WO2019160257A1 - 배터리와 평활 커패시터 간의 에너지 전달을 위한 전원 회로, 배터리 관리 시스템 및 배터리 팩 - Google Patents

배터리와 평활 커패시터 간의 에너지 전달을 위한 전원 회로, 배터리 관리 시스템 및 배터리 팩 Download PDF

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winding
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smoothing capacitor
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송현진
유선욱
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a power supply circuit for energy transfer between a battery and a smoothing capacitor, and more particularly, to selectively perform the operation of precharging the smoothing capacitor with the energy of the battery and charging the battery with the energy of the smoothing capacitor. Relates to a power supply circuit.
  • lithium batteries have almost no memory effect compared to nickel-based batteries, and thus are free of charge and discharge, and have a very high self discharge rate. Its low and high energy density has attracted much attention.
  • the electrical connection between the battery and the electrical load is controlled by the main contactor, and on the electrical load side there is a smoothing capacitor which is connected in parallel to the battery via the main contactor.
  • the smoothing capacitor suppresses noise included in the DC power supplied from the battery.
  • Patent Literature 1 discloses a precharge circuit.
  • the precharge circuit is a series circuit including a precharge resistor and a precharge contactor, and is connected in parallel to the main contactor.
  • the precharge contactor is turned on prior to the turn on of the main contactor, thereby precharging the smoothing capacitor by the discharge current from the battery, thereby reducing the voltage difference between the battery and the electrical load to an acceptable level.
  • the conventional precharge circuit has some disadvantages as follows.
  • the first disadvantage is that if the smoothing capacitor is precharged excessively many times within a short time, the temperature of the precharge resistor becomes significantly high. Overheating of the precharge resistor may degrade the performance of the precharge resistor itself as well as surrounding circuit components.
  • a second disadvantage is that, through precharging, the electrical energy stored in the smoothing capacitor is not utilized for charging the battery and is discarded.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2014-0170774 (Publication date: June 10, 2015)
  • the present invention has been made to solve the above problems, and provides a power supply circuit, a battery management system, and a battery pack for precharging the smoothing capacitor using energy of the battery in a state where the battery and the smoothing capacitor are insulated from each other. It aims to do it.
  • an object of the present invention is to provide a power supply circuit, a battery management system, and a battery pack for charging a battery using energy of the smoothing capacitor while the battery and the smoothing capacitor are insulated from each other.
  • a power supply circuit for energy transfer between a battery and a smoothing capacitor includes: a transformer including a first winding and a second winding magnetically coupled to the first winding; A first switching circuit comprising a first switch connected in series with said first winding, said first switching circuit being connected in parallel with said battery with said first winding; A second switching circuit comprising a second switch connected in series with said second winding, said second switching circuit being connected in parallel with said smoothing capacitor together with said second winding; And a switch controller configured to independently control each switch included in the first switching circuit and the second switching circuit. The switch controller executes a first operation of turning on the first switch and turning off the second switch in a first control mode for precharging the smoothing capacitor using energy of the battery. And turn off the first switch and perform a second operation of turning on the second switch.
  • the turns ratio of the second winding to the first winding may be greater than zero and less than or equal to one.
  • the switch controller executes a third operation of turning off the first switch and turning on the second switch in a second control mode for charging the battery by using the energy of the smoothing capacitor. And turn on a first switch and perform a fourth operation of turning off the second switch.
  • the transformer may further include a third winding connected in series with the first winding.
  • the third winding may be magnetically coupled to the second winding.
  • the first switching circuit includes a third switch connected in series with the third winding; And a fourth switch connected in parallel to the third winding and the third switch.
  • the turns ratio of the second winding to the third winding may be greater than zero and less than or equal to one.
  • the switch controller may turn off the third switch and turn on the fourth switch when executing the first operation.
  • the switch controller may be configured to turn off the third switch and turn off the fourth switch when executing the second operation.
  • the switch controller may turn off the third switch and turn off the fourth switch when executing the third operation.
  • the switch controller may be configured to turn on the third switch and turn off the fourth switch when executing the fourth operation.
  • the transformer may further include a fourth winding connected in series with the second winding.
  • the fourth winding may be magnetically coupled to the first winding.
  • the second switching circuit includes: a fifth switch connected in series with the fourth winding; And a sixth switch connected in parallel to the fourth winding and the fifth switch.
  • the switch controller may be configured to turn off the fifth switch and turn off the sixth switch when executing the first operation.
  • the switch controller may be configured to turn on the fifth switch and turn off the sixth switch when executing the second operation.
  • the switch controller may be configured to turn off the fifth switch and turn on the sixth switch when executing the third operation.
  • the switch controller may be configured to turn off the fifth switch and turn off the sixth switch when executing the fourth operation.
  • Each switch included in the first switch circuit and the second switch circuit may be a field effect transistor.
  • a battery management system includes the power supply circuit.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention includes the battery management system.
  • the smoothing capacitor may be precharged using the energy of the battery while the battery and the smoothing capacitor are insulated from each other.
  • the battery and the smoothing capacitor may be insulated from each other, and the battery may be charged using energy of the smoothing capacitor.
  • FIG. 1 is a view showing the configuration of a transmission device according to an embodiment of the present invention by way of example.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit according to an embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 are views referred to to explain the first operation and the second operation related to the first control mode in which the power supply circuit of FIG. 2 precharges the smoothing capacitor.
  • 5 and 6 are views referred to for describing the third operation and the fourth operation related to the second control mode in which the power supply circuit of FIG. 2 charges the battery.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 and 9 are views referred to for explaining the first operation and the second operation related to the first control mode in which the power supply circuit of FIG. 7 precharges the smoothing capacitor.
  • FIG. 10 and 11 are views referred to for describing the third operation and the fourth operation related to the second control mode in which the power supply circuit of FIG. 7 charges the battery.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 and 14 are views referred to for explaining the first operation and the second operation related to the first control mode in which the power supply circuit of FIG. 12 precharges the smoothing capacitor.
  • 15 and 16 are views referred to for describing the third operation and the fourth operation related to the second control mode in which the power supply circuit of FIG. 12 charges the battery.
  • control unit> means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software, or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a view showing the configuration of a transmission device according to an embodiment of the present invention by way of example.
  • the transmission 1 includes a main controller 2, a battery pack 10, and an electric load 40.
  • the transmission 1 may be an electric vehicle, in which case the main controller 2 may be referred to as a vehicle controller.
  • the motor controller 44 and the switch controller 500 which will be described later, may operate in response to a command from the main controller 2.
  • the motor controller 44, the switch controller 500, and the main controller 2 may perform communication with each other through, for example, a controller area network (CAN).
  • CAN controller area network
  • Each of the motor controller 44 and the switch controller 500 may be activated in response to a start command from the main controller 2.
  • the electrical load 40 is configured to supply DC power from the battery pack 10 or to supply DC power to the battery pack 10.
  • the electrical load 40 may include a smoothing capacitor 41, an inverter 42, a motor 43, and a motor controller 44.
  • the smoothing capacitor 41 is connected in parallel between the first pack terminal P + and the second pack terminal P- of the battery pack 10 to suppress sudden fluctuations in DC power.
  • the inverter 42 converts DC power supplied from the battery pack 10 into AC power and provides it to the motor 43.
  • the motor 43 operates using AC power provided from the inverter 42.
  • the battery pack 10 includes a battery 20, a first main contactor 31, and a battery management system 100.
  • the battery pack 10 may further include a second main contactor 32.
  • the battery 20 includes at least one battery cell 21.
  • Each battery cell 21 may be, for example, a lithium ion battery 20.
  • the type of the battery cell 21 is not limited to the lithium ion battery 20, and is not particularly limited as long as it can be repeatedly charged and discharged.
  • the plurality of battery cells 21 may be connected in series or in parallel.
  • the first main contactor 31 is provided in the low voltage line LL between the battery pack 10 and the electrical load 40.
  • the second main contactor 32 is installed at the high voltage HL between the battery pack 10 and the electrical load 40.
  • Each of the first main contactor 31 and the second main contactor 32 may be a monostable type or a bistable type. As shown, one end of the first main contactor 31 may be connected to the positive terminal of the battery 20, and the other end of the first main contactor 31 may be connected to the electric load 40. One end of the second main contactor 32 may be connected to the negative terminal of the battery 20, and the other end of the second main contactor 32 may be connected to the electrical load 40.
  • Each of the first main contactor 31 and the second main contactor 32 may be controlled in an open control state or a short control state according to a switching signal output from the battery management system 100.
  • the battery management system 100 is operatively coupled to the first main contactor 31, the second main contactor 32, and / or the main controller 2.
  • the battery management system 100 includes a voltage measuring unit 110, a current measuring unit 120, a temperature measuring unit 130, a control unit 140, and a power supply circuit 200.
  • the voltage measuring unit 110 is configured to measure the terminal voltage of each battery cell 21 included in the battery 20.
  • the voltage measuring unit 110 may further measure the terminal voltage of the battery 20.
  • the voltage measuring unit 110 may transmit a voltage signal indicating the terminal voltage of the battery 20 and / or the battery cell 21 to the controller 140 periodically or at the request of the controller 140.
  • the current measuring unit 120 is installed in the high voltage line HL or the low voltage line LL of the battery pack 10 and configured to measure the current flowing through the battery 20.
