KR102555491B1 - 전지 시스템용 제어 유닛, 전지 시스템 및 전지 시스템의 동작 방법 - Google Patents

전지 시스템용 제어 유닛, 전지 시스템 및 전지 시스템의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

전지 시스템용 제어 유닛은, 상기 전지 시스템의 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 상태를 나타내는 센서 신호를 수신하는 입력 노드, 상기 입력 노드에 연결되며, 상기 센서 신호에 기초하여 제1제어 신호를 생성하는 마이크로컨트롤러, 및 상기 센서 신호, 상기 제1제어 신호 및 상기 마이크로컨트롤러의 작동 상태를 나타내는 폴트 신호를 수신하고, 상기 센서 신호에 대응하여 제2제어 신호를 생성하며, 상기 폴트 신호에 기초하여 상기 제1제어 신호 및 상기 제2제어 신호 중 하나를 상기 제어 유닛의 출력 노드에 전달함으로써, 상기 전지 시스템의 전력 스위치를 제어하는 스위치 제어 회로를 포함할 수 있다.

Description

전지 시스템용 제어 유닛, 전지 시스템 및 전지 시스템의 동작 방법{CONTROL UNIT FOR BATTERY SYSTEM, BATTERY SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING OF BATTERY SYSTEM}
본 발명은 전지 시스템용 제어 유닛, 전지 시스템 및 전지 시스템의 동작 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) 자동차 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 자동차의 모터 구동을 위한 경우와 같이 높은 에너지 밀도를 제공하기 위해, 직렬 및/또는 병렬로 결합된 복수의 단위 전지 셀로 형성되는 전지 모듈로 사용될 수 있다. 이러한 전지 모듈들은 기계적 및 전기적으로 통합되고, 열 관리 시스템을 구비하며, 전지 시스템을 구성하기 위해 하나 이상의 전기 소비자(electrical consumer)와 통신하도록 설치될 수 있다.
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.
전술한 파라미터들의 모니터링, 제어 또는 설정을 위해, 전지 시스템은 통상적으로 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, SPI 인터페이스 등의 통신 버스를 통해 전기 소비자와 통신 할 수 있다.
BMS/BMU는 각 전지 서브 모듈, 특히 각 전지 서브 모듈의 셀 감시 회로(Cell Supervision Circuit, CSC)와 통신할 수 있다. CSC는 각 전지 서브 모듈의 전지 셀들을 상호 연결할 수 있는 하나 이상의 전지 서브 모듈의 셀 연결 및 감지 유닛(Cell Connection and Sensing Unit, CCU)과 연결될 수 있다.
전지 시스템은, 전지 시스템의 전력 인터페이스의 전압 레벨 제어를 제공하고, 허용되지 않는 동작 컨디션에서는 전력 인터페이스의 빠르고 신뢰성 있는 안전 셧다운을 가능하게 하는 보호 시스템을 더 포함할 수 있다. 이러한 보호 시스템은 전지 시스템과 전지 시스템의 외부 단자 사이의 전원 연결을 차단하도록 구성될 수 있다. 보호 시스템은 일반적으로 전지 시스템의 (microcontroller, MCU)에 의해 제어되는 전자 기계식 스위치로 구성된다.
통상적으로, 이러한 전자 기계식 스위치를 제어하기 위한 MCU는 전지 시스템의 또 다른 기능을 제어하기 위해서도 사용된다. 예시적으로, MCU는 전지 시스템의 BMS/BMU의 일부일 수 있다. 이는 전지 시스템의 추가적인 집적화를 제공하며, 이로 인해 전지 시스템의 재료 비용 및 제조 공간 요건이 유리하게 감소된다.
한편, 적어도 일부의 동력을 전기적으로 공급받는 차량에 사용되는 전지 시스템의 용량이 증가함에 따라, 고전압(High Voltage, HV) 전지들이 차량의 안전(security) 관련 기능(예를 들어, 스티어 바이 와이어(steer-by-wire), 자율 주행, 또는 충돌 보호)을 제공하는데 점점 더 많이 사용되고 있다. 따라서, 고전압 전지의 가용성은 충분한 신뢰성을 가지는 안전성 관련 기능을 제공하기 위해 더욱 중요해지고 있다. 예시적으로, 일부 제조사들은 이미 ASIL B 표준에 따라 고전압 전지의 가용성을 평가하고 있다.
즉, 전지 시스템의 고장율은 충분히 낮아야 한다. 예를 들어 ASIL B의 경우, 100 FIT(failure in time) 이하의 FIT율을 달성해야 한다. 이러한 사양들은 전지 시스템의 제어 유닛에서 통상적으로 사용되는 마이크로컨트롤러들(예를 들어, MCU 또는 시스템 기반 칩(System Basis Chip, SBC))로 충족시키기에 어려움이 있다. 예시적으로, 통상적인 BMS/BMU에 사용된 MCU는 2000 FIT까지의 FIT율을 가질 수 있으며, 이로 인해 ASIL B의 요구 사항을 충족한 것으로 승인되지 않을 수 있다.
