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KR102316715B1 - 싸이클러용 영전압 방전회로 장치 - Google Patents

싸이클러용 영전압 방전회로 장치 Download PDF

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KR102316715B1
KR102316715B1 KR1020200028766A KR20200028766A KR102316715B1 KR 102316715 B1 KR102316715 B1 KR 102316715B1 KR 1020200028766 A KR1020200028766 A KR 1020200028766A KR 20200028766 A KR20200028766 A KR 20200028766A KR 102316715 B1 KR102316715 B1 KR 102316715B1
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Abstract

본 발명은 싸이클러용 영전압 방전회로 장치에 관한 것으로, 특히 이차 전지의 방전 모드에서 관련 스위칭 소자들을 반복적으로 온오프하지 않고 지속적인 턴온 상태를 유지한 상태에서 이차 전지가 방전될 수 있도록 구성함으로써, 저내압 스위칭 소자들을 이용하여 방전 회로를 구성할 수 있도록 하고, 가동 전압의 변경 없이 스위칭 소자들의 선택적 턴온만으로 충전 전류와 방전 전류를 발생할 수 있도록 구성함으로써, 충방전을 위한 전력 손실을 감소시킬 수 있고, 충방전을 위한 제어 동작을 단순화시킬 수 있도록 하는 싸이클러용 영전압 방전회로 장치에 관한 것이다.
본 발명인 싸이클러용 영전압 방전회로 장치를 이루는 구성수단은, 가동 전압 인가 수단에 의해 가동 전압이 인가되는 노드에 해당하는 가동 전압 인가 노드에 일단이 연결되고 타단이 제1 노드에 연결되는 제1 스위칭 소자, 상기 가동 전압 인가 노드에 일단이 연결되고 타단이 제2 노드에 연결되되, 상기 제1 스위칭 소자와 병렬로 연결되는 제2 스위칭 소자, 상기 제1 노드에 일단이 연결되고 타단이 기준 노드에 연결되는 제3 스위칭 소자, 상기 제2 노드에 일단이 연결되고 타단이 상기 기준 노드에 연결되는 제4 스위칭 소자, 상기 제1 노드에 일단이 연결되고 타단이 이차 전지의 양(+) 단자와 연결되는 제3 노드에 연결되는 제1 인덕터, 상기 제3 노드에 일단이 연결되고 타단이 상기 기준 노드에 연결되는 제1 커패시터, 상기 제2 노드에 타단이 연결되고 일단이 이차 전지의 음(-) 단자와 연결되는 제4 노드에 연결되는 제2 인덕터, 상기 제4 노드에 일단이 연결되고 타단이 상기 기준 노드에 연결되는 제2 커패시터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

싸이클러용 영전압 방전회로 장치{Zero voltage discharge circuit device}
본 발명은 싸이클러용 영전압 방전회로 장치에 관한 것으로, 특히 이차 전지의 방전 모드에서 관련 스위칭 소자들을 반복적으로 온오프하지 않고 지속적인 턴온 상태를 유지한 상태에서 이차 전지가 방전될 수 있도록 구성함으로써, 저내압 스위칭 소자들을 이용하여 방전 회로를 구성할 수 있도록 하고, 가동 전압의 변경 없이 스위칭 소자들의 선택적 턴온만으로 충전 전류와 방전 전류를 발생할 수 있도록 구성함으로써, 충방전을 위한 전력 손실을 감소시킬 수 있고, 충방전을 위한 제어 동작을 단순화시킬 수 있도록 하는 싸이클러용 영전압 방전회로 장치에 관한 것이다.
영전압 방전(Zero Voltage Discharge)의 정의는 배터리를 방전하는 과정에 있어서, 배터리 전압이 0V에 도달할 때까지, 전류의 크기가 일정한 정전류 모드(CCM : Constant Current Mode)로 동작하는 것을 의미한다.
영전압 방전의 필요성으로서, 충방전기는 이차전지의 제품 제조시 사용되는 일반 충방전(Formation)용과, 제품 설계 및 연구를 위해 좀 더 많은 반복회수 동안 충방전을 반복하는 싸이클러(Cycler)용으로 구분되며, 싸이클러용 장비의 경우 전압 사용범위가 0 ~ 4.5V 이며 보다 낮은 전압까지 하강시켜 방전시켜야 하므로, 사용자의 요구 조건에 부합하기 위하여 영전압 방전 회로 구현이 중요하다.
기존 회로에서 영전압 방전 구현이 안되는 이유로서는, 충방전기의 경우 부하 배선이 길어(약 6 ~ 10m) 부하 배선에 전류가 도통할 시 전압 강하가 발생하며(약 0.7 ~ 1.0 V), 또한 회로 내부 반도체 소자(다이오드, MOSFET 등)의 도통에 의한 전압 강하가 발생함으로써, 상기 전압 강하 성분들로 인해 배터리 전압이 낮은 영역에서 정전류 방전이 유지되지 못하는 것이다. 이러한 이유로, 종래의 충방전회로에서는 배터리 전압이 2.0V 이하에서는 정전류로 방전을 유지할 수 없었다.
이와 같이, 이차전지의 시험(test)를 위하여 사용되어진 종래의 이차전지 충방전회로는, 이차전지의 일정 전압 이상(예 정격전압의 20%의 전압)까지만 방전시킬 수 있었고 그 이하로는 방전시키지 못하였다. 따라서 이차전지를 충분히 시험하지 못하는 문제점이 있었다.
