WO2021080198A1 - 프리차지 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템 - Google Patents

프리차지 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템 Download PDF

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안양수
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a precharge circuit and a battery system including the same.
  • Secondary batteries As secondary batteries, various secondary batteries such as nickel cadmium batteries and nickel hydride batteries are commercially available, but lithium secondary batteries with free charge/discharge, low self-discharge rates, and high energy density are in the spotlight. Secondary batteries are often used in a battery pack state in which a plurality of secondary batteries are connected in series/parallel to provide a high-voltage, large-capacity power storage device.
  • the main relay may control an electrical connection between a battery pack and an external device (eg, a load, a charger) using a predetermined electrical signal.
  • an external device eg, a load, a charger
  • the main relay is damaged due to an overcurrent (surge current) occurring in the initial driving period when the battery pack and an external device are connected.
  • a precharge relay is connected in parallel with the main relay and used a lot.
  • MOSFET metal-oxide field effect transistor
  • a precharge relay can be configured with a plurality of MOSFETs.
  • the actual performance of the MOSFET may not meet the specifications of known reference breakdown voltage and instantaneous current.
  • the MOSFET is pointed out as a problem because it cannot withstand the pre-charge reference voltage and the allowable current at the moment of pre-charge, and a transient shock may occur.
  • An object of the present invention is to provide a precharge circuit and a battery system including the same with a low possibility of causing a transient shock.
  • a precharge circuit includes: a first MOSFET and a second MOSFET connected in series between one electrode and an output terminal of a battery pack; A third MOSFET connected in parallel to the first MOSFET; And a fourth MOSFET connected in parallel to the second MOSFET.
  • the precharge circuit includes: a first resistor connected in parallel to one end of the first MOSFET and one end of the third MOSFET, the other end of the first MOSFET and the other end of the third MOSFET; And a second resistor connected in parallel to one end of the second MOSFET, one end of the fourth MOSFET, and the other end of the second MOSFET and the other end of the fourth MOSFET.
  • the first MOSFET, the second MOSFET, the third MOSFET, and the fourth MOSFET may be formed of a P-type MOSFET.
  • the drain terminal of the first MOSFET and the source terminal of the second MOSFET are connected in series, the drain terminal of the third MOSFET is connected in parallel with the drain terminal of the first MOSFET, and the source terminal of the fourth MOSFET is connected to the source terminal of the second MOSFET. Can be connected in parallel.
  • a battery system includes: a battery pack including a plurality of battery cells; A first MOSFET and a second MOSFET connected in series between one electrode and an output terminal of the battery pack, a third MOSFET connected in parallel to the first MOSFET, and a fourth MOSFET connected in parallel to the second MOSFET.
  • Precharge relay including; And a BMS generating a gate voltage for controlling on/off of the relay.
  • the precharge relay includes a first resistor connected in parallel to one end of the first MOSFET and one end of the third MOSFET, the other end of the first MOSFET and the other end of the third MOSFET, and one end of the second MOSFET.
  • a second resistor connected in parallel to one end of the fourth MOSFET, the other end of the second MOSFET and the other end of the fourth MOSFET may be further included.
  • the first MOSFET, the second MOSFET, the third MOSFET, and the fourth MOSFET may be formed of a P-type MOSFET.
  • the drain terminal of the first MOSFET and the source terminal of the second MOSFET are connected in series, the drain terminal of the third MOSFET is connected in parallel with the drain terminal of the first MOSFET, and the source terminal of the fourth MOSFET is connected to the source terminal of the second MOSFET. Can be connected in parallel.
  • the BMS may receive a driving signal of a high level, generate the gate voltage of a ground level, and apply it to the first MOSFET, the second MOSFET, the third MOSFET, and the fourth MOSFET.
  • the battery system further includes a main relay for controlling an electrical connection between the battery pack and an external device, wherein the precharge relay is first turned on before the main relay is turned on, and the main relay is turned on. It can be turned off after time has elapsed.
  • the present invention has an effect of providing a precharge relay capable of exerting a function even if some of the MOSFETs deviate from the precharge withstand voltage and current specifications by configuring a precharge relay with a plurality of MOSFETs connected in series/parallel.
  • the present invention has an effect of providing a precharge relay having high stability by distributing a shock applied to a MOSFET including a resistor connected in parallel to a plurality of MOSFETs connected in series/parallel.