본 발명의 실시 예들을 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 안전성 관련 기능들을 신뢰성 있게 제공하며, 전지 시스템의 가용성을 향상시켜 FIT율을 낮출 수 있는 전지 시스템용 제어 유닛, 전지 시스템 및 전지 시스템의 동작 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 시스템용 제어 유닛은, 적어도 하나의 입력 노드를 포함하며, 상기 입력 노드는 상기 전지 시스템의 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 전지 셀의 상태를 가리키는 적어도 하나의 센서 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 제어 유닛은 상기 적어도 하나의 전지 셀을 모니터링함으로써 상기 전지 시스템의 상태를 모니터링하도록 구성될 수 있다. 상기 센서 신호를 공급하는 센서는 상기 제어 유닛 또는 상기 전지 시스템의 일부일 수 있다. 상기 입력 노드는 단일 종단 입력 또는 차동 입력으로 구성될 수 있다.
상기 제어 유닛은, 상기 적어도 하나의 입력 노드에 접속되고, 상기 센서 신호에 기초하여 제1제어 신호를 생성하는 마이크로컨트롤러를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1제어 신호는 상기 제어 유닛이 사용된 상기 전지 시스템의 전력 스위치(예를 들어, 릴레이)를 제어하기 위한 신호로 사용될 수 있다. 상기 제1제어 신호는 두개 중 하나의 값을 취함으로써, 상기 전력 스위치를 도통 또는 비도통 상태로 설정할 수 있다. 상기 마이크로컨트롤러는 상기 전지 시스템의 보호 시스템을 제어할 수 있다. 상기 보호 시스템은 예를 들어, 과전류 보호 기능을 수행할 수 있다. 상기 센서 신호는 상기 전지 시스템에 의해 제공되는 전류에 대응할 수 있다. 상기 마이크로컨트롤러는 상기 전지 시스템과 관련된 추가적인 제어 기능을 더 제공할 수 있다. 상기 마이크로컨트롤러는 전지 관리 유닛(Battery management Unit, BMU) 또는 전지 관리 시스템(Battery Management System, BMS)로 사용될 수도 있다.
상기 제어 유닛은 상기 전지 시스템의 적어도 하나의 전지 셀에 대해 적어도 하나의 제어 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 상기 제어 유닛에 의해 수행되는 제어 기능들은 상기 복수의 셀의 셀 전압 또는 셀 전류들 간의 능동 또는 수동 밸런싱과 관련될 수 있다. 상기 제어 기능들은 상기 전지 시스템의 전지 셀들 또는 전지 서브 모듈들의 셀 감시 회로(Cell Supervision Circuit, CSC)와 전기 소비자들 간의 데이터 통신과 관련될 수도 있다.
상기 제어 유닛은 상기 전지 시스템의 상기 전력 스위치를 제어하기 위한 스위치 제어 회로를 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제어 유닛은 상기 전력 스위치에 적어도 하나의 제어 신호를 전송하기 위한 출력 노드를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 신호는 상기 전력 스위치의 도통 상태를 직접 설정할 수 있다. 상기 스위치 제어 회로는, 상기 마이크로컨트롤러로부터 상기 제1제어 신호를, 상기 입력 노드로부터 상기 센싱 신호를 수신하도록 구성될 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는 상기 마이크로컨트롤러의 작동 상태를 가리키는 폴트 신호를 수신하도록 구성될 수도 있다. 상기 폴트 신호는 상기 마이크로컨트롤러에 의해 생성되고, 상기 스위치 제어 회로는 상기 마이크로컨트롤러로부터 상기 폴트 신호를 수신할 수 있다. 상기 폴트 신호는 상기 마이크로컨트롤러를 모니터링하도록 구성되는 추가적이 회로 또는 컴포넌트(예를 들어, 시스템 기반 칩(System Basis chip, SBC))에 의해 생성되고, 상기 스위치 제어 회로는 이로부터 상기 폴트 신호를 수신할 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는 상기 센서 신호에 기초하여 제2제어 신호를 생성하도록 구성될 수도 있다. 여기서, 상기 제2제어 신호는 상기 제어 유닛이 사용되는 상기 전지 시스템의 상기 전력 스위치(예를 들어, 릴레이)를 제어하기에 적합할 수 있다. 상기 제2제어 신호는 두개의 값을 취함으로써 상기 전력 스위치를 도통 또는 비도통 상태로 설정할 수 있다. 상기 제2제어 신호는 상기 전력 스위치의 도통상태를 직접 설정하도록 구성될 수 있다. 상기 제2제어 신호는 기 설정된 임계값과 상기 센서 신호를 비교함으로써 생성될 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는 상기 폴트 신호에 기초하여 상기 제어 유닛의 상기 출력 노드에 상기 제1제어 신호 및 상기 제2제어 신호 중 하나를 전달하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 제어 신호는 상기 전력 스위치를 도통 또는 비도통 상태로 설정하기 위한 상기 제1제어 신호 또는 상기 제2제어 신호를 상기 출력 노드로 전달함으로써, 상기 출력 노드를 통해 상기 전력 스위치를 제어하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 스위치 제어 회로는 상기 제2제어 신호를 생성하고, 상기 제1제어 신호 및 상기 제2제어 신호를 멀티플렉싱하는 두 개의 코어 기능들을 제공할 수 있다.