이러한 종래의 충방전회로의 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국 등록특허 10-1197078호(이하, "선행기술문헌"이라 함)는 별도의 보조 전원을 추가하지 않은 상태에서 스위칭 동작만으로 방전을 구현하여 이차전지에 남아있는 소량의 전압 (20% 이하 ~ 0%)도 충분히 방전시킬 수 있는 능동 스위칭소자를 구비한 영전압 방전회로 장치를 개시하고 있다.
그러나, 상기 선행기술문헌에서 제시된 영전압 방전회로 장치는 충전 또는 방전 시에 각각 관련 스위칭 소자들이 PWM 제어에 따라 스위칭 온오프 동작이 반복되기 때문에, 기생공진에 의한 스위칭 소자들의 내압이 높아질 수밖에 없고, 이로 인하여 고내압 스위칭 소자들을 사용하여 회로 구성에 소요되는 비용이 증가할 수밖에 없다.
또한, 상기 선행기술문헌에서 제시한 영전압 방전회로 장치는 충전 전류와 방전 전류를 발생하기 위하여 변압기의 1차측 및 2차측에 연결된 모든 스위칭 소자들에 대한 선택적 제어가 요청되고, 충방전에 따라 변압기 2차측의 전압 극성이 변경되도록 제어해야 하기 때문에, 충방전을 위한 제어 동작이 복잡해지는 단점을 가진다.
대한민국 등록특허 10-1197078호(공고일자 : 2012년 11월 07일, 발명의 명칭 : 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로 장치)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 이차 전지의 방전 모드에서 관련 스위칭 소자들을 반복적으로 온오프하지 않고 지속적인 턴온 상태를 유지한 상태에서 이차 전지가 방전될 수 있도록 구성함으로써, 저내압 스위칭 소자들을 이용하여 방전 회로를 구성할 수 있도록 하여 충방전회로 구성을 위한 비용을 절감할 수 있도록 하는 싸이클러용 영전압 방전회로 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 가동 전압의 변경 없이 스위칭 소자들의 선택적 턴온만으로 충전 전류와 방전 전류를 발생할 수 있도록 구성함으로써, 충방전을 위한 전력 손실을 감소시킬 수 있고, 충방전을 위한 제어 동작을 단순화시킬 수 있도록 하는 싸이클러용 영전압 방전회로 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 싸이클러용 영전압 방전회로 장치를 이루는 구성수단은, 가동 전압 인가 수단에 의해 가동 전압이 인가되는 노드에 해당하는 가동 전압 인가 노드에 일단이 연결되고 타단이 제1 노드에 연결되는 제1 스위칭 소자, 상기 가동 전압 인가 노드에 일단이 연결되고 타단이 제2 노드에 연결되되, 상기 제1 스위칭 소자와 병렬로 연결되는 제2 스위칭 소자, 상기 제1 노드에 일단이 연결되고 타단이 기준 노드에 연결되는 제3 스위칭 소자, 상기 제2 노드에 일단이 연결되고 타단이 상기 기준 노드에 연결되는 제4 스위칭 소자, 상기 제1 노드에 일단이 연결되고 타단이 이차 전지의 양(+) 단자와 연결되는 제3 노드에 연결되는 제1 인덕터, 상기 제3 노드에 일단이 연결되고 타단이 상기 기준 노드에 연결되는 제1 커패시터, 상기 제2 노드에 타단이 연결되고 일단이 이차 전지의 음(-) 단자와 연결되는 제4 노드에 연결되는 제2 인덕터, 상기 제4 노드에 일단이 연결되고 타단이 상기 기준 노드에 연결되는 제2 커패시터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 이차 전지의 충전 모드인 경우에 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 상기 제4 스위칭 소자(S4)만이 턴온되고, 상기 제2 스위칭 소자(S2)와 제3 스위칭 소자(S3)는 턴오프되며, 상기 이차 전지의 방전 모드인 경우에 상기 제2 스위칭 소자(S2)와 상기 제3 스위칭 소자(S3)만이 턴온되고, 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 제4 스위칭 소자(S4)는 턴오프되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가동 전압 인가 수단은 상기 이차 전지의 충전 모드 및 방전 모드에서 상기 가동 전압 인가 노드에 동일한 가동 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 과제 및 해결 수단을 가지는 본 발명인 싸이클러용 영전압 방전회로 장치에 의하면, 이차 전지의 방전 모드에서 관련 스위칭 소자들을 반복적으로 온오프하지 않고 지속적인 턴온 상태를 유지한 상태에서 이차 전지가 방전될 수 있도록 구성하기 때문에, 저내압 스위칭 소자들을 이용하여 방전 회로를 구성할 수 있도록 하여 충방전회로 구성을 위한 비용을 절감할 수 있도록 하는 장점이 발생된다.