  • the present invention has an effect of reducing the area of the gate driving circuit and reducing cost by implementing a gate driving circuit in the form of a low side driver (LSD).
  • LSD low side driver
  • FIG. 1 is a block diagram showing a battery system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating in detail the precharge relay and BMS of FIG. 1.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a battery system according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating in detail the precharge relay and BMS of FIG. 1.
  • the battery system 1 includes a battery pack 10, a BMS 20, and a relay 30.
  • the battery pack 10 may supply necessary power by connecting a plurality of battery cells in series/parallel.
  • the battery pack 10 includes a plurality of battery cells connected in series, is connected between two output terminals OUT1 and OUT2 of the battery system 1, and the positive electrode and the positive electrode of the battery system 1
  • the relay 30 is connected between the output terminals OUT1.
  • the configurations shown in FIG. 1 and the connection relationship between the components are not limited thereto.
  • the BMS 20 includes the gate driving circuit 21 and generates gate voltages VG1 and VG2 for controlling the on/off of the relay 30.
  • the BMS 20 is shown to include the gate driving circuit 21, but the present invention is not limited thereto, and the gate driving circuit 21 may be configured independently of the BMS 20.
  • the gate driving circuit 21 may include a driving transistor TR, referring to FIG. 2.
  • the base terminal of the driving transistor TR receives the driving signal CS, and the collector terminal may be connected to the gate terminals of the first, second, third, and fourth MOSFETs Q1, Q2, Q3, and Q4.
  • the driving transistor TR is an NPN type transistor and is turned on by a high-level driving signal CS and turned off by a low-level driving signal CS.
  • the gate driving circuit 21 applies the first, second, third, and fourth MOSFETs (Q1, Q2, Q3) to a positive driving voltage (VB) capable of turning off the P-type MOSFET. , Q4) can be applied.
  • the relay 30 may include a main relay 31 and a pre-charge relay 33 connected in parallel with the main relay 31.
  • the relay 30 may be configured as an electronic relay including a semiconductor switching element.
  • the semiconductor switching device may be a metal oxide field effect transistor (MOSFET, Metal-Oxide Field Effect Transistor), but is not limited thereto.
  • the main relay 31 is implemented as a MOSFET and may be switched according to the first gate voltage VG1 received from the BMS 20.
  • the main relay 31 controls the electrical connection between the battery system 1 and external devices (ex, load, charger).
  • the main relay 31 When the main relay 31 is turned on by the one gate voltage VG1 of the on level, the battery system 1 and the external device are electrically connected to perform charging or discharging. For example, when the external device is a load, a discharging operation in which power is supplied from the battery pack 10 to the load is performed, and when the external device is a charger, a charging operation in which the battery pack 10 is charged by the charger may be performed. have.
  • the main relay 31 is turned off by the one gate voltage VG1 of the off level, the battery system 1 and the external device are electrically separated.
  • the precharge relay 33 may be implemented as a MOSFET and may be switched according to the second gate voltage VG2 received from the BMS 20, and may be connected in series with the precharge resistor RC.
  • the precharge relay 33 reduces the surge current generated when the battery pack 10 and an external device are connected (for example, at the beginning of driving for charging or discharging) to prevent damage to the main relay 31 due to the surge current. can do.
  • the precharge relay 33 is first turned on before the main relay 31 is turned on, and the main relay 31 is turned on and turned off after a predetermined period of time to reduce the surge current.
  • the precharge relay 33 includes first, 2, 3, and 4 MOSFETs (Q1, Q2, Q3, Q4) and first and second resistors R1 and R2 connected in series/parallel. I can.
  • the first MOSFET (Q1) and the second MOSFET (Q2) are connected in series between the one electrode and the output terminal of the battery pack 10, the third MOSFET (Q3) is connected in parallel to the first MOSFET (Q1), 4 MOSFET (Q4) is connected in parallel to the second MOSFET (Q2).
  • the first resistor R1 is connected in parallel to one end of the first MOSFET Q1, one end of the third MOSFET Q3, and the other end of the first MOSFET Q1 and the other end of the third MOSFET Q3.
  • the second resistor R2 is connected in parallel to one end of the second MOSFET Q2 and one end of the fourth MOSFET Q4 and the other end of the second MOSFET Q2 and the other end of the fourth MOSFET Q4.