  • the current measuring unit 120 may transmit a current signal indicating a current flowing through the battery 20 to the controller 140 periodically or at the request of the controller 140.
  • the temperature measuring unit 130 is configured to measure the temperature of the battery 20.
  • the temperature measuring unit 130 may transmit a temperature signal indicating the temperature of the battery 20 to the controller 140 periodically or at the request of the controller 140.
  • the controller 140 is operably coupled to the voltage measuring unit 110, the current measuring unit 120, the temperature measuring unit 130, and the main controller 2.
  • the controller 140 may be configured in hardware such as application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), field programmable gate arrays (FPGAs), and microprocessors ( microprocessors) and electrical units for performing other functions.
  • the controller 140 may include a memory device. For example, a RAM, a ROM, a register, a hard disk, an optical recording medium, or a magnetic recording medium may be used as the memory device.
  • the memory device may store, update and / or erase a program including various control logic executed by the switch controller 500 and / or data generated when the control logic is executed.
  • the control unit 140 based on the voltage signal, current signal and / or temperature signal, the state of each battery cell 21 (for example, State-of-Charge, State-of-Health, overcharge, overdischarge, overheat, etc. ).
  • the controller 140 may also transmit a notification signal indicating the state of each monitored battery cell 21 to the main controller 2.
  • the control unit 140 transmits an operation start signal from the main controller 2 to the power supply circuit 200. For example, when the power button of the transmission device 1 is pressed, the main controller 2 may transmit an operation start signal to the control unit 140.
  • the control unit 140 also transmits an operation stop signal from the main controller 2 to the power supply circuit 200. For example, when the power button of the transmission device 1 is released, the main controller 2 may transmit an operation stop signal to the controller 140.
  • the power supply circuit 200 is configured to execute the first control mode in response to the operation start signal.
  • the power supply circuit may execute the second control mode in response to the operation stop signal.
  • the power supply circuit 200 according to embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 2 to 16.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 3 and 4 are related to a first control mode in which the power supply circuit of FIG. 2 precharges the smoothing capacitor 41.
  • 5 and 6 illustrate a third operation and a fourth operation related to a second control mode in which the power supply circuit of FIG. 2 charges the battery 20. Referring to FIG. The drawings are referred to for description.
  • the power supply circuit 200 includes a transformer 300, a first switching circuit 410, a second switching circuit 420, and a switch controller 500.
  • the transformer 300 includes a first winding 310 and a second winding 320.
  • the second winding 320 is magnetically coupled to the first winding 310.
  • the first winding 310 becomes a primary winding and the second winding 320 is a secondary winding.
  • the second winding 320 becomes the primary winding and the first winding 310 becomes the secondary winding.
  • the number of turns of the first winding 310 is a
  • the number of turns of the second winding 320 may be b.
  • a: b 1: N 1
  • N 1 may be greater than 0 and less than or equal to 1 (eg, 0.98).
  • the first switching circuit 410 includes a first switch S1.
  • the first switch S1 is connected in series to the first winding 310.
  • the first switching circuit 410 is connected in parallel to the battery 20. That is, the first switch S1 is connected to the battery 20 in parallel with the first winding 310.
  • the first switch S1 is turned on, energy stored in the battery 20 is transferred to the first winding 310 or energy stored in the first winding 310 is transferred to the battery 20.
  • the second switching circuit 420 includes a second switch S2.
  • the second switch S2 is connected in series to the second winding 320.
  • the second switching circuit 420 is connected in parallel to the smoothing capacitor 41. That is, the second switch S2 is connected to the smoothing capacitor 41 in parallel with the second winding 320.
  • the second switch S2 is turned on, energy stored in the second winding 320 is transferred to the smoothing capacitor 41 or energy stored in the smoothing capacitor 41 is transferred to the second winding 320.
  • the switch controller 500 includes the voltage measuring unit 110, the current measuring unit 120, the first main contactor 31, the second main contactor 32, the first switching circuit 410, and the second switching. Operatively coupled to each switch and / or main controller 2 included in circuit 420.
  • the switch controller 500 may be hardware-specific, such as application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), and FPGAs (fields). It may be implemented using at least one of programmable gate arrays, microprocessors, and electrical units for performing other functions.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs fields
  • the switch controller 500 may independently control each switch included in the first main contactor 31, the second main contactor 32, and the first switching circuit 410 and the second switching circuit 420. It is composed.
  • the switch controller 500 turns on the first main contactor 31 according to the operation start signal, and then enters the first control mode with the second main contactor 32 turned off.
  • the first control mode is a mode for precharging the smoothing capacitor 41 using energy of the battery 20.
  • the switch controller 500 turns on the second main contactor 32 when the first control mode ends (ie, when the smoothing capacitor 41 is precharged).
  • the switch controller 500 turns off at least one of the first main contactor 31 and the first main contactor 32 according to the operation stop signal, and then enters a second control mode.
  • the second control mode is a mode for charging the battery 20 using energy of the smoothing capacitor 41.
  • the switch controller 500 sequentially executes the first operation and the second operation in the first control mode.
  • the first operation is an operation of turning on the first switch S1 and turning off the second switch S2.
  • the discharge current I1 from the battery 20 flows through the first switch S1 and the first winding 310, and the energy of the battery 20 is transferred to the first winding 310. Is delivered). Accordingly, energy is accumulated in the first winding 310 from when the first operation is started to when the second operation is started.
  • the second operation is an operation of turning off the first switch S1 and turning on the second switch S2.
  • the smoothing capacitor 41 is precharged as the gradually decreasing current I2 flows through the second switch S2, the second winding 320, and the smoothing capacitor 41.
  • the switch controller 500 outputs a first pulse signal having a predetermined duty ratio to the first switch S1 in the first control mode, and sets a phase opposite to that of the first pulse signal to the second switch S2.
  • the branch may output the second pulse signal to implement the first operation and the second operation.
  • the switching on period of the first switch S1 is the switching off period of the second switch S2
  • the switching off period of the first switch S1 is the switching on period of the second switch S2. It is a period.
  • the first operation and the second operation constitute a set, and can be repeated a predetermined number of times.
  • the switch controller 500 sequentially executes the third operation and the fourth operation in the second control mode.
  • the third operation is an operation of turning off the first switch S1 and turning on the second switch S2.
  • the discharge current I3 from the smoothing capacitor 41 flows through the second switch S2 and the second winding 320, and the energy of the smoothing capacitor 41 is transferred to the second winding. Is passed to 320. Energy is accumulated in the second winding 320 from when the third operation is started to when the fourth operation is started.
  • the fourth operation is an operation of turning off the second switch S2 and turning on the first switch S1.
  • the energy accumulated in the second winding 320 when the second switch S2 is turned off and the first switch S1 is turned on, the energy accumulated in the second winding 320 is stored in the second winding 320. It is delivered to the first winding 310 magnetically coupled to. Accordingly, the battery 20 is charged while gradually decreasing current I4 flows through the first switch S1, the first winding 310, and the battery 20.
  • the switch controller 500 In the second control mode, the switch controller 500 outputs a third pulse signal having a predetermined duty ratio to the first switch S1, and provides a phase opposite to that of the third pulse signal to the second switch S2.
  • the branch may output the fourth pulse signal to implement the third operation and the fourth operation.
  • the switching on period of the first switch S1 is the switching off period of the second switch S2
  • the switching off period of the first switch S1 is the switching on period of the second switch S2. It is a period.
  • the third operation and the fourth operation constitute a set, and can be repeated a predetermined number of times.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit according to another embodiment of the present invention, and FIGS. 8 and 9 are related to a first control mode in which the power supply circuit of FIG. 7 precharges the smoothing capacitor 41.
  • 10 and 11 illustrate a third operation and a fourth operation related to a second control mode in which the power supply circuit of FIG. 7 charges the battery 20.
  • the drawings are referred to for description.
  • the power supply circuit 200 includes a transformer 300, a first switching circuit 410, a second switching circuit 420, and a switch controller 500.
  • the transformer 300 includes a first winding 310, a second winding 320, and a third winding 330.
  • the second winding 320 is connected in series to the first winding 310.
  • the second winding 320 is magnetically coupled to the first winding 310 and the third winding 330.
  • the number of turns of the first winding 310 may be a, and the number of turns of the second winding 320 may be b.
  • a: b 1: N 1
  • N 1 may be greater than 0 and less than or equal to 1 (eg, 0.98).
  • the number of turns of the third winding 330 may be c.
  • c: b 1: N 2
  • N 2 may be greater than 0 and less than or equal to 1.
  • the first switching circuit 410 includes a first switch S1, a third switch S3, and a fourth switch S4.
  • the first switch S1 is connected in series to the first winding 310.
  • the third switch S3 is connected in series with the third winding 330.
  • the fourth switch S4 is connected in parallel to the third winding 330 and the third switch S3.
  • the first switching circuit 410 is connected in parallel to the battery 20.
  • the second switching circuit 420 includes a second switch S2.
  • the second switch S2 is connected in series to the second winding 320.
  • the second switching circuit 420 is connected in parallel to the smoothing capacitor 41. That is, the second switch S2 is connected to the smoothing capacitor 41 in parallel with the second winding 320.
  • the second switch S2 is turned on, energy stored in the second winding 320 is transferred to the smoothing capacitor 41 or energy stored in the smoothing capacitor 41 is transferred to the second winding 320.
  • the switch controller 500 sequentially executes the first operation and the second operation in the first control mode.
