WO2023287112A1 - 배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 방법 - Google Patents

배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 방법 Download PDF

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Definitions

  • the technology described below relates to a battery device, a battery management system, and a precharge method.
  • An electric vehicle is a vehicle that obtains power by driving a motor using a battery as a power source, and research is being actively conducted in that it is an alternative to solving the pollution and energy problems of internal combustion vehicles.
  • rechargeable batteries are used in various external devices other than electric vehicles.
  • a switching circuit for controlling the connection of the battery pack may be used for each battery pack.
  • a precharge circuit is used for each switching circuit in order to prevent a rush current generated in the initial stage of driving by the switching circuit.
  • the precharge circuit may prevent an inrush current by first charging a capacitor connected to an inverter of an external device through a precharge resistor at the beginning of driving. An overcurrent that may occur in the initial stage of driving often flows through the precharge resistor, and when an overcurrent frequently flows through the precharge resistor, the life of the precharge circuit may be shortened.
  • Certain embodiments may provide a battery device, a battery management system, and a precharge method capable of extending the lifespan of a precharge circuit.
  • a first battery pack and a second battery pack connected in parallel, a first precharge switch, a second precharge switch, a first precharge control circuit, a second precharge control circuit, and a processor are included.
  • a battery device may be provided.
  • the first precharge switch may be connected between one terminal of the first battery pack and a capacitor of an external device, and the second precharge switch may be connected between one terminal of the second battery pack and the capacitor.
  • the first precharge control circuit controls an operation of the first precharge switch based on a difference between a voltage of the first battery pack and a voltage of the capacitor, and the second precharge control circuit controls an operation of the second battery pack.
  • An operation of the second precharge switch may be controlled based on a difference between the voltage of the pack and the voltage of the capacitor.
  • the processor transmits a first control signal for controlling the first precharge switch to the first precharge control circuit, and transmits a second control signal for controlling the second precharge switch to the second precharge control circuit. can be passed on to the circuit.
  • the first precharge control circuit when receiving the first control signal having an enable level from the processor, determines that a difference between the voltage of the first battery pack and the voltage of the capacitor is greater than a predetermined voltage. In a large case, the first precharge switch may be closed.
  • the first precharge control circuit when receiving the first control signal having an enable level from the processor, determines that a difference between a voltage of the first battery pack and a voltage of the capacitor is equal to or less than a predetermined voltage. In this case, the first precharge switch may not be closed.
  • the predetermined voltage may be 0V.
  • the first precharge control circuit may include a comparator for comparing a voltage of the first battery pack and a voltage of the capacitor, and a logical operation of an output signal according to a comparison result of the comparator and the first control signal. and a logic circuit outputting a third control signal, and controlling the first precharge switch based on the third control signal.
  • the first precharge control circuit may include a comparator that compares a voltage of the first battery pack and a voltage of the capacitor, a logical operation between an output signal according to a comparison result of the comparator and the first control signal, a logic circuit outputting a third control signal; and a delay circuit outputting a fourth control signal by delaying the third control signal, wherein the first precharge switch is controlled based on the fourth control signal.
  • the processor when the voltage of the second battery pack is higher than the voltage of the first battery pack, the processor first outputs the second control signal having an enable level, and the voltage of the second battery pack The first control signal having an enable level may be output when a difference between the voltage of the first battery pack and the voltage of the first battery pack is equal to or less than a predetermined voltage.
  • the battery device may include a first precharge resistor through which a current flowing from the first battery pack to the capacitor passes when the first precharge switch is closed, and when the second precharge switch is closed. may further include a second pre-charge resistor through which current flowing from the second battery pack to the capacitor passes.
  • a battery management system of a battery device including a battery pack may be provided.
  • the battery management system may include a precharge switch, a processor, and a precharge control circuit.
  • the precharge switch may be connected between one terminal of the battery pack and a capacitor of an external device, and the processor may output a first control signal for controlling the precharge switch.
  • the precharge control circuit receives the first control signal and closes the precharge switch in response to the first control signal when a difference between a voltage of the battery pack and a voltage of the capacitor is greater than a predetermined voltage;
  • the precharge switch may not be closed when a difference between the voltage of the battery pack and the voltage of the capacitor is equal to or less than the predetermined voltage.
  • the precharge control circuit may include a comparator for comparing the voltage of the battery pack and the voltage of the capacitor, and a second control by performing a logic operation on an output signal according to a comparison result of the comparator and the first control signal.
  • a logic circuit outputting a signal may be included, and the precharge switch may be controlled based on the second control signal.
  • the precharge control circuit may include a comparator for comparing the voltage of the battery pack and the voltage of the capacitor, and a second control signal by performing a logical operation on an output signal according to a comparison result of the comparator and the first control signal. and a delay circuit outputting a third control signal by delaying the second control signal, and controlling the precharge switch based on the third control signal.
  • the battery management system may further include a precharge resistor through which a current flowing from the battery pack to the capacitor passes when the precharge switch is closed.
  • a method of precharging a capacitor in a battery device including a battery pack may be provided.
  • the pre-charging method includes the steps of closing the negative switch of the battery pack, determining whether to pre-charge the capacitor based on the difference between the voltage of the battery pack and the voltage of the capacitor, and determining whether to pre-charge the capacitor. Based on this, the step of closing or maintaining the open state of the precharge switch, and the step of closing the positive switch of the battery pack may be included.
  • the determining whether to pre-charge may include determining to pre-charge the capacitor when a difference between a voltage of the battery pack and a voltage of the capacitor is equal to or less than a predetermined voltage.
  • the determining whether to pre-charge may include determining not to pre-charge the capacitor when a difference between a voltage of the battery pack and a voltage of the capacitor is greater than a predetermined voltage.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a battery device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of timing of a control signal of a battery device according to an exemplary embodiment.
  • 3 and 4 are diagrams each illustrating an example of a precharge control circuit in a battery device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of a precharge control method according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a battery device according to an embodiment.
  • the battery device has a structure that can be electrically connected to an external device through a positive connection terminal (DC(+)) and a negative connection terminal (DC(-)).
  • the battery device may be connected to the external device 10 through a positive connection terminal (DC(+)) and a negative connection terminal (DC(-)).
  • the battery device When the external device 10 is a load, the battery device may be discharged by operating as a power source supplying power to the load.
  • the external device 10 is a charger, the battery device may be charged by receiving external power through the charger 10 .
  • the external device 10 operating as a load may be, for example, an electronic device, a vehicle, or an energy storage system (ESS), and the vehicle may be, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, or an energy storage system. It may be a vehicle such as smart mobility.
  • ESS energy storage system
  • the battery device includes a plurality of battery packs 110 , a plurality of switching circuits 120 , a plurality of precharge control circuits 130 and a processor 140 .
  • the plurality of battery packs 110 are connected in parallel to the connection terminals DC(+) and DC(-) through the plurality of switching circuits 120 .
  • the plurality of switching circuits 120 respectively correspond to the plurality of battery packs 110 . That is, each switching circuit 120 is connected to a corresponding battery pack 110 among a plurality of battery packs 110 .
  • Each battery pack 110 includes a plurality of battery cells (not shown), and has a positive terminal PV(+) and a negative terminal PV(-).
  • the battery cell may be a rechargeable secondary battery.
  • a predetermined number of battery cells are serially connected in the battery pack 110 to form a battery module and supply desired power.
  • a predetermined number of battery modules may be connected in series or parallel in the battery pack 110 to supply desired power.
  • Each switching circuit 120 includes a positive switch 121, a negative switch 122 and a precharge circuit.
  • the precharge circuit may include a precharge switch 123 and a precharge resistor 124 .
  • the positive switch 121 is connected between the corresponding positive terminal PV(+) of the battery pack 110 and the positive connection terminal DC(+) of the battery device.
  • the positive switch 121 and the precharge circuit may be connected in parallel between the corresponding positive terminal (PV(+)) of the battery pack 110 and the positive terminal (DC(+)) of the battery device.
  • the negative switch 122 is connected between the corresponding negative terminal PV(-) of the battery pack 110 and the negative connection terminal DC(-) of the battery device.
  • the switches 121 and 122 may be controlled by the processor 140 to control an electrical connection between the battery pack 110 and an external device.
