KR102530002B1 - 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치, 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치의 전력 공급 방법, 전지 시스템 및 차량 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 저전압 전지를 갖는 차량의 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치는, 상기 전지 시스템에 연결되도록 구성된 입력 노드 및 마이크로컨트롤러에 연결된 출력 노드를 갖는 제1 DC/DC 컨버터; 서로 갈바닉 절연된 저전압측 서브 회로 및 고전압측 서브 회로를 포함하는 웨이크 업 회로; 및 상기 저전압 전지에 연결되도록 구성된 입력 노드 및 상기 웨이크 업 회로 에 연결된 출력 노드를 갖는 제2 DC/DC 컨버터를 포함하고, 상기 마이크로컨트롤러는, 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하도록 구성되며, 상기 저전압측 서브 회로는, 수신되는 웨이크 업 신호에 응답하여 상기 제2 DC/DC 컨버터로부터 수신된 전기 에너지를 상기 고전압측 서브 회로로 전송하고, 상기 고전압측 서브 회로는 상기 저전압측 서브 회로로부터 전기 에너지를 수신하여 상기 제1 DC/DC 컨버터로 전송하도록 구성될 수 있다.

Description

전지 시스템을 위한 제어 전자 장치, 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치의 전력 공급 방법, 전지 시스템 및 차량{CONTROL ELECTRONICS FOR BATTERY SYSTEM, METHOD FOR POWER SUPPLYING CONTROL ELECTRONICS FOR BATTERY SYSTEM, BATTERY SYSTEM AND VEHICLE}
본 발명은 전지 시스템, 특히 저전압 전지를 포함하는 차량의 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치, 이를 포함하는 전지 시스템 및 차량에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 또한 이러한 제어 전자 장치에 전력을 공급하는 방법에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable or secondary battery)는 충전과 방전을 반복적으로 할 수 있다는 점에서, 화학 에너지로부터 전기 에너지로 비가역적 변환만을 하는 일차 전지(primary battery)와 다르다. 저용량의 이차 전지는 셀룰러폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치용 전원으로서 사용되는 반면, 고용량의 이차 전지는 하이브리드(hybrid) 차량 등을 위한 전원으로 사용된다.
일반적으로, 이차 전지들은 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 전극 단자들을 포함한다. 양극, 음극 및 전해질 용액의 화학적 반응을 통해 이차 전지의 충전 및 방전이 가능하도록 하기 위해, 이차 전지의 케이스 내부로 전해질 용액이 주입된다. 케이스의 형상은 예를 들어, 원통형, 직사각형 등으로 전지의 용도에 따라서 달라진다.
이차 전지들은 예를 들어, 하이브리드 차량의 모터 구동용과 같이 높은 에너지 밀도를 제공하기 위해, 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 전지 셀들로 구성된 전지 모듈로서 사용될 수 있다. 즉, 전지 모듈은, 고전력 이차 전지(예를 들어, 전기 차량용)를 구현하기 위해 필요한 전력량에 따라 복수의 단위 전지 셀의 전극 단자들을 상호 연결함으로써 형성된다. 하나 이상의 전지 모듈은 기계적 및 전기적으로 통합되고, 열 관리 시스템을 구비하며, 전지 시스템을 구성하기 위해 하나 이상의 전기 소비자(electrical consumer)와 통신하도록 설정된다.
전지의 전력 출력 및 충전에 대한 고정(static) 제어만으로는 전지 시스템에 연결된 다양한 전기 소비자들의 동적 전력 수요를 충족시키기에 충분하지 않다. 따라서, 전지 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에는 지속적 또는 간헐적인 정보 교환이 요구된다. 전지 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에 교환되는 정보는, 전기 소비자의 실제/예측된 전력 수요나 잉여 전력뿐만 아니라, 전지 시스템의 충전 상태(State of Charge, SoC), 잠재적인 전기 성능, 충전 능력 및 내부 저항을 포함한다.
전지 시스템은 통상적으로 전술한 파라미터들의 모니터링, 제어 또는 설정을 위해 전지 관리 유닛(Battery management Unit, BMU) 또는 전지 관리 시스템(Battery Management System, BMS)을 포함한다. 이러한 제어 유닛들은 전지 시스템 내부에 장착되는 필수 부품으로 전지 시스템과 함께 공통 하우징 내에 배치되거나, 적절한 통신 버스를 통해 전지 시스템과 통신하는 원격 제어 유닛의 일부일 수 있다. 두 경우 모두, 제어 유닛은 CAN(control area network), SPI(sereial peripheral interface) 인터페이스 등의 통신 버스를 통해 전기 소비자와 통신 할 수 있다.
전지 시스템의 제어 전자 장치(control electronics), 예를 들어, 전지 시스템 관리자(battery system manager, BSM), 전지 관리 시스템(battery management system, BMS), 전지 모니터링 유닛(battery monitoring unit, BMU) 또는 시스템 기반 칩(system basis chip, SBC)은, 그들이 제어하는 전지 시스템에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 이러한 방식은 제어 전자 장치를 위한 추가 전원이 생략될 수 있어, 전지 시스템의 설치 공간 요구를 감소시킬 수 있다. 그러나 전지 시스템의 출력 전압에 따라, 예를 들어, 48V와 같은 고전압의 전지 시스템은 제어 전자 장치에 전력을 공급 하기 위해 출력 전압의 조절이 요구된다.
또한, 차량의 전자 부품들은 일반적으로 12 V의 전압에서 동작하는 전기 보드 시스템을 통해 전원을 공급받는다. 12 V 보드넷(board net)은 안전 관련 기능들과 관련이 있을 수 있다. 예시적으로, 파워 스티어링(power steering) 시스템의 전자 제어 유닛(electronic control unit, ECU) 또는 미끄럼 방지(antiskid) 시스템의 ECU가 12V 보드넷에 통합될 수 있다. 12V 보드넷은, 12V 납축 전지(lead-acid battery)와 같이, 시동 발전기(starter generator)에 의해 충전될 수 있는 12V 전지 시스템을 포함할 수 있다.
전지 시스템의 제어 전자 장치와 차량의 전자 부품들과의 호환성을 제공하기 위해, 제어 전자 장치는 12 V 근처의 전압에서 동작될 수 있다. 전지 시스템이 12 V보다 높은 출력 전압(예를 들어, 48 V)을 제공하는 경우, BMS 및/또는 BMU에 자체적으로 전력을 공급하기 위해서는 전지 시스템의 출력 전압이 조정되어야만 한다.
또한 전지 시스템의 유휴 기간(idle period) 즉, 최소 전력 소비 기간 동안(예를 들어, 차량을 주차하는 동안)에는, 예를 들어, 열 폭주 또는 개별 셀들의 단락에 기인한 시스템 고장을 피하기 위해, 전지 전압들 및 내부 저항들과 같은 다양한 파라미터들이, 웨이크 업(wake up) 기간 동안 주기적으로 제어되어야 한다. 또한, BMU 및/또는 BMS와 같은 제어 전자 장치의 웨이크 업을 위한 시간 스케일을 제공하기 위해, 전지 시스템은 리얼 타임 클럭(real time clock, RTC)을 필요로 한다.
일반적으로 RTC는 집적 회로(integrated circuit, IC)로 제공되며, 시간 스케일을 도출하기 위해 수정 발진기를 포함하거나, 전력선 주파수(power line frequency)를 사용할 수 있다. RTC는 러닝 타임(running time)의 추적을 유지하기 위해 지속적으로 에너지를 공급받아야만 하고, 달력 날짜와 같이 시간 관련 정보를 유지하기 위해 휘발성/비휘발성 메모리를 더 포함할 수 있다.
특히 전기 차량에서는, 전지 시스템용 제어 전자 장치의 자체 전력 공급이 바람직할 수 있지만, 이를 위해 요구되는 전지 시스템의 출력 전압 변환은 상당한 에너지를 손실할 수 있다. 특히 슬립 또는 유휴 모드 동안, 전지 시스템의 출력 전압 변환으로 인한 에너지 손실은 제어 또는 RTC 전력 소비로 인한 에너지 손실보다 높을 수 있다.