  • the first operation is an operation of turning on the first switch S1 and the fourth switch S4 and turning off the second switch S2 and the third switch S3.
  • the discharge current I11 from the battery 20 generates the first switch S1, the fourth switch S4, and the first winding 310.
  • Energy flowing through the battery 20 is transmitted to the first winding 310. Accordingly, energy is accumulated in the first winding 310 from when the first operation is started to when the second operation is started.
  • the second operation is an operation of turning off the first switch S1, the third switch S3, and the fourth switch S4 and turning on the second switch S2.
  • the first switch S1, the third switch S3, and the fourth switch S4 are turned off and the second switch S2 is turned on, the energy accumulated in the first winding 310 is first wound 310. Is transferred to the second winding 320 magnetically coupled thereto. Accordingly, the smoothing capacitor 41 is precharged while the current I2 flows through the second switch S2, the second winding 320, and the smoothing capacitor 41.
  • the third switch S3 and the fourth switch S4 are turned on when the pulse signal has a high state (eg, 3V) and turned on when the third switch S3 and the fourth switch S4 have a low state (eg, 0V). It may be a field effect transistor that is turned off.
  • the switch controller 500 outputs the first pulse signal having a predetermined duty ratio to the first switch S1 and the fourth switch S4 in the first control mode, and the first pulse signal to the second switch S2.
  • the first operation and the second operation may be implemented by outputting a second pulse signal having a phase opposite to that of.
  • the third switch S3 may be maintained in a turn off state in the first control mode.
  • the switching on period of the first switch S1 and the fourth switch S4 becomes the switching off period of the second switch S2, and the first switch S1 and the fourth switch S4.
  • the switching off period of is the switching on period of the second switch S2.
  • the first operation and the second operation constitute a set, and can be repeated a predetermined number of times.
  • the switch controller 500 sequentially executes the third operation and the fourth operation in the second control mode.
  • the third operation is an operation of turning off the first switch S1, the third switch S3, and the fourth switch S4 and turning on the second switch S2.
  • the second switch S2 When the second switch S2 is turned on, the discharge current I13 from the smoothing capacitor 41 flows through the second switch S2 and the second winding 320, and the energy of the smoothing capacitor 41 is transferred to the second winding. Is passed to 320. Accordingly, energy is accumulated in the second winding 320 from when the third operation is started to when the fourth operation is started.
  • the fourth operation is an operation of turning off the second switch S2 and the fourth switch S4 and turning on the first switch S1 and the third switch S3.
  • the energy accumulated in the second winding 320 is stored in the second winding 320.
  • the switch controller 500 outputs a third pulse signal having a predetermined duty ratio to the first switch S1 and the third switch S3 in the second control mode, and sends a third pulse signal to the second switch S2.
  • the third operation and the fourth operation can be implemented by outputting a fourth pulse signal having a phase opposite to that of.
  • the fourth switch S4 may be maintained in the turned off state in the second control mode. In the second control mode, the switching on period of the first switch S1 and the third switch S3 becomes the switching off period of the second switch S2, and the first switch S1 and the third switch S3.
  • the switching off period of is the switching on period of the second switch S2.
  • the third operation and the fourth operation constitute a set, and can be repeated a predetermined number of times.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit according to still another embodiment of the present invention
  • FIGS. 13 and 14 illustrate a first control mode in which the power supply circuit of FIG. 12 precharges the smoothing capacitor 41.
  • 15 and 16 illustrate a third operation and a fourth operation related to a second control mode in which the power supply circuit of FIG. 12 charges the battery 20.
  • FIG. 15 and FIG. Figures are referred to to explain.
  • the power supply circuit 200 includes a transformer 300, a first switching circuit 410, a second switching circuit 420, and a switch controller 500.
  • the transformer 300 includes a first winding 310, a second winding 320, and a fourth winding 340.
  • the fourth winding 340 is connected in series to the second winding 320.
  • the second winding 320 and the fourth winding 340 are magnetically coupled to the first winding 310.
  • the first winding 310 becomes a primary winding
  • the second winding ( 320 and the fourth winding 340 become a secondary winding.
  • the second winding 320 and the fourth winding 340 may be connected to the primary winding.
  • the first winding 310 is a secondary winding.
  • the number of turns of the first winding 310 is a
  • the number of turns of the second winding 320 is b
  • the number of turns of the fourth winding 340 is d.
  • a: (b + d) 1: N 3
  • N 3 may be greater than 0 and 1 or less.
  • the first switching circuit 410 includes a first switch S1.
  • the first switch S1 is connected in series to the first winding 310.
  • the first switching circuit 410 is connected in parallel to the battery 20. That is, the first switch S1 is connected to the battery 20 in parallel with the first winding 310.
  • the first switch S1 is turned on, energy stored in the battery 20 is transferred to the first winding 310 or energy stored in the first winding 310 is transferred to the battery 20.
  • the second switching circuit 420 includes a second switch S2, a fifth switch S5, and a sixth switch S6.
  • the second switch S2 is connected in series to the second winding 320.
  • the fifth switch S5 is connected in series with the fourth winding 340.
  • the sixth switch S6 is connected in parallel to the fourth winding 340 and the fifth switch S5.
  • the second switching circuit 420 is connected in parallel to the smoothing capacitor 41. That is, the second switch S2, the fifth switch S5, and the sixth switch S6 are connected to the smoothing capacitor 41 in parallel with the second winding 320.
  • the switch controller 500 sequentially executes the first operation and the second operation in the first control mode.
  • the first operation is an operation of turning on the first switch S1 and turning off the second switch S2, the fifth switch S5, and the sixth switch S6.
  • the first switch S1 When the first switch S1 is turned on, the discharge current I21 from the battery 20 flows through the first switch S1 and the first winding 310, and the energy of the battery 20 is transferred to the first winding 310. Is delivered). Accordingly, energy is accumulated in the first winding 310 from when the first operation is started to when the second operation is started.
  • the second operation is an operation of turning off the first switch S1 and the sixth switch S6 and turning on the second switch S2 and the fifth switch S5.
  • the first switch S1 and the sixth switch S6 are turned off and the second switch S2 and the fifth switch S5 are turned on, the energy accumulated in the first winding 310 is stored in the first winding 310.
  • the smoothing capacitor 41 flows through the current I22 through the second switch S2, the fifth switch S5, the second winding 320, the fourth winding 340, and the smoothing capacitor 41. Precharged.
  • the fifth switch S5 and the sixth switch S6 are turned on when the pulse signal has a high state (eg, 3 V) and turned on when the fifth switch S5 has a low state (eg, 0 V). It may be a field effect transistor that is turned off.
  • the switch controller 500 outputs the first pulse signal having a predetermined duty ratio to the first switch S1 in the first control mode, and the first pulse signal to the second switch S2 and the fifth switch S5.
  • the first operation and the second operation may be implemented by outputting a second pulse signal having a phase opposite to that of.
  • the sixth switch S6 may be maintained in the turned off state in the first control mode.
  • the switching on period of the first switch S1 is the switching off period of the second switch S2 and the fifth switch S5, and the switching off period of the first switch S1 is the second It becomes the switching-on period of switch S2 and fifth switch S5.
  • the first operation and the second operation constitute a set, and can be repeated a predetermined number of times.
  • the switch controller 500 sequentially executes the third operation and the fourth operation in the second control mode.
  • the third operation is an operation of turning off the first switch S1 and the fifth switch S5 and turning on the second switch S2 and the sixth switch S6.
  • the discharge current I23 from the smoothing capacitor 41 is the second switch S2, the sixth switch S6, and the second winding 320.
  • the energy of the smoothing capacitor 41 is transmitted to the second winding 320 while flowing through the second winding 320. Accordingly, energy is accumulated in the second winding 320 from when the third operation is started to when the fourth operation is started.
  • the fourth operation is an operation of turning off the second switch S2, the fifth switch S5, and the sixth switch S6 and turning on the first switch S1.
  • the second switch S2, the fifth switch S5, and the sixth switch S6 are turned off and the first switch S1 is turned on, the energy accumulated in the second winding 320 is stored in the second winding 320. Is transferred to the first winding 310 magnetically coupled thereto. Accordingly, the battery 20 is charged while the current I24 flows through the first switch S1, the first winding 310, and the battery 20.
  • the switch controller 500 outputs a third pulse signal having a predetermined duty ratio to the first switch S1 in the second control mode, and sends a third pulse signal to the second switch S2 and the sixth switch S6.
  • the third operation and the fourth operation can be implemented by outputting a fourth pulse signal having a phase opposite to that of.
  • the fifth switch S5 may be maintained in the turned off state in the second control mode.
  • the switching on period of the first switch S1 is the switching off period of the second switch S2 and the sixth switch S6, and the switching off period of the first switch S1 is the second switching mode. It becomes the switching-on period of switch S2 and sixth switch S6.
  • the third operation and the fourth operation constitute a set, and can be repeated a predetermined number of times.
  • the controller 140 may replace the functions of the switch controller 500 described above with reference to FIGS. 2 to 16, and in this case, the power circuit 200 may include the controller 140 instead of the switch controller 500. have.