상기 제어 유닛은 상기 전지 시스템의 긴급 셧다운을 위해 상기 전력 스위치를 제어하는데 사용되는 상기 마이크로컨트롤러에 바이패스를 제공할 수 있다..
상기 제어 유닛은 상기 입력 노드에 연결되고 상기 센서 신호에 기초하여 상태 신호를 생성하도록 구성되는 프론트 엔드(Front End) 회로(또는 아날로그 프론트 엔드(Analog Front End, AFE) 회로)를 더 포함할 수 있다. 상기 상태 신호는 멀티플렉서에 의해 선택될 수 있는 적어도 하나의 센서 신호 중 하나일 수 있다. 상기 프론트 엔드 회로는 아날로그 증폭기, 연산 증폭기, 필터, 및 아날로그-디지털 변환기 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 상태 신호는 상기 프론트 엔드 회로에 의해 신호 처리된 신호, 예를 들어, 신호대 잡음비(S/N ratio)가 개선되거나, 외란이 감소되거나, 기 설정된 기준 전압(베이스라인 전압)에 대해 증폭되거나, 이미 디지털 신호로 변환된 신호일 수 있다. 상기 프론트 엔드 회로가 상기 제어 유닛의 일부이면, 상기 프론트 엔드 회로로 입력되는 적어도 하나의 센서 신호는 상기 프론트 엔드 회로의 후속단으로 출력되는 상태 신호로 변환될 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는 상기 폴트 신호가 상기 마이크로컨트롤러의 정상 작동을 나타내는 경우, 상기 제1제어 신호를 상기 출력 노드(또는 상기 전력 스위치)로 송신하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 마이크로컨트롤러의 고장이 발생하지 않은 노멀 작동 모드 중에는, 상기 마이크로컨트롤러가 상기 전지 시스템의 상기 전력 스위치를 제어할 수 있다. 따라서, 복수의 상이한 센서 값들(온도, 전류, 전압, 가스 성분 등)과 관련되는 모든 기능들 및 안전 매커니즘들이 상기 전지 시스템의 긴급 셧다운을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는 상기 폴트 신호가 상기 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 경우, 상기 제2제어 신호를 상기 출력 노드(또는 상기 전력 스위치)로 전달하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 마이크로컨트롤러에 고장이 발생하면, 상기 마이크로컨트롤러에 의한 상기 전력 스위치의 제어는 정지되고, 상기 스위치 제어 회로에 의해 상기 전력 스위치가 제어될 수 있다. 상기 스위치 제어 회로를 통한 제어는 적은 센서 신호, 예를 들어, 전류 센서 신호에 기초할 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는, 상기 스위치 제어 회로에 의해 상기 전력 스위치를 제어하는 것으로 상기 마이크로컨트롤러에 의한 상기 전력 스위치 제어가 대체되기 이전에, 추가의 입력 신호(예를 들어, 차량 또는 상기 전지 시스템의 작동 상태를 가리키거나, 상기 스위치 제어 시호의 작동 상태를 가리키는 입력 신호들)를 추가로 고려하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 제1제어 신호로부터 상기 제2제어 신호로 제어 신호를 전환하기 전에 시정수(time constant)가 적용될 수도 있다.
상기 제어 유닛은 상기 프론트 엔드 회로와 상기 스위치 제어 회로 사이에 상호 연결된 증폭 회로를 더 포함할 수 있다. 상기 증폭 회로는 상기 제어 유닛의 상기 적어도 하나의 입력 노드와 상기 스위치 제어 회로 사이에 상호 연결될 수도 있다. 상기 스위치 제어 회로는 상기 증폭 회로에 의해 증폭된 센서 신호에 기초하여 상기 제2제어 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는 하드웨어 경로로서 구성될 수 있다. 상기 스위치 제어 회로는, ASIC 또는 MCU와 같이 복잡성(complexity)을 가지는 프로그래머블 컴포넌트 및/또는 집적 회로들을 포함하지 않고, 이와 유사한 기능을 가지는 전압 분배기(voltage divider), 트랜지스터들, 저항들, 캐패시터들, 연산 증폭기들 및/또는 전자 하드웨어 구성 요소들로만 구성될 수 있다. 따라서, 상기 스위치 제어 회로는 FIT율이 100 이하일 수 있다. 상기 입력 노드와 상기 제어 유닛의 출력 노드 사이의 전체 하드웨어 경로는, 100 이하의 FIT 율을 갖는 하드웨어 경로로서 구성될 수 있다.