  • the first, second, third, and fourth MOSFETs are shown as P-type MOSFETs, but are not limited thereto, and other switching operations such as N-type MOSFETs, BJTs, IGBTs, etc. It can be implemented as a transistor.
  • the first node N1 is connected to the positive terminal of the battery pack 10
  • the fourth node N4 is connected to the output terminal OUT1 shown in FIG. 1.
  • the source terminal of the first MOSFET (Q1) and the source terminal of the third MOSFET (Q3) are connected to the first node (N1), the drain terminal of the first MOSFET (Q1) and the third MOSFET (Q3)
  • the drain terminal of is connected to the second node N2.
  • One end of the first resistor R1 is connected to the first node N1 and the other end is connected to the second node N2.
  • the source terminal of the second MOSFET (Q2) and the source terminal of the fourth MOSFET (Q4) are connected to the third node (N3), and the drain terminal of the second MOSFET (Q2) and the drain terminal of the fourth MOSFET (Q4) are It is connected to the 4 node (N4).
  • One end of the second resistor R2 is connected to the third node N3 and the other end is connected to the fourth node N4.
  • the gate terminals of the first, second, third, and fourth MOSFETs (Q1, Q2, Q3, Q4) are all connected to the collector terminal of the driving transistor TR, and can be turned on/off in synchronization with the second gate voltage VG2. have.
  • the first, second, third, and fourth MOSFETs Q1, Q2, Q3, and Q4 may be turned on in synchronization with the second gate voltage VG2 of the on level.
  • the gate driving circuit 21 is in the form of a low side driver (LSD, Low Side Driver) driven by connecting the first, second, third, and fourth MOSFETs (Q1, Q2, Q3, Q4) to the ground (GND) side. Can be implemented.
  • the first, second, third, and fourth MOSFETs Q1, Q2, Q3, and Q4 may be turned off in synchronization with the second gate voltage VG2 of the off level. For example, when the base terminal of the driving transistor TR receives the low-level driving signal CS, it is turned off, and the gate terminals of the first, second, third, and fourth MOSFETs (Q1, Q2, Q3, Q4) are positive. All of them are turned off by applying the driving voltage VB of.
  • the first, second, third, and fourth MOSFETs Q1, Q2, Q3, and Q4 can be turned on in synchronization with the second gate voltage of the on level. However, a time difference may occur between the actual turn-on times between the first, second, third, and fourth MOSFETs Q1, Q2, Q3, and Q4. In this case, an excessive voltage may be applied to the MOSFET that is turned on later.
  • the precharge relay 33 includes first, second, third, and fourth MOSFETs (Q1, Q2, Q3, Q4) connected in series/parallel without a first resistor (R1) and a second resistor (R2). can do.
  • the third MOSFET (Q3) is turned on later than the remaining first, second, and fourth MOSFETs (Q1, Q2, Q4), the third MOSFET (Q3) and the remaining first, second, and fourth MOSFETs (Q1, Q2)
  • an excessive voltage may be applied to both ends of the third MOSFET Q3, resulting in shock. Then, the third MOSFET Q3 may be damaged.
  • the first resistor R1 is connected in parallel to the first MOSFET Q1 and the third MOSFET Q3, and the second resistor is the second MOSFET Q2 and the fourth MOSFET Q4. Can be connected in parallel. That is, even if a transient shock exceeding the limit specifications of the first MOSFET (Q1) and the third MOSFET (Q3) occurs in the initial driving period, the first resistor (R1) is distributed to the first MOSFET (Q1) and the third MOSFET (Q3). Damage of the MOSFET (Q3) can be prevented.
  • the second resistor (R2) disperses the second MOSFET (Q2) and the fourth MOSFET ( Q4) can be prevented from being damaged.
  • the first resistor R1 and the second resistor R2 are connected in series between the battery pack 10 and an external device, there is a possibility that a leakage current may occur.
  • the first resistor R1 and the second resistor R2 are composed of resistors having very large resistance values.
  • the resistance values of the first resistor R1 and the second resistor R2 may be at least several mega-ohms (M) or more. Then, no leakage current is substantially generated between the battery pack 10 and the external device regardless of the switching states of the precharge relay 33 and the main relay 31.