  • the controller 140 may estimate the state of charge of the battery 20 based on the current measured by the current sensor 120 in the first control mode and the second control mode. Accordingly, even though no current flows through the pack terminals P + and P ⁇ , the current I1 flowing through the battery 20 while energy is transferred from one of the battery 20 and the smoothing capacitor 41 to another. , I2, I3, I4, I11, I12, I13, I14, I21, I22, I23, I24 can be estimated the state of charge of the battery 20 is changed.

Landscapes

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Abstract

배터리와 평활 커패시터 간의 에너지 전달을 위한 전원 회로, 배터리 관리 시스템 및 배터리 팩이 제공된다. 상기 전원 회로는, 제1 권선 및 제2 권선을 포함하는 트랜스포머; 상기 제1 권선에 직렬 연결되는 제1 스위치를 포함하고, 상기 제1 권선과 함께 상기 배터리에 병렬 연결되는 제1 스위칭 회로; 상기 제2 권선에 직렬 연결되는 제2 스위치를 포함하고, 상기 제2 권선과 함께 상기 평활 커패시터에 병렬 연결되는 제2 스위칭 회로; 및 스위치 컨트롤러를 포함한다. 상기 스위치 컨트롤러는, 상기 평활 커패시터를 프리차징하기 위해, 상기 제1 스위치를 턴온시키고 상기 제2 스위치를 턴오프시키는 제1 동작을 실행한 다음, 상기 제1 스위치를 턴오프시키고 상기 제2 스위치를 턴온시키는 제2 동작을 실행하도록 구성된다.

Description

배터리와 평활 커패시터 간의 에너지 전달을 위한 전원 회로, 배터리 관리 시스템 및 배터리 팩
본 발명은 배터리와 평활 커패시터 간의 에너지 전달을 위한 전원 회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 에너지로 평활 커패시터를 프리차징하는 동작과 평활 커패시터의 에너지로 배터리를 충전하는 동작을 선택적으로 실행하는 전원 회로에 관한 것이다.
본 출원은 2018년 2월 14일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2018-0018598호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
일반적으로, 배터리와 전기 부하 간의 전기적 연결은 메인 컨택터에 의해 제어되고, 전기 부하 측에는 메인 컨택터를 통해 배터리에 병렬 연결되는 평활 커패시터가 구비된다. 평활 커패시터는, 배터리로부터 공급되는 DC 전력에 포함된 노이즈를 억제한다.
그런데, 배터리의 전압과 평활 커패시터의 전압 간의 차이가 매우 클 때 메인 컨택터가 턴온되면, 메인 컨택터를 통해 순간적으로 매우 큰 전류가 흐르게 되고, 이에 따라 메인 컨택터가 파손될 수 있다. 이러한 문제를 해소하기 위한 종래 기술로서, 특허문헌 1 등에는 프리차지 회로가 개시된다. 프리차지 회로는, 프리차지 저항과 프리차지 컨택터를 포함하는 직렬 회로로서, 메인 컨택터에 병렬 연결된다. 메인 컨택터의 턴온에 앞서서 프리차지 컨택터가 턴온되며, 이에 따라 배터리로부터의 방전 전류에 의해 평활 커패시터가 프리차지됨으로써, 배터리와 전기 부하 간의 전압차가 허용 가능한 수준 이내로 줄어든다.
그런데, 종래 프리차지 회로는 아래와 같은 몇가지 단점이 있다. 첫번째 단점은, 짧은 시간 내에 과도하게 많은 횟수로 평활 커패시터를 프리차지되는 경우, 프리차지 저항의 온도가 상당히 높아진다는 점이다. 프리차지 저항의 과열은, 프리차지 저항 자체는 물론 주변의 회로 부품들의 성능을 저하시킬 수 있다. 두번째 단점은, 프리차징을 통해 평활 커패시터에 저장된 전기 에너지가 배터리의 충전을 위해 활용되지 못하고 버려진다는 점이다.
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0170774호(공개일자: 2015년 6월 10일)
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리와 평활 커패시터가 상호 절연된 상태에서, 배터리의 에너지를 이용하여 평활 커패시터를 프리차징하는 전원 회로, 배터리 관리 시스템 및 배터리팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 배터리와 평활 커패시터가 상호 절연된 상태에서, 평활 커패시터의 에너지를 이용하여 배터리를 충전하는 전원 회로, 배터리 관리 시스템 및 배터리팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리와 평활 커패시터 간의 에너지 전달을 위한 전원 회로는, 제1 권선 및 상기 제1 권선과 자기적으로 결합되는 제2 권선을 포함하는 트랜스포머; 상기 제1 권선에 직렬 연결되는 제1 스위치를 포함하고, 상기 제1 권선과 함께 상기 배터리에 병렬 연결되는 제1 스위칭 회로; 상기 제2 권선에 직렬 연결되는 제2 스위치를 포함하고, 상기 제2 권선과 함께 상기 평활 커패시터에 병렬 연결되는 제2 스위칭 회로; 및 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제2 스위칭 회로에 포함된 각 스위치를 독립적으로 제어하도록 구성된 스위치 컨트롤러를 포함한다. 상기 스위치 컨트롤러는, 상기 배터리의 에너지를 이용하여 상기 평활 커패시터를 프리차징하기 위한 제1 제어 모드에서, 상기 제1 스위치를 턴온시키고 상기 제2 스위치를 턴오프시키는 제1 동작을 실행한 다음, 상기 제1 스위치를 턴오프시키고 상기 제2 스위치를 턴온시키는 제2 동작을 실행하도록 구성된다.
상기 제1 권선에 대한 상기 제2 권선의 권선비는 0보다 크고 1 이하일 수 있다.
상기 스위치 컨트롤러는, 상기 평활 커패시터의 에너지를 이용하여 상기 배터리를 충전하기 위한 제2 제어 모드에서, 상기 제1 스위치를 턴오프시키고 상기 제2 스위치를 턴온시키는 제3 동작을 실행한 다음, 상기 제1 스위치를 턴온시키고 상기 제2 스위치를 턴오프시키는 제4 동작을 실행하도록 구성될 수 있다.
상기 트랜스포머는, 상기 제1 권선에 직렬 연결되는 제3 권선을 더 포함할 수 있다. 상기 제3 권선은, 상기 제2 권선과 자기적으로 결합될 수 있다.
상기 제1 스위칭 회로는, 상기 제3 권선에 직렬 연결되는 제3 스위치; 및 상기 제3 권선과 상기 제3 스위치에 병렬 연결되는 제4 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 권선에 대한 상기 제2 권선의 권선비는 0보다 크고 1 이하일 수 있다.
상기 스위치 컨트롤러는, 상기 제1 동작을 실행 시, 상기 제3 스위치를 턴오프시키고, 상기 제4 스위치를 턴온시킬 수 있다. 상기 스위치 컨트롤러는, 상기 제2 동작을 실행 시, 상기 제3 스위치를 턴오프시키고, 상기 제4 스위치를 턴오프시키도록 구성될 수 있다.
상기 스위치 컨트롤러는, 상기 제3 동작을 실행 시, 상기 제3 스위치를 턴오프시키고, 상기 제4 스위치를 턴오프시킬 수 있다. 상기 스위치 컨트롤러는, 상기 제4 동작을 실행 시, 상기 제3 스위치를 턴온시키고, 상기 제4 스위치를 턴오프시키도록 구성될 수 있다.
상기 트랜스포머는, 상기 제2 권선에 직렬 연결되는 제4 권선을 더 포함할 수 있다. 상기 제4 권선은, 상기 제1 권선과 자기적으로 결합될 수 있다. 상기 제2 스위칭 회로는, 상기 제4 권선에 직렬 연결되는 제5 스위치; 및 상기 제4 권선과 상기 제5 스위치에 병렬 연결되는 제6 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 스위치 컨트롤러는, 상기 제1 동작을 실행 시, 상기 제5 스위치를 턴오프시키고, 상기 제6 스위치를 턴오프시키도록 구성될 수 있다. 상기 스위치 컨트롤러는, 상기 제2 동작을 실행 시, 상기 제5 스위치를 턴온시키고, 상기 제6 스위치를 턴오프시키도록 구성될 수 있다.
상기 스위치 컨트롤러는, 상기 제3 동작을 실행 시, 상기 제5 스위치를 턴오프시키고, 상기 제6 스위치를 턴온시키도록 구성될 수 있다. 상기 스위치 컨트롤러는, 상기 제4 동작을 실행 시, 상기 제5 스위치를 턴오프시키고, 상기 제6 스위치를 턴오프시키도록 구성될 수 있다.
상기 제1 스위치 회로 및 상기 제2 스위치 회로에 포함된 각 스위치는, 전계 효과 트랜지스터일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 관리 시스템은, 상기 전원 회로를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리팩은, 상기 배터리 관리 시스템을 포함한다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리와 평활 커패시터가 상호 절연된 상태에서, 배터리의 에너지를 이용하여 평활 커패시터를 프리차징할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리와 평활 커패시터가 상호 절연된 상태에서, 평활 커패시터의 에너지를 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 장치의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 회로의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 전원 회로가 평활 커패시터를 프리차징하는 제1 제어 모드와 관련된 제1 동작과 제2 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면들이다.
도 5 및 도 6은 도 2의 전원 회로가 배터리를 충전하는 제2 제어 모드와 관련된 제3 동작과 제4 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면들이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 회로의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 전원 회로가 평활 커패시터를 프리차징하는 제1 제어 모드와 관련된 제1 동작과 제2 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면들이다.