상기 제어 유닛은 상기 마이크로컨트롤러를 모니터링하도록 구성된 시스템 기반 칩을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 시스템 기반 칩은 상기 폴트 신호를 생성하고 상기 폴트 신호를 상기 스위치 제어 회로에 전송하도록 구성될 수 있다. 상기 시스템 기본 칩은 상기 마이크로컨트롤러의 오작동 검출에 응답하여 상기 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 상기 폴트 신호를 생성하고, 그렇지 않은 경우 상기 마이크로컨트롤러의 정상 작동을 나타내는 상기 폴트 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 시스템 기반 칩은 상기 마이크로컨트롤러의 모니터링 외에 추가 기능(예를 들어, 감시 기능들, 리셋 생성기들, 워치독 기능들, 버스 인터페이스(LIN, CAN 등), 웨이크업 로직, 및/또는 전력 스위치 기능 등)을 수행하도록 구성될 수 있다. 상기 제어 유닛에 의해 제어되는 상기 전력 스위치는 릴레이일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 시스템은 제1노드와 제2노드 사이에 전기적으로 직렬 연결되는 상기 복수의 전지 셀과, 상기 제1노드 또는 상기 제2노드와 적어도 하나의 외부 부하 사이에 상호 연결되는 상기 전력 스위치, 및 상기 제어 유닛을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제어 유닛의 출력 노드는 상기 전력 스위치의 도통을 제어하기 위해 상기 전력 스위치에 연결될 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는 상기 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 상기 폴트 신호를 수신한 후 제1기간 후에 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 설정하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 스위치 제어 회로는 상기 마이크로컨트롤러의 에러가 검출된 후 기 설정된 상기 제1기간이 경과한 후에 임의의 외부 부하로부터 상기 전지 시스템을 차단할 수 있다. 여기서, 상기 제1기간의 종료 시의 상기 전력 스위치를 통한 차단은, 상기 스위치 제어 회로에 대한 임의의 다른 신호 입력과 상관 없이 발생할 수 있다. 상기 스위치 제어 회로는 상기 마이크로컨트롤러의 오작동을 인지하면, 제1타이머를 시동시켜 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 전환시키기 위한 상기 제1기간을 카운팅할 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는 상기 센서 신호(또는 상기 상태 신호)가 기 설정된 임계값을 초과하면 상기 전력 스위를가 비도통 상태로 설정하는 상기 제2제어 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 따라서, 상기 스위치 제어 회로는, 제1입력으로서 상기 센서 신호(또는 상기 상태 신호)를 수신하고 상기 제2제어 신호를 출력하는 적어도 하나의 비교기 회로 또는 연산 증폭기를 포함할 수 있다. 상기 임계값은 외부 신호 또는 내부 메모리에 의해 제2입력으로서 상기 비교기 또는 상기 연산 증폭기에 공급될 수 있다. 따라서, 상기 스위치 제어 회로는 또한 상기 전력 스위치, 즉 상기 전지 시스템의 센서 기반 비상 셧다운 기능을 수행할 수 있다. 상기 센서 기반 비상 셧다운 기능은 타이머-기반 셧다운으로, 상기 제1기간 동안만 실행될 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는 상기 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 상기 폴트 신호를 수신한 후 제2기간 동안 상기 전력 스위치를 도통 상태로 설정하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 스위치 제어 회로는 상기 마이크로컨트롤러의 에러 검출을 시작으로 기 설정된 제2기간 동안 상기 전력 스위치를 도통시키기 위한 (제3)제어 신호를 생성하여 상기 출력 노드(또는 상기 전력 스위치)로 전송할 수 있다. 따라서, 상기 전력 스위치는, 상기 제2기간 동안에는 상기 스위치 제어 회로에 대한 다른 신호 입력에 관계 없이 도통 상태로 설정될 수 있다. 이에 따라, 상기 스위치 제어 회로의 상기 센서 기반 셧다운 기능은, 상기 전력 스위치, 즉 상기 전지 시스템의 셧다운이 방지되는 상기 제2기간 동안 지연될 수 있다.
