 온도 Tvj= 25℃ 일 때 약 600A, Tvj =125℃ 일 때 약 540A가 된다.
즉, 다이오드의 순방향전압(Vf) 1.8V에서 다이오드의 Tvj=25℃ ~ Tvj =125℃온도에 따른 전류 차이는 600A - 540A = 60A가 된다.
즉, 정격전류 600A에서 온도 100℃ 차이에 따른 전류변화는 60A로 나타난다. 따라서 IGBT에 비하여 변화의 폭이 작아서 온도에 덜 민감한 감지장치를 구현할 수 있다.
도 12는 정격전류 300A일 때 다이오드에서의 온도/전류에 따른 다이오드의 순방향전압(Vf)의 변화를 도시한 것이다.
도 12를 참조하면, 정격전류를 300A로 가정하면 과전류 기준을 정격전류의 120%인 360A로 설정하였을 경우, 온도Tvj =125℃ 일 때 Vf 전압은 약 1.55V가 된다. 한편, VFD 전압이 약 1.55V이고, 온도 Tvj=25℃ 일 때 전류는 약 375A가 된다. 따라서 다이오드의 온도에 따른 전류 차이는 475A - 360A = 15A가 된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 이 다이오드의 순방향전압(Vf)의 차이를 전압비교기에 의해 감지를 하여 과전류 시 충방전 회로를 차단하는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충방전 과전류 보호장치는 IGBT의 포화전압으로 과전류를 검지하는 장치에 비하여 상대적으로 온도에 덜 민감한 과전류 감지장치를 구현할 수 있다.
D1 ~D6: 다이오드
R1 ~R4, R11 ~R15, RU: 저항
C1 ~ C4: 캐패시터
P1 ~ P3: 포토커플러
TR1, TR2 Q1, Q2: 트랜지스터
L1 ~ L4: 트랜스포머의 권선
U1 ~U4: 전압비교기
Z1, Z2: 스위칭 소자

Claims (7)

  1. 배터리의 충방전 과전류 보호장치에 있어서,
    상기 과전류 보호장치는,
    배터리 충전기로부터 충전용 제1 스위칭 소자로 연결되어 제2 감지다이오드를 거쳐서 상기 배터리를 충전하고, 상기 배터리로부터 방전용 제2 스위칭 소자로 연결되어 제1 감지다이오드를 거쳐서 부하 또는 인버터에 전력을 공급하는 충방전 회로; 및
    상기 제1 감지다이오드 및 제2 감지다이오드의 순방향 전압 변화에 의한 과전류를 감지하여 상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 제어하여 전력을 차단하는 충전전류 감지회로 및 방전전류 감지회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충방전 과전류 보호장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충방전 회로는, 상기 제1 감지다이오드의 애노드 및 제2 감지다이오드의 애노드는 서로 공통으로 접속되어 그 접속점에 공통노드가 형성되고, 상기 제1 감지다이오드의 캐소드에는 방전전류를 감지하는 제1 노드가 형성되며, 상기 제1노드와 공통노드 사이에는 배터리의 방전전류의 감지를 위한 상기 제1 감지다이오드가 방전전류의 순방향으로 접속되고,
    상기 방전전류 감지회로는 상기 제1노드와 공통노드 사이의 전압변화를 감지하여 상기 제2 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하며,
    상기 제2 감지다이오드의 캐소드에는 충전전류를 감지하는 제2 노드가 형성되며, 상기 제2노드와 공통노드 사이에는 상기 충전전류의 감지를 위한 상기 제2 감지다이오드가 충전전류의 순방향으로 접속되고,
    상기 충전전류 감지회로는 상기 제2노드와 공통노드 사이의 전압변화를 감지하여 상기 제1 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충방전 과전류 보호장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방전전류 감지회로는,
    상기 제1노드와 공통노드 사이의 전압이 저항들로 분배가 되어 제1 전압비교기의 입력신호 단자에 입력이 되고, 상기 제1전압비교기의 출력단자는 게이트 제어회로를 통하여 상기 제2 스위칭 소자의 게이트로 연결이 되는 구성을 포함하며,
    상기 제2노드와 공통노드 사이의 전압이 저항들로 분배가 되어 제2 전압비교기의 입력신호 단자에 입력이 되고, 상기 제2전압비교기의 출력단자는 상기 게이트 제어회로를 통하여 상기 제1 스위칭 소자의 게이트로 연결되는 구성을 포함하되,
    상기 제1 전압비교기 및 제2전압비교기의 입력신호 단자와 상기 공통노드 사이에는 과전압 방지를 위한 제너다이오드 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충방전 과전류 보호장치.
  4. 제3항에 있어서
    상기 충방전 회로에서 배터리, 배터리충전기 및 인버터의 기준전위(GND)와 상기 방전전류 감지회로 및 충전전류 감지회로의 기준전위(GND1)는 전기적으로 절연이 유지되는 것을 특징으로 하는 배터리의 충방전 과전류 보호장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 게이트 제어회로는, 게이트 입력신호 및 출력신호가 포토커플러를 통하여 입, 출력되며, 상기 게이트 입력신호 또는 전원이 리셋될 때까지 그 입력값을 유지하는 Latch 회로 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충방전 과전류 보호장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 충방전 회로는, 상기 제1 감지다이오드의 애노드 및 제2 감지다이오드의 애노드가 서로 공통으로 접속되어 그 접속점에 공통노드가 형성되고, 상기 제1 감지다이오드의 캐소드에는 제1 노드가 형성되어, 상기 제1노드와 공통노드 사이에는 배터리의 방전전류의 감지를 위한 상기 제1 감지다이오드가 방전전류의 순방향으로 접속되며,
    상기 방전전류 감지회로는 상기 제1노드가 제2 기준전위(GND2)와 접속되어 상기 제1노드와 공통노드 사이의 전압이 저항들로 분배가 되어 제1 전압비교기의 +입력신호 단자에 입력이 되고, 상기 제1전압비교기의 출력단자는 게이트 제어회로를 통하여 상기 제2 스위칭 소자의 게이트로 연결되고, 상기 제1전압비교기에 상기 제2기준전위(GND2)에 의한 제2제어공급전압(VCC2)이 동작전압으로 공급되는 구성을 포함하고,
    상기 제2 감지다이오드의 캐소드에는 충전전류를 감지하는 제2 노드가 형성되며, 상기 제2노드와 공통노드 사이에는 상기 충전전류의 감지를 위한 상기 제2 감지다이오드가 충전전류의 순방향으로 접속되고,
    상기 충전전류 감지회로는 상기 제2노드가 제3 기준전위(GND3)와 접속되어 상기 제2노드와 공통노드 사이의 전압이 저항들로 분배가 되어 제2전압비교기의 +입력신호 단자에 입력이 되고, 상기 제2전압비교기의 출력단자는 상기 게이트 제어회로를 통하여 상기 제1 스위칭 소자의 게이트로 연결되고, 상기 제2전압비교기에 상기 제3기준전위(GND3)에 의한 제3제어공급전압(VCC3)이 동작전원으로 공급되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충방전 과전류 보호장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 충방전 과전류 보호장치의 제어공급전압 회로는,
    기준전위(GND)에 대한 전원용 제어공급전압과 상기 제2기준전위(GND2) 및 제3기준전위(GND3)에 대한 제2, 3 제어공급전압은 각각 절연이 유지되어 공급이 되는 것을 특징으로 하는 충방전 과전류 보호장치.
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