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Abstract

본 발명은 프리차지 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템{Pre-Charge Circuit and Battery System having the same}에 관한 것으로, 본 발명의 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 상기 배터리 팩의 일 전극과 출력 단 사이에 직렬 연결되는 제1 MOSFET 및 제2 MOSFET과, 상기 제1 MOSFET에 병렬 연결되어 있는 제3 MOSFET과, 상기 제2 MOSFET에 병렬 연결되어 있는 제4 MOSFET을 포함하는 프리차지 릴레이; 및 상기 릴레이의 온/오프를 제어하기 위한 게이트 전압을 생성하는 BMS를 포함한다.

Description

프리차지 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2019년 10월 21일자 한국 특허 출원 제10-2019- 0130846호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 프리차지 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
최근 노트북, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 증가하고, HEV(하이브리드 전기 차량) 및 PEV(순수 전기 차량)와 같은 전기 차량, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라 고성능 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이차 전지로 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지 등 다양한 이차 전지가 상용화되고 있으나, 충전/방전이 자유롭고 자가 방전율이 낮으며 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 각광 받고 있다. 이차 전지는 고전압, 대용량의 전력 저장 장치를 제공하기 위해 복수의 이차 전지가 직렬/병렬 연결된 배터리 팩 상태로 사용되는 경우가 많다.
메인 릴레이(relay)는 미리 정해진 전기적 신호를 이용하여 배터리 팩과 외부장치(ex, 부하, 충전기) 간의 전기적 연결을 제어할 수 있다. 배터리 팩과 외부장치가 연결되는 구동 초기에 과전류(서지전류)가 발생하여 메인 릴레이가 파손되는 경우가 많은데, 이를 방지하기 위해 프리차지 릴레이를 메인 릴레이와 병렬 연결하여 많이 사용하고 있다.
한편, 금속산화물 전계 효과 트랜지스터(Metal-Oxide Field Effect Transistor, MOSFET)와 같은 반도체 스위칭 소자를 사용하여 릴레이를 구성하는 경우, 구동 신호를 수신하면 설정된 상태로 스위칭 되어야 한다. 그러나, 생산 과정, 보관 상태 등 다양한 원인에 의해 현장에서 사용되는 MOSFET은 기준 내압 및 순간 허용 전류 사양을 충족하지 못하는 경우가 많다. 기준 내압 및 순간 허용 전류 사양을 벗어나는 MOSFET은 회로 내에서 제 기능을 발휘하지 못하게 된다.
예를 들어, 프리차지 릴레이에 요구되는 프리차지 기준 내압 및 프리차지 순간 허용 전류가 있고, 이를 고려하여 복수의 MOSFET으로 프리차지 릴레이를 구성할 수 있다. MOSFET의 실제 성능은 알려진 기준 내압 및 순간 허용 전류의 사양을 만족하지 못할 수 있다. 실제 온/오프 제어 시, MOSFET은 프리차지 기준 내압 및 프리차지 순간 허용 전류를 버티지 못하고 과도 쇼크의 발생 가능성이 있어 문제로 지적되고 있다.
본 발명은 과도 쇼크의 유발 가능성이 낮은 프리차지 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 한 특징에 따른 프리차지 회로는, 배터리 팩의 일 전극과 출력 단 사이에 직렬 연결되는 제1 MOSFET 및 제2 MOSFET; 상기 제1 MOSFET에 병렬 연결되어 있는 제3 MOSFET; 및 상기 제2 MOSFET에 병렬 연결되어 있는 제4 MOSFET;을 포함한다.
상기 프리차지 회로는, 상기 제1 MOSFET의 일단과 상기 제3 MOSFET의 일단, 상기 제1 MOSFET의 타단과 상기 제3 MOSFET의 타단에 병렬 연결되어 있는 제1 저항; 및 상기 제2 MOSFET의 일단과 상기 제4 MOSFET의 일단, 상기 제2 MOSFET의 타단과 상기 제4 MOSFET의 타단에 병렬 연결되어 있는 제2 저항;을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 MOSFET, 상기 제2 MOSFET, 상기 제3 MOSFET 및 상기 제4 MOSFET은 P 타입의 MOSFET으로 구성될 수 있다.