상기 제2기간으로 인해, 상기 전력 스위치가 상기 마이크로컨트롤러에 의해 제어되는 상기 제어 유닛 및 상기 전지 시스템의 노멀 작동 모드와, 상기 마이크로컨트롤러의 고장이 발생한 후 상기 스위치 제어 회로에 의해 센서 기반 셧다운이 실행되기 전 상기 제어 유닛 및 상기 전지 시스템이 상기 스위치 제어 회로에 의해 상기 전력 스위치가 제어되는 가용성 모드 사이에는, 전이 단계가 허용될 수 있다. 상기 제2기간은 상기 복수의 전지 셀의 FTII(fault tolerant time interval) 미만이거나, 상기 제1기간 기간보다 짧을 수 있다. 따라서, 상기 복수의 전지 셀의 FTTI 시간 내에, 상기 스위치 제어 회로에 의한 센서 기반 긴급 셧다운이 적용되어 상기 전지 시스템이 안전 상태에 도달할 수 있다.
상기 전지 시스템은 상기 복수의 전지 셀들 중 적어도 하나의 전지 셀의 전류, 전압 및 온도 중 적어도 하나를 상기 센서 신호로서 검출하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 적어도 하나의 센서 신호 및/또는 상기 상태 신호는 상기 복수의 전지 셀들 중 적어도 하나의 전지 셀의 전압, 온도 및 전류 중 적어도 하나에 기초한다. 상기 적어도 하나의 센서는 상기 제1노드 및 상기 제2노드 중 하나와 직렬로 연결된 션트 저항을 포함할 수 있다. 상기 제어 유닛은, 상기 제1노드 및 상기 제2노드 중 하나와 상기 복수의 전지 셀 사이의 전류를 가리키는 센서 신호로서 상기 션트 저항을 통한 전압 강하를 수신하기 위한 두 개의 입력 노드들을 포함할 수 있다. 상기 상기 션트 저항을 통한 전압 강하를 수신하기 위한 두 개의 입력 노드들은, 상기 프런트 엔드 회로와 상기 스위치 제어 회로에 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량은 상기 전지 시스템에 외부 부하로 연결되는 적어도 하나의 제1전기 소비자를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 전지 시스템의 상기 마이크로컨트롤러의 고장이 발생하면, 상기 적어도 하나의 제1전기 소비자의 비상 셧다운은 상기 스위치 제어 회로에 의해 제어될 수 있다. 상기 차량은 전기 차량 또는 하이브리드 차량일 수 있다.
상기 차량은 상기 전지 시스템에 전기적으로 연결되고 상기 차량의 안전성과 관련되지 않은 적어도 하나의 제2전기 소비자를 더 포함할 수 있다. 상기 차량은 상기 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 상기 폴트 신호를 수신하는 것에 응답하여, 상기 적어도 하나의 제2전기 소비자를 차단하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함할 수 있다. 상기 상기 적어도 하나의 제2전기 소비자를 차단하도록 구성된 제어 유닛은, 상기 전지 시스템의 상기 제어 유닛을 구성하는 시스템 기반 칩일 수 있다.
상기 제1기간, 상기 제2기간 및 상기 센서 기반 비상 셧다운은 상기 마이크로컨트롤러의 고장 인식 이후에 상기 제1전기 소바자의 하드웨어 제어에 적용될 수 있다. 따라서, 상기 제1전기 소비자의 안전성 관련 기능은 상기 제1기간 동안 보장되고, 이에 반해 상기 센서 기반 비상 셧다운은 안전한 상태로 전환을 허용하기 위한 상기 제2기간 이후 소정 시간 동안(상기 제1기간 중 상기 제2기간을 제외한 나머지 기간) 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1노드와 제2노드 사이에 전기적으로 직렬 연결된 복수의 전지 셀과, 상기 제1노드 또는 상기 제2노드와 적어도 하나의 외부 부하 사이에 연결되는 전력 스위치, 및 상기 전력 스위치를 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함하는 전지 시스템의 동작 방법은, 상기 전지 시스템의 적어도 하나의 센서를 통해, 상기 복수의 전지 셀들 중 상기 적어도 하나의 전지 셀의 상태를 나타내는 적어도 하나의 센서 신호를 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 센서 신호를 검출하는 단계는, 상기 전지 시스템의 모든 동작 시간 동안, 즉 노멀 작동 모드 및 상기 가용성 모드 동안 발생할 수 있다. 또한, 상기 적어도 하나의 센서 신호는 상기 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 전지 셀의 전류, 전압 및 온도 중 적어도 하나에 관련될 수 있다.
상기 동작 방법은, 상기 제어 유닛의 상기 마이크로컨트롤러가, 상기 적어도 하나의 센서 신호에 기초하여 상기 전력 스위치를 제어하기 위한 제1제어 신호를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1제어 신호를 결정하는 단계에서, 상기 제1제어 신호는 상기 전력 스위치를 제어하기 위한 신호일 수 있다. 상기 제1제어 신호를 결정하는 단계는, 노멀 작동 모드 동안, 즉 상기 마이크로컨트롤러의 고장이 발생하지 않는 동안 주로 수행될 수 있다. 상기 제1제어 신호를 결정하는 단계는, 상기 마이크로컨트롤러의 고장 발생이 인식된 이후에도 수행될 수 있다.