본 발명의 실시 예를 통해 해결하고자 하는 과제는, 전지 시스템의 유휴 기간들 및/또는 제어 전자 장치의 슬립 모드 동안의 전력 소비를 감소시키면서, 전지 시스템에서 제어 전자 장치로의 자체 전력 공급을 허용하는, 제어 전자 장치, 그리고 이를 포함하는 전지 시스템 및 차량을 제공하는 것이다. 동시에 안전 조치를 충족해야 하며 설치 공간 요구 사항은 작아야 한다. 또한 전지 시스템의 수명 동안 RTC의 전원 공급이 보장되어야 한다.
본 발명의 제1 양태에 따르면 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치가 제공되며, 상기 제어 전자 장치는 구체적으로 저전압 전지를 더 포함하는 차량, 예를 들어, 전기 차량에서 이용되도록 구성될 수 있다. 여기서, 상기 저전압 전지는 시동 발전기(starter generator)에 의해 충전되는 스타터(starter) 전지이고, 상기 전지 시스템은 상기 차량의 모터 구동을 위한 고전압(high voltage, HV) 전지 시스템일 수 있다. 상기 제어 전자 장치는 고전압 및 저전압 각각에 대한 전력 입력 노드들을 포함함으로써, 상기 고전압 전지 시스템 및 상기 저전압 전지와 함께 사용되도록 구성될 수 있다.
상기 제어 전자 장치는 상기 전지 시스템으로부터 높은 공급 전압을 수신하기 위해, 상기 전지 시스템, 즉, 상기 전지 시스템의 전력 출력 노드에 연결되도록 구성된 입력 노드를 갖는 제1 DC/DC 컨버터(DC/DC converter)를 포함할 수 있다. 상기 제1 DC/DC 컨버터는 마이크로컨트롤러(microcontroller)에 전력을 공급하기 위해 상기 마이크로컨트롤러에 연결된 출력 노드, 특히 전력 출력 노드를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 마이크로컨트롤러는 또한 상기 제어 전자 장치의 일부이며 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 마이크로컨트롤러는 상기 제1 DC/DC 컨버터의 변환 비율, 즉 입력 전압과 출력 전압 사이의 비율을 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 DC/DC 컨버터는 벅 컨버터(buck converter), 부스트 컨버터(boost converter) 또는 벅-부스트 컨버터(buck-boost converter)일 수 있다. 그러나, 예를 들어, 차지 펌프(charge pump) 등과 같은 다른 DC/DC 컨버터 유형 또한 상기 제1 DC/DC 컨버터로 사용될 수 있다. 상기 마이크로컨트롤러는 상기 제1 DC/DC 컨버터의 듀티 사이클을 제어하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 마이크로컨트롤러는 제1 제어 신호를 상기 제1 DC/DC 컨버터의 스위칭 입력으로 전송하도록 구성될 수 있다. 상기 마이크로컨트롤러는 전압, 전류 등을 측정하고, 능동 및/또는 수동 밸런싱을 수행하는 것과 같이, 상기 전지 시스템에 대한 적어도 하나의 제어 기능을 수행하도록 추가로 구성될 수 있다.
상기 제어 전자 장치는 웨이크 업 회로(wake up circuit)를 더 포함하며, 상기 웨이크 업 회로는 서로 갈바닉 절연된 저전압측 서브 회로(low voltage sub ciruit)와 고전압측 서브 회로(또는 고전압 서브 회로(high voltage sub circuit))를 포함할 수 있다. 상기 저전압측 서브 회로 및 상기 고전압측 서브 회로는, 서로 갈바닉 절연되면서, 웨이크 업 신호(wake up signal)를 수신하는 것에 응답하여 상기 제1 DC/DC 컨버터를 웨이크 업하도록 구성되는 기능 유닛을 형성할 수 있다. 여기에서, 갈바닉 절연은 용량성(capacitive) 또는 유도성(inductive) 방식으로 구현될 수 있다. 또한, 상기 제1 DC/DC 컨버터를 웨이크 업하는 것은, 상기 마이크로컨트롤러가 상기 제1 DC/DC 컨트롤러를 제어할 수 있도록 허용하는 것으로서, 상기 마이크로컨트롤러는 웨이크 업 되면, 상기 마이크로컨트롤러에 허용된 기간 동안, 즉, 상기 제1 DC/DC 컨버터의 듀티 사이클 동안(또는 상기 제1 DC/DC 컨버터가 상기 마이크로컨트롤러에 전력을 공급하는 기간 동안), 상기 제1 DC/DC 컨버터, 즉, 상기 제1 DC/DC 컨버터의 듀티 사이클을 제어할 수 있다.
상기 제어 전자 장치는 상기 저전압 전지로부터 낮은 공급 전압을 수신하기 위해 상기 저전압 전지에 연결된 제2 DC/DC 컨버터를 더 포함하며, 상기 제2 DC/DC 컨버터는 상기 저전압 전지의 전력 출력에 연결되도록 구성될 수 있다. 상기 제2 DC/DC 컨버터는, 상기 웨이크 업 회로, 즉 상기 웨이크 업 회로의 상기 저전압측 서브 회로에 연결된 출력 노드를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 제2 DC/DC 컨버터는, 상기 (고전압) 전지 시스템과 상관없이, 상기 저전압측 서브 회로에 출력 전압, 즉 전기 에너지를 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 저전압측 서브 회로는 수신된 웨이크 업 신호에 응답하여, 상기 제2 DC/DC 컨버터로부터 수신된, 특히 상기 저전압측 서브 회로의 전력 입력을 통해 수신된, 전기 에너지를 상기 고전압측 서브 회로에 전송하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 전기 에너지는 갈바닉 절연을 통해서 전송되고, 예를 들어, 전류, 전압, 또는 빛과 같은 임의의 형태로 전송될 수 있다. 바람직하게는, 상기 전기 에너지는 전압으로서 전송된다. 상기 웨이크 업 신호는, 상기 저전압측 서브 회로에 지속적으로 제공되는 전기 에너지가 상기 고전압측 서브 회로에 선택적으로 전송될 수 있도록, 상기 저전압측 서브 회로의 신호 입력에 인가될 수 있다. 또한, 상기 제어 전자 장치에서, 상기 고전압측 서브 회로는 상기 저전압측 서브 회로로부터 전기 에너지를 수신하여 이를 상기 제1 DC/DC 컨버터로 전송하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 고전압측 서브 회로는 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하기 위해 상기 저전압측 서브 회로로부터 수신된 전기 에너지를 상기 제1 DC/DC 컨버터의 스위칭 입력으로 전송하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 상기 웨이크 업 회로, 즉 상기 고전압측 서브 회로는, 상기 웨이크 업 회로, 즉, 상기 저전압측 서브 회로에 인가된 웨이크 업 신호에 응답하여, 주어진 기간 동안 상기 제1 DC/DC 컨트롤러를 제어하도록 구성될 수 있다.