상기 제1 MOSFET의 드레인 단과 제2 MOSFET의 소스 단은 직렬 연결되고 상기 제3 MOSFET의 드레인 단은 상기 제1 MOSFET의 드레인 단과 병렬 연결되고 상기 제4 MOSFET의 소스 단은 상기 제2 MOSFET의 소스 단과 병렬 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 상기 배터리 팩의 일 전극과 출력 단 사이에 직렬 연결되는 제1 MOSFET 및 제2 MOSFET과, 상기 제1 MOSFET에 병렬 연결되어 있는 제3 MOSFET과, 상기 제2 MOSFET에 병렬 연결되어 있는 제4 MOSFET을 포함하는 프리차지 릴레이; 및 상기 릴레이의 온/오프를 제어하기 위한 게이트 전압을 생성하는 BMS;를 포함한다.
상기 프리차지 릴레이는, 상기 제1 MOSFET의 일단과 상기 제3 MOSFET의 일단, 상기 제1 MOSFET의 타단과 상기 제3 MOSFET의 타단에 병렬 연결되어 있는 제1 저항과, 상기 제2 MOSFET의 일단과 상기 제4 MOSFET의 일단, 상기 제2 MOSFET의 타단과 상기 제4 MOSFET의 타단에 병렬 연결되어 있는 제2 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 MOSFET, 상기 제2 MOSFET, 상기 제3 MOSFET 및 상기 제4 MOSFET은 P 타입의 MOSFET으로 구성될 수 있다.
상기 제1 MOSFET의 드레인 단과 제2 MOSFET의 소스 단은 직렬 연결되고 상기 제3 MOSFET의 드레인 단은 상기 제1 MOSFET의 드레인 단과 병렬 연결되고 상기 제4 MOSFET의 소스 단은 상기 제2 MOSFET의 소스 단과 병렬 연결될 수 있다.
상기 BMS는, 하이 레벨의 구동 신호를 수신하여 그라운드 레벨의 상기 게이트 전압을 생성하여 상기 제1 MOSFET, 상기 제2 MOSFET, 상기 제3 MOSFET 및 상기 제4 MOSFET에 인가할 수 있다.
상기 배터리 시스템은, 상기 배터리 팩과 외부장치 간의 전기적 연결을 제어하는 메인 릴레이;를 더 포함하고, 상기 프리차지 릴레이는, 상기 메인 릴레이의 턴 온 전에 먼저 턴 온 되고 상기 메인 릴레이가 턴 온 되고 소정시간 경과 후 턴 오프 될 수 있다.
본 발명은, 직렬/병렬 연결되는 복수 개의 MOSFET으로 프리차지 릴레이를 구성하여 일부 MOSFET이 프리차지 내압 및 전류 사양을 벗어나더라도 제 기능을 발휘할 수 있는 프리차지 릴레이를 제공하는 효과를 갖는다.
본 발명은, 직렬/병렬 연결되는 복수 개의 MOSFET에 병렬 연결되는 저항을 포함하여 MOSFET에 가해지는 쇼크를 분산하여 안정성이 높은 프리차지 릴레이를 제공하는 효과를 갖는다.
본 발명은, 로우 사이드 구동(LSD, Low Side Driver) 형태로 게이트 구동회로를 구현하여 게이트 구동회로의 면적을 축소시키고 비용을 절감할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1의 프리차지 릴레이와 BMS를 상세하게 설명하는 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 블록도이고, 도 2는 도 1의 프리차지 릴레이와 BMS를 상세하게 설명하는 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템(1)은 배터리 팩(10), BMS(20), 그리고 릴레이(30)를 포함한다.
배터리 팩(10)은 복수의 배터리 셀이 직렬/병렬 연결되어 필요한 전원을 공급할 수 있다. 도 1에서는, 배터리 팩(10)이 직렬 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함하고, 배터리 시스템(1)의 두 출력 단(OUT1, OUT2) 사이에 연결되어 있으며, 배터리 시스템(1)의 양극과 출력 단(OUT1) 사이에 릴레이(30)가 연결되어 있다. 도 1에 도시된 구성들 및 구성들 간의 연결 관계는 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
BMS(20)는, 게이트 구동회로(21)를 포함하여 릴레이(30)의 온/오프를 제어하기 위한 게이트 전압(VG1, VG2)을 생성한다. 도 1에서, BMS(20)는 게이트 구동회로(21)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 게이트 구동회로(21)는 BMS(20)와 독립하여 구성될 수 있다.