상기 동작 방법은, 상기 제어 유닛의 상기 스위치 제어 회로가, 상기 센서 신호 및 상기 제1제어 신호 및 상기 마이크로컨트롤러의 동작 상태를 나타내는 폴트 신호를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 폴트 신호는 상기 마이크로컨트롤러 자체 또는 다른 제어기(예를 들어 시스템 기반 칩)에 의해 수신될 수 있다. 상기 동작 방법은, 상기 스위치 제어 회로가, 상기 센서 신호에 기초하여 제2제어 신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제2제어 신호는 상기 전력 스위치를 제어하기 위한 신호일 수 있다. 상기 동작 방법은, 상기 스위치 제어 회로가, 상기 폴트 신호, 즉 상기 폴트 신호의 값에 기초하여 상기 제어 유닛의 상기 출력 노드를 통해 상기 전력 스위치에 상기 제1제어 신호 및 상기 제2제어 신호 중 하나를 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전달하는 단계는, 상기 스위치 제어 회로가, 상기 수신된 폴트 신호가 상기 마이크로컨트롤러의 정상 작동을 나타내는 경우, 상기 제1제어 신호를 출력 노드(또는 상기 전력 스위치)로 전달하는 단계, 및 상기 스위치 제어 회로가, 상기 폴트 신호가 상기 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 경우, 상기 제2제어 신호를 상기 출력 노드(또는 상기 전력 스위치)에 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 동작 방법은, 상기 마이크로컨트롤러에서 장애가 발생하지 않는 상기 노멀 작동 모드 동안에는, 상기 마이크로컨트롤러가 상기 제1제어 신호를 통해 상기 전지 시스템의 상기 전력 스위치를 제어하는 단계, 및 상기 마이크로컨트롤러에서 장애가 발생하면 상기 마이크로컨트롤러를 통한 상기 전력 스위치의 제어를 중지하고, 상기 스위치 제어 회로가 상기 제2제어 신호를 통해 상기 전력 스위치를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 동작 방법에서, 상기 노멀 작동 모드에서는, 복수의 상이한 센서 값들(온도, 전류, 전압, 가스 성분 등)과 관련되는 모든 기능들 및 안전 매커니즘들이 상기 전지 시스템의 긴급 셧다운을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
상기 동작 방법은, 상기 제어 유닛의 프론트 엔드 회로가, 상기 센서 신호에 기초하여 상태 신호를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 상태 신호는 상기 마이크로컨트롤러 또는 상기 스위치 제어 회로에 의한 추가 처리에 보다 적합하게 처리된 센서 신호일 수 있다. 이 경우, 상기 스위치 제어 회로로 입력되는 상기 센서 신호는 상기 프론트 엔드 회로로부터 출력되는 상기 상태 신호에 의해 대체될 수 있다.
상기 전력 스위치로 전달하는 단계는, 상기 마이크로컨트롤러의 오작동을 가리키는 상기 폴트 신호를 수신하고 제1기간 동안 제1모드로 동작하는 단계, 및 상기 제1모드가 종료되면, 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1모드로 동작하는 단계는, 상기 폴트 신호를 수신하고 제2기간 동안 상기 전력 스위치를 도통 상태로 설정하는 제2모드로 동작하는 단계, 및 상기 제2모드가 종료되면, 상기 센서 신호에 기초하여 생성된 상기 제2제어 신호를 상기 전력 스위치로 전달하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2기간 동안에는, 상기 센서 신호 및 상기 상태 신호에 관계없이 상기 전력 스위치를 도통 상태로 설정하도록 상기 제2제어 신호가 생성될 수 있다. 상기 제2기간은, 상기 마이크로컨트롤러로부터 상기 스위치 제어 회로로 셧다운 제어 권한을 양도하기 위한 전이 기간일 수 있다.
상기 제2신호를 생성하는 단계는, 상기 스위치 제어 회로가, 상기 제1기간 동안에 상기 상태 신호가 기 설정된 임계값을 초과하면, 상기 전력 스위치가 비도통 되도록 하는 제2제어 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 마이크로컨트롤러의 고장 상황에서도, 전지 시스템의 신뢰성 있는 비상 셧다운이 보장될 수 있다.
전지 시스템의 FIT율을 감소시키고 안전성 관련 센서 값과 전력 스위치 사이의 대안적인 신호 경로를 제공함으로써 전지 시스템의 가용성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 전지 시스템용 제어 유닛은 전지 시스템의 ASIL B 분류(classification)를 허용할 수 있다.