또한, 본 발명에 의하면, 가동 전압의 변경 없이 스위칭 소자들의 선택적 턴온만으로 충전 전류와 방전 전류를 발생할 수 있도록 구성하기 때문에, 충방전을 위한 전력 손실을 감소시킬 수 있고, 충방전을 위한 제어 동작을 단순화시킬 수 있도록 하는 효과가 발생한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 싸이클러용 영전압 방전회로 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 싸이클러용 영전압 방전회로 장치의 충전 모드에서의 동작을 설명하기 위한 전류 흐름을 보여주는 도 1의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 싸이클러용 영전압 방전회로 장치의 방전 모드에서의 동작을 설명하기 위한 전류 흐름을 보여주는 도 1의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 싸이클러용 영전압 방전회로 장치의 충전 및 방전 모드에서의 스위칭 소자들에 대한 제어 신호 및 관련 노드에서의 전압의 파형도를 보여준다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라, 스위칭 소자들을 스위칭하기 위한 제어수단과 스위칭신호 발생수단의 접속상태를 나타낸 제어 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 과제, 해결수단 및 효과를 가지는 본 발명인 싸이클러용 영전압 방전회로 장치 장치에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응되는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지는 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 동작 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 동작이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 싸이클러용 영전압 방전회로 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 싸이클러용 영전압 방전회로 장치는 가동 전압 인가 수단(1)을 포함하여 구성되고, 상기 가동 전압 인가 수단(1)은 가동 전압(Vin)을 생성하여 가동 전압 인가 노드(Nin)에 인가한다. 즉, 상기 가동 전압 인가 수단(1)은 양의 전압에 해당하는 가동 전압(Vin)을 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)에 공급하도록 동작한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 싸이클러용 영전압 방전회로 장치는 이차 전지(3)에 충전하는 동작과 이차 전지(3)를 방전시키는 동작을 수행하기 위하여, 네개의 스위칭 소자, 즉 제1 스위칭 소자(S1), 제2 스위칭 소자(S2), 제3 스위칭 소자(S3) 및 제4 스위칭 소자(S4)를 포함하고, 두 개의 인덕터, 즉 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)를 포함하며, 두 개의 커패시터, 즉 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)를 포함하여 구성된다.
상기 제1 스위칭 소자(S1)는 상기 가동 전압 인가 수단(1)에 의해 가동 전압(Vin)이 인가되는 노드에 해당하는 가동 전압 인가 노드(Nin)에 일단이 연결되고 타단이 제1 노드(N1)에 연결된다.
상기 제1 스위칭 소자(S1)는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Trasnsistor, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)으로 구성된다. 상기 제1 스위칭 소자(S1)는 구체적으로, 드레인이 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)에 연결되고 소스가 상기 제1 노드(N1)에 연결되도록 배치된다.
상기 MOSFET으로 구성되는 제1 스위칭 소자(S1)에는 제1 다이오드(D1)가 연결되어 있다. 상기 제1 다이오드(D1)는 상기 MOSFET으로 구성되는 제1 스위칭 소자(S1)가 온(ON) 상태에서 턴오프되는 순간 드레인측에 걸리는 높은 역기전력으로 인해 파손되는 것을 방지하기 위하여 연결된다. 상기 제1 다이오드(D1)는 애노드가 상기 제1 노드(N1)에 연결되고 캐소드가 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)에 연결되도록 배치된다.
상기 제2 스위칭 소자(S2)는 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)에 일단이 연결되고 타단이 제2 노드(N2)에 연결되되, 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 병렬로 연결된다.
상기 제2 스위칭 소자(S2) 역시 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 동일하게 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Trasnsistor, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)으로 구성된다. 상기 제2 스위칭 소자(S2)는 구체적으로 드레인이 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)에 연결되고 소스가 상기 제2 노드(N2)에 연결되도록 배치된다.
상기 MOSFET으로 구성되는 제2 스위칭 소자(S2)에는 역시 제2 다이오드(D2)가 연결되어 있다. 상기 제2 다이오드(D2)는 상기 MOSFET으로 구성되는 제2 스위칭 소자(S2)가 온(ON) 상태에서 턴오프되는 순간 드레인측에 걸리는 높은 역기전력으로 인해 파손되는 것을 방지하기 위하여 연결된다. 상기 제2 다이오드(D2)는 애노드가 상기 제2 노드(N2)에 연결되고 캐소드가 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)에 연결되도록 배치된다.
상기 제3 스위칭 소자(S3)는 상기 제1 노드(N1)에 일단이 연결되고 타단이 기준 노드(Nr)에 연결된다. 여기서 상기 기준 노드(Nr)는 접지에 연결되는 것이 바람직하다.
상기 제3 스위칭 소자(S3) 역시 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 동일하게 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Trasnsistor, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)으로 구성된다. 상기 제3 스위칭 소자(S3)는 구체적으로 드레인이 상기 제1 노드(N1)에 연결되고 소스가 상기 기준 노드(Nr)에 연결되도록 배치된다.
상기 MOSFET으로 구성되는 제3 스위칭 소자(S3)에는 역시 제3 다이오드(D3)이 연결되어 있다. 상기 제3 다이오드(D3)는 상기 MOSFET으로 구성되는 제3 스위칭 소자(S3)가 온(ON) 상태에서 턴오프되는 순간 드레인측에 걸리는 높은 역기전력으로 인해 파손되는 것을 방지하기 위하여 연결된다. 상기 제3 다이오드(D3)는 애노드가 상기 기준 노드(Nr)에 연결되고 캐소드가 상기 제1 노드(N1)에 연결되도록 배치된다.