따라서, 상기 제어 전자 장치는 상기 전지 시스템 및 상기 차량의 상기 저전압 전지에 의해 하이브리드로 전력이 공급되도록 구성될 수 있으며, 상기 제어 전자 장치의 서브 유닛들은 그 기능에 따라 상기 전지 시스템 및/또는 상기 저전압 전지에 의해 전력을 공급 받을 수 있다. 예를 들어, 상기 고전압 전지 시스템의 상기 마이크로컨트롤러는, 상기 저전압 도메인(상기 저전압 전지)이 아닌, 상기 제1 DC/DC 컨버터를 통해 상기 전지 시스템으로부터 전력을 공급 받을 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 웨이크 업 회로는, 상기 저전압 전지에 의해 전력이 공급될 수 있다. 상기 제1 DC/DC 컨버터는 정상 모드(normal mode), 즉 상기 마이크로컨트롤러의 동작 모드(operation mode) 동안에, 상기 마이크로컨트롤러의 제어 하에 동작하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 상기 제1 DC/DC 컨버터는 상기 마이크로컨트롤러에 의해 제어되므로 상기 마이크로컨트롤러의 슬립 모드 동안 오프(비활성화)될 수 있다. 상기 제어 전자 장치에서, 상기 제1 DC/DC 컨버터는 상기 웨이크 업 회로의 상기 저전압측 서브 회로로부터 상기 고전압측 서브 회로로의 갈바닉 에너지 전송에 의해 시동될 수 있다. 따라서, 상기 마이크로컨트롤러는 슬립 모드 동안 상기 전지 시스템으로부터의 전류를 실질적으로 소비하지 않음으로써, 슬립 모드에서 상기 마이크로컨트롤러의 전력 소비는 제로가 될 수 있다. 상기 마이크로컨트롤러의 웨이크 업은, 예를 들어 상기 차량의 시동 시와 같은 상황에서, 상기 차량으로부터 인가되는 웨이크 업 신호에 응답하여, 상기 웨이크 업 회로에 의해 수행될 수 있다. 상기 웨이크 업 신호는, 저전압강하 레귤레이터(low dropout regulator, LDO)와 같은 상기 제2 DC/DC 컨버터를 통해, 또는 상기 제어 전자 장치의 리얼 타임 클럭(real time clock, RTC)를 통해 상기 웨이크 업 회로에 제공될 수 있다.
상기 제어 전자 장치는, 상기 마이크로컨트롤러의 슬립 모드 동안 전력 공급이 필요한 구성 요소들에, 상기 제2 DC/DC 컨버터를 통해, 상기 차량의 상기 저전압 전지에 의한 전력을 공급할 수 있다. 상기 저전압 전지에 의한 전력을 사용함으로써, 상기 마이크로컨트롤러의 슬립 모드 동안 상기 제2 DC/DC 컨버터로 인한 전력 손실은 매우 낮을 수 있다. 상기 제2 DC/DC 컨버터는 LDO일 수 있다. 또한, 상기 제어 전자 장치는, 예를 들어, ASIL B와 같은 가용성 요구 사항들을 충족시킬 필요가 있는지 여부에 따라, 상기 저전압 전지에 의해 제어될 수도 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 DC/DC 컨버터는 상기 전지 시스템의 출력 전압으로부터 상기 마이크로컨트롤러를 위한 공급 전압을 생성하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 전지 시스템을 제어하기 위한 상기 마이크로컨트롤러는 상기 전지 시스템을 통해 자체적으로 전력이 공급될 수 있다. 상기 마이크로컨트롤러는 또한 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하도록 구성될 수 있다. 따라서, 상기 제어 전자 장치는, 상기 마이크로컨트롤러가 슬립 모드에서 깨어나지 않는 것을 방지하기 위해, 상기 마이크로컨트롤러가 슬립 모드로 동작 중, 상기 마이크로컨트롤러를 웨이크 업 하기 위한 상기 웨이크 업 회로를 추가로 포함할 수 있다. 상기 마이크로컨트롤러는 상기 전지 시스템으로부터 자체적으로 공급 전압을 수신하면서, 상기 전지 시스템의 하나 이상의 전지 셀에 대해 적어도 하나의 제어 기능을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 마이크로컨트롤러는 적어도 하나의 전지 셀의 전압 및/또는 온도를 측정하고, 적어도 하나의 셀의 능동 및/또는 수동 밸런싱을 제공하도록 구성될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 웨이크 업 회로는 절연 구조의(isolated) DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다. 즉, 상기 저전압측 서브 회로 및 상기 고전압측 서브 회로가 상기 절연 구조의DC/DC 컨버터를 형성하며, 상기 저전압측 서브 회로는 상기 절연 구조의 DC/DC 컨버터의 전력 입력단을 형성하고, 상기 고전압측 서브 회로는 상기 절연 구조의 DC/DC 컨버터의 전력 출력단을 형성할 수 있다. 상기 절연 구조의 DC/DC 컨버터는, 조정(regulated), 비 조정(unregulated), 및 반-조정(semi-regulated) 절연 구조 DC/DC 컨버터 중 하나일 수 있다. 상기 저전압측 서브 회로는 상기 제2 DC/DC 컨버터로부터 입력 전압을 수신하도록 구성된 입력단, 및 상기 입력단으로부터 입력 전압을 수신하고 적어도 하나의 커패시터의 제1 전극 또는 변압기의 적어도 하나의 1 차 권선으로 AC전압을 출력하도록 구성된 DC/AC 인버터(inverter)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 적어도 하나의 커패시터 또는 상기 변압기는 상기 저전압측 서브 회로와 상기 고전압측 서브 회로 사이의 갈바닉 절연을 구현할 수 있다. 또한, 상기 고전압측 서브 회로는 상기 적어도 하나의 커패시터의 제2 전극으로부터 또는 상기 변압기의 적어도 하나의 2 차 권선으로부터 AC 전압을 수신하고 DC 전압을 출력하도록 구성된 AC/DC 정류기(rectifier)를 포함할 수 있다. 상기 고전압측 서브 회로는, 상기 AC/DC 정류기로부터 수신된 상기 DC 전압을 상기 제1 DC/DC 컨버터로, 즉, 상기 제1 DC/DC 컨버터의 스위칭 입력으로, 출력하도록 구성된 출력단을 더 포함할 수 있따. 그러나, 이것은 예시적인 실시 예일 뿐이며, 상기 절연 구조의 DC/DC 컨버터는 다른 구성도 가능하다. 상기 웨이크 업 회로, 즉 상기 절연 구조의 DC/DC 컨버터는 갈바닉 절연을 위해 갈바닉 절연 커패시터들을 사용함으로써, 상기 저전압서브 회로에서 상기 고전압측 서브 회로로 전기 에너지를 효율적으로 전달할 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 상기 고전압측 서브 회로, 즉 상기 고전압측 서브 회로의 출력단은 상기 저전압측 서브 회로로부터 수신된 전기 에너지, 즉 상기 AC/DC 정류기로부터 수신된 상기 DC 전압으로부터 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하기 위한 펄스폭변조(pulse width modulation, PWM) 신호를 생성하도록 추가로 구성될 수 있다. 이 실시 예에서, 상기 제1 DC/DC 컨버터는, 벅, 부스트 또는 벅-부스트 컨버터고, 상기 PWM 신호는 상기 제1 DC/DC 컨버터의 듀티 사이클을 설정할 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 상기 제어 전자 장치는 상기 제1 DC/DC 컨버터와 상기 마이크로컨트롤러 사이에 상호 연결된 시스템 기반 칩(system basis chip, SBC)을 더 포함할 수 있다. 상기 SBC는 상기 마이크로컨트롤러의 일부를 구성할 수도 있다. 상기 SBC는, 전압 조정(voltage regulation), 감시(supervision), 리셋 생성(reset generation), 워치독(watchdog) 기능, LIN(local interconnect network), CAN(controller area network), SPI(serial peripheral interface) 등을 위한 버스 인터페이스 관련 기능, 웨이크 업 로직 기능 및 전력 스위칭(power switching) 기능들 중 하나 이상의 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 상기 제어 전자 장치는 상기 제2 DC/DC 컨버터를 통해 전력이 공급되는 CAN 트랜시버(transceiver)를 더 포함할 수 있다. 상기 CAN 트랜시버는 상기 제2 DC/DC 컨버터의 출력 노드와 상기 웨이크 업 회로, 즉 상기 저전압측 서브 회로 사이에 상호 연결될 수 있다. 즉, 상기 CAN 트랜시버는 상기 저전압 전지에 의해 상기 마이크로컨트롤러의 슬립 모드에서도 전력을 공급 받을 수 있다. 상기 CAN 트랜시버는 CAN 버스에 더 연결되며, 상기 CAN 버스를 통해 CAN 통신을 수행하도록 구성될 수 있다. 상기 CAN 트랜시버는 상기 CAN 버스를 통해 웨이크 업 신호를 수신하고, 이에 응답하여, 웨이크 업 신호를 상기 웨이크 업 회로의 상기 저전압측 서브 회로로 전송(전달)하도록 구성될 수도 있다. 상기 CAN 버스는 상기 차량의 CAN 네트(net)의 일부를 형성할 수 있으며, 이에 따라 상기 CAN 트랜시버는 상기 차량의 CAN 네트와 상기 제어 전자 장치 사이의 연결을 제공할 수 있다. 상기 CAN 트랜시버는 CAN 인터페이스를 통해 상기 마이크로컨트롤러에 추가로 연결되며, 상기 차량의 CAN 네트와 상기 마이크로컨트롤러 사이의 연결을 제공할 수도 있다. 예시적으로, 상기 마이크로컨트롤러는 상기 CAN 트랜시버를 통해 상기 차량의 전력 요구를 통보 받을 수 있으며, 이에 따라 상기 전지 시스템의 전원 출력을 적절히 제어할 수 있다.