게이트 구동회로(21)는, 도 2를 참고하면, 구동 트랜지스터(TR)를 포함할 수 있다. 구동 트랜지스터(TR)의 베이스 단은 구동 신호(CS)를 수신하고, 컬렉터 단은 제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4)의 게이트 단과 연결될 수 있다. 구동 트랜지스터(TR)는 NPN 타입의 트랜지스터로 하이 레벨의 구동 신호(CS)에 의해 온 되고, 로우 레벨의 구동 신호(CS)에 의해 오프 된다. 게이트 구동회로(21)는, 구동 트랜지스터(TR)가 오프 되면, P-type의 MOSFET을 오프 시킬 수 있는 양의 구동 전압(VB)을 제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4)에 인가할 수 있다.
릴레이(30)는, 메인 릴레이(31) 그리고 메인 릴레이(31)와 병렬 연결되는 프리차지 릴레이(Pre-charge Relay)(33)를 포함할 수 있다. 릴레이(30)는, 반도체 스위칭 소자를 포함하여 전자식 릴레이로 구성될 수 있다. 반도체 스위칭 소자는 금속산화물 전계 효과 트랜지스터(MOSFET, Metal-Oxide Field Effect Transistor)가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
메인 릴레이(31)는 MOSFET으로 구현되어 BMS(20)로부터 수신한 제1 게이트 전압(VG1)에 따라 스위칭될 수 있다. 메인 릴레이(31)는 배터리 시스템(1)과 외부장치(ex, 부하, 충전기) 간의 전기적 연결을 제어한다. 메인 릴레이(31)가 온 레벨의 1 게이트 전압(VG1)에 의해 온 되면, 배터리 시스템(1)과 외부장치가 전기적으로 연결되어 충전 또는 방전이 수행된다. 예를 들어, 외부 장치가 부하인 경우 배터리 팩(10)으로부터 부하로 전력이 공급되는 방전 동작이 수행되고, 외부 장치가 충전기인 경우 배터리 팩(10)이 충전기에 의해 충전되는 충전 동작이 될 수 있다. 메인 릴레이(31)가 오프 레벨의 1 게이트 전압(VG1)에 의해 오프 되면, 배터리 시스템(1)과 외부장치가 전기적으로 분리된다.
프리차지 릴레이(33)는 MOSFET으로 구현되어 BMS(20)로부터 수신한 제2 게이트 전압(VG2)에 따라 스위칭 될 수 있고, 프리차지 저항(RC)과 직렬 연결될 수 있다. 프리차지 릴레이(33)는 배터리 팩(10)과 외부장치 연결 시(예를 들어, 충전 또는 방전을 위한 구동 초기) 발생하는 서지 전류를 감소시켜 서지 전류에 의한 메인 릴레이(31)의 파손을 방지할 수 있다. 예를 들어, 프리차지 릴레이(33)는 메인 릴레이(31)의 턴 온 전에 먼저 턴 온 되고, 메인 릴레이(31)가 턴 온 되고 소정시간 경과 후 턴 오프되어 서지 전류를 감소시킬 수 있다.
도 2를 참고하면, 프리차지 릴레이(33)는 직렬/병렬 연결되는 제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4) 그리고 제1, 2 저항(R1, R2)을 포함할 수 있다.
제1 MOSFET(Q1) 및 제2 MOSFET(Q2)은 배터리 팩(10)의 일 전극과 출력 단 사이에 직렬 연결되고, 제3 MOSFET(Q3)은 제1 MOSFET(Q1)에 병렬 연결되고, 제4 MOSFET(Q4)은 제2 MOSFET(Q2)에 병렬 연결된다. 제1 저항(R1)은, 제1 MOSFET(Q1)의 일단과 제3 MOSFET(Q3)의 일단 및 제1 MOSFET(Q1)의 타단과 제3 MOSFET(Q3)의 타단에 병렬 연결된다. 제2 저항(R2)은 제2 MOSFET(Q2)의 일단과 제4 MOSFET(Q4)의 일단 및 제2 MOSFET(Q2)의 타단과 제4 MOSFET(Q4)의 타단에 병렬 연결된다. 도 2에서, 제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4)을 P-type MOSFET으로 나타내었지만 이에 한정되지 않고, N-type MOSFET, BJT, IGBT 등 스위칭 동작을 수행하는 다른 트랜지스터로 구현될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4) 및 제1, 2 저항(R1, R2) 간의 연결 관계를 설명하기 위해 접점(N1, N2, N3, N4)이 도시되어 있다. 제1 노드(N1)는 배터리 팩(10)의 양의 단자에 연결되고, 제 4 노드(N4)는 도 1에 도시된 출력단(OUT1)에 연결되어 있다.