상기 제4 스위칭 소자(S4)는 상기 제2 노드(N2)에 일단이 연결되고 타단이 상기 기준 노드(Nr)에 연결된다. 여기서 상기 기준 노드(Nr)는 접지에 연결되는 것이 바람직하다.
상기 제4 스위칭 소자(S4) 역시 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 동일하게 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Trasnsistor, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)으로 구성된다. 상기 제4 스위칭 소자(S34)는 구체적으로 드레인이 상기 제2 노드(N2)에 연결되고 소스가 상기 기준 노드(Nr)에 연결되도록 배치된다.
상기 MOSFET으로 구성되는 제4 스위칭 소자(S4)에는 역시 제4 다이오드(D4)이 연결되어 있다. 상기 제4 다이오드(D4)는 상기 MOSFET으로 구성되는 제4 스위칭 소자(S4)가 온(ON) 상태에서 턴오프되는 순간 드레인측에 걸리는 높은 역기전력으로 인해 파손되는 것을 방지하기 위하여 연결된다. 상기 제4 다이오드(D4)는 애노드가 상기 기준 노드(Nr)에 연결되고 캐소드가 상기 제2 노드(N2)에 연결되도록 배치된다.
상기 제1 인덕터(L1)는 상기 제1 노드(N1)에 일단이 연결되고 타단이 이차 전지(3)의 양(+) 단자와 연결되는 제3 노드(N3)에 연결된다. 구체적으로, 상기 제1 인덕터(L1)의 일단은 상기 제1 스위칭 소자(S1)의 소스와 상기 제3 스위칭 소자(S3)의 드레인과 상기 제1 노드(N1)를 통해 서로 연결되고, 타단은 상기 이차 전지(3)의 양(+) 단자와 상기 제3 노드(N3)를 통해 서로 연결된다.
상기 제1 인덕터(L1)는 전류 안정화 코일로 구성되어, 충전 전류 및 방전 전류가 안정적으로 흐를 수 있도록 동작한다. 특히, 상기 제1 인덕터(L1)는 후술하는 바와 같이, 상기 2차 전지(3)를 충전시키는 충전 모드에서 충전 전류가 상기 2차 전지(3)에 안정적으로 흐를 수 있도록 하는데에 직접적으로 관여한다.
상기 제1 커패시터(C1)는 상기 제3 노드(N3)에 일단이 연결되고 타단이 상기 기준 노드(Nr)에 연결된다. 구체적으로, 상기 제1 커패시터(C1)의 일단은 상기 제1 인덕터(L1)의 타단과 상기 이차 전지(3)의 양(+) 단자와 상기 제3 노드(N3)를 통해 서로 연결되고, 타단은 상기 제3 스위칭 소자(S3)의 소스와 상기 제4 스위칭 소자(S4)의 소스와 기준 노드(Nr)를 통해 서로 연결된다.
상기 제1 커패시터(C1)는 상기 이차 전지(3)에 대한 충전 모드 및 방전 모드에서 상기 이차 전지의 전압의 파형을 안정화시키기 위한 전압 안정화 커패시터로서 동작한다. 특히, 상기 제1 커패시터(C1)는 후술하는 바와 같이, 상기 2차 전지(3)를 충전시키는 충전 모드에서 상기 2차 전지(3)와 병렬로 연결되어 상기 2차 전지의 전압의 파형을 안정화시키는데에 직접적으로 관여한다.
상기 제2 인덕터(L2)는 상기 제2 노드(N2)에 타단이 연결되고 일단이 상기 이차 전지(3)의 음(-) 단자와 연결되는 제4 노드(N4)에 연결된다. 구체적으로, 상기 제2 인덕터(L2)의 타단은 상기 제2 스위칭 소자(S2)의 소스와 상기 제4 스위칭 소자(S4)의 드레인과 상기 제2 노드(N2)를 통해 서로 연결되고, 일단은 상기 이차 전지(3)의 음(-) 단자와 상기 제4 노드(N4)를 통해 서로 연결된다.
상기 제2 인덕터(L2)는 전류 안정화 코일로 구성되어, 충전 전류 및 방전 전류가 안정적으로 흐를 수 있도록 동작한다. 특히, 상기 제2 인덕터(L2)는 후술하는 바와 같이, 상기 2차 전지(3)를 방전시키는 방전 모드에서 방전 전류가 상기 2차 전지(3)에 안정적으로 흐를 수 있도록 하는데에 직접적으로 관여한다.
상기 제2 커패시터(C2)는 상기 제4 노드(N4)에 일단이 연결되고 타단이 상기 기준 노드(Nr)에 연결된다. 구체적으로, 상기 제2 커패시터(C2)의 일단은 상기 제2 인덕터(L2)의 일단과 상기 이차 전지(3)의 음(-) 단자와 상기 제4 노드(N4)를 통해 서로 연결되고, 타단은 상기 제3 스위칭 소자(S3)의 소스, 상기 제4 스위칭 소자(S4)의 소스 및 상기 제1 커패시터(C1)의 타단과 기준 노드(Nr)를 통해 서로 연결된다.
상기 제2 커패시터(C2)는 상기 이차 전지(3)에 대한 충전 모드 및 방전 모드에서 상기 이차 전지의 전압의 파형을 안정화시키기 위한 전압 안정화 커패시터로서 동작한다. 특히, 상기 제2 커패시터(C2)는 후술하는 바와 같이, 상기 2차 전지(3)를 방전시키는 방전 모드에서 상기 2차 전지(3)와 병렬로 연결되어 상기 2차 전지의 전압의 파형을 안정화시키는데에 직접적으로 관여한다.