  • switches 121 and 122 may each include a contactor that includes a relay.
  • switches 121 and 122 may each include an electrical switch such as a transistor.
  • the switching circuit 120 further includes a driving circuit (not shown) that drives the switches 121 and 122 in response to control signals Cp1, Cp2, Cn1, and Cn2 from the processor 140, respectively.
  • the precharge switch 123 and the precharge resistor 124 may be connected in series between the corresponding positive terminal PV(+) of the battery pack 110 and the positive connection terminal DC(+) of the battery device. .
  • the first terminal of the precharge switch 123 is connected to the positive terminal (PV(+)) of the corresponding battery pack 110, and the second terminal of the precharge switch 123 is connected to the precharge resistor.
  • a first terminal of 124 may be connected, and a second terminal of precharge resistor 124 may be connected to positive connection terminal DC(+).
  • the first terminal of the precharge resistor 124 is connected to the positive terminal (PV(+)) of the corresponding battery pack 110, and the second terminal of the precharge resistor 124 is connected to the precharge switch.
  • a first terminal of 123 may be connected, and a second terminal of precharge switch 123 may be connected to a positive connection terminal DC(+).
  • the precharge switch 123 may include a contactor including a relay.
  • the precharge switch 123 may include an electrical switch such as a transistor.
  • the switching circuit 120 further includes a driving circuit (not shown) for driving the precharge switch 123 in response to the control signals Cpc1' and Cpc2' from the precharge control circuit 130.
  • FIG. 1 shows a precharge circuit including a precharge switch 123 and a precharge resistor 124 connected in series, the capacitor 11 can be precharged in response to a control signal from the precharge control circuit 130.
  • Other possible precharge circuits may also be used.
  • the plurality of precharge control circuits 130 respectively correspond to the plurality of switching circuits 120 . That is, each precharge control circuit 130 is connected to a corresponding switching circuit 120 among a plurality of switching circuits 120 .
  • the precharge control circuit 130 may control the operation of the corresponding precharge switch 123 based on the difference between the voltage of the corresponding battery pack 110 and the voltage of the capacitor 11. .
  • the precharge control circuit 130 operates in response to control signals Cpc1 and Cpc2 for closing the precharge switch 123 of the corresponding switching circuit 120 from the processor 140 .
  • the precharge control circuit 130 precharges the capacitor 11 when the voltage of the capacitor 11 is lower than the voltage of the corresponding battery pack 110.
  • the precharge switch 123 may not be closed.
  • the difference between the voltage of the battery pack 110 and the voltage of the capacitor 11 is equal to or less than a predetermined voltage (first predetermined voltage)
  • the voltage of the capacitor 11 is the same as the voltage of the battery pack 110 or can be determined to be similar.
  • the predetermined voltage may be 0V.
  • the processor 140 controls the operation of the switching circuit 120 and the precharge control circuit 130 .
  • the processor 140 may include, for example, a micro controller unit (MCU).
  • MCU micro controller unit
  • the processor 140 may select the battery pack 110 to supply power first based on the voltages of the plurality of battery packs 110 . Accordingly, the processor 140 may drive the switching circuit 120 corresponding to the selected battery pack 110 .
  • the processor 140 may supply power through the battery pack 110 by controlling the switching circuit 120 connected to the battery pack 110 having the highest voltage among the plurality of battery packs 110. .
  • the processor 140 controls the switching circuit 120 connected to the other battery packs 110 so that at least two parallel battery packs are formed. Power can be supplied through (110).
  • the battery pack 110 having the higher voltage has the lower voltage. An inrush current may flow into the battery pack 110 .
  • the case in which the voltages of the two battery packs 110 are similar may mean a case in which a voltage difference between the two battery packs 110 is equal to or less than a predetermined voltage.
  • the predetermined voltage may be experimentally determined as a voltage difference at which an inrush current does not occur or an inrush degree that does not affect a circuit occurs.
  • the battery device may further include a voltage sensing circuit (not shown) for sensing the voltages of the plurality of battery packs 110 and/or the voltages of the capacitors 11 .
  • the switching circuit 120, the precharge control circuit 130, and/or the processor 140 may be included in a battery management system (BMS) of a battery device.
  • BMS battery management system
  • the precharge control circuit 130 receives the first control signal Cpc1 from the processor 140, and the difference between the voltage of the battery pack 110 and the voltage of the capacitor 11
  • the precharge switch 123 is closed in response to the first control signal Cpc1 when is greater than the predetermined voltage, and the precharge switch 123 is closed when the difference between the voltage of the battery pack 110 and the voltage of the capacitor 11 is equal to or less than the predetermined voltage.
  • the charge switch 123 may not be closed.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of timing of a control signal of a battery device according to an exemplary embodiment.
  • two battery packs BP1 and BP2 will be described as an example.
  • the processor 140 when the battery device is initially driven, the processor 140 first supplies power through a battery pack (eg, BP1) having a high voltage among a plurality of battery packs BP1 and BP2. . To this end, the processor 140 first outputs a control signal Cn1 for closing the negative switch 122 of the switching circuit connected to the battery pack BP1. That is, the processor 140 converts the control signal Cn1 from a disable level to an enable level.
  • the enable level may be a high level (H) and the disable level may be a low level (L).
  • the processor 140 outputs a control signal Cpc1 for closing the precharge switch (eg, 123 of FIG. 1 ) connected to the battery pack BP1 in a state in which the negative switch 122 is closed. That is, the processor 140 converts the control signal Cpc1 from a disable level to an enable level.
  • the precharge control circuit 130 outputs a control signal Cpc1' having an enable level in response to the control signal Cpc1.
  • a precharge current is supplied from the battery pack BP1 to the capacitor 11 of the external device through the precharge resistor 124, and the capacitor 11 ) can be precharged.
  • the precharge control circuit 130 when the capacitor 11 is already charged with the voltage of the battery pack BP1, regardless of the enable level of the control signal Cpc1, the precharge control circuit 130 generates a control signal having a disable level ( Cpc1') is output, and accordingly, the precharge switch 123 may not be closed.
  • the precharge switch 123 when the precharge switch 123 is closed and the capacitor 11 is precharged up to the voltage of the battery pack BP1, even before the control signal Cpc1 changes to the disable level, the precharge control circuit 130 The precharge switch 123 may be opened by converting the control signal Cpc1' to a disable level.
  • the processor 140 After precharging the capacitor 11, the processor 140 outputs a control signal Cp1 for closing the positive switch 121 connected to the battery pack BP1 to supply power through the battery pack BP1. . That is, the processor 140 converts the control signal Cp1 from a disable level to an enable level. In this case, since the precharge is completed, the processor 140 may switch the control signal Cpc1 to a disable level to open the precharge switch 123.
  • the processor 140 when the voltage of the battery pack BP1 is lowered and becomes similar to the voltage of the battery pack BP2, the processor 140 also supplies power through the battery pack BP2. That is, power may be supplied through the battery packs BP1 and BP2.
  • the processor 140 first outputs a control signal Cn2 for closing the negative switch 122 of the switching circuit connected to the battery pack BP2. That is, the processor 140 converts the control signal Cn2 from a disable level to an enable level.
  • the processor 140 outputs a control signal Cpc2 for closing the precharge switch 123 connected to the battery pack BP2 in a state where the negative switch 122 is closed. That is, the processor 140 converts the control signal Cpc2 from a disable level to an enable level.
  • the battery pack BP2 may output a control signal Cpc2' having a disable level. Accordingly, the precharge switch 123 connected to the battery pack BP2 may not be closed. Meanwhile, when the voltage charged in the capacitor 11 due to the discharging of the capacitor 11 is lower than the voltage of the battery pack BP2, the precharge control circuit 123 generates a control signal Cpc2' having an enable level. output, and the precharge switch 123 is closed so that the capacitor 11 can be precharged.
  • the processor 140 outputs a control signal Cp2 for closing the positive switch 121 connected to the battery pack BP2 to supply power through the battery pack BP2. That is, the processor 140 converts the control signal Cp2 from a disable level to an enable level. In this case, the processor 140 may switch the control signal Cpc2 for precharge to a disable level.
  • the first precharge control circuit 130 operates the first precharge switch 123 based on the difference between the voltage of the first battery pack BP1 and the voltage of the capacitor 11. You can control it.