예를 들어, 제1 MOSFET(Q1)의 소스 단 및 제3 MOSFET(Q3)의 소스 단은 제1 노드(N1)에 연결되고, 제1 MOSFET(Q1)의 드레인 단 및 제3 MOSFET(Q3)의 드레인 단은 제2 노드(N2)에 연결된다. 제1 저항(R1)의 일단은 제1 노드(N1)에, 타단은 제2 노드(N2)에 연결된다. 제2 MOSFET(Q2)의 소스 단 및 제4 MOSFET(Q4)의 소스 단은 제3 노드(N3)에 연결되고, 2 MOSFET(Q2)의 드레인 단 및 제4 MOSFET(Q4)의 드레인 단은 제4 노드(N4)에 연결된다. 제2 저항(R2)의 일단은 제3 노드(N3)에, 타단은 제4 노드(N4)에 연결된다. 제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4)의 게이트 단은 모두 구동 트랜지스터(TR)의 컬렉터 단에 연결되어, 제2 게이트 전압(VG2)에 동기 되어 온/오프 될 수 있다.
제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4)은 온 레벨의 제2 게이트 전압(VG2)에 동기 되어 온 될 수 있다. 예를 들어, 구동 트랜지스터(TR)의 베이스 단이 하이 레벨의 구동 신호(CS)를 수신하여 온 되면, 구동 트랜지스터(TR)의 컬렉터 단은 그라운드(GND)에 연결된다. 구동 트랜지스터(TR)의 컬렉터 단에 연결된 제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4)의 게이트 단에 그라운드(GND) 레벨의 전압이 인가되어 모두 온 된다. 여기서, 게이트 구동회로(21)는 제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4)을 그라운드(GND) 쪽과 연결하여 구동하는 로우 사이드 구동(LSD, Low Side Driver) 형태로 구현될 수 있다.
제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4)은 오프 레벨의 제2 게이트 전압(VG2)에 동기 되어 오프 될 수 있다. 예를 들어, 구동 트랜지스터(TR)의 베이스 단이 로우 레벨의 구동 신호(CS)를 수신하면 오프 되고, 제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4)의 게이트 단은 양의 구동 전압(VB)이 인가되어 모두 오프 된다.
이상적으로 제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4)은 온 레벨의 제2 게이트 전압에 동기 되어 턴 온 될 수 있다. 하지만, 제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4) 간의 실제 턴 온 시점 간에 시간 차가 발생할 수 있다. 이 경우, 뒤에 턴 온 되는 MOSFET에는 과도한 전압이 인가될 수 있다.
예를 들어, 프리차지 릴레이(33)는 제1 저항(R1), 제2 저항(R2) 없이 직렬/병렬 연결되는 제1, 2, 3, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q3, Q4)을 포함할 수 있다. 이때, 제3 MOSFET(Q3)이 나머지 제1, 2, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q4)보다 나중에 턴 온 될 때, 제3 MOSFET(Q3)과 나머지 제1, 2, 4 MOSFET(Q1, Q2, Q4)간의 턴 온 시점 차이에 해당하는 기간 동안 제3 MOSFET(Q3)의 양단에는 과도한 전압이 인가되어 쇼크가 발생할 수 있다. 그러면 제3 MOSFET(Q3)가 파손될 수 있다.