이하에서는 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 싸이클러용 영전압 방전회로 장치의 동작을 도 2 및 도 3의 회로도와 도 4의 파형도를 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 영전압 방전 회로 장치는 상기 이차 전지(3)를 충전하는 동작 및 방전하는 동작이 수행될 수 있도록 상기 스위칭 소자들(S1, S2, S3, S4)의 스위칭을 선택적으로 제어할 수 있는 제어수단(5)과 스위칭 신호 발생수단(7)을 더 포함하여 구성된다.
도 5에 도시된 바와 같이 제어수단(5)은 상기 스위칭 소자들(S1, S2, S3, S4)을 스위칭하기 위한 제어 신호를 출력하도록 스위칭 신호 발생수단(7)에 접속되어 있다. 상기 스위칭 신호 발생 수단(7)은 도 1의 각 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)를 턴온/턴오프시키는 스위칭 신호를 출력하도록, 상기 각 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)의 게이트에 접속되어 있다.
구체적으로, 상기 제어수단(5)은 도 4에 도시된 바와 같이, 도 2에 도시된 충전 모드(Mode 1)의 동작에서는 상기 스위칭 신호 발생 수단(7)이 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 제4 스위칭 소자(S4)를 턴온시키고 상기 제2 스위칭 소자(S2)와 제3 스위칭 소자(S3)를 턴오프시킬 수 있도록 제어하고, 도 3에 도시된 방전 모드(Mode 2)의 동작에서는 상기 스위칭 신호 발생 수단(7)이 상기 제2 스위칭 소자(S2)와 제3 스위칭 소자(S3)를 턴온시키고 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 제4 스위칭 소자(S4)를 턴오프시킬 수 있도록 제어한다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 싸이클러용 영전압 방전회로 장치는 상기 이차 전지(3)의 충전 모드(Mode 1)인 경우에 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 상기 제4 스위칭 소자(S4)만이 턴온되고, 상기 이차 전지(3)의 방전 모드(Mode 2)인 경우에 상기 제2 스위칭 소자(S2) 및 상기 제3 스위칭 소자(S3)만이 턴온되도록 동작한다.
도 2를 참조하여 상기 이차 전지(3)를 충전시키기 위한 충전 모드(Mode 1)의 동작 및 충전 전류의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
도 5의 제어 수단(5)으로부터 스위칭 신호 발생수단(7)으로 도 4의 충전 모드(Mode 1)에 대응하는 스위칭 제어신호가 출력된다. 즉, 도 4의 충전 모드(Mode 1), 상기 스위칭 신호 발생수단(7)으로부터 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 상기 제4 스위칭 소자(S4)의 게이트로 턴온 신호가 출력됨과 동시에, 상기 제2 스위칭 소자(S2)와 제3 스위칭 소자(S3)로 턴오프 신호가 출력된다. 그러면 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 상기 제4 스위칭 소자(S4)가 턴온됨과 동시에, 상기 제2 스위칭 소자(S2)와 제3 스위칭 소자(S3)가 턴오프된다.
상술한 바와 같이, 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 상기 제2 스위칭 소자(S2)의 각 일단, 즉 각 드레인이 함께 연결되는 가동 전압 인가 노드(Nin)에는 상기 가동 전압 인가 수단(1)에서 생성하여 공급하는 가동 전압(Vin)이 인가된다.
그러면, 도 2에 도시된 바와 같이, 충전 전류가 가동 전압 인가 노드(Nin) --> 제1 스위칭 소자(S1) --> 제1 노드(N1) --> 제1 인덕터(L1) --> 제3 노드(N3) --> 이차 전지(3)의 양(+) 단자 --> 이차 전지(3)의 음(-) 단자 --> 제4 노드(N4) --> 제2 인덕터(L2) --> 제2 노드(N2) --> 제4 스위칭 소자(S4) --> 기준 노드(Nr) --> 가동 전압 인가 수단(1)으로 형성되는 폐회로를 따라 흐르게 된다.
상기 가동 전압(Vin)이 제1 인덕터(L1)에 인가됨에 따라, 상기 제1 인덕터(L1)가 상기 이차 전지(3)의 양(+) 단자로 충전 전류를 안정적으로 흐르게 할 수 있고, 이 충전 전류의 흐름을 통해 상기 이차 전지(3)가 충전될 수 있다. 또한, 상기 충전 전류가 제2 인덕터(L2)와 상기 제4 스위칭 소자(S4)를 따라 흐름으로 인하여 상기 이차 전지(3)의 음(-) 단자는 상기 제1 커패시터(C1)의 타단이 연결되는 기준 노드(Nr)에 연결된다고 볼 수 있고, 상기 이차 전지(3)의 양(+) 단자와 상기 제1 캐패시터(C1)의 일단은 상기 제3 노드(N3)를 통해 연결되기 때문에, 상기 이차 전지(3)는 상기 제1 커패시터(C1)에 병렬 연결된 상태를 유지할 수 있고, 이로 인하여 상기 이차 전지(3)는 전압 안정화 커패시터로서 동작하는 상기 제1 커패시터(C1)에 의하여 안정적인 파형을 유지하면서 충전될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 도 2에 도시된 충전 모드에서, 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)에는 상기 가동 전압(Vin)이 인가되기 때문에, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)의 전압(VNin)은 + Vin 이고, 이 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)의 전압(VNin)은 충전 모드 중에는 지속적으로 동일하게 + Vin을 유지한다.