  • the second precharge control circuit 130 may control the second precharge switch 123 based on a difference between the voltage of the second battery pack BP2 and the voltage of the capacitor 11 .
  • the processor 140 transmits the first control signal Cpc1 for controlling the first precharge switch 123 to the first precharge control circuit 130 and controls the second precharge switch 123.
  • the second control signal Cpc2 may be transmitted to the second precharge control circuit 130 .
  • the first precharge control circuit 130 when receiving the first control signal Cpc1 having an enable level from the processor 140, the first precharge control circuit 130 determines the voltage of the first battery pack BP1 and the capacitor 11 ) may be greater than a predetermined voltage, the first precharge switch 123 may be closed.
  • the first precharge control circuit 130 when receiving the first control signal Cpc1 having an enable level from the processor 140, the first precharge control circuit 130 determines the voltage of the first battery pack BP1 and the capacitor 11 ), the first precharge switch 123 may not be closed when the difference between the voltages is equal to or less than a predetermined voltage.
  • pre-charging when a sufficient voltage is charged in the capacitor 11 and thus pre-charging is unnecessary, pre-charging is not performed regardless of a control signal, and thus an unnecessary pre-charging process can be omitted. Accordingly, the life of the precharge circuit can be extended.
  • 3 and 4 are diagrams each illustrating an example of a precharge control circuit in a battery device according to an exemplary embodiment. 3 and 4 illustrate a precharge control circuit connected to one battery pack for convenience of description.
  • the precharge control circuit 330 includes a comparator 331 and a logic circuit 332 .
  • the battery pack 310, the positive switch 321, the negative switch 322, the precharge switch 323, and the precharge resistor 324 are the battery pack 110 described with reference to FIG. 1, the positive electrode Since it is similar to the switch 121, the negative electrode switch 122, the precharge switch 123, and the precharge resistor 124, their explanations are omitted.
  • the comparator 331 receives the voltage Vp of the battery pack 310 and the voltage Vc of the capacitor 340 of the external device.
  • a voltage sensing circuit (not shown) senses the voltage of the contact of the battery pack 310 and the positive switch 321 or the precharge switch 323 to determine the voltage Vp of the battery pack 310. can be measured
  • the voltage sensing circuit may measure the voltage (Vc) of the capacitor 340 by sensing the voltage between the positive connection terminal (DC(+)) and the contact point of the positive switch 321 or the precharge resistor 324.
  • the comparator 331 compares the voltage Vp of the battery pack 310 and the voltage Vc of the capacitor 340 and outputs an output signal, that is, a control signal Cc, according to the comparison result. In some embodiments, the comparator 331 controls the control signal Cc having an enable level when the difference between the voltage Vp of the battery pack 310 and the voltage Vc of the capacitor 340 of the external device is less than or equal to a threshold voltage. ) can be output. In one embodiment, the comparator 331 controls the enable level when the voltage Vp of the battery pack 310 and the voltage Vc of the capacitor 340 are the same (ie, the threshold voltage is 0V). A signal Cc can be output.
  • the comparator 331 generates a control signal Cc having a disable level when the voltage Vp of the battery pack 310 is higher than the voltage Vc of the capacitor 340 and the difference is greater than a threshold voltage. can output In one embodiment, the comparator 331 has a control having a disable level when the voltage Vp of the battery pack 310 is higher than the voltage Vc of the capacitor 340 (ie, when the threshold voltage is 0V). A signal Cc can be output.
  • the logic circuit 332 inputs the control signal Cc output from the comparator 331 and the control signal Cpc for controlling the precharge switch 323 output from the processor (eg, 140 in FIG. 1 ). receive The logic circuit 332 performs a logic operation on the control signal Cc and the control signal Cpc and outputs the control signal Cpc'. In some embodiments, the logic circuit 332 outputs the control signal Cpc' having an enable level when both control signals Cc and Cpc have an enable level, and accordingly, the precharge switch 323 ) can be closed.
  • the logic circuit 332 outputs the control signal Cpc′ having a disable level when at least one of the two control signals Cc and Cpc has a disable level, and accordingly The precharge switch 323 may be opened.
  • the logic circuit 332 may include an AND gate.
  • the precharge switch when a sufficient voltage is charged in the capacitor 340 and precharge is unnecessary, the precharge switch may not be closed regardless of the control signal. Accordingly, the life of the pre-charging circuit can be extended by omitting an unnecessary pre-charging process.
  • the precharge control circuit 430 includes a comparator 431 , a logic circuit 432 and a delay circuit 433 .
  • the comparator 431 receives the voltage Vp of the battery pack 310 and the voltage Vc of the capacitor 340 of the external device, and outputs a control signal Cc according to the comparison result.
  • the logic circuit 432 inputs the control signal Cc output from the comparator 431 and the control signal Cpc for controlling the precharge switch 323 output from the processor (eg, 140 in FIG. 1 ). and performs a logic operation on the control signal Cc and the control signal Cpc to output the control signal Cpc'. Since the comparator 431 and the logic circuit 432 perform operations similar to those of the comparator 331 and the logic circuit 332 described with reference to FIG. 3 , detailed descriptions thereof are omitted.
  • the delay circuit 433 receives the control signal output from the logic circuit 432, delays the control signal by a predetermined time, and then outputs the control signal Cpc'.
  • the precharge switch 323 may be closed in response to the enable level of the control signal Cpc'.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of a precharge control method according to an exemplary embodiment.
  • the battery management system of the battery device starts a switching procedure to supply power through the battery pack (S510).
  • the battery management system closes the negative switch (eg, 122 of FIG. 1 ) (S520).
  • the battery management system may transmit a control signal having an enable level to the negative switch 122 to close the negative switch 122 (S520).
  • the battery management system determines whether the capacitor of the external device (eg, 11 in FIG. 1 ) is sufficiently charged (S530). In some embodiments, the battery management system may determine whether to precharge the capacitor 11 based on a difference between the voltage of the battery pack and the voltage of the capacitor 11 (S530). When capacitor 11 is sufficiently charged, the battery management system may decide not to precharge capacitor 11 . In this case, the battery management system keeps the precharge switch (eg, 123 of FIG. 1 ) open, and closes the positive switch (eg, 121 of FIG. 1 ) (S550). Meanwhile, when the capacitor 11 is not sufficiently charged, the battery management system determines to pre-charge the capacitor 11 and closes the pre-charge switch 123 (S540).
  • the precharge switch eg, 123 of FIG. 1
  • the battery management system may determine whether the capacitor 11 is sufficiently charged by comparing the voltage charged in the capacitor 11 with the voltage of a battery pack to supply power (S530). In some embodiments, the battery management system may transmit a control signal having an enable level to the precharge switch 123 to close the precharge switch 123 (S540). In some embodiments, the battery management system may transfer a control signal having an enable level to the positive switch 121 to close the positive switch 121 (S550).
  • the battery management system After closing the positive switch 121, the battery management system opens the pre-charge switch 123 (S560). In some embodiments, the battery management system may transfer a control signal having a disable level to the precharge switch 123 to open the precharge switch 123 (S560).

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Abstract

배터리 장치에서, 제1 프리차지 스위치가 제1 배터리 팩의 한 단자와 외부 장치의 커패시터 사이에 연결되고, 제2 프리차지 스위치가 제2 배터리 팩의 한 단자와 커패시터 사이에 연결된다. 제1 프리차지 제어 회로가 제1 배터리 팩의 전압과 커패시터의 전압 사이의 차이에 기초해서 제1 프리차지 스위치의 동작을 제어하고, 제2 프리차지 제어 회로가 제2 배터리 팩의 전압과 커패시터의 전압 사이의 차이에 기초해서 제2 프리차지 스위치의 동작을 제어한다. 프로세서는 제1 프리차지 스위치를 제어하기 위한 제1 제어 신호를 제1 프리차지 제어 회로로 전달하고, 제2 프리차지 스위치를 제어하기 위한 제2 제어 신호를 제2 프리차지 제어 회로로 전달한다.

Description

배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 방법
관련 출원과의 상호 인용
본 출원은 2021년 7월 14일자 대한민국 특허출원 제10-2021-0092481에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
아래 기재된 기술은 배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 방법에 관한 것이다.