도 1은 제1실시 예에 따른 전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 제2실시 예에 따른 전지 시스템의 개략도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 전지 시스템의 스위치 제어 유닛의 일 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 전지 시스템의 스위치 제어 유닛의 다른 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 전지 시스템의 제2실시 예에 따른 스위치 제어 회로를 적용하는 경우의 전지 시스템의 전류 흐름을 예를 들어 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 실시 예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.
실시 예들을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 붙이도록 한다. 따라서 이전 도면에 사용된 구성요소의 참조 번호를 다음 도면에서 사용할 수 있다.
2개의 구성요소를 전기적으로 연결한다는 것은 2개의 구성요소를 직접(directly) 연결할 경우뿐만 아니라, 2개의 구성요소 사이에 다른 구성요소를 거쳐서 연결하는 경우도 포함한다. 다른 구성요소는 스위치, 저항, 콘덴서 등을 포함할 수 있다. 실시 예들을 설명함에 있어서 연결한다는 표현은, 직접 연결한다는 표현이 없는 경우에는, 전기적으로 연결한다는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 실시 예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.
실시 예들을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 붙이도록 한다. 따라서 이전 도면에 사용된 구성요소의 참조 번호를 다음 도면에서 사용할 수 있다.
2개의 구성요소를 전기적으로 연결한다는 것은 2개의 구성요소를 직접(directly) 연결할 경우뿐만 아니라, 2개의 구성요소 사이에 다른 구성요소를 거쳐서 연결하는 경우도 포함한다. 다른 구성요소는 스위치, 저항, 콘덴서 등을 포함할 수 있다. 실시 예들을 설명함에 있어서 연결한다는 표현은, 직접 연결한다는 표현이 없는 경우에는, 전기적으로 연결한다는 것을 의미한다.
도 1은 제1실시 예에 따른 전지 시스템(100)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에서 복수의 전지 셀(10)은 제1노드(11) 및 제2노드(12) 사이에 직렬로 연결된다. 그러나, 본 발명이 이로 한정되는 것은 아니어서, 전지 셀들(10)은 제1노드(11) 및 제2노드(12) 사이에 병렬로 연결되어, 제1 및 제2노드(11, 12) 사이에 XsYp 구성을 형성할 수도 있다. 또한, 직렬 또는 병렬 연결된 복수의 셀로 구성된 전지 서브 모듈(미도시)들이 제1 및 제2노드(11, 12) 사이에 연결될 수도 있다.
도 1에서, 12개의 전지 셀(10)들 각각이 약 4V의 전압을 제공한다고 가정하면, 약 48V의 전압(VDD)이 제1노드(11)와 제2노드(12) 사이에 인가된다. 외부 부하(14)는 전지 셀(10)의 이러한 전압을 공급 받는다. 릴레이(13)는 제1노드(11)와 외부 부하(14) 사이의 전력 스위치로 연결되어, 외부 부하(14)로의 전력 공급을 제어한다. 여기서, 릴레이(13)의 도통 상태는 제어 유닛(20)의 출력 노드(27)를 통해 제어 유닛(20)에 의해 제어된다.
제어 유닛(20)은 센서 입력을 수신하는 적어도 하나의 입력 노드들을 포함할 수 있다. 도 1을 예로 들면, 제어 유닛(20)은 차동 입력을 수신하도록 구성되는 두 개의 입력 노드(21)들을 포함할 수 있다. 이들 입력 노드(21)들은 제2노드(12)와 외부 부하(14) 사이에 상호 연결된 션트 저항(15)의 양단에 각각 연결되며, 션트 저항(15)을 통한 전압 강하를 센서 신호(40)로서 수신할 수 있다. 즉, 두 개의 입력 노드(21)들은 각각 션트 저항(15)의 끝단에서의 전압들을 각각 차동 입력으로 수신함으로써, 션트 저항(15)의 양단 전압, 즉, 션트 저항(15)에 의한 전압 강하에 해당하는 전압값을 센서 신호(40)로 수신할 수 있다.
제어 유닛(20)은, 센서 신호(40)에 기초하여 상태 신호(41)를 생성하기 위해 센서 신호(40)를 수신 및 처리하는 프론트 엔드 회로(front end circuit, 22)를 더 포함할 수 있다. 이 경우에, 상태 신호(41)는 복수의 전지 셀(10)에 의해 제공되는 전류 I를 나타내고, 미리 알고 있는 션트 저항(15)의 저항값을 이용하여 생성될 수 있다.
제어 유닛(20)은, 프론트 엔드 회로(22)에 접속되고 프론트 엔드 회로(22)로부터 상태 신호(41)를 수신하는 마이크로컨트롤러(24)를 더 포함할 수 있다. 마이크로컨트롤러(24)는 또한 상태 신호(41)에 기초하여 제1제어 신호(42)를 생성하도록 구성될 수 있다. 여기서, 제1제어 신호(42)는 릴레이(13)를 도통 또는 비 도통으로 설정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 마이크로컨트롤러(24)는 상태 신호(41)가 전지 시스템(100)의 표준 동작 컨디션들 내의 전류를 나타내는 경우 릴레이(13)를 도통 상태로 설정하도록 제1제어 신호(42)를 생성할 수 있다. 또한, 예를 들어, 마이크로컨트롤러(24)는 상태 신호(41)가 과전류를 나타내는 경우에는 릴레이(13)를 비도통 상태로 설정하도록 제1제어 신호(42)를 생성한다.