상기 제1 스위칭 소자(S1)가 턴온되기 때문에, 상기 제1 노드(N1)에 걸리는 전압은 상기 제1 스위칭 소자(S1)에 의한 전압 강하가 "0"인 것을 전제하에, 가동 전압에 해당하는 + Vin이 된다. 또한, 상기 제4 스위칭 소자(S4)가 턴온되기 때문에, 상기 제2 노드(N2)에 걸리는 전압은 상기 제4 스위칭 소자(S4)에 의한 전압 강하가 "0"인 것을 전제하에, 기준 노드(Nr)의 접지 전압 즉 "0"이 된다. 따라서, 상기 제1 노드(N1)와 상기 제2 노드(N2) 사이의 전압, 구체적으로 상기 제2 노드(N2) 대한 상기 제1 노드(N1)의 전압(Vx)는 도 4에 도시된 바와 같이, 가동 전압에 해당하는 + Vin이 된다.
상기 제2 노드(N2) 대한 상기 제1 노드(N2)의 전압(Vx)이 + Vin이기 때문에, 상기 제1 인덕터(L1)는 상기 이차 전지(3)의 양(+) 단자에서 음(-) 단자 방향으로 충전 전류를 흐르게 하고, 이를 통해 상기 이차 전지(3)가 충전될 수 있다. 물론, 상기 충전 전류는 상술한 폐회로를 따라 흐르기 때문에, 상기 제2 인덕터(L2) 역시 상기 충전 전류를 흐르게 하는데 일조를 한다.
도 3을 참조하여 상기 이차 전지(3)를 충전시키기 위한 방전 모드(Mode 2)의 동작 및 방전 전류의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
도 5의 제어 수단(5)으로부터 스위칭 신호 발생수단(7)으로 도 4의 방전 모드(Mode 2)에 대응하는 스위칭 제어신호가 출력된다. 즉, 도 4의 방전 모드(Mode 2), 상기 스위칭 신호 발생수단(7)으로부터 상기 제2 스위칭 소자(S2)와 상기 제3 스위칭 소자(S3)의 게이트로 턴온 신호가 출력됨과 동시에, 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 제4 스위칭 소자(S4)로 턴오프 신호가 출력된다. 그러면 상기 제2 스위칭 소자(S2)와 상기 제3 스위칭 소자(S3)가 턴온됨과 동시에, 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 제4 스위칭 소자(S4)가 턴오프된다.
상술한 바와 같이, 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 상기 제2 스위칭 소자(S2)의 각 일단, 즉 각 드레인이 함께 연결되는 가동 전압 인가 노드(Nin)에는 상기 가동 전압 인가 수단(1)에서 생성하여 공급하는 인가 전압(Vin)이 인가된다.
그러면, 도 3에 도시된 바와 같이, 방전 전류가 가동 전압 인가 노드(Nin) --> 제2 스위칭 소자(S2) --> 제2 노드(N2) --> 제2 인덕터(L2) --> 제4 노드(N4) --> 이차 전지(3)의 음(-) 단자 --> 이차 전지(3)의 양(+) 단자 --> 제3 노드(N3) --> 제1 인덕터(L1) --> 제1 노드(N1) --> 제3 스위칭 소자(S3) --> 기준 노드(Nr) --> 가동 전압 인가 수단(1)으로 형성되는 폐회로를 따라 흐르게 된다. 결국, 이차 전지(3)의 음(-) 단자에서 양(+) 단자로 전류(방전 전류)를 흐르게 하고, 이로 인하여 결국 이차 전지(3)는 충전 전압을 방전시키는 방전 동작을 수행한다.
상기 가동 전압(Vin)이 제2 인덕터(L2)에 인가됨에 따라, 상기 제2 인덕터(L2)가 상기 이차 전지(3)의 음(-) 단자로 방전 전류를 안정적으로 흐르게 할 수 있고, 이 방전 전류의 흐름을 통해 상기 이차 전지(3)가 충전 모드에서 충전한 충전 전압을 방전할 수 있다. 또한, 상기 충전 전류가 제1 인덕터(L1)와 상기 제3 스위칭 소자(S3)를 따라 흐름으로 인하여 상기 이차 전지(3)의 양(+) 단자는 상기 제2 커패시터(C2)의 타단이 연결되는 기준 노드(Nr)에 연결된다고 볼 수 있고, 상기 이차 전지(3)의 음(-) 단자와 상기 제2 캐패시터(C2)의 일단은 상기 제4 노드(N4)를 통해 연결되기 때문에, 상기 이차 전지(3)는 상기 제2 커패시터(C2)에 병렬 연결된 상태를 유지할 수 있고, 이로 인하여 상기 이차 전지(3)는 전압 안정화 커패시터로서 동작하는 상기 제2 커패시터(C2)에 의하여 안정적인 파형을 유지하면서 방전될 수 있다.