전기 자동차는 주로 배터리를 전원으로 이용하여 모터를 구동함으로써 동력을 얻는 자동차로서, 내연 자동차의 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한, 충전이 가능한 배터리는 전기 자동차 이외에 다양한 외부 장치에서 사용되고 있다.
최근, 높은 출력과 큰 충전 용량을 가지는 배터리가 요구됨에 따라 복수의 배터리 셀이 병렬로 연결된 배터리 팩이 사용되고 있다. 배터리 팩마다 배터리 팩의 연결 제어를 위한 스위칭 회로가 사용될 수 있다. 한편, 스위칭 회로에 의한 구동 초기에 발생하는 돌입 전류(rush current)를 방지하기 위해서 스위칭 회로마다 프리차지 회로가 사용되고 있다. 프리차지 회로는 구동 초기에 프리차지 저항을 통해 외부 장치의 인버터 등에 연결되어 있는 커패시터를 먼저 충전함으로써 돌입 전류를 방지할 수 있다. 이러한 프리차지 저항에는 구동 초기에 발생할 수 있는 과전류가 수시로 흐르며, 프리차지 저항에 과전류가 자주 흐르는 경우, 프리차지 회로의 수명이 줄어들 수 있다.
어떤 실시예는 프리차지 회로의 수명을 늘일 수 있는 배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 방법을 제공할 수 있다.
한 실시예에 따르면, 병렬로 연결되는 제1 배터리 팩과 제2 배터리 팩, 제1 프라차지 스위치, 제2 프리차지 스위치, 제1 프리차지 제어 회로, 제2 프리차지 제어 회로 및 프로세서를 포함하는 배터리 장치가 제공될 수 있다. 상기 제1 프리차지 스위치는 상기 제1 배터리 팩의 한 단자와 외부 장치의 커패시터 사이에 연결되고, 상기 제2 프리차지 스위치는 상기 제2 배터리 팩의 한 단자와 상기 커패시터 사이에 연결될 수 있다. 상기 제1 프리차지 제어 회로는 상기 제1 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이에 기초해서 상기 제1 프리차지 스위치의 동작을 제어하고, 상기 제2 프리차지 제어 회로는 상기 제2 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이에 기초해서 상기 제2 프리차지 스위치의 동작을 제어할 수 있다. 상기 프로세서는 상기 제1 프리차지 스위치를 제어하기 위한 제1 제어 신호를 상기 제1 프리차지 제어 회로로 전달하고, 상기 제2 프리차지 스위치를 제어하기 위한 제2 제어 신호를 상기 제2 프리차지 제어 회로로 전달할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프로세서로부터 인에이블 레벨을 가지는 상기 제1 제어 신호를 수신하는 경우, 상기 제1 프리차지 제어 회로는 상기 제1 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이가 소정 전압보다 큰 경우에, 상기 제1 프리차지 스위치를 닫을 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프로세서로부터 인에이블 레벨을 가지는 상기 제1 제어 신호를 수신하는 경우, 상기 제1 프리차지 제어 회로는 상기 제1 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이가 소정 전압 이하인 경우에, 상기 제1 프리차지 스위치를 닫지 않을 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 소정 전압은 0V일 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 제1 프리차지 제어 회로는, 상기 제1 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압을 비교하는 비교기, 그리고 상기 비교기의 비교 결과에 따른 출력 신호와 상기 제1 제어 신호를 논리 연산하여 제3 제어 신호를 출력하는 논리 회로를 포함하고, 상기 제3 제어 신호에 기초해서 상기 제1 프리차지 스위치를 제어할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 제1 프리차지 제어 회로는, 상기 제1 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압을 비교하는 비교기, 상기 비교기의 비교 결과에 따른 출력 신호와 상기 제1 제어 신호를 논리 연산하여 제3 제어 신호를 출력하는 논리 회로, 그리고 상기 제3 제어 신호를 지연하여 제4 제어 신호를 출력하는 지연 회로를 포함하고, 상기 제4 제어 신호에 기초해서 상기 제1 프리차지 스위치를 제어할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 제2 배터리 팩의 전압이 상기 제1 배터리 팩의 전압보다 높은 경우에, 상기 프로세서는 인에이블 레벨을 가지는 상기 제2 제어 신호를 먼저 출력하고, 상기 제2 배터리 팩의 전압과 상기 제1 배터리 팩의 전압 사이의 차이가 소정 전압 이하로 되는 경우 인에이블 레벨을 가지는 상기 제1 제어 신호를 출력할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 배터리 장치는, 상기 제1 프리차지 스위치가 닫히는 경우에 상기 제1 배터리 팩에서 상기 커패시터로 흐르는 전류가 통과하는 제1 프리차지 저항, 그리고 상기 제2 프리차지 스위치가 닫히는 경우에 상기 제2 배터리 팩에서 상기 커패시터로 흐르는 전류가 통과하는 제2 프리차지 저항을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 배터리 팩을 포함하는 배터리 장치의 배터리 관리 시스템이 제공될 수 있다. 상기 배터리 관리 시스템은 프리차지 스위치, 프로세서 및 프리차지 제어 회로를 포함할 수 있다. 상기 프리차지 스위치는 상기 배터리 팩의 한 단자와 외부 장치의 커패시터 사이에 연결되고, 상기 프로세서는 상기 프리차지 스위치를 제어하기 위한 제1 제어 신호를 출력할 수 있다. 상기 프리차지 제어 회로는 상기 제1 제어 신호를 수신하고, 상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이가 소정 전압보다 큰 경우에 상기 제1 제어 신호에 응답하여 상기 프리차지 스위치를 닫고, 상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이가 상기 소정 전압 이하인 경우에 상기 프리차지 스위치를 닫지 않을 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지 제어 회로는, 상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압을 비교하는 비교기, 그리고 상기 비교기의 비교 결과에 따른 출력 신호와 상기 제1 제어 신호를 논리 연산하여 제2 제어 신호를 출력하는 논리 회로를 포함하고, 상기 제2 제어 신호에 기초해서 상기 프리차지 스위치를 제어할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지 제어 회로는, 상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압을 비교하는 비교기, 상기 비교기의 비교 결과에 따른 출력 신호와 상기 제1 제어 신호를 논리 연산하여 제2 제어 신호를 출력하는 논리 회로, 그리고 상기 제2 제어 신호를 지연하여 제3 제어 신호를 출력하는 지연 회로를 포함하고, 상기 제3 제어 신호에 기초해서 상기 프리차지 스위치를 제어할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 배터리 관리 시스템은, 상기 프리차지 스위치가 닫히는 경우에 상기 배터리 팩에서 상기 커패시터로 흐르는 전류가 통과하는 프리차지 저항을 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 배터리 팩을 포함하는 배터리 장치에서 커패시터를 프리차지하는 방법이 제공될 수 있다. 상기 프라차지 방법은 상기 배터리 팩의 음극 스위치를 닫는 단계, 상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이에 기초해서 상기 커패시터를 프리차지할지를 결정하는 단계, 상기 커패시터를 프리차지할지의 결정에 기초해서, 상기 프리차지 스위치를 닫거나 연 상태를 유지하는 단계, 그리고 상기 배터리 팩의 양극 스위치를 닫는 단계를 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지할지를 결정하는 단계는 상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이가 소정 전압 이하인 경우에 상기 커패시터를 프리차지하는 것으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지할지를 결정하는 단계는 상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이가 소정 전압보다 큰 경우에 상기 커패시터를 프리차지하지 않는 것으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
어떤 실시예에 따르면, 커패시터에 충분한 전압이 충전되어 있어서 프리차지가 불필요한 경우에는 제어 신호에 관계없이 프리차지를 수행하지 않으므로, 불필요한 프리차지 과정을 생략할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 배터리 장치의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 한 실시예에 따른 배터리 장치의 제어 신호의 타이밍의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 각각 한 실시예에 따른 배터리 장치에서 프리차지 제어 회로의 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 한 실시예에 따른 프리차지 제어 방법의 한 예를 나타내는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
아래 설명에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
도면을 참고하여 설명한 흐름도에서, 동작 순서는 변경될 수 있고, 여러 동작들이 병합되거나, 어느 동작이 분할될 수 있고, 특정 동작은 수행되지 않을 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 배터리 장치의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, 배터리 장치는 양극 연결 단자(DC(+))와 음극 연결 단자(DC(-))를 통해 외부 장치에 전기적으로 연결될 수 있는 구조를 가진다. 어떤 실시예에서, 배터리 장치는 양극 연결 단자(DC(+))와 음극 연결 단자(DC(-))를 통해 외부 장치(10)에 연결될 수 있다. 외부 장치(10)가 부하인 경우, 배터리 장치는 부하로 전력을 공급하는 전원으로 동작하여 방전될 수 있다. 외부 장치(10)가 충전기인 경우, 배터리 장치는 충전기(10)를 통해 외부 전력을 공급받아 충전될 수 있다. 어떤 실시예에서, 부하로 동작하는 외부 장치(10)는 예를 들면 전자 장치, 이동 수단 또는 에너지 저장 시스템(energy storage system, ESS)일 수 있으며, 이동 수단은 예를 들면 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 스마트 모빌리티(smart mobility) 등의 차량일 수 있다.