상기 제어 전자 장치는, 또한 상기 저전압 전지 및 상기 제2 DC/DC 컨버터에 의해, 즉, 상기 제2 DC/DC 컨버터를 통해 전력을 공급 받고, SPI 인터페이스를 통해 상기 마이크로컨트롤러에 연결된 RTC를 더 포함할 수 있다. 상기 RTC는 집적 회로(integrated circuit, IC)로 제공되며, 시간 스케일을 도출하기 위해 수정 발진기를 포함하거나 전력선 주파수(power line frequency)를 사용할 수 있다. 상기 RTC는 상기 CAN 트랜시버 및/또는 상기 웨이크 업 회로에 연결될 수 있다. 또한, 상기 RTC는 상기 CAN 트랜시버를 통해 전력이 공급될 수 있다. 이를 위해, 상기 CAN 트랜시버는 상기 제2 DC/DC 컨버터의 출력 노드와 상기 RTC 사이에 상호 연결될 수 있다. 또한, 상기 RTC는 웨이크 업 신호를 생성하고, 상기 웨이크 업 신호를 상기 웨이크 업 회로의 상기 저전압측 서브 회로에 전송하도록 구성될 수 있다. 상기 RTC는 상기 제2 DC/DC 컨버터를 통해, 즉 상기 마이크로컨트롤러의 슬립 모드에서도 전력을 공급 받는다. 상기 RTC는 자신의 내부 시간 스케일에 기초하여 상기 웨이크 업 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 제어 전자 장치에 전력을 공급하는 방법에 관한 것이다. 여기서, 상기 방법을 수행하기 위해, 상기 제어 전자 장치는 차량에 설치되고 상기 차량의 고전압 전지 시스템 및 상기 차량의 저전압 전지에 연결된다. 즉, 상기 방법에서는, 상기 저전압 전지를 갖는 차량, 즉 전기 차량의 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치를 제어하기 위해 전력이 공급되며, 상기 제어 전자 장치는, 상기 전지 시스템에 연결되도록 구성된 입력 노드 및 제1 DC/DC 컨버터를 제어하도록 구성된 마이크로컨트롤러에 연결된 출력 노드를 갖는 제1 DC/DC 컨버터, 서로 갈바니 절연된 저전압측 서브 회로 및 고전압측 서브 회로를 포함하는 웨이크 업 회로, 및 상기 저전압 전지에 연결되도록 구성된 입력 노드 및 상기 웨이크 업 회로에 연결된 출력 노드를 갖는 제2 DC/DC 컨버터를 포함하며, 상기 저전압측 서브 회로는 수신된 웨이크 업 신호에 응답하여 상기 제2 DC/DC 컨버터로부터 수신된 전기 에너지를 상기 고전압측 서브 회로로 전송하도록 구성되고, 상기 고전압측 서브 회로는 상기 저전압측 서브 회로로부터 전기 에너지를 수신하여 상기 제 1 DC/DC 변환기로 전송하도록 구성될 수 있다.
상기 방법은, 상기 마이크로컨트롤러의 동작 모드(또는 활성 모드(active mode))에서, 상기 제1 DC/DC 컨버터에 의해 상기 전지 시스템의 출력 전압으로부터 생성된 공급 전압을 상기 마이크로컨트롤러에 공급하는 단계, 및 상기 마이크로컨트롤러를 통해 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하는 단계를 적어도 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 마이크로컨트롤러의 동작 모드에서, 상기 마이크로컨트롤러에 의해 상기 전지 시스템에 대한 적어도 하나의 제어 기능(예를 들어 전압, 전류 등의 측정, 능동 밸런싱 및/또는 수동 밸런싱과 같은)을 추가로 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 마이크로컨트롤러의 활성 모드 동안, 상기 제어 전자 장치는 상기 전지 시스템에 의해 자체적으로 전력이 공급될 수 있다.
상기 방법은, 상기 마이크로컨트롤러의 슬립 모드에서, 상기 저전압측 서브 회로에, 상기 제2 DC/DC 컨버터 출력에 의해 상기 저전압 전지의 출력 전압으로부터 생성된 입력 전압을 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은, 상기 마이크로컨트롤러의 슬립 모드에서, CAN 트랜시버 및 RTC에 상기 저전압 전지 및 상기 제2 DC/DC 컨버터에 의해 전력이 공급되는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 단계들은, 상기 마이크로컨트롤러의 활성 모드 동안에도 수행될 수 있다. 상기 방법은, 상기 마이크로컨트롤러의 슬립 모드에서, 상기 저전압측 서브 회로에 의해 수신된 웨이크 업 신호에 응답하여 상기 저전압측 서브 회로로부터 상기 고전압측 서브 회로로 전기 에너지를 전송하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 마이크로 컨트롤러의 슬립 모드에서, 상기 웨이크 업 회로의 상기 저전압측 서브 회로에 의해 상기 웨이크 업 신호가 수신되는 단계를 더 포함하며, 상기 웨이크 업 신호는 상기 차량의 CAN 버스를 통해 상기 차량의 보드넷으로부터 수신되거나, 상기 CAN 트랜시버, 또는 상기 RTC로부터 상기 저전압측 서브 회로로 수신될 수 있다. 또한, 상기 웨이크 업 신호는 상기 차량의 점화장치(ignition)로부터 수신될 수도 있다. 상기 웨이크 업 신호는, 상기 차량의 모터와 같은, 상기 고전압 전지 시스템의 부하의 증가된 전력 요구로 인해, 상기 고전압 전지 시스템의 웨이크 업이 필요한 경우 수신될 수 있다. 상기 저전압측 서브 회로로부터 상기 고전압측 서브 회로로 전기 에너지를 전송하는 단계에서, 상기 제2 DC/DC 컨버터로부터 수신된 전압은, 상기 저전압측 서브 회로에 의해 AC 전압으로 변환된 후 갈바닉 절연을 통해 상기 고전압측 서브 회로로 전송되며, 상기 고전압측 서브 회로에 의해 DC 전압으로 재 변환될 수 있다. 여기서, 상기 고전압측 서브 회로로부터 출력된 상기 DC 전압은, 상기 제1 DC/DC 컨버터로 출력되거나, 상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 제어 신호를 생성하는데 사용되며, 상기 제어 신호는 상기 제1 DC/DC 컨버터의 스위칭 입력에 인가될 수 있다. 즉, 상기 방법은, 상기 마이크로컨트롤러의 슬립 모드 동안, 상기 마이크로컨트롤러를 웨이크업 하기 위해 상기 고전압측 서브 회로를 통해 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하는 단계, 즉, 상기 마이크로컨트롤러를 슬립 모드로부터 활성 모드로 설정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 전지 시스템은 접지 노드와 전압 공급 노드 사이에 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 전지 셀을 포함할 수 있다. 즉, 상기 전지 시스템에서는, 직렬 연결된 상기 전지 셀들의 합해진 전압에 대응하는 전압이 상기 접지 노드와 상기 전압 공급 노드 사이에 인가된다. 