도 10 및 도 11은 도 7의 전원 회로가 배터리를 충전하는 제2 제어 모드와 관련된 제3 동작과 제4 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면들이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전원 회로의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 13 및 도 14는 도 12의 전원 회로가 평활 커패시터를 프리차징하는 제1 제어 모드와 관련된 제1 동작과 제2 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면들이다.
도 15 및 도 16은 도 12의 전원 회로가 배터리를 충전하는 제2 제어 모드와 관련된 제3 동작과 제4 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 장치의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 도 1을 참조하면, 전동 장치(1)는, 메인 컨트롤러(2), 배터리팩(10) 및 전기 부하(40)를 포함한다. 예컨대, 전동 장치(1)는 전기 자동차일 수 있고, 이 경우 메인 컨트롤러(2)를 차량 컨트롤러라고 칭할 수 있다. 후술할 모터 컨트롤러(44) 및 스위치 컨트롤러(500)는, 메인 컨트롤러(2)로부터의 명령에 응답하여 동작할 수 있다. 모터 컨트롤러(44), 스위치 컨트롤러(500) 및 메인 컨트롤러(2)는, 예컨대 CAN(controller area network)를 통해 상호 간의 통신을 수행할 수 있다. 모터 컨트롤러(44)와 스위치 컨트롤러(500) 각각은, 메인 컨트롤러(2)로부터의 기동 명령에 응답하여 활성화될 수 있다.
전기 부하(40)는, 배터리팩(10)으로부터 DC 전력을 공급하거나 배터리팩(10)에게 DC 전력을 공급하도록 구성된다. 전기 부하(40)는 평활 커패시터(41), 인버터(42), 모터(43) 및 모터 컨트롤러(44)를 포함할 수 있다. 평활 커패시터(41)는, 배터리팩(10)의 제1 팩 단자(P+)와 제2 팩 단자(P-) 사이에 병렬로 연결되어, DC 전력의 급격한 변동을 억제한다. 인버터(42)는, 배터리팩(10)으로부터 공급되는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 모터(43)에게 제공한다. 모터(43)는, 인버터(42)로부터 제공되는 AC 전력을 이용하여 동작한다.
배터리팩(10)은, 배터리(20), 제1 메인 컨택터(31) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다. 배터리팩(10)은, 제2 메인 컨택터(32)를 더 포함할 수 있다.
배터리(20)는, 적어도 하나의 배터리 셀(21)을 포함한다. 각 배터리 셀(21)은, 예컨대 리튬 이온 배터리(20)일 수 있다. 물론, 배터리 셀(21)의 종류가 리튬 이온 배터리(20)에 한정되는 것은 아니며, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 복수의 배터리 셀(21)이 배터리(20)에 포함되는 경우, 복수의 배터리 셀(21)은 직렬 또는 직병렬로 연결될 수 있다.
제1 메인 컨택터(31)는, 배터리팩(10)와 전기 부하(40) 사이의 저전압 라인(LL)에 설치된다. 제2 메인 컨택터(32)는, 배터리팩(10)와 전기 부하(40) 사이의 고전압 (HL)에 설치된다. 제1 메인 컨택터(31)와 제2 메인 컨택터(32) 각각은, 단안정 타입 또는 쌍안정 타입일 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1 메인 컨택터(31)의 일단은 배터리(20)의 양극 단자에 연결되고, 제1 메인 컨택터(31)의 타단은 전기 부하(40)에 연결될 수 있다. 제2 메인 컨택터(32)의 일단은 배터리(20)의 음극 단자에 연결되고, 제2 메인 컨택터(32)의 타단은 전기 부하(40)에 연결될 수 있다. 제1 메인 컨택터(31)와 제2 메인 컨택터(32) 각각은, 배터리 관리 시스템(100)이 출력하는 스위칭 신호에 따라, 개방 제어 상태 또는 단락 제어 상태로 제어될 수 있다.
배터리 관리 시스템(100)은, 제1 메인 컨택터(31), 제2 메인 컨택터(32) 및/또는 메인 컨트롤러(2)에 동작 가능하게 결합된다. 배터리 관리 시스템(100)은, 전압 측정부(110), 전류 측정부(120), 온도 측정부(130), 제어부(140) 및 전원 회로(200)를 포함한다.
전압 측정부(110)는, 배터리(20)에 포함된 각 배터리 셀(21)의 단자 전압을 측정하도록 구성된다. 전압 측정부(110)는, 또한 배터리(20)의 단자 전압을 측정할 수 있다. 전압 측정부(110)는, 배터리(20) 및/또는 배터리 셀(21)의 단자 전압을 나타내는 전압 신호를 주기적으로 또는 제어부(140)의 요청에 따라 제어부(140)에게 전송할 수 있다.
전류 측정부(120)는, 배터리팩(10)의 고전압 라인(HL) 또는 저전압 라인(LL)에 설치되어, 배터리(20)를 통해 흐르는 전류를 측정하도록 구성된다. 전류 측정부(120)는, 배터리(20)를 통해 흐르는 전류를 나타내는 전류 신호를 주기적으로 또는 제어부(140)의 요청에 따라 제어부(140)에게 전송할 수 있다.
온도 측정부(130)는, 배터리(20)의 온도를 측정하도록 구성된다. 온도 측정부(130)는, 배터리(20)의 온도를 나타내는 온도 신호를 주기적으로 또는 제어부(140)의 요청에 따라 제어부(140)에게 전송할 수 있다.
제어부(140)는, 전압 측정부(110), 전류 측정부(120), 온도 측정부(130) 및 메인 컨트롤러(2)에 동작 가능하게 결합된다. 제어부(140)는, 하드웨어적으로 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 제어부(140)에는 메모리 디바이스가 내장될 수 있으며, 메모리 디바이스로는 예컨대 RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체가 이용될 수 있다. 메모리 디바이스는, 스위치 컨트롤러(500)에 의해 실행되는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 상기 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장, 갱신 및/또는 소거할 수 있다.
제어부(140)는, 전압 신호, 전류 신호 및/또는 온도 신호를 기초로, 각 배터리 셀(21)의 상태(예, State-of-Charge, State-of-Health, 과충전, 과방전, 과열 등)를 모니터링한다. 제어부(140)는, 또한 모니터링된 각 배터리 셀(21)의 상태를 나타내는 통지 신호를 메인 컨트롤러(2)에게 전송할 수 있다.
제어부(140)는, 메인 컨트롤러(2)로부터의 동작 개시 신호를 전원 회로(200)에게 전달한다. 예컨대, 메인 컨트롤러(2)는, 전동 장치(1)의 전원 버튼이 눌려지면, 동작 개시 신호를 제어부(140)에게 전송할 수 있다. 또한, 제어부(140)는, 메인 컨트롤러(2)로부터의 동작 정지 신호를 전원 회로(200)에게 전송한다. 예컨대, 메인 컨트롤러(2)는, 전동 장치(1)의 전원 버튼이 해제되면, 동작 정지 신호를 제어부(140)에게 전송할 수 있다.
전원 회로(200)는, 동작 개시 신호에 응답하여, 제1 제어 모드를 실행하도록 구성된다. 전원 회로는, 동작 중지 신호에 응답하여, 제2 제어 모드를 실행할 수 있다. 이하, 도 2 내지 도 16을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 전원 회로(200)에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 회로의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이고, 도 3 및 도 4는 도 2의 전원 회로가 평활 커패시터(41)를 프리차징하는 제1 제어 모드와 관련된 제1 동작과 제2 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면들이고, 도 5 및 도 6은 도 2의 전원 회로가 배터리(20)를 충전하는 제2 제어 모드와 관련된 제3 동작과 제4 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면들이다.
도 2를 참조하면, 전원 회로(200)는, 트랜스포머(300), 제1 스위칭 회로(410), 제2 스위칭 회로(420) 및 스위치 컨트롤러(500)를 포함한다.
트랜스포머(300)는, 제1 권선(310) 및 제2 권선(320)을 포함한다. 제2 권선(320)은, 제1 권선(310)과 자기적으로 결합된다. 제1 권선(310)으로부터 제2 권선(320)으로 에너지가 전달되는 경우, 제1 권선(310)이 1차 권선(primary winding)이 되고, 제2 권선(320)은 2차 권선(secondary winding)이 된다. 반대로, 제2 권선(320)으로부터 제1 권선(310)으로 에너지가 전달되는 경우, 제2 권선(320)이 1차측 권선이 되고, 제1 권선(310)은 2차측 권선이 된다. 제1 권선(310)의 턴수(number of turn)가 a이라고 할 때, 제2 권선(320)의 턴수는 b일 수 있다. a: b = 1: N 1이고, N 1은 0보다 크고 1 이하(예, 0.98)일 수 있다.
제1 스위칭 회로(410)는, 제1 스위치(S1)를 포함한다. 제1 스위치(S1)는, 제1 권선(310)에 직렬 연결된다. 제1 스위칭 회로(410)는, 배터리(20)에 병렬 연결된다. 즉, 제1 스위치(S1)는 제1 권선(310)과 함께 배터리(20)에 병렬 연결된다. 제1 스위치(S1)가 턴온되면, 배터리(20)에 저장된 에너지가 제1 권선(310)으로 전달되거나 제1 권선(310)에 저장된 에너지가 배터리(20)로 전달된다.