배터리 장치는 복수의 배터리 팩(110), 복수의 스위칭 회로(120), 복수의 프리차지 제어 회로(130) 및 프로세서(140)를 포함한다.
복수의 배터리 팩(110)은 복수의 스위칭 회로(120)를 통해 연결 단자(DC(+), DC(-))에 병렬로 연결된다. 복수의 스위칭 회로(120)는 복수의 배터리 팩(110)에 각각 대응한다. 즉, 각 스위칭 회로(120)는 복수의 배터리 팩(110) 중에서 대응하는 배터리 팩(110)에 연결되어 있다. 각 배터리 팩(110)은 복수의 배터리 셀(도시하지 않음)을 포함하며, 양극 단자(PV(+))와 음극 단자(PV(-))를 가진다. 어떤 실시예에서, 배터리 셀은 충전 가능한 2차 전지일 수 있다. 한 실시예에서, 배터리 팩(110)에서 소정 개수의 배터리 셀이 직렬 연결되어 배터리 모듈을 구성하여 원하는 전력을 공급할 수 있다. 다른 실시예에서, 배터리 팩(110)에서 소정 개수의 배터리 모듈이 직렬 또는 병렬 연결되어 원하는 전력을 공급할 수 있다.
각 스위칭 회로(120)는 양극 스위치(121), 음극 스위치(122) 및 프리차지 회로를 포함한다. 어떤 실시예에서, 프리차지 회로는 프리차지 스위치(123)와 프리차지 저항(124)을 포함할 수 있다.
양극 스위치(121)는 대응하는 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))와 배터리 장치의 양극 연결 단자(DC(+)) 사이에 연결되어 있다. 어떤 실시예에서, 양극 스위치(121)와 프리차지 회로는 대응하는 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))와 배터리 장치의 양극 연결 단자(DC(+)) 사이에 병렬로 연결될 수 있다. 음극 스위치(122)는 대응하는 배터리 팩(110)의 음극 단자(PV(-))와 배터리 장치의 음극 연결 단자(DC(-)) 사이에 연결되어 있다. 스위치(121, 122)는 프로세서(140)에 의해 제어되어서 배터리 팩(110)과 외부 장치 사이의 전기적 연결을 제어할 수 있다. 어떤 실시예에서, 스위치(121, 122)는 각각 릴레이를 포함하는 컨택터를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 스위치(121, 122)는 각각 트랜지스터 등의 전기적 스위치를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 스위칭 회로(120)는 프로세서(140)로부터의 제어 신호(Cp1, Cp2, Cn1, Cn2)에 응답하여 스위치(121, 122)를 각각 구동하는 구동 회로(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 양극 스위치(121)와 음극 스위치(122)가 닫히면, 배터리 팩(110)으로부터 외부 장치로 전력을 공급하거나 외부 장치로부터 배터리 팩(110)으로 전력이 공급될 수 있다. 스위치의 닫힘은 스위치의 온(on)으로 표현할 수 있고, 스위치의 열림은 스위치의 오프(off)로 표현할 수 있다.
프리차지 스위치(123)와 프리차지 저항(124)은 대응하는 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))와 배터리 장치의 양극 연결 단자(DC(+)) 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 한 실시예에서, 대응하는 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))에 프리차지 스위치(123)의 제1 단자가 연결되고, 프리차지 스위치(123)의 제2 단자에 프리차지 저항(124)의 제1 단자가 연결되고, 프리차지 저항(124)의 제2 단자가 양극 연결 단자(DC(+))에 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 대응하는 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))에 프리차지 저항(124)의 제1 단자가 연결되고, 프리차지 저항(124)의 제2 단자에 프리차지 스위치(123)의 제1 단자가 연결되고, 프리차지 스위치(123)의 제2 단자가 양극 연결 단자(DC(+))에 연결될 수 있다. 어떤 실시예에서, 프리차지 스위치(123)는 릴레이를 포함하는 컨택터를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 프리차지 스위치(123)는 트랜지스터 등의 전기적 스위치를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 스위칭 회로(120)는 프리차지 제어 회로(130)로부터의 제어 신호(Cpc1', Cpc2')에 응답하여 프리차지 스위치(123)를 구동하는 구동 회로(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 프리차지 스위치(123)와 음극 스위치(122)가 닫히면, 프리차지 저항(124)을 통해 배터리 팩(110)에서 외부 장치(10)의 커패시터(11)로 전류가 공급되어 커패시터(11)를 프리차지할 수 있다. 도 1에서는 직렬로 연결된 프라차지 스위치(123)와 프리차지 저항(124)을 포함하는 프리차지 회로를 도시하였지만, 프리차지 제어 회로(130)로부터의 제어 신호에 응답하여 커패시터(11)를 프리차지할 수 있는 다른 프리차지 회로가 사용될 수도 있다.
복수의 프리차지 제어 회로(130)는 복수의 스위칭 회로(120)에 각각 대응한다. 즉, 각 프리차지 제어 회로(130)는 복수의 스위칭 회로(120) 중에서 대응하는 스위칭 회로(120)에 연결되어 있다. 어떤 실시예에서, 프리차지 제어 회로(130)는 대응하는 배터리 팩(110)의 전압과 커패시터(11)의 전압 사이의 차이에 기초해서 대응하는 프리차지 스위치(123)의 동작을 제어할 수 있다. 프리차지 제어 회로(130)는 프로세서(140)로부터의 대응하는 스위칭 회로(120)의 프리차지 스위치(123)를 닫기 위한 제어 신호(Cpc1, Cpc2)에 응답하여 동작한다. 프리차지 스위치(123)를 닫기 위한 제어 신호(Cpc1, Cpc2)를 수신하는 경우, 프리차지 제어 회로(130)는 커패시터(11)의 전압이 대응하는 배터리 팩(110)의 전압보다 낮은 경우에 프리차지 스위치(123)를 닫고, 커패시터(11)의 전압이 대응하는 배터리 팩(110)의 전압과 동일하거나 유사한 경우에 프리차지 스위치(123)를 닫지 않을 수 있다. 예를 들면, 배터리 팩(110)의 전압과 커패시터(11)의 전압 사이의 차이가 소정 전압(제1 소정 전압) 이하인 경우, 커패시터(11)의 전압이 배터리 팩(110)의 전압과 동일하거나 유사하다고 결정할 수 있다. 어떤 실시예에서, 소정 전압은 0V일 수 있다.
프로세서(140)는 스위칭 회로(120)와 프리차지 제어 회로(130)의 동작을 제어한다. 프로세서(140)는 예를 들면 마이크로 제어 장치(micro controller unit, MCU)를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 프로세서(140)는 복수의 배터리 팩(110)의 전압에 기초해서 먼저 전력을 공급할 배터리 팩(110)을 선택할 수 있다. 따라서, 프로세서(140)는 선택한 배터리 팩(110)에 대응하는 스위칭 회로(120)를 구동할 수 있다.