상기 복수의 전지 셀은, 상기 접지 노드와 상기 전압 공급 노드 사이에 직렬 연결되며, 각각이 병렬 연결되는 복수의 셀을 포함하는, 복수의 서브 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 전지 시스템은 차량을 위한 것으로, 제어 전자 장치를 포함하며, 상기 제어 전자 장치는, 상기 전지 시스템에 연결되도록 구성된 입력 노드 및 제1 DC/DC 컨버터를 제어하도록 구성된 마이크로컨트롤러에 연결된 출력 노드를 갖는 제1 DC/DC 컨버터, 서로 갈바닉 절연된 저전압측 서브 회로 및 고전압측 서브 회로를 포함하는 웨이크 업 회로, 및 상기 차량의 저전압 전지에 연결되도록 구성된 입력 노드 및 상기 웨이크 업 회로에 연결된 출력 노드를 갖는 제2 DC/DC 컨버터를 포함하할 수 있다. 상기 저전압측 서브 회로는 수신된 웨이크 업 신호에 응답하여 상기 제2 DC/DC 컨버터로부터 수신된 전기 에너지를 상기 고전압측 서브 회로로 전송하도록 구성되고, 상기 고전압측 서브 회로는 상기 저전압측 서브 회로로부터 전기 에너지를 수신하여 상기 제 1 DC/DC 변환기로 전송하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 DC/DC 컨버터의 상기 입력 노드는 상기 전지 시스템의 상기 전압 공급 노드에 연결될 수 있다. 상기 마이크로컨트롤러는 상기 복수의 전지 셀 중 적어도 하나에 대해 적어도 하나의 제어 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 저전압 전지 및 전지 시스템을 포함하는 차량에 관한 것이다. 상기 차량은 상기 차량의 전기 구동 모드를 위해 상기 전지 시스템에 의해 전력이 공급되는 전기 모터를 포함하는 전기 차량 또는 하이브리드 차량일 수 있다. 상기 전지 시스템은, 접지 노드와 전압 공급 노드 사이에 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 전지 셀, 및 제어 전자 장치를 포함하며, 상기 제어 전자 장치는, 상기 전지 시스템에 연결되도록 구성된 입력 노드 및 제1 DC/DC 컨버터를 제어하도록 구성된 마이크로컨트롤러에 연결된 출력 노드를 갖는 제1 DC/DC 컨버터, 서로 갈바니 절연된 저전압측 서브 회로 및 고전압측 서브 회로를 포함하는 웨이크 업 회로, 및 상기 저전압 전지에 연결되도록 구성된 입력 노드 및 상기 웨이크 업 회로에 연결된 출력 노드를 갖는 제2 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다. 상기 저전압측 서브 회로는 수신된 웨이크 업 신호에 응답하여 상기 제2 DC/DC 컨버터로부터 수신된 전기 에너지를 상기 고전압측 서브 회로로 전송하도록 구성되고, 상기 고전압측 서브 회로는 상기 저전압측 서브 회로로부터 전기 에너지를 수신하여 상기 제 1 DC/DC 변환기로 전송하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 전지 시스템은 제어 전자 장치에 대해 자체적으로 전력을 공급할 수 있으면서, 전지 전시스템의 유휴 기간 즉, 전지 시스템의 제어 전자 장치가 슬립 모드로 동작하는 동안 전지 시스템의 전력 소비를 감소시킬 수 있다. 또한, 전지 시스템에서 제어 전자 장치에 자체적으로 전력을 공급함으로써 제어 전자 장치가 슬립 모드에서 깨어나지 못하는 문제점을 해결할 수 있다. 이에 따라, 자체 전력 공급으로 인해 전지 시스템의 설치 공간을 감소시킬 수 있으면서도, 안전 요구 사항을 만족시킬 수 있다.
도 1은 제1 실시 예에 따른 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치의 개략도이다.
도 2는 제2 실시 예에 따른 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치의 개략도이다.
도 3은 제3 실시 예에 따른 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치의 개략도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 웨이크 업 회로의 개략도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 차량의 전지 시스템의 개략도이다.
이하, 실시 예들을 참조하여 상세하게 설명하여, 그 예들은 첨부한 도면들을 도시된다. 이하 첨부된 도면들을 참조하여 실시 예들의 효과 및 특징, 그리고 그 구현 방법을 상세히 설명한다. 도면들에서 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소를 나타내며, 그에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 본 발명은 그러나 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다. 이들 실시 예들은 본 발명의 양태 및 특징들을 당업자에게 충분히 전달할 수 있도록 예로서 제공된다.
따라서, 본 발명의 양태 및 특징들의 이해를 위해 당업자에게 필요하지 않다고 여겨지는 프로세스들, 요소들, 및 기술들은 설명되지 않을 수 있다. 도면에서, 엘리먼트들, 층들 및 영역들의 상대적인 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다.
본 문서에서 "및/또는"이라는 용어는 관련되어 열거된 복수의 항목들의 모든 조합 또는 복수의 항목들 중 어느 하나의 항목을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시 예들을 설명 시 "~할 수 있다", "~일 수 있다"를 사용하는 것은 본 발명의 하나 이상의 실시 예를 나타낸다. 다음의 실시 예들에 대한 설명에서, 단수 형태의 용어는 문맥에 달리 명시되지 않는 한 복수 형태를 포함할 수 있다.
본 문서에서 "및/또는"이라는 용어는 관련되어 열거된 복수의 항목들의 모든 조합 또는 복수의 항목들 중 어느 하나의 항목을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시 예들을 설명 시 "~할 수 있다", "~일 수 있다"를 사용하는 것은 본 발명의 하나 이상의 실시 예를 나타낸다. 다음의 실시 예들에 대한 설명에서, 단수 형태의 용어는 문맥에 달리 명시되지 않는 한 복수 형태를 포함할 수 있다. 본 문서에서 "제1", "제2", 등의 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위해서만 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2구성요소는 제1구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1구성요소도 제2구성요소로 명명될 수 있다. 구성요소들의 목록 앞에서의 "적어도 하나"와 같은 표현은 구성요소들의 전체 목록을 수식하고, 목록의 개별 구성요소를 수식하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "실질적으로", "약", "대략" 및 이와 유사한 용어들은 근사(approximation) 용어로 사용되고 정도(degree)를 나타내는 용어로는 사용되지 않으며, 측정 값들 또는 계산 값들에 내재된 편차를 설명하기 위한 것임을 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다. 또한, "실질적으로"라는 용어가 수치를 사용하여 표현될 수 있는 특징과 조합되어 사용되는 경우, "실질적으로"라는 용어는 ± 5%의 범위를 나타낸다.