제2 스위칭 회로(420)는, 제2 스위치(S2)를 포함한다. 제2 스위치(S2)는, 제2 권선(320)에 직렬 연결된다. 제2 스위칭 회로(420)는, 평활 커패시터(41)에 병렬 연결된다. 즉, 제2 스위치(S2)는 제2 권선(320)과 함께 평활 커패시터(41)에 병렬 연결된다. 제2 스위치(S2)가 턴온되면, 제2 권선(320)에 저장된 에너지가 평활 커패시터(41)로 전달되거나 평활 커패시터(41)에 저장된 에너지가 제2 권선(320)으로 전달된다.
스위치 컨트롤러(500)는, 전압 측정부(110), 전류 측정부(120), 제1 메인 컨택터(31), 제2 메인 컨택터(32), 제1 스위칭 회로(410)와 제2 스위칭 회로(420)에 포함된 각 스위치 및/또는 메인 컨트롤러(2)에 동작 가능하게 결합된다. 스위치 컨트롤러(500)는, 제어부(140)와 마찬가지로, 하드웨어적으로 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
스위치 컨트롤러(500)는, 제1 메인 컨택터(31), 제2 메인 컨택터(32) 및 제1 스위칭 회로(410)와 제2 스위칭 회로(420)에 포함된 각 스위치를 독립적으로 제어하도록 구성된다.
스위치 컨트롤러(500)는, 상기 동작 개시 신호에 따라 제1 메인 컨택터(31)를 턴온시킨 다음, 제2 메인 컨택터(32)가 턴오프된 상태로 제1 제어 모드에 진입한다. 제1 제어 모드는, 배터리(20)의 에너지를 이용하여 평활 커패시터(41)를 프리차징하기 위한 모드이다. 스위치 컨트롤러(500)는, 제1 제어 모드가 종료되면(즉, 평활 커패시터(41)가 프리차징되면), 제2 메인 컨택터(32)를 턴온시킨다.
스위치 컨트롤러(500)는, 상기 동작 중지 신호에 따라 제1 메인 컨택터(31) 및 제1 메인 컨택터(32) 중 적어도 하나를 턴오프시킨 다음, 제2 제어 모드에 진입한다. 제2 제어 모드는, 평활 커패시터(41)의 에너지를 이용하여 배터리(20)를 충전하기 위한 모드이다.
<제1 제어 모드>
스위치 컨트롤러(500)는, 제1 제어 모드에서 제1 동작과 제2 동작을 순차적으로 실행한다. 도 3을 참조하면, 제1 동작은, 제1 스위치(S1)를 턴온시키고 제2 스위치(S2)를 턴오프시키는 동작이다. 제1 스위치(S1)가 턴온되면, 배터리(20)로부터의 방전 전류(I1)가 제1 스위치(S1)와 제1 권선(310)을 통해 흐르면서 배터리(20)의 에너지가 제1 권선(310)에게 전달된다. 이에 따라, 제1 동작이 개시된 때부터 제2 동작이 개시될 때까지 제1 권선(310)에 에너지가 축적된다. 도 4를 참조하면, 제2 동작은, 제1 스위치(S1)를 턴오프시키고 제2 스위치(S2)를 턴온시키는 동작이다. 제1 동작에 의해 제1 권선(310)에 에너지가 축적된 상태에서 제1 스위치(S1)가 턴오프되고 제2 스위치(S2)가 턴온되면, 제1 권선(310)에 축적된 에너지가 제1 권선(310)에 자기적으로 결합된 제2 권선(320)으로 전달된다. 이에 따라, 점차적으로 감소하는 전류(I2)가 제2 스위치(S2), 제2 권선(320)과 평활 커패시터(41)를 통해 흐르면서 평활 커패시터(41)가 프리차징된다.
제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 펄스 신호(예, PWM 신호)가 하이 상태(예, 3V)를 가질 때에 턴온되고 로우 상태(예, 0V)를 가질 때에 턴오프되는 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)일 수 있다. 스위치 컨트롤러(500)는, 제1 제어 모드에서, 제1 스위치(S1)에게 소정 듀티비의 제1 펄스 신호를 출력하고, 제2 스위치(S2)에게 제1 펄스 신호의 위상과 반대의 위상을 가지는 제2 펄스 신호를 출력함으로써, 제1 동작과 제2 동작을 구현할 수 있다. 제1 제어 모드에서, 제1 스위치(S1)의 스위칭 온 기간은 제2 스위치(S2)의 스위칭 오프 기간이 되고, 제1 스위치(S1)의 스위칭 오프 기간은 제2 스위치(S2)의 스위칭 온 기간이 된다. 제1 동작과 제2 동작은 한 세트를 구성하여, 미리 정해진 횟수 반복될 수 있다.
<제2 제어 모드>
스위치 컨트롤러(500)는, 제2 제어 모드에서 제3 동작과 제4 동작을 순차적으로 실행한다. 도 5를 참조하면, 제3 동작은, 제1 스위치(S1)를 턴오프시키고 제2 스위치(S2)를 턴온시키는 동작이다. 제2 스위치(S2)가 턴온되면, 평활 커패시터(41)로부터의 방전 전류(I3)가 제2 스위치(S2)와 제2 권선(320)을 통해 흐르면서 평활 커패시터(41)의 에너지가 제2 권선(320)에게 전달된다. 제3 동작이 개시된 때부터 제4 동작이 개시될 때까지 제2 권선(320)에 에너지가 축적된다.
도 6을 참조하면, 제4 동작은, 제2 스위치(S2)를 턴오프시키고 제1 스위치(S1)를 턴온시키는 동작이다. 제2 권선(320)에 에너지가 축적된 상태에서 제2 스위치(S2)가 턴오프되고 제1 스위치(S1)가 턴온되면, 제2 권선(320)에 축적된 에너지가 제2 권선(320)에 자기적으로 결합된 제1 권선(310)으로 전달된다. 이에 따라, 점차적으로 감소하는 전류(I4)가 제1 스위치(S1), 제1 권선(310)과 배터리(20)를 통해 흐르면서 배터리(20)가 충전된다.
스위치 컨트롤러(500)는, 제2 제어 모드에서, 제1 스위치(S1)에게 소정 듀티비의 제3 펄스 신호를 출력하고, 제2 스위치(S2)에게 제3 펄스 신호의 위상과 반대의 위상을 가지는 제4 펄스 신호를 출력함으로써, 제3 동작과 제4 동작을 구현할 수 있다. 제2 제어 모드에서, 제1 스위치(S1)의 스위칭 온 기간은 제2 스위치(S2)의 스위칭 오프 기간이 되고, 제1 스위치(S1)의 스위칭 오프 기간은 제2 스위치(S2)의 스위칭 온 기간이 된다. 제3 동작과 제4 동작은 한 세트를 구성하여, 미리 정해진 횟수 반복될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 회로의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이고, 도 8 및 도 9는 도 7의 전원 회로가 평활 커패시터(41)를 프리차징하는 제1 제어 모드와 관련된 제1 동작과 제2 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면들이고, 도 10 및 도 11은 도 7의 전원 회로가 배터리(20)를 충전하는 제2 제어 모드와 관련된 제3 동작과 제4 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면들이다.
도 7을 참조하면, 전원 회로(200)는, 트랜스포머(300), 제1 스위칭 회로(410), 제2 스위칭 회로(420) 및 스위치 컨트롤러(500)를 포함한다.
트랜스포머(300)는, 제1 권선(310), 제2 권선(320) 및 제3 권선(330)을 포함한다. 제2 권선(320)은, 제1 권선(310)에 직렬 연결된다. 제2 권선(320)은, 제1 권선(310) 및 제3 권선(330)과 자기적으로 결합된다. 제1 권선(310)과 제3 권선(330) 중 적어도 하나으로부터 제2 권선(320)으로 에너지가 전달되는 경우, 제1 권선(310)과 제3 권선(330)이 1차 권선이 되고, 제2 권선(320)은 2차 권선이 된다. 반대로, 제2 권선(320)으로부터 제1 권선(310)과 제3 권선(330) 중 적어도 하나로 에너지가 전달되는 경우, 제2 권선(320)이 1차측 권선이 되고, 제1 권선(310)과 제3 권선(330)은 2차측 권선이 된다. 제1 권선(310)의 턴수가 a이고, 제2 권선(320)의 턴수는 b일 수 있다. 이 경우, a : b = 1 : N 1이고, N 1은 0보다 크고 1 이하(예, 0.98)일 수 있다. 제3 권선(330)의 턴수는 c일 수 있다. 이 경우, c : b = 1 : N 2이고, N 2은 0보다 크고 1 이하일 수 있다.
제1 스위칭 회로(410)는, 제1 스위치(S1), 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)를 포함한다. 제1 스위치(S1)는, 제1 권선(310)에 직렬 연결된다. 제3 스위치(S3)는, 제3 권선(330)에 직렬 연결된다. 제4 스위치(S4)는, 제3 권선(330)과 제3 스위치(S3)에 병렬 연결된다. 제1 스위칭 회로(410)는, 배터리(20)에 병렬 연결된다.
제2 스위칭 회로(420)는, 제2 스위치(S2)를 포함한다. 제2 스위치(S2)는, 제2 권선(320)에 직렬 연결된다. 제2 스위칭 회로(420)는, 평활 커패시터(41)에 병렬 연결된다. 즉, 제2 스위치(S2)는 제2 권선(320)과 함께 평활 커패시터(41)에 병렬 연결된다. 제2 스위치(S2)가 턴온되면, 제2 권선(320)에 저장된 에너지가 평활 커패시터(41)로 전달되거나 평활 커패시터(41)에 저장된 에너지가 제2 권선(320)으로 전달된다.