어떤 실시예에서, 프로세서(140)는 복수의 배터리 팩(110) 중에서 전압이 가장 높은 배터리 팩(110)에 연결된 스위칭 회로(120)를 제어하여 해당 배터리 팩(110)을 통해 전력을 공급할 수 있다. 다음, 해당 배터리 팩(110)의 전압이 다른 배터리 팩(110)의 전압과 비슷해지면, 프로세서(140)는 다른 배터리 팩(110)에 연결된 스위칭 회로(120)를 제어하여 적어도 두 개의 병렬 배터리 팩(110)을 통해 전력을 공급할 수 있다. 두 배터리 팩(110)을 통해 동시에 전력을 공급하는 경우, 두 배터리 팩(110) 사이의 전압 차이가 소정 전압(제2 소정 전압)보다 크면 높은 전압을 가지는 배터리 팩(110)에서 낮은 전압을 가지는 배터리 팩(110)으로 돌입(inrush) 전류가 흐를 수 있다. 이에 따라, 전압이 높은 배터리 팩(110)을 통해 먼저 전력을 공급한 후에, 전압이 비슷해질 때 다른 배터리 팩(110)을 통해서도 전력을 공급함으로써 돌입 전류의 발생을 방지할 수 있다. 어떤 실시예에서, 두 배터리 팩(110)의 전압이 비슷해지는 경우는 두 배터리 팩(110)의 전압 차이가 소정 전압 이하로 되는 경우를 의미할 수 있다. 어떤 실시예에서, 소정 전압은 돌입 전류가 발생하지 않거나 회로에 영향을 미치지 않을 정도의 돌입 정도가 발생하는 전압 차이로 실험적으로 정해질 수 있다.
어떤 실시예에서, 배터리 장치는 복수의 배터리 팩(110)의 전압 및/또는 커패시터(11)의 전압을 감지하는 전압 감지 회로(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 스위칭 회로(120), 프리차지 제어 회로(130) 및/또는 프로세서(140)는 배터리 장치의 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)에 포함될 수 있다.
위에서 설명한 것처럼, 어떤 실시예에서, 프리차지 제어 회로(130)는 프로세서(140)로부터 제1 제어 신호(Cpc1)를 수신하며, 배터리 팩(110)의 전압과 커패시터(11)의 전압 사이의 차이가 소정 전압보다 큰 경우에 제1 제어 신호(Cpc1)에 응답하여 프리차지 스위치(123)를 닫고, 배터리 팩(110)의 전압과 커패시터(11)의 전압 사이의 차이가 소정 전압 이하인 경우에 프리차지 스위치(123)를 닫지 않을 수 있다.
도 2는 한 실시예에 따른 배터리 장치의 제어 신호의 타이밍의 한 예를 나타내는 도면이다. 도 2에서는 편의상 두 개의 배터리 팩(BP1, BP2)을 예로 들어서 설명한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 배터리 장치의 초기 구동 시에 프로세서(140)는 복수의 배터리 팩(BP1, BP2) 중 전압이 높은 배터리 팩(예를 들면, BP1)을 통해 먼저 전력을 공급한다. 이를 위해, 프로세서(140)는 먼저 배터리 팩(BP1)에 연결된 스위칭 회로의 음극 스위치(122)를 닫기 위한 제어 신호(Cn1)를 출력한다. 즉, 프로세서(140)는 제어 신호(Cn1)를 디스에이블 레벨에서 인에이블 레벨로 전환한다. 어떤 실시예에서, 인에이블 레벨은 하이 레벨(H)이고, 디스에이블 레벨은 로우 레벨(L)일 수 있다.
다음, 프로세서(140)는 음극 스위치(122)를 닫은 상태에서 배터리 팩(BP1)에 연결된 프리차지 스위치(예를 들면, 도 1의 123)를 닫기 위한 제어 신호(Cpc1)를 출력한다. 즉, 프로세서(140)는 제어 신호(Cpc1)를 디스에이블 레벨에서 인에이블 레벨로 전환한다. 프리차지 제어 회로(130)는 제어 신호(Cpc1)에 응답하여 인에이블 레벨을 가지는 제어 신호(Cpc1')를 출력한다. 제어 신호(Cpc1')에 응답하여 프리차지 스위치(123)가 닫히는 경우, 배터리 팩(BP1)으로부터 프리차지 저항(124)을 통해 외부 장치의 커패시터(11)로 프리차지 전류가 공급되어 커패시터(11)가 프리차지될 수 있다. 한편, 커패시터(11)가 이미 배터리 팩(BP1)의 전압으로 충전되어 있는 경우, 제어 신호(Cpc1)의 인에이블 레벨에 관계없이, 프리차지 제어 회로(130)는 디스에이블 레벨을 가지는 제어 신호(Cpc1')를 출력하고, 이에 따라 프리차지 스위치(123)가 닫히지 않을 수 있다. 또한, 프리차지 스위치(123)가 닫혀서 커패시터(11)가 배터리 팩(BP1)의 전압까지 프리차지되는 경우, 제어 신호(Cpc1)가 디스에이블 레벨로 바뀌기 전이라도, 프리차지 제어 회로(130)는 제어 신호(Cpc1')를 디스에이블 레벨로 전환하여 프리차지 스위치(123)가 열릴 수 있다.
커패시터(11)를 프리차지한 후에, 프로세서(140)는 배터리 팩(BP1)을 통해 전력을 공급하기 위해, 배터리 팩(BP1)에 연결된 양극 스위치(121)를 닫기 위한 제어 신호(Cp1)를 출력한다. 즉, 프로세서(140)는 제어 신호(Cp1)를 디스에이블 레벨에서 인에이블 레벨로 전환한다. 이 경우, 프리차지가 완료되었으므로, 프로세서(140)는 프리차지 스위치(123)를 열기 위해 제어 신호(Cpc1)를 디스에이블 레벨로 전환할 있다.
다음, 배터리 팩(BP1)의 전압이 낮아져서 배터리 팩(BP2)의 전압과 비슷해지는 경우, 프로세서(140)는 배터리 팩(BP2)을 통해서도 전력을 공급한다. 즉, 배터리 팩(BP1, BP2)을 통해 전력을 공급할 수 있다. 이를 위해, 프로세서(140)는 먼저 배터리 팩(BP2)에 연결된 스위칭 회로의 음극 스위치(122)를 닫기 위한 제어 신호(Cn2)를 출력한다. 즉, 프로세서(140)는 제어 신호(Cn2)를 디스에이블 레벨에서 인에이블 레벨로 전환한다. 다음, 프로세서(140)는 음극 스위치(122)를 닫은 상태에서 배터리 팩(BP2)에 연결된 프리차지 스위치(123)를 닫기 위한 제어 신호(Cpc2)를 출력한다. 즉, 프로세서(140)는 제어 신호(Cpc2)를 디스에이블 레벨에서 인에이블 레벨로 전환한다. 이 경우, 배터리 팩(BP1)을 통해 전력 공급을 통해 커패시터(11)가 이미 배터리 팩(BP2)의 전압까지 충전되어 있으므로, 제어 신호(Cpc2)의 인에이블 레벨에 관계없이, 배터리 팩(BP2)에 연결된 프리차지 제어 회로(123)는 디스에이블 레벨을 가지는 제어 신호(Cpc2')를 출력할 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩(BP2)에 연결된 프리차지 스위치(123)가 닫히지 않을 수 있다. 한편, 커패시터(11)의 방전에 의해 커패시터(11)에 충전된 전압이 배터리 팩(BP2)의 전압보다 낮은 경우, 프리차지 제어 회로(123)는 인에이블 레벨을 가지는 제어 신호(Cpc2')를 출력하고, 프리차지 스위치(123)가 닫혀서 커패시터(11)가 프리차지될 수 있다.
다음, 프로세서(140)는 배터리 팩(BP2)을 통해 전력을 공급하기 위해, 배터리 팩(BP2)에 연결된 양극 스위치(121)를 닫기 위한 제어 신호(Cp2)를 출력한다. 즉, 프로세서(140)는 제어 신호(Cp2)를 디스에이블 레벨에서 인에이블 레벨로 전환한다. 이 경우, 프로세서(140)는 프리차지를 위한 제어 신호(Cpc2)를 디스에이블 레벨로 전환할 있다.