도 1은 제1 실시 예에 따른 저전압 전지를 갖는 차량의 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치(100)의 개략적인 예시를 도시한다. 여기서, 제어 전자 장치(100)는 고전압(high voltage, HV) 도메인과 저전압(low voltage, LV) 도메인으로 분할된다. HV 도메인은, 전지 시스템(후술하는 도 5 참조)의 공급 전압(VDDHV)를 수신하기 위해 전지 시스템의 전력 출력에 연결된 입력 노드(11)를 갖는 제1 DC/DC 컨버터(10)를 포함한다. 제1 DC/DC 컨버터(10)는 제1 DC/DC 컨버터(10)의 듀티 사이클을 설정하기 위한 펄스폭변조(pulse width modulation, PWM) 제어 신호를 수신하기 위한 스위칭 입력(13), 및 변환된 전압을 출력하기 위한 출력 노드(12)를 더 포함한다. 출력 노드(12)는 마이크로컨트롤러(20)의 입력 노드(21)에 연결되며, 마이크로컨트롤러(20)는 제1 DC/DC 컨버터(10)를 제어하기 위해, 제어 출력(22)을 통해 제1 DC/DC 컨버터(10)의 스위칭 입력(13)에 제어 신호를 출력하도록 구성된다. 마이크로컨트롤러(20)의 동작 모드(operation mode)(또는 활성 모드(activa mode)) 동안, 마이크로컨트롤러(20)는 제1 DC/DC 컨버터(10)의 스위칭 입력(13)으로 출력되는 제어 신호의 듀티 사이클을 설정함으로써, 전지 시스템의 출력 전압(VDDHV)으로부터 마이크로컨트롤러(20)를 위한 공급 전압을 유도하도록 제1 DC/DC 컨버터(10)를 제어한다. 마이크로컨트롤러(20)는, 예를 들어, 전압 또는 전류의 측정 및 밸런싱과 같이, 전지 시스템에 대하여 적어도 하나의 제어 기능을 수행하도록 추가로 구성된다. 따라서, 제어 전자 장치(100)의 HV 도메인, 즉 마이크로컨트롤러(20)는, 동작 모드 동안 마이크로컨트롤러(20)에 의해 제어되는 전지 시스템에 의해 자체적으로 전력이 공급된다. 제1 DC/DC 컨버터(10)는 벅 컨버터(buck converter), 부스트 컨버터(boost converter) 또는 벅-부스트 컨버터(buck-boost converter)일 수 있다.
LV 도메인은 제2 DC/DC 컨버터(40)를 포함하며, 제2 DC/DC 컨버터(40)는 스타터 전지(starter battery)의 출력 전압(VDDLV)를 수신하기 위해, 차량의 저전압 전지, 즉 차량의 스타터 전지에 연결되도록 구성된 입력 노드(41)를 포함한다. 제2 DC/DC 컨버터(40)는 저전압 전지의 출력 전압(VDDLV)으로부터 유도된 조정된 전압을 웨이크 업 회로(wake up circuit, 30)의 저전압측 서브 회로(31)의 전력 입력 노드(311)로 출력하기 위한 제1 출력 노드(42)를 더 포함한다. 제2 DC/DC 컨버터(40)는 저전압강하 레귤레이터(low dropout regulator, LDO)일 수 있다.
웨이크 업 회로(30)에서, 저전압측 서브 회로(31)는 LV 도메인에 배치되고, 고전압측 서브 회로(32)는 HV 도메인에 배치된다. 저전압측 서브 회로(31) 및 고전압측 서브 회로(32)는 전기적으로 절연되어 있다. 저전압측 서브 회로(31)는 예를 들어 차량의 통신 버스를 통해 차량의 제어 유닛으로부터 웨이크 업 신호(wake up signal)를 수신하도록 구성된 신호 입력을 더 포함한다.
도 4는 웨이크 업 회로(30)의 일 실시 예를 도시한 개략도이다.
도 4를 예로 들면, 웨이크 업 회로(30)는, 저전압측 서브 회로(31)인 입력단(input state, 33) 및 DC/AC 인버터(DC/AC inverter, 34)와, 고전압측 서브 회로(32)인 AC/DC 정류기(AC/DC rectifier, 35) 및 출력단(output state, 36)을 포함하는 절연 구조의 DC/DC 컨버터로 구성된다. 또한, 웨이크 업 회로(30)는 저전압측 서브 회로(31)와 고전압측 서브 회로(32) 사이에 갈바닉 절연을 제공하기 위한 제1 및 제2 커패시터를 더 포함하도록 구성된다. 저전압측 서브 회로(31)에서, 입력단(33)은 제2 DC/DC 컨버터(40)로부터 입력 전압을 수신하도록 구성되고, DC/AC 인버터(34)는 입력단(33)으로부터 입력 전압을 수신하고 AC 전압을 제1 및 제2 커패시터의 제1 전극(341, 342)에 출력하도록 구성된다. 고전압측 서브 회로(32)에서, AC/DC 정류기(35)는 제1 및 제2 커패시터의 제2 전극(351, 352)으로부터 AC 전압을 수신하여 DC 전압을 출력하도록 구성되고, 출력단(36)은 AC/DC 정류기(35)로부터 수신된 DC 전압을 제1 DC/DC 컨버터(10)의 스위칭 입력(13)으로 출력한다.
웨이크 업 회로(30)는 저전압측 서브 회로(31)를 통해 제2 DC/DC 컨버터(40)로부터 전기 에너지를 수신하고, 수신되는 웨이크 업 신호에 응답하여, 저전압측 서브 회로(31)로 수신되는 전기 에너지를 갈바닉 절연을 통해 고전압측의 서브 회로(32)로 전송하도록 구성된다. 고전압측 서브 회로(32)는 저전압측 서브 회로(31)로부터 수신된 전기 에너지, 또는 이로부터 유도된 신호를 제1 DC/DC 컨버터(10)의 스위칭 입력(13)으로 출력하도록 추가로 구성된다. 따라서, 마이크로컨트롤러(20)의 슬립 모드, 즉 제1 DC/DC 컨버터(10)의 비활성 모드에서, 웨이크 업 회로(30)의 고전압측 서브 회로(32)는 마이크로컨트롤러(20)의 제어 없이도, 전지 출력 전압(VDDHV)으로부터 유도된 공급 전압이 마이크로컨트롤러(20)의 입력 노드(21)로 제공되도록 제1 DC/DC 컨버터(10)를 제어할 수 있다. 이후, 마이크로컨트롤러(20)는 공급 전력을 수신하는 것에 응답하여 웨이크 업되고, 제어 출력(22)을 통해 제1 DC/DC 컨버터(10)의 제어권을 가져온다. 따라서, HV 도메인의 웨이크 업 기능이 LV 도메인의 출력에 기초하여 수행될 수 있다.
도 2는 제2 실시 예에 따른 저전압 전지를 갖는 차량의 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치(100)의 개략도이다. 아래에서는, 제2 실시 예에 따른 제어 전자 장치를 구성하는 구성 요소들 중 전술한 제1 실시 예에 따른 제어 전자 장치와 동일한 구성 요소들에 대해서는 중복되는 설명이 생략된다.
HV 도메인이 제1 DC/DC 컨버터(10)와 마이크로컨트롤러(20) 사이에 상호 연결된 시스템 기반 칩(system basis chip, 50)을 더 포함한다는 점에서, 제2 실시 예의 제어 전자 장치(100)는 전술한 제1 실시 예의 제어 전자 장치와 다르다. 시스템 기반 칩(50)의 입력 노드(51)는 제1 DC/DC 컨버터(10)의 출력 노드(12)에 연결되며, 시스템 기반 칩(50)의 출력 노드(52)는 마이크로컨트롤러(20)의 입력 노드(21)에 연결된다. 제2 실시 예의 제어 전자 장치(100)는 또한 LV 도메인이 CAN 트랜시버(CAN transceiver, 60) 및 리얼 타임 클럭(real time clock, RTC)(70)을 더 포함한다는 점에서 제1 실시 예에 따른 제어 전자 장치와 상이하다.
CAN 트랜시버(60)는 공급 전압을 수신하기 위해 제2 DC/DC 컨버터(40)의 제1 출력 노드(42)에 연결된 전력 입력(61)을 포함한다. CAN 트랜시버(60)는 저전압측 서브 회로(31)에 전기 에너지를 전송하기 위해 저전압측 서브 회로(31)의 전력 입력(311)에 연결된 전력 출력(62)을 더 포함한다. CAN 트랜시버(60)는 또한 차량의 제어 유닛 또는 다른 부하와 통신을 수행하기 위해 CAN 통신 라인들(하이(high) 라인(64) 및 로우(low) 라인(65))을 포함하는 CAN 버스에 연결된다. CAN 트랜시버(60)는 또한 CAN 인터페이스(67) 및 마이크로컨트롤러(20)의 제1 I/O 인터페이스(23)를 통해 마이크로컨트롤러(20)와 통신한다. CAN 트랜시버(60)는 제어 신호 또는 정보, 예를 들어 전기 모터로부터의 부하 요청을 마이크로컨트롤러(20)로 전달하여, 전지 시스템을 적절히 제어하도록 한다. CAN 트랜시버(60)는 CAN 버스를 통해 차량의 보드넷으로부터 웨이크 업 신호를 수신하고, 이를 웨이크 업 회로(30)의 저전압측 서브 회로로 전달할 수도 있다.