이와 같은 방전 과정에서, 상기 방전 모드로 동작되도록 하는 상기 상기 제2 스위칭 소자(S2)와 상기 제3 스위칭 소자(S3)는 도 3에 도시된 방전 회로가 상기 방전 모드로 동작하는 동안 온오프되지 않고 턴온 상태를 지속적으로 유지한다. 결과적으로, 본 발명인 싸이클러용 영전압 방전회로 장치에 의하면, 이차 전지(3)의 방전 모드에서 상기 제2 스위칭 소자(S2)와 상기 제3 스위칭 소자(S3)를 반복적으로 온오프하지 않고 지속적인 턴온 상태를 유지한 상태에서 이차 전지(3)가 방전될 수 있도록 구성하기 때문에, 저내압 스위칭 소자들을 이용하여 방전 회로를 구성할 수 있도록 하여 충방전회로 구성을 위한 비용을 절감할 수 있도록 하는 장점이 발생된다.
한편, 상술한 바와 같이, 도 3에 도시된 방전 모드에서, 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)에는 도 2의 충전 모드와 동일하게 상기 가동 전압(Vin)이 인가되기 때문에, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)의 전압(VNin)은 + Vin 이고, 이 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)의 전압(VNin)은 방전 모드 중에는 지속적으로 동일하게 + Vin을 유지한다.
즉, 상기 가동 전압 인가 수단(1)은 상기 이차 전지(3)의 충전 모드(Mode 1) 및 방전 모드(Mode 2)에서 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)에 동일한 가동 전압(Vin)을 인가한다. 이와 같이, 본 발명에 따른 싸이클러용 영전압 방전회로 장치는 충전 모드와 방전 모드에서 가동 전압을 변동하지 않는다. 이와 같이, 본 발명에서는 충전 모드와 방전 모드의 전환을 위하여 각 모드를 위한 가동 전압(Vin)을 달리하여 가변시키는 것이 아니라, 상기 가동 전압 인가 수단(1)에 의하여 동일하게 인가될 수 있도록 한다. 본 발명에서의 충전 모드와 방전 모드의 전환은 가동 전압(Vin)의 변경 없이 상기 스위칭 소자들의 선택적 턴온만으로 가능하도록 한다. 즉, 본 발명에 의하면, 가동 전압(Vin)의 변경 없이 스위칭 소자들의 선택적 턴온만으로 충전 전류와 방전 전류를 발생할 수 있도록 구성하기 때문에, 충방전을 위한 전력 손실을 감소시킬 수 있고, 충방전을 위한 제어 동작을 단순화시킬 수 있도록 하는 효과가 발생한다.
상기 제2 스위칭 소자(S2)가 턴온되기 때문에, 상기 제2 노드(N2)에 걸리는 전압은 상기 제2 스위칭 소자(S2)에 의한 전압 강하가 "0"인 것을 전제하에, 가동 전압에 해당하는 + Vin이 된다. 또한, 상기 제3 스위칭 소자(S3)가 턴온되기 때문에, 상기 제1 노드(N1)에 걸리는 전압은 상기 제3 스위칭 소자(S3)에 의한 전압 강하가 "0"인 것을 전제하에, 기준 노드(Nr)의 접지 전압 즉 "0"이 된다. 따라서, 상기 제1 노드(N1)와 상기 제2 노드(N2) 사이의 전압, 구체적으로 상기 제2 노드(N2) 대한 상기 제1 노드(N1)의 전압(Vx)은 도 4에 도시된 바와 같이, 음의 가동 전압에 해당하는 - Vin이 된다.
상기 제2 노드(N2) 대한 상기 제1 노드(N2)의 전압(Vx)이 - Vin이기 때문에, 상기 제2 인덕터(L2)는 상기 이차 전지(3)의 음(-) 단자에서 양(+) 단자 방향으로 방전 전류를 흐르게 하고, 이를 통해 상기 이차 전지(3)가 충전 모드에서 충전한 전압이 방전될 수 있다. 물론, 상기 방전 전류는 상술한 폐회로를 따라 흐르기 때문에, 상기 제1 인덕터(L1) 역시 상기 방전 전류를 흐르게 하는데 일조를 한다.