위에서 설명한 것처럼, 어떤 실시예에서, 제1 프리차지 제어 회로(130)는 제1 배터리 팩(BP1)의 전압과 커패시터(11)의 전압 사이의 차이에 기초해서 제1 프리차지 스위치(123)를 제어할 수 있다. 제2 프리차지 제어 회로(130)는 제2 배터리 팩(BP2)의 전압과 커패시터(11)의 전압 사이의 차이에 기초해서 제2 프리차지 스위치(123)를 제어할 수 있다. 프로세서(140)는 제1 프리차지 스위치(123)를 제어하기 위한 제1 제어 신호(Cpc1)를 제1 프리차지 제어 회로(130)로 전달하고, 제2 프리차지 스위치(123)를 제어하기 위한 제2 제어 신호(Cpc2)를 제2 프리차지 제어 회로(130)로 전달할 수 있다.
어떤 실시예에서, 프로세서(140)로부터 인에이블 레벨을 가지는 제1 제어 신호(Cpc1)를 수신하는 경우, 제1 프리차지 제어 회로(130)는 제1 배터리 팩(BP1)의 전압과 커패시터(11)의 전압 사이의 차이가 소정 전압보다 큰 경우에, 제1 프리차지 스위치(123)를 닫을 수 있다.
어떤 실시예에서, 프로세서(140)로부터 인에이블 레벨을 가지는 제1 제어 신호(Cpc1)를 수신하는 경우, 제1 프리차지 제어 회로(130)는 제1 배터리 팩(BP1)의 전압과 커패시터(11)의 전압 사이의 차이가 소정 전압 이하인 경우에, 제1 프리차지 스위치(123)를 닫지 않을 수 있다.
이와 같이, 다양한 실시예에 따르면, 커패시터(11)에 충분한 전압이 충전되어 있어서 프리차지가 불필요한 경우에는 제어 신호에 관계없이 프리차지를 수행하지 않으므로, 불필요한 프리차지 과정을 생략할 수 있다. 이에 따라, 프리차지 회로의 수명을 연장할 수 있다.
도 3 및 도 4는 각각 한 실시예에 따른 배터리 장치에서 프리차지 제어 회로의 예를 나타내는 도면이다. 도 3 및 도 4에서는 설명의 편의상 하나의 배터리 팩에 연결되는 프리차지 제어 회로를 도시하였다.
도 3을 참고하면, 프리차지 제어 회로(330)는 비교기(331) 및 논리 회로(332)를 포함한다. 도 3에서, 배터리 팩(310), 양극 스위치(321), 음극 스위치(322), 프리차지 스위치(323) 및 프리차지 저항(324)은 도 1을 참고로 하여 설명한 배터리 팩(110), 양극 스위치(121), 음극 스위치(122), 프리차지 스위치(123) 및 프리차지 저항(124)과 유사하므로, 그 설명을 생략한다.
비교기(331)는 배터리 팩(310)의 전압(Vp)과 외부 장치의 커패시터(340)의 전압(Vc)을 입력 받는다. 어떤 실시예에서, 전압 감지 회로(도시하지 않음)가 배터리 팩(310)과 양극 스위치(321) 또는 프리차지 스위치(323)의 접점의 전압을 감지함으로써 배터리 팩(310)의 전압(Vp)을 측정할 수 있다. 어떤 실시예에서, 전압 감지 회로가 양극 연결 단자(DC(+))와 양극 스위치(321) 또는 프리차지 저항(324)의 접점의 전압을 감지함으로써 커패시터(340)의 전압(Vc)을 측정할 수 있다.
비교기(331)는 배터리 팩(310)의 전압(Vp)과 커패시터(340)의 전압(Vc)을 비교하고, 비교 결과에 따른 출력 신호, 즉 제어 신호(Cc)를 출력한다. 어떤 실시예에서, 비교기(331)는 배터리 팩(310)의 전압(Vp)과 외부 장치의 커패시터(340)의 전압(Vc)의 차이가 임계 전압 이하인 경우에 인에이블 레벨을 가지는 제어 신호(Cc)를 출력할 수 있다. 한 실시예에서, 비교기(331)는 배터리 팩(310)의 전압(Vp)과 커패시터(340)의 전압(Vc)이 동일한 경우(즉, 임계 전압이 0V인 경우)에 인에이블 레벨을 가지는 제어 신호(Cc)를 출력할 수 있다. 어떤 실시예에서, 비교기(331)는 배터리 팩(310)의 전압(Vp)이 커패시터(340)의 전압(Vc)보다 높고 그 차가 임계 전압보다 큰 경우에 디스에이블 레벨을 가지는 제어 신호(Cc)를 출력할 수 있다. 한 실시예에서, 비교기(331)는 배터리 팩(310)의 전압(Vp)이 커패시터(340)의 전압(Vc)보다 높은 경우(즉, 임계 전압이 0V인 경우)에 디스에이블 레벨을 가지는 제어 신호(Cc)를 출력할 수 있다.
논리 회로(332)는 비교기(331)에서 출력되는 제어 신호(Cc)와 프로세서(예를 들면, 도 1의 140)에서 출력되는 프리차지 스위치(323)를 제어하기 위한 제어 신호(Cpc)를 입력 받는다. 논리 회로(332)는 제어 신호(Cc)와 제어 신호(Cpc)를 논리 연산하여서 제어 신호(Cpc')를 출력한다. 어떤 실시예에서, 논리 회로(332)는 두 제어 신호(Cc, Cpc)가 모두 인에이블 레벨을 가지는 경우, 인에이블 레벨을 가지는 제어 신호(Cpc')를 출력하고, 이에 따라 프리차지 스위치(323)가 닫힐 수 있다. 어떤 실시예에서, 논리 회로(332)는 두 제어 신호(Cc, Cpc)가 적어도 하나의 제어 신호가 디스에이블 레벨을 가지는 경우, 디스에이블 레벨을 가지는 제어 신호(Cpc')를 출력하고, 이에 따라 프리차지 스위치(323)가 열릴 수 있다. 어떤 실시예에서, 인에이블 레벨이 하이 레벨인 경우, 논리 회로(332)는 AND 게이트를 포함할 수 있다.
이와 같이, 프리차지 제어 회로(330)는 커패시터(340)에 충분한 전압이 충전되어 있어서 프리차지가 불필요한 경우에는 제어 신호에 관계없이 프리차지 스위치가 닫지 않을 수 있다. 이에 따라, 불필요한 프리차지 과정을 생략하여 프리차지 회로의 수명을 연장할 수 있다.
도 4를 참고하면, 프리차지 제어 회로(430)는 비교기(431), 논리 회로(432) 및 지연 회로(433)를 포함한다.
비교기(431)는 배터리 팩(310)의 전압(Vp)과 외부 장치의 커패시터(340)의 전압(Vc)을 입력 받고, 비교 결과에 따른 제어 신호(Cc)를 출력한다. 논리 회로(432)는 비교기(431)에서 출력되는 제어 신호(Cc)와 프로세서(예를 들면, 도 1의 140)에서 출력되는 프리차지 스위치(323)를 제어하기 위한 제어 신호(Cpc)를 입력 받고, 제어 신호(Cc)와 제어 신호(Cpc)를 논리 연산하여서 제어 신호(Cpc')를 출력한다. 비교기(431)와 논리 회로(432)는 도 3을 참고로 하여 설명한 비교기(331) 및 논리 회로(332)와 유사한 동작을 수행하므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
지연 회로(433)는 논리 회로(432)에서 출력되는 제어 신호를 수신하고, 제어 신호를 소정 시간만큼 지연한 후에 제어 신호(Cpc')를 출력한다. 프리차지 스위치(323)는 제어 신호(Cpc')의 인에이블 레벨에 응답하여 닫힐 수 있다.
이와 같이, 지연 회로(433)가 제어 신호를 지연함으로써, 프리차지 스위치(323)가 닫힐 때 음극 스위치(322)와 동시에 닫히는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 한 실시예에 따른 프리차지 제어 방법의 한 예를 나타내는 흐름도이다.
도 5를 참고하면, 배터리 장치의 배터리 관리 시스템은 배터리 팩을 통해 전력을 공급하기 위해 스위칭 절차를 시작한다(S510). 먼저, 배터리 관리 시스템은 음극 스위치(예를 들면, 도 1의 122)를 닫는다(S520). 어떤 실시예에서, 배터리 관리 시스템은 음극 스위치(122)를 닫기 위해 인에이블 레벨을 가지는 제어 신호를 음극 스위치(122)로 전달할 수 있다(S520).