RTC(70)는 제1 I/O 인터페이스(71) 및 제2 I/O 인터페이스(72)를 포함하고, 이들 양쪽 또는 각각은 공급 전력뿐만 아니라 제어 신호를 수신 및/또는 전송하도록 구성된다. 예를 들어, RTC(70)는 제2 I/O 인터페이스(72)를 통해 저전압측 서브 회로(31)로 웨이크 업 신호를 전송할 수도 있다. 이 경우, RTC는 자신의 내부 시간 스케일에 기초하여 웨이크 업 신호를 생성할 수 있다. RTC(70)는 저전압측 서브 회로(31)의 전력 출력(313)을 통해 공급 전력을 수신할 수 있다. RTC(70)는 제2 DC/DC 컨버터(40)의 제2 출력 노드(44)에 연결된 입력 노드(74)를 포함하고, 제2 DC/DC 컨버터(40)는 RTC(70)에 전력을 공급할 수도 있다. RTC(70)는 클럭 신호를 마이크로컨트롤러(20)에 제공하기 위해, SPI 인터페이스(73) 및 마이크로컨트롤러(20)의 제2 I/O 인터페이스(24)를 통해 마이크로컨트롤러(20)와 통신한다. 제2 실시 예에 따르면, 저전압측 서브 회로(31)는 CAN 트랜시버(60)를 통해 제2 DC/DC 컨버터(40)로부터 전기 에너지를 수신할 수도 있다.
도 3은 제3 실시 예에 따른 저전압 전지를 갖는 차량의 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치(100)의 개략도이다. 아래에서는, 제3 실시 예에 따른 제어 전자 장치를 구성하는 구성요소들 중 제1 또는 제2 실시 예에 따른 제어 전자 장치들과 동일한 구성요소들에 대해서는 중복되는 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 제3 실시 예에 따른 제어 전자 장치(100)는 CAN 트랜시버(60)가 2개의 전력 출력들(62)을 포함하고 이들 전력 출력들 중 하나를 통해 RTC(70)에 연결된다는 점에서, 도 2에 도시된 제2 실시 예에 따른 제어 전자 장치(100)와 상이하다. RTC(70)는 CAN 트랜시버(60) 또는 저전압측 서브 회로(31)의 전력 출력(313)에 의해 전력을 공급받을 수 있다. RTC(70)는 제2 DC/DC 컨버터(40)의 제2 출력 노드(44)에 연결된 입력 노드(74)를 포함하고, 이를 통해 제2 DC/DC 컨버터(40)로부터 전력을 공급 받을 수도 있다. CAN 트랜시버(60)의 출력(62)은 RTC(70)와 공통으로 사용되는 SPI 인터페이스(73)를 통해 신호들을 송신 및/또는 수신하는데 사용될 수도 있다. 저전압측 서브 회로(31)는 CAN 트랜시버(60) 또는 RTC(70)에 의해, 제2 DC/DC 컨버터(40)와 중복으로 전력을 공급 받을 수도 있다. 이 경우, 저전압측 서브 회로의 노드(313)는 저전압측 서브 회로(31)의 전력 입력으로 동작할 수도 있다.
제3 실시 예에 따르면, 제어 전자 장치(100)는, CAN 트랜시버(60)와 제2 DC/DC 컨버터(40)가 각각의 접지 노드(66, 43)를 통해 동일한 접지선에 연결된다는 점에서 전술한 실시 예들에 따른 제어 전자 장치들과 상이하다. 여기서, 접지 노드는 또한 진단 목적, 예를 들어 제2 DC/DC 컨버터(40) 및/또는 CAN 트랜시버(60)의 기능을 제어하기 위해 이용될 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 전지 시스템을 개략적으로 도시한 것으로서, 도 1의 제1 실시 예에 따른 제어 전자 장치(100)를 포함하는 경우를 예로 들어 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 전지 시스템(200)은 제1 스택 노드(211)와 제2 스택 노드(212) 사이에 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 연결된 복수의 전지 셀(210)을 포함한다. 여기에서, 제1 스택 노드(211)는 고전압 공급 전압(VDD), 즉 48 V 공급 전압(VDD48V)를 제공하는 전지 시스템(200)의 전력 출력에 해당하며, 제2 스택 노드(212)는 접지 전위에 해당한다. 제1 DC/DC 컨버터(10)의 입력 노드(11)는 제1 스택 노드(211)에 연결되며, 48 V의 고전압 공급 전압(VDD)을 수신한다. 또한, 제2 DC/DC 컨버터(40)의 입력 노드(41)는 차량의 저전압 전지(80)에 연결되며, 저전압 전지로부터 저전압의 공급 전압을 수신한다.
전술한 실시 예들에 따르면, 제어 전자 장치(100)는 마이크로컨트롤러(20)가 전지 시스템(200)으로부터 자체적으로 전력을 공급 받음으로써 발생하는 문제를 해결할 수 있다.
종래 기술에 따른 전지 시스템의 경우, 전지 시스템의 고전압 도메인으로부터 저전압 도메인에 있는 제어 전자 장치, 특히 마이크로컨트롤러로 전력을 공급하기 위해서 사용되는 DC/DC 컨버터는, 마이크로컨트롤러의 슬립 모드 동안 매우 높은 전력을 소비한다. 또한, 마이크로컨트롤러의 슬립 모드에서 소비되는 전류가 매우 낮음에도 불구하고 이를 공급하기 위해 동작해야 하므로, 마이크로컨트롤러의 슬립 모드 동안 DC/DC 컨버터의 효율 또한 매우 낮을 수 밖에 없다. 기존에는 이러한 문제를 해결하기 위해, 슬립 모드에서는 전지 시스템의 고전압 도메인으로부터 저전압 도메인에 있는 마이크로컨트롤러로 전력을 공급하기 위해 DC/DC 컨버터를 바이패스하고, LDO를 사용하는 방법이 사용되었다. 그러나, 400 V와 같이 고전압의 전지 시스템의 경우, LDO의 효율성 또한 매우 떨어지는 반면에, LDO를 통한 전압 강하는 매우 높이 나타나고, 비싼 고전압 트랜지스터를 사용해야 하는 문제가 발생한다.
이러한 문제들을 해결하기 위해, 전술한 실시 예들에서는, 슬립 모드 동안 전력 공급이 필요한 구성 요소들에 제2 DC/DC 컨버터(40)를 통해 상기 차량의 상기 저전압 전지에 의해 전력을 공급함으로써 이를 해결한다. 차량의 저전압 전지로부터 입력 전압을 공급 받음으로써, 제2 DC/DC 컨버터(40)의 전력 손실 문제가 해결될 수 있다. 또한, 전지 시스템(200)으로부터 마이크로컨트롤러(20)로 전력을 공급하는 제1 DC/DC 컨버터(10)를 활성화시키기 위한 웨이크 업 회로(30)를 별도로 구비하고, 이를 포함하는 CAN 트랜시버(60), RTC(70) 등을 차량의 저전압 전지를 사용해 구동함으로써, 슬립 모드 동안 제1 DC/DC 컨버터(10)의 전력 소비가 실질적으로 제로(0)에 가깝게 낮아질 수 있다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치 또는 전기 장치, 및/또는 임의의 다른 관련 장치, 또는 구성 요소들은, 임의의 적합한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 어플리케이션-주문형 집적 회로), 소프트웨어 또는 소프트웨어의 조합에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 하나의 집적 회로(IC) 칩 또는 개별 IC 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 연성 인쇄 회로 필름, 테이프 캐리어 패키지(TCP), 인쇄 회로 기판(PCB), 또는 하나의 기판 상에 구현될 수 있다. 본 명세서에 기재된 전기 접속 또는 상호 접속은 와이어 또는 전도성 요소에 의해, 예를 들어, PCB 또는 다른 종류의 회로 캐리어 상에 구현될 수 있다. 전도성 요소는 금속 박막, 예를 들어, 표면 금속 박막 및/또는 핀들을 포함하거나, 전도성 중합체 또는 세라믹을 포함 할 수 있다. 또한, 전기 에너지는 예를 들어, 전자기 방사 및/또는 빛을 사용한 무선 접속을 통해 전송될 수도 있다.