<제1 제어 모드>
스위치 컨트롤러(500)는, 제1 제어 모드에서 제1 동작과 제2 동작을 순차적으로 실행한다. 도 8을 참조하면, 제1 동작은, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)를 턴온시키고 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)를 턴오프시키는 동작이다. 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴온되면, 배터리(20)로부터의 방전 전류(I11)가 제1 스위치(S1), 제4 스위치(S4)와 제1 권선(310)을 통해 흐르면서 배터리(20)의 에너지가 제1 권선(310)에게 전달된다. 이에 따라, 제1 동작이 개시된 때부터 제2 동작이 개시되는 때까지 제1 권선(310)에 에너지가 축적된다.
도 9를 참조하면, 제2 동작은, 제1 스위치(S1), 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)를 턴오프시키고 제2 스위치(S2)를 턴온시키는 동작이다. 제1 스위치(S1), 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)가 턴오프되고 제2 스위치(S2)가 턴온되면, 제1 권선(310)에 축적된 에너지가 제1 권선(310)에 자기적으로 결합된 제2 권선(320)으로 전달된다. 이에 따라, 전류(I2)가 제2 스위치(S2), 제2 권선(320)과 평활 커패시터(41)를 통해 흐르면서 평활 커패시터(41)가 프리차징된다.
제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)는, 제1 스위치(S1)와 마찬가지로, 펄스 신호가 하이 상태(예, 3V)를 가질 때에 턴온되고 로우 상태(예, 0V)를 가질 때에 턴오프되는 전계 효과 트랜지스터일 수 있다.
스위치 컨트롤러(500)는, 제1 제어 모드에서, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)에게 소정 듀티비의 제1 펄스 신호를 출력하고, 제2 스위치(S2)에게 제1 펄스 신호의 위상과 반대의 위상을 가지는 제2 펄스 신호를 출력함으로써, 제1 동작과 제2 동작을 구현할 수 있다. 제3 스위치(S3)는, 제1 제어 모드에서, 턴오프 상태로 유지될 수 있다. 제1 제어 모드에서, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)의 스위칭 온 기간은 제2 스위치(S2)의 스위칭 오프 기간이 되고, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)의 스위칭 오프 기간은 제2 스위치(S2)의 스위칭 온 기간이 된다. 제1 동작과 제2 동작은 한 세트를 구성하여, 미리 정해진 횟수 반복될 수 있다.
<제2 제어 모드>
스위치 컨트롤러(500)는, 제2 제어 모드에서 제3 동작과 제4 동작을 순차적으로 실행한다. 도 10을 참조하면, 제3 동작은, 제1 스위치(S1), 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)를 턴오프시키고 제2 스위치(S2)를 턴온시키는 동작이다. 제2 스위치(S2)가 턴온되면, 평활 커패시터(41)로부터의 방전 전류(I13)가 제2 스위치(S2)와 제2 권선(320)을 통해 흐르면서 평활 커패시터(41)의 에너지가 제2 권선(320)에게 전달된다. 이에 따라, 제3 동작이 개시된 때부터 제4 동작이 개시되는 때까지 제2 권선(320)에 에너지가 축적된다.
도 11을 참조하면, 제4 동작은, 제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S4)를 턴오프시키고 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)를 턴온시키는 동작이다. 제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S4)가 턴오프되고 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)가 턴온되면, 제2 권선(320)에 축적된 에너지가 제2 권선(320)에 자기적으로 결합된 제1 권선(310)와 제3 권선(330)으로 전달된다. 이에 따라, 점차적으로 감소하는 전류가 제1 스위치(S1), 제3 스위치(S3), 제1 권선(310), 제3 권선(330) 배터리(20)를 통해 흐르면서 배터리(20)가 충전된다.
스위치 컨트롤러(500)는, 제2 제어 모드에서, 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)에게 소정 듀티비의 제3 펄스 신호를 출력하고, 제2 스위치(S2)에게 제3 펄스 신호의 위상과 반대의 위상을 가지는 제4 펄스 신호를 출력함으로써, 제3 동작과 제4 동작을 구현할 수 있다. 제4 스위치(S4)는, 제2 제어 모드에서, 턴오프 상태로 유지될 수 있다. 제2 제어 모드에서, 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)의 스위칭 온 기간은 제2 스위치(S2)의 스위칭 오프 기간이 되고, 제1 스위치(S1)와 제3 스위치(S3)의 스위칭 오프 기간은 제2 스위치(S2)의 스위칭 온 기간이 된다. 제3 동작과 제4 동작은 한 세트를 구성하여, 미리 정해진 횟수 반복될 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전원 회로의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이고, 도 13 및 도 14는 도 12의 전원 회로가 평활 커패시터(41)를 프리차징하는 제1 제어 모드와 관련된 제1 동작과 제2 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면들이고, 도 15 및 도 16은 도 12의 전원 회로가 배터리(20)를 충전하는 제2 제어 모드와 관련된 제3 동작과 제4 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면들이다.
도 12를 참조하면, 전원 회로(200)는, 트랜스포머(300), 제1 스위칭 회로(410), 제2 스위칭 회로(420) 및 스위치 컨트롤러(500)를 포함한다.
트랜스포머(300)는, 제1 권선(310), 제2 권선(320) 및 제4 권선(340)을 포함한다. 제4 권선(340)은, 제2 권선(320)에 직렬 연결된다. 제2 권선(320)과 제4 권선(340)은, 제1 권선(310)과 자기적으로 결합된다. 제1 권선(310)으로부터 제2 권선(320) 및 제4 권선(340) 중 적어도 하나로 에너지가 전달되는 경우, 제1 권선(310)이 1차 권선(primary winding)이 되고, 제2 권선(320)과 제4 권선(340)은 2차 권선(secondary winding)이 된다. 반대로, 제2 권선(320) 및 제4 권선(340) 중 적어도 하나로부터 제1 권선(310)으로 에너지가 전달되는 경우, 제2 권선(320)과 제4 권선(340)이 1차측 권선이 되고, 제1 권선(310)은 2차측 권선이 된다. 제1 권선(310)의 턴수가 a이고, 제2 권선(320)의 턴수는 b이고, 제4 권선(340)의 턴수는 d이다. 이 경우, a : (b+d) = 1 : N 3이고, N 3은 0보다 크고 1 이하일 수 있다.
제1 스위칭 회로(410)는, 제1 스위치(S1)를 포함한다. 제1 스위치(S1)는, 제1 권선(310)에 직렬 연결된다. 제1 스위칭 회로(410)는, 배터리(20)에 병렬 연결된다. 즉, 제1 스위치(S1)는 제1 권선(310)과 함께 배터리(20)에 병렬 연결된다. 제1 스위치(S1)가 턴온되면, 배터리(20)에 저장된 에너지가 제1 권선(310)으로 전달되거나 제1 권선(310)에 저장된 에너지가 배터리(20)로 전달된다.
제2 스위칭 회로(420)는, 제2 스위치(S2), 제5 스위치(S5) 및 제6 스위치(S6)를 포함한다. 제2 스위치(S2)는, 제2 권선(320)에 직렬 연결된다. 제5 스위치(S5)는, 제4 권선(340)에 직렬 연결된다. 제6 스위치(S6)는, 제4 권선(340)과 제5 스위치(S5)에 병렬 연결된다. 제2 스위칭 회로(420)는, 평활 커패시터(41)에 병렬 연결된다. 즉, 제2 스위치(S2), 제5 스위치(S5) 및 제6 스위치(S6)는 제2 권선(320)과 함께 평활 커패시터(41)에 병렬 연결된다.
<제1 제어 모드>
스위치 컨트롤러(500)는, 제1 제어 모드에서 제1 동작과 제2 동작을 순차적으로 실행한다. 도 13을 참조하면, 제1 동작은, 제1 스위치(S1)를 턴온시키고 제2 스위치(S2), 제5 스위치(S5) 및 제6 스위치(S6)를 턴오프시키는 동작이다. 제1 스위치(S1)가 턴온되면, 배터리(20)로부터의 방전 전류(I21)가 제1 스위치(S1)와 제1 권선(310)을 통해 흐르면서 배터리(20)의 에너지가 제1 권선(310)에게 전달된다. 이에 따라, 제1 동작이 개시된 때부터 제2 동작이 개시되는 때까지 제1 권선(310)에 에너지가 축적된다.
도 14를 참조하면, 제2 동작은, 제1 스위치(S1)와 제6 스위치(S6)를 턴오프시키고 제2 스위치(S2)와 제5 스위치(S5)를 턴온시키는 동작이다. 제1 스위치(S1)와 제6 스위치(S6)가 턴오프되고 제2 스위치(S2)와 제5 스위치(S5)가 턴온되면, 제1 권선(310)에 축적된 에너지가 제1 권선(310)에 자기적으로 결합된 제2 권선(320)과 제4 권선(340)으로 전달된다. 이에 따라, 전류(I22)가 제2 스위치(S2), 제5 스위치(S5), 제2 권선(320), 제4 권선(340)과 평활 커패시터(41)를 통해 흐르면서 평활 커패시터(41)가 프리차징된다.