다음, 배터리 관리 시스템은 외부 장치의 커패시터(예를 들면, 도 1의 11)가 충분히 충전되어 있는지 판단한다(S530). 어떤 실시예에서, 배터리 관리 시스템은 배터리 팩의 전압과 커패시터(11)의 전압 사이의 차이에 기초해서 커패시터(11)를 프리차지할지를 결정할 수 있다(S530). 커패시터(11)가 충분히 충전되어 있는 경우, 배터리 관리 시스템은 커패시터(11)를 프리차지하지 않기로 결정할 수 있다. 이 경우, 배터리 관리 시스템은 프리차지 스위치(예를 들면, 도 1의 123)를 연 상태로 유지하고, 양극 스위치(예를 들면, 도 1의 121)를 닫는다(S550). 한편, 커패시터(11)가 충분히 충전되어 있지 않은 경우, 배터리 관리 시스템은 커패시터(11)를 프리차지하기로 결정하고, 프리차지 스위치(123)를 닫는다(S540). 어떤 실시예에서, 배터리 관리 시스템은 커패시터(11)에 충전된 전압과 전력을 공급할 배터리 팩의 전압을 비교하여서 커패시터(11)가 충분히 충전되어 있는지를 판단할 수 있다(S530). 어떤 실시예에서, 배터리 관리 시스템은 프리차지 스위치(123)를 닫기 위해 인에이블 레벨을 가지는 제어 신호를 프리차지 스위치(123)로 전달할 수 있다(S540). 어떤 실시예에서, 배터리 관리 시스템은 양극 스위치(121)를 닫기 위해 인에이블 레벨을 가지는 제어 신호를 양극 스위치(121)로 전달할 수 있다(S550).
양극 스위치(121)를 닫은 후에, 배터리 관리 시스템은 프리차지 스위치(123)를 연다(S560). 어떤 실시예에서, 배터리 관리 시스템은 프리차지 스위치(123)를 열기 위해 디스에이블 레벨을 가지는 제어 신호를 프리차지 스위치(123)로 전달할 수 있다(S560).
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (15)

  1. 병렬로 연결되는 제1 배터리 팩과 제2 배터리 팩,
    상기 제1 배터리 팩의 한 단자와 외부 장치의 커패시터 사이에 연결되는 제1 프리차지 스위치,
    상기 제2 배터리 팩의 한 단자와 상기 커패시터 사이에 연결되는 제2 프리차지 스위치,
    상기 제1 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이에 기초해서 상기 제1 프리차지 스위치의 동작을 제어하는 제1 프리차지 제어 회로,
    상기 제2 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이에 기초해서 상기 제2 프리차지 스위치의 동작을 제어하는 제2 프리차지 제어 회로, 그리고
    상기 제1 프리차지 스위치를 제어하기 위한 제1 제어 신호를 상기 제1 프리차지 제어 회로로 전달하고, 상기 제2 프리차지 스위치를 제어하기 위한 제2 제어 신호를 상기 제2 프리차지 제어 회로로 전달하는 프로세서
    를 포함하는 배터리 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 프로세서로부터 인에이블 레벨을 가지는 상기 제1 제어 신호를 수신하는 경우, 상기 제1 프리차지 제어 회로는 상기 제1 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이가 소정 전압보다 큰 경우에, 상기 제1 프리차지 스위치를 닫는, 배터리 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 프로세서로부터 인에이블 레벨을 가지는 상기 제1 제어 신호를 수신하는 경우, 상기 제1 프리차지 제어 회로는 상기 제1 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이가 소정 전압 이하인 경우에, 상기 제1 프리차지 스위치를 닫지 않는, 배터리 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 소정 전압은 0V인, 배터리 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 프리차지 제어 회로는
    상기 제1 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압을 비교하는 비교기, 그리고
    상기 비교기의 비교 결과에 따른 출력 신호와 상기 제1 제어 신호를 논리 연산하여 제3 제어 신호를 출력하는 논리 회로를 포함하며,
    상기 제3 제어 신호에 기초해서 상기 제1 프리차지 스위치를 제어하는
    배터리 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 프리차지 제어 회로는
    상기 제1 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압을 비교하는 비교기,
    상기 비교기의 비교 결과에 따른 출력 신호와 상기 제1 제어 신호를 논리 연산하여 제3 제어 신호를 출력하는 논리 회로, 그리고
    상기 제3 제어 신호를 지연하여 제4 제어 신호를 출력하는 지연 회로를 포함하며,
    상기 제4 제어 신호에 기초해서 상기 제1 프리차지 스위치를 제어하는
    배터리 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 제2 배터리 팩의 전압이 상기 제1 배터리 팩의 전압보다 높은 경우에, 상기 프로세서는 인에이블 레벨을 가지는 상기 제2 제어 신호를 먼저 출력하고, 상기 제2 배터리 팩의 전압과 상기 제1 배터리 팩의 전압 사이의 차이가 소정 전압 이하로 되는 경우 인에이블 레벨을 가지는 상기 제1 제어 신호를 출력하는, 배터리 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 제1 프리차지 스위치가 닫히는 경우에 상기 제1 배터리 팩에서 상기 커패시터로 흐르는 전류가 통과하는 제1 프리차지 저항, 그리고
    상기 제2 프리차지 스위치가 닫히는 경우에 상기 제2 배터리 팩에서 상기 커패시터로 흐르는 전류가 통과하는 제2 프리차지 저항
    을 더 포함하는 배터리 장치.
  9. 배터리 팩을 포함하는 배터리 장치의 배터리 관리 시스템으로서,
    상기 배터리 팩의 한 단자와 외부 장치의 커패시터 사이에 연결되는 프리차지 스위치,
    상기 프리차지 스위치를 제어하기 위한 제1 제어 신호를 출력하는 프로세서, 그리고
    상기 제1 제어 신호를 수신하며, 상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이가 소정 전압보다 큰 경우에 상기 제1 제어 신호에 응답하여 상기 프리차지 스위치를 닫고, 상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이가 상기 소정 전압 이하인 경우에 상기 프리차지 스위치를 닫지 않는 프리차지 제어 회로
    를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  10. 제9항에서,
    상기 프리차지 제어 회로는
    상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압을 비교하는 비교기, 그리고
    상기 비교기의 비교 결과에 따른 출력 신호와 상기 제1 제어 신호를 논리 연산하여 제2 제어 신호를 출력하는 논리 회로를 포함하며,
    상기 제2 제어 신호에 기초해서 상기 프리차지 스위치를 제어하는
    배터리 관리 시스템.
  11. 제9항에서,
    상기 프리차지 제어 회로는
    상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압을 비교하는 비교기,
    상기 비교기의 비교 결과에 따른 출력 신호와 상기 제1 제어 신호를 논리 연산하여 제2 제어 신호를 출력하는 논리 회로, 그리고
    상기 제2 제어 신호를 지연하여 제3 제어 신호를 출력하는 지연 회로를 포함하며,
    상기 제3 제어 신호에 기초해서 상기 프리차지 스위치를 제어하는
    배터리 관리 시스템.
  12. 제9항에서,
    상기 프리차지 스위치가 닫히는 경우에 상기 배터리 팩에서 상기 커패시터로 흐르는 전류가 통과하는 프리차지 저항을 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
  13. 배터리 팩을 포함하는 배터리 장치에서 커패시터를 프리차지하는 방법으로서,
    상기 배터리 팩의 음극 스위치를 닫는 단계,
    상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이에 기초해서 상기 커패시터를 프리차지할지를 결정하는 단계,
    상기 커패시터를 프리차지할지의 결정에 기초해서, 상기 프리차지 스위치를 닫거나 연 상태를 유지하는 단계, 그리고
    상기 배터리 팩의 양극 스위치를 닫는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 프리차지할지를 결정하는 단계는 상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이가 소정 전압 이하인 경우에 상기 커패시터를 프리차지하는 것으로 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제13항에서,
    상기 프리차지할지를 결정하는 단계는 상기 배터리 팩의 전압과 상기 커패시터의 전압 사이의 차이가 소정 전압보다 큰 경우에 상기 커패시터를 프리차지하지 않는 것으로 결정하는 단계를 포함하는 방법.
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