또한, 이들 장치들의 다양한 구성 요소들은 하나 이상의 컴퓨팅 장치에 포함된 하나 이상의 프로세서에서 실행되고, 컴퓨터 프로그램 명령을 실행하고, 본 문서에 설명된 다양한 기능을 수행하기 위해 다른 시스템 구성 요소와 상호 작용하는 프로세스 또는 스레드일 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령어는 예를 들어 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같이 표준 메모리 장치를 사용하는 컴퓨팅 장치에서 구현될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어 CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비휘발성 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수도 있다.
또한, 당업자라면 본 발명의 예시적인 실시 예의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 컴퓨터 장비들의 기능이 단일 컴퓨팅 장치에 결합 또는 통합될 수 있으며, 특정 컴퓨팅 장치의 기능이 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들로 분산될 수 있음을 알 수 있다.
10: 제1 DC/DC 컨버터
20: 마이크로컨트롤러
30: 웨이크 업 회로
31: 저전압측 서브 회로
32: 고전압측 서브 회로
33: 입력단
34: DC/AC 컨버터
341: 제1 커패시터의 제1 전극
342: 제1 커패시터의 제2 전극
351: 제2커패시터의 제1 전극
352: 제2 커패시터의 제2 전극
35: AC/DC 정류기
36: 출력단
40: 제2 DC/DC 컨버터
50: 시스템 기반 칩
60: CAN 트랜시버
67: CAN 인터페이스
70: 리얼타임클럭
73: SPI 인터페이스
80: 저전압 전지
200: 전지 시스템
210: 전지 셀
211: 제1 스택 노드
212: 제2 스택 노드

Claims (14)

  1. 저전압 전지를 갖는 차량의 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치로서,
    상기 전지 시스템에 연결되도록 구성된 입력 노드 및 마이크로컨트롤러에 연결된 출력 노드를 갖는 제1 DC/DC 컨버터;
    서로 갈바닉 절연된 저전압측 서브 회로 및 고전압측 서브 회로를 포함하는 웨이크 업 회로; 및
    상기 저전압 전지에 연결되도록 구성된 입력 노드 및 상기 웨이크 업 회로 에 연결된 출력 노드를 갖는 제2 DC/DC 컨버터를 포함하고,
    상기 마이크로컨트롤러는, 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하도록 구성되며,
    상기 저전압측 서브 회로는, 수신되는 웨이크 업 신호에 응답하여 상기 제2 DC/DC 컨버터로부터 수신된 전기 에너지를 상기 고전압측 서브 회로로 전송하고,
    상기 고전압측 서브 회로는 상기 저전압측 서브 회로로부터 전기 에너지를 수신하여 상기 제1 DC/DC 컨버터로 전송하도록 구성되는, 제어 전자 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러는 상기 전지 시스템에 대해 적어도 하나의 제어 기능을 수행하도록 추가로 구성되는, 제어 전자 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 DC/DC 컨버터는, 상기 전지 시스템의 출력 전압으로부터 상기 마이크로컨트롤러를 위한 공급 전압을 생성하도록 구성되는, 제어 전자 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 웨이크 업 회로는 절연 구조의 DC/DC 컨버터를 포함하는, 제어 전자 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 저전압측 서브 회로는,
    상기 제2 DC/DC 컨버터로부터 입력 전압을 수신하도록 구성된 입력단, 및
    상기 입력단으로부터 상기 입력 전압을 수신하고, 적어도 하나의 커패시터의 제1 전극에 AC 전압을 출력하도록 구성된 DC/AC 인버터를 포함하고,
    상기 고전압측 서브 회로는,
    상기 적어도 하나의 커패시터의 제2 전극으로부터 AC 전압을 수신하고, DC 전압을 출력하도록 구성된 AC/DC 정류기, 및
    상기 AC/DC 정류기로부터 수신된 상기 DC 전압을 상기 제1 DC/DC 컨버터의 스위칭 입력으로 출력하도록 구성된, 출력단을 포함하는, 제어 전자 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고전압측 서브 회로는, 상기 저전압측 서브 회로로부터 수신된 전기 에너지로부터 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하기 위한 펄스폭 변조(pulse width modulation) 신호를 생성하도록 추가로 구성되는, 제어 전자 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 DC/DC 컨버터와 상기 마이크로컨트롤러 사이에 상호 연결된 시스템 기반 칩(system basis chip)을 더 포함하는, 제어 전자 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    CAN(control area network) 인터페이스를 통해 상기 마이크로컨트롤러에 연결되며, 상기 제2 DC/DC 컨버터에 의해 전력이 공급되는 CAN 트랜시버를 더 포함하는, 제어 전자 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 DC/DC 컨버터에 의해 전력이 공급되고, SPI(serial peripheral interface) 인터페이스를 통해 상기 마이크로컨트롤러에 연결된 RTC(real time clock)를 더 포함하는, 제어 전자 장치.
  10. 제1항의 제어 전자 장치에 전력을 공급하는 방법으로서,
    상기 마이크로컨트롤러의 활성 모드에서, 상기 제1 DC/DC 컨버터에 의해 상기 전지 시스템의 출력 전압으로부터 생성된 공급 전압을 상기 마이크로컨트롤러에 공급하는 단계;
    상기 마이크로컨트롤러의 활성 모드에서, 상기 마이크로컨트롤러를 통해 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하는 단계,
    상기 마이크로컨트롤러의 슬립 모드에서, 상기 제2 DC/DC 컨버터에 의해 상기 저전압 전지의 출력 전압으로부터 생성된 입력 전압을 상기 저전압측 서브 회로에 공급하는 단계;
    상기 마이크로컨트롤러의 슬립 모드에서, 상기 저전압측 서브 회로에 의해 수신된 웨이크 업 신호에 응답하여 상기 저전압측 서브 회로로부터 상기 고전압측 서브 회로로 전기 에너지를 전송하는 단계; 및
    상기 마이크로컨트롤러의 슬립 모드에서, 상기 마이크로컨트롤러를 웨이크 업 하기 위해 상기 고전압측 서브 회로를 통해 상기 제1 DC/DC 컨버터를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러의 슬립 모드에서, 상기 제2 DC/DC 컨버터에 의해 상기 저전압 전지의 출력 전압으로부터 생성된 전압을 상기 제어 전자 장치에 포함된 CAN 트랜시버 또는 RTC로 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 전지 시스템으로서,
    접지 노드와 전압 공급 노드 사이에 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 전지 셀; 및
    제1항에 따른 제어 전자 장치를 포함하며,
    상기 제1 DC/DC 컨버터의 상기 입력 노드는 상기 전압 공급 노드에 연결되는, 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러는 상기 복수의 전지 셀 중 적어도 하나에 대해 적어도 하나의 제어 기능을 수행하도록 구성되는, 전지 시스템.
  14. 제12항에 따른 전지 시스템을 포함하는, 차량.
KR1020200039258A 2019-04-08 2020-03-31 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치, 전지 시스템을 위한 제어 전자 장치의 전력 공급 방법, 전지 시스템 및 차량 KR102530002B1 (ko)

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