제5 스위치(S5)와 제6 스위치(S6)는, 제1 스위치(S1)와 마찬가지로, 펄스 신호가 하이 상태(예, 3V)를 가질 때에 턴온되고 로우 상태(예, 0V)를 가질 때에 턴오프되는 전계 효과 트랜지스터일 수 있다. 스위치 컨트롤러(500)는, 제1 제어 모드에서, 제1 스위치(S1)에게 소정 듀티비의 제1 펄스 신호를 출력하고, 제2 스위치(S2)와 제5 스위치(S5)에게 제1 펄스 신호의 위상과 반대의 위상을 가지는 제2 펄스 신호를 출력함으로써, 제1 동작과 제2 동작을 구현할 수 있다. 제6 스위치(S6)는, 제1 제어 모드에서, 턴오프 상태로 유지될 수 있다. 제1 제어 모드에서, 제1 스위치(S1)의 스위칭 온 기간은 제2 스위치(S2)와 제5 스위치(S5)의 스위칭 오프 기간이 되고, 제1 스위치(S1)의 스위칭 오프 기간은 제2 스위치(S2)와 제5 스위치(S5)의 스위칭 온 기간이 된다. 제1 동작과 제2 동작은 한 세트를 구성하여, 미리 정해진 횟수 반복될 수 있다.
<제2 제어 모드>
스위치 컨트롤러(500)는, 제2 제어 모드에서 제3 동작과 제4 동작을 순차적으로 실행한다. 도 15를 참조하면, 제3 동작은, 제1 스위치(S1) 및 제5 스위치(S5)를 턴오프시키고 제2 스위치(S2) 및 제6 스위치(S6)를 턴온시키는 동작이다. 제2 스위치(S2)와 제6 스위치(S6)가 턴온되면, 평활 커패시터(41)로부터의 방전 전류(I23)가 제2 스위치(S2), 제6 스위치(S6)와 제2 권선(320)을 통해 흐르면서 평활 커패시터(41)의 에너지가 제2 권선(320)에게 전달된다. 이에 따라, 제3 동작이 개시된 때부터 제4 동작이 개시되는 때까지 제2 권선(320)에 에너지가 축적된다.
도 16을 참조하면, 제4 동작은, 제2 스위치(S2), 제5 스위치(S5) 및 제6 스위치(S6)를 턴오프시키고 제1 스위치(S1)를 턴온시키는 동작이다. 제2 스위치(S2), 제5 스위치(S5) 및 제6 스위치(S6)가 턴오프되고 제1 스위치(S1)가 턴온되면, 제2 권선(320)에 축적된 에너지가 제2 권선(320)에 자기적으로 결합된 제1 권선(310)으로 전달된다. 이에 따라, 전류(I24)가 제1 스위치(S1), 제1 권선(310)과 배터리(20)를 통해 흐르면서 배터리(20)가 충전된다.
스위치 컨트롤러(500)는, 제2 제어 모드에서, 제1 스위치(S1)에게 소정 듀티비의 제3 펄스 신호를 출력하고, 제2 스위치(S2) 및 제6 스위치(S6)에게 제3 펄스 신호의 위상과 반대의 위상을 가지는 제4 펄스 신호를 출력함으로써, 제3 동작과 제4 동작을 구현할 수 있다. 제5 스위치(S5)는, 제2 제어 모드에서, 턴오프 상태로 유지될 수 있다. 제2 제어 모드에서, 제1 스위치(S1)의 스위칭 온 기간은 제2 스위치(S2)와 제6 스위치(S6)의 스위칭 오프 기간이 되고, 제1 스위치(S1)의 스위칭 오프 기간은 제2 스위치(S2)와 제6 스위치(S6)의 스위칭 온 기간이 된다. 제3 동작과 제4 동작은 한 세트를 구성하여, 미리 정해진 횟수 반복될 수 있다.
도 2 내지 도 16을 참조하여 전술한 스위치 컨트롤러(500)의 기능은 제어부(140)가 대신할 수도 있으며, 이 경우 전원 회로(200)는 스위치 컨트롤러(500) 대신 제어부(140)를 포함할 수 있다.
제어부(140)는, 제1 제어 모드와 제2 제어 모드에서 전류 센서(120)에 의해 측정되는 전류를 기초로, 배터리(20)의 충전 상태를 추정할 수 있다. 이에 따라, 팩 단자들(P+, P-)을 통해 전류가 흐르지 않더라도, 배터리(20)와 평활 커패시터(41) 중 어느 하나로부터 다른 하나로 에너지가 전달되는 동안에 배터리(20)를 통해 흐르는 전류(I1, I2, I3, I4, I11, I12, I13, I14, I21, I22, I23, I24)에 의해 변화되는 배터리(20)의 충전 상태를 추정할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
<부호의 설명>
1: 전동 장치
10: 배터리팩
20: 배터리
31: 제1 메인 컨택터
32: 제2 메인 컨택터
40: 전기 부하
100: 배터리 관리 시스템
200: 전원 회로
300: 트랜스포머
410: 제1 스위칭 회로
420: 제2 스위칭 회로
500: 스위치 컨트롤러

Claims (13)

  1. 배터리와 평활 커패시터 간의 에너지 전달을 위한 전원 회로에 있어서,
    제1 권선 및 상기 제1 권선과 자기적으로 결합되는 제2 권선을 포함하는 트랜스포머;
    상기 제1 권선에 직렬 연결되는 제1 스위치를 포함하고, 상기 제1 권선과 함께 상기 배터리에 병렬 연결되는 제1 스위칭 회로;
    상기 제2 권선에 직렬 연결되는 제2 스위치를 포함하고, 상기 제2 권선과 함께 상기 평활 커패시터에 병렬 연결되는 제2 스위칭 회로; 및
    상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제2 스위칭 회로에 포함된 각 스위치를 독립적으로 제어하도록 구성된 스위치 컨트롤러를 포함하되,
    상기 스위치 컨트롤러는,
    상기 배터리의 에너지를 이용하여 상기 평활 커패시터를 프리차징하기 위한 제1 제어 모드에서, 상기 제1 스위치를 턴온시키고 상기 제2 스위치를 턴오프시키는 제1 동작을 실행한 다음, 상기 제1 스위치를 턴오프시키고 상기 제2 스위치를 턴온시키는 제2 동작을 실행하도록 구성되는, 전원 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 권선에 대한 상기 제2 권선의 권선비는 0보다 크고 1 이하인, 전원 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 컨트롤러는,
    상기 평활 커패시터의 에너지를 이용하여 상기 배터리를 충전하기 위한 제2 제어 모드에서, 상기 제1 스위치를 턴오프시키고 상기 제2 스위치를 턴온시키는 제3 동작을 실행한 다음, 상기 제1 스위치를 턴온시키고 상기 제2 스위치를 턴오프시키는 제4 동작을 실행하도록 구성되는, 전원 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 트랜스포머는,
    상기 제2 권선과 자기적으로 결합되고, 상기 제1 권선에 직렬 연결되는 제3 권선을 더 포함하고,
    상기 제1 스위칭 회로는,
    상기 제3 권선에 직렬 연결되는 제3 스위치; 및
    상기 제3 권선과 상기 제3 스위치에 병렬 연결되는 제4 스위치를 더 포함하는, 전원 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 권선에 대한 상기 제2 권선의 권선비는 0보다 크고 1 이하인, 전원 회로.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 스위치 컨트롤러는,
    상기 제1 동작을 실행 시, 상기 제3 스위치를 턴오프시키고, 상기 제4 스위치를 턴온시키며,
    상기 제2 동작을 실행 시, 상기 제3 스위치를 턴오프시키고, 상기 제4 스위치를 턴오프시키도록 구성되는, 전원 회로.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 스위치 컨트롤러는,
    상기 제3 동작을 실행 시, 상기 제3 스위치를 턴오프시키고, 상기 제4 스위치를 턴오프시키며,
    상기 제4 동작을 실행 시, 상기 제3 스위치를 턴온시키고, 상기 제4 스위치를 턴오프시키도록 구성되는, 전원 회로.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 트랜스포머는,
    상기 제1 권선과 자기적으로 결합되고, 상기 제2 권선에 직렬 연결되는 제4 권선을 더 포함하고,
    상기 제2 스위칭 회로는,
    상기 제4 권선에 직렬 연결되는 제5 스위치; 및
    상기 제4 권선과 상기 제5 스위치에 병렬 연결되는 제6 스위치를 더 포함하는, 전원 회로.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스위치 컨트롤러는,
    상기 제1 동작을 실행 시, 상기 제5 스위치를 턴오프시키고, 상기 제6 스위치를 턴오프시키며,
    상기 제2 동작을 실행 시, 상기 제5 스위치를 턴온시키고, 상기 제6 스위치를 턴오프시키도록 구성되는, 전원 회로.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 스위치 컨트롤러는,
    상기 제3 동작을 실행 시, 상기 제5 스위치를 턴오프시키고, 상기 제6 스위치를 턴온시키며,
    상기 제4 동작을 실행 시, 상기 제5 스위치를 턴오프시키고, 상기 제6 스위치를 턴오프시키도록 구성되는, 전원 회로.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제2 스위치 회로에 포함된 각 스위치는, 전계 효과 트랜지스터인, 전원 회로.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 상기 전원 회로를 포함하는, 배터리 관리 시스템.
  13. 제12항에 따른 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는, 배터리팩.
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