상술한 바와 같이, 상기 방전 전류는 상기 가동 전압 인가 수단(1)으로 유입되고 이 과정을 통하여 상기 이차 전지(3)의 전압은 방전될 수 있다. 한편, 이 방전 과정에서 상기 이차 전지(3)의 전압만으로는 0V 전위까지 충분하게 방전될 수 없다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 싸이클러용 영전압 방전회로 장치는 방전 모드에서 상기 가동 전압 인가 노드에 충전 모드와 동일한 가동 전압을 인가되도록 하고, 결과적으로 제2 스위칭 소자(S2)의 턴온으로 인해 상기 가동 전압이 상기 제2 인덕터(L2)에 유기될 수 있도록 한다. 상기 제2 인덕터(L2)에 유기된 상기 가동 전압은 방전 모드에서 보조전원과 같은 역할을 하여 이차 전지(3)의 전압이 낮은 영역에서도 이차 전지(3)의 방전 전류가 유지될 수 있도록 하는 역할을 한다. 결과적으로, 상기 이차 전지를 0V 전위까지 충분히 방전될 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1 : 가동 전압 인가 수단 3 : 이차 전지
5 : 제어 수단 7 : 스위칭 신호 발생수단
L1 : 제1 인덕터 L2 : 제2 인덕터
C1 : 제1 커패시터 C2 : 제2 커패시터
S1 : 제1 스위칭 소자 S2 : 제2 스위칭 소자
S3 : 제3 스위칭 소자 S4 : 제4 스위칭 소자
D1 : 제1 다이오드 D2 : 제2 다이오드
D3 : 제3 다이오드 D4 : 제4 다이오드
Vin : 가동 전압 Nin : 가동 전압 인가 노드
Nr : 기준 노드 N1 : 제1 노드
N2 : 제2 노드 N3 : 제3 노드
N4 : 제4 노드

Claims (3)

  1. 싸이클러용 영전압 방전회로 장치에 있어서,
    가동 전압 인가 수단(1)에 의해 가동 전압(Vin)이 인가되는 노드에 해당하는 가동 전압 인가 노드(Nin)에 일단이 연결되고 타단이 제1 노드(N1)에 연결되는 제1 스위칭 소자(S1);
    상기 가동 전압 인가 노드(Nin)에 일단이 연결되고 타단이 제2 노드(N2)에 연결되되, 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 병렬로 연결되는 제2 스위칭 소자(S2);
    상기 제1 노드(N1)에 일단이 연결되고 타단이 기준 노드(Nr)에 연결되는 제3 스위칭 소자(S3);
    상기 제2 노드(N2)에 일단이 연결되고 타단이 상기 기준 노드(Nr)에 연결되는 제4 스위칭 소자(S4);
    상기 제1 노드(N1)에 일단이 연결되고 타단이 이차 전지(3)의 양(+) 단자와 연결되는 제3 노드(N3)에 연결되는 제1 인덕터(L1);
    상기 제3 노드(N3)에 일단이 연결되고 타단이 상기 기준 노드(Nr)에 연결되는 제1 커패시터(C1);
    상기 제2 노드(N2)에 타단이 연결되고 일단이 이차 전지(3)의 음(-) 단자와 연결되는 제4 노드(N4)에 연결되는 제2 인덕터(L2);
    상기 제4 노드(N4)에 일단이 연결되고 타단이 상기 기준 노드(Nr)에 연결되는 제2 커패시터(C2)를 포함하되,
    상기 이차 전지의 충전 모드인 경우에, 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)에는 지속적으로 동일한 가동 전압(Vin)이 인가되되, 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 상기 제4 스위칭 소자(S4)만이 턴온되고, 상기 제2 스위칭 소자(S2)와 제3 스위칭 소자(S3)는 턴오프되며,
    상기 충전 모드에서, 충전 전류가 가동 전압 인가 노드(Nin) --> 제1 스위칭 소자(S1) --> 제1 노드(N1) --> 제1 인덕터(L1) --> 제3 노드(N3) --> 이차 전지(3)의 양(+) 단자 --> 이차 전지(3)의 음(-) 단자 --> 제4 노드(N4) --> 제2 인덕터(L2) --> 제2 노드(N2) --> 제4 스위칭 소자(S4) --> 기준 노드(Nr) --> 가동 전압 인가 수단(1)으로 형성되는 폐회로를 따라 흐르게 되고,
    상기 이차 전지의 방전 모드인 경우에, 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)에는 지속적으로 동일한 가동 전압(Vin)이 인가되되, 상기 제2 스위칭 소자(S2)와 상기 제3 스위칭 소자(S3)만이 턴온되고, 상기 제1 스위칭 소자(S1)와 제4 스위칭 소자(S4)는 턴오프되고, 상기 제2 스위칭 소자(S2)와 상기 제3 스위칭 소자(S3)는 방전 모드에서 온오프되지 않고 턴온 상태를 지속적으로 유지하며,
    상기 방전 모드에서, 방전 전류가 가동 전압 인가 노드(Nin) --> 제2 스위칭 소자(S2) --> 제2 노드(N2) --> 제2 인덕터(L2) --> 제4 노드(N4) --> 이차 전지(3)의 음(-) 단자 --> 이차 전지(3)의 양(+) 단자 --> 제3 노드(N3) --> 제1 인덕터(L1) --> 제1 노드(N1) --> 제3 스위칭 소자(S3) --> 기준 노드(Nr) --> 가동 전압 인가 수단(1)으로 형성되는 폐회로를 따라 흐르게 되고,
    상기 이차 전지의 충전 모드에서, 상기 제1 인덕터(L1)가 상기 이차 전지(3)의 양(+) 단자로 충전 전류를 안정적으로 흐르게 하고, 상기 이차 전지(3)는 상기 제1 커패시터(C1)에 병렬 연결된 상태를 유지하며,
    상기 이차 전지의 방전 모드에서, 상기 제2 인덕터(L2)가 상기 이차 전지(3)의 음(-) 단자로 방전 전류를 안정적으로 흐르게 하고, 상기 이차 전지(3)는 상기 제2 커패시터(C2)에 병렬 연결된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 싸이클러용 영전압 방전회로 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가동 전압 인가 수단(1)은 상기 이차 전지(3)의 충전 모드 및 방전 모드에서 상기 가동 전압 인가 노드(Nin)에 동일한 가동 전압(Vin)을 인가하는 것을 특징으로 하는 싸이클러용 영전압 방전회로 장치.
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