위와 같은 현상을 방지하기 위해서 제1 저항(R1)이 제1 MOSFET(Q1)및 제3 MOSFET(Q3)에 대해서 병렬 연결되고, 제2 저항이 제2 MOSFET(Q2) 및 제4 MOSFET(Q4)에 대해서 병렬 연결될 수 있다. 즉, 제1 저항(R1)은, 구동 초기에 제1 MOSFET(Q1) 및 제3 MOSFET(Q3)의 한계 사양을 초과하는 과도 쇼크가 발생하더라도, 이를 분산하여 제1 MOSFET(Q1) 및 제3 MOSFET(Q3)의 파손을 방지할 수 있다. 제2 저항(R2)은, 구동 초기에 제2 MOSFET(Q2) 및 제4 MOSFET(Q4)의 한계 사양을 초과하는 과도 쇼크가 발생하더라도, 이를 분산하여 제2 MOSFET(Q2) 및 제4 MOSFET(Q4)의 파손을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)이 배터리 팩(10)과 외부 장치 사이에 직렬 연결되어 있어 누설 전류가 발생할 가능성이 있다. 이를 방지하기 위해, 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)은 저항 값이 매우 큰 저항으로 구성된다. 예를 들어, 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)의 저항 값은 적어도 수 메가 옴(mgea-ohm, M) 이상일 수 있다. 그러면, 프리차지 릴레이(33) 및 메인 릴레이(31)의 스위칭 상태에 관계없이 배터리 팩(10)과 외부장치 간 누설 전류가 실질적으로 발생하지 않는다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 배터리 팩의 일 전극과 출력 단 사이에 직렬 연결되는 제1 MOSFET 및 제2 MOSFET;
    상기 제1 MOSFET에 병렬 연결되어 있는 제3 MOSFET; 및
    상기 제2 MOSFET에 병렬 연결되어 있는 제4 MOSFET을 포함하는 프리차지 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 MOSFET의 일단과 상기 제3 MOSFET의 일단, 상기 제1 MOSFET의 타단과 상기 제3 MOSFET의 타단에 병렬 연결되어 있는 제1 저항; 및
    상기 제2 MOSFET의 일단과 상기 제4 MOSFET의 일단 상기 제2 MOSFET의 타단과 상기 제4 MOSFET의 타단에 병렬 연결되어 있는 제2 저항을 더 포함하는 프리차지 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 MOSFET, 상기 제2 MOSFET, 상기 제3 MOSFET 및 상기 제4 MOSFET은 P 타입의 MOSFET으로 구성되는 것을 특징으로 하는 프리차지 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 MOSFET의 드레인 단과 제2 MOSFET의 소스 단은 직렬 연결되고 상기 제3 MOSFET의 드레인 단은 상기 제1 MOSFET의 드레인 단과 병렬 연결되고 상기 제4 MOSFET의 소스 단은 상기 제2 MOSFET의 소스 단과 병렬 연결되는 프리차지 회로.
  5. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩;
    상기 배터리 팩의 일 전극과 출력 단 사이에 직렬 연결되는 제1 MOSFET 및 제2 MOSFET과, 상기 제1 MOSFET에 병렬 연결되어 있는 제3 MOSFET과, 상기 제2 MOSFET에 병렬 연결되어 있는 제4 MOSFET을 포함하는 프리차지 릴레이; 및
    상기 프리차지 릴레이의 온/오프를 제어하기 위한 게이트 전압을 생성하는 BMS를 포함하는 배터리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프리차지 릴레이는,
    상기 제1 MOSFET의 일단과 상기 제3 MOSFET의 일단, 상기 제1 MOSFET의 타단과 상기 제3 MOSFET의 타단에 병렬 연결되어 있는 제1 저항과, 상기 제2 MOSFET의 일단과 상기 제4 MOSFET의 일단, 상기 제2 MOSFET의 타단과 상기 제4 MOSFET의 타단에 병렬 연결되어 있는 제2 저항을 더 포함하는 배터리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 MOSFET, 상기 제2 MOSFET, 상기 제3 MOSFET 및 상기 제4 MOSFET은 P 타입의 MOSFET으로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 MOSFET의 드레인 단과 제2 MOSFET의 소스 단은 직렬 연결되고 상기 제3 MOSFET의 드레인 단은 상기 제1 MOSFET의 드레인 단과 병렬 연결되고 상기 제4 MOSFET의 소스 단은 상기 제2 MOSFET의 소스 단과 병렬 연결되는 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 BMS는,
    하이 레벨의 구동 신호를 수신하여 그라운드 레벨의 상기 게이트 전압을 생성하여 상기 제1 MOSFET, 상기 제2 MOSFET, 상기 제3 MOSFET 및 상기 제4 MOSFET에 인가하는 배터리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리 팩과 외부장치 간의 전기적 연결을 제어하는 메인 릴레이를 더 포함하고,
    상기 프리차지 릴레이는, 상기 메인 릴레이의 턴 온 전에 먼저 턴 온 되고 상기 메인 릴레이가 턴 온 되고 소정시간 경과 후 턴 오프 되는 배터리 시스템.
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