마이크로컨트롤러(24)는 또한 마이크로컨트롤러(24)의 동작 상태를 나타내는 폴트 신호(43)를 생성하여 출력할 수도 있다. 예를 들어, 폴트 신호(43)는 마이크로컨트롤러(24)의 자체 검사 및/또는 내부 에러 코드에 기초하여 생성될 수 있다. 폴트 신호(43)는 마이크로컨트롤러(24)의 정상 작동(operability) 또는 마이크로컨트롤러(24)의 오작동(malfunction)을 나타내는데, 2 개의 가능한 값(예를 들어, "0"또는 "1")들 중 하나를 취할 수 있다.
제어 유닛(20)은 프론트 엔드 회로(22) 및 마이크로컨트롤러(24)에 접속된 스위치 제어 회로(25)를 더 포함할 수 있다. 스위치 제어 회로(25)는 프론트 엔드 회로(22)로부터 상태 신호(41)를 입력으로 수신할 수 있다. 스위치 제어 회로(25)는 마이크로컨트롤러(24)로부터 제1제어 신호(42) 및 폴트 신호(43)를 수신할 수 있다. 스위치 제어 회로(25)는 제어 유닛(20)의 출력 노드(27)에 추가로 연결될 수 있다.
스위치 제어 회로(25)는 수신된 상태 신호(41)에 기초하여 제2제어 신호(44)를 생성하도록 구성될 수 있다. 제2제어 신호(44)는 릴레이(13)를 도통 또는 비 도통으로 설정하기 위해 사용될 수 있다. 스위치 제어 회로(25)는 상태 신호(41)가 전지 시스템(100)의 표준 동작 컨디션들 내의 전류를 나타내는 경우 릴레이(13)를 도통 상태로 설정하도록 제2제어 신호(44)를 생성하고, 상태 신호 (41)가 과전류를 나타내는 경우에는 릴레이(13)를 비도통 상태로 설정하도록 제2제어 신호(44)를 생성할 수 있다. 여기서, 제2제어 신호(44)는 제1제어 신호(42)와 서로 다른 신호일 수 있다.
스위치 제어 회로(25)는 제1제어 신호(42) 또는 제2제어 신호(44) 중 어느 하나를 출력 노드(27)를 통해 릴레이(13)에 출력할 수 있다. 스위치 제어 회로(25)는 폴트 신호(43)에 기초하여 이들 신호(42, 44) 중 하나를 출력 노드(27)를 통해 출력할 수 있다. 즉, 스위치 제어 회로(25)는 폴트 신호(43)의 값, 즉 폴트 신호(43)가 마이크로컨트롤러(24)의 정상 작동 및 오작동 중 어느 것을 나타내는 지의 여부에 따라, 제1 및 제2제어 신호(42, 44) 중 하나를 선택하고, 선택된 제어 신호를 출력 노드(27)를 통해 릴레이(13)로 출력한다. 따라서, 제어 유닛(20)은 마이크로컨트롤러(24)가 오작동 하여 더 이상 릴레이(13)를 신뢰성있게 제어할 수 없더라도 센서 신호(40)에 기초하여 릴레이(13)의 제어를 지속할 수 있다.
도 2는 제2실시 예에 따른 전지 시스템(100)을 개략적으로 도시한 것이다. 제2실시 예 따른 전지 시스템(100)의 제어 유닛(20)은 일부 동작이 제1실시 예에 따른 전지 시스템(100)의 제어 유닛(20)과 차이가 있으며, 나머지 구성 요소는 제1실시 예와 동일하게 동작할 수 있다.
제2실시 예에 따른 제어 유닛(20)은, 입력 노드(21)와, 프론트 엔드 회로(22) 및 스위치 제어 회로(25) 간의 도전 접속 사이에 상호 접속된 증폭 회로(23)를 더 포함한다는 점에서 제1실시 예에 따른 제어 유닛(20)과 차이가 있다. 증폭 회로(23)는 프론트 엔드 회로(22)의 바이 패스를 제공하며, 증폭된 센서 신호(41')를 스위치 제어 회로(25)에 공급할 수 있다. 따라서, 스위치 제어 회로(25)를 통한 제어 유닛(20)의 입력 노드(21)와 출력 노드(27) 사이의 하드웨어 경로는, 프론트 엔드 회로(22)의 작동 여부와는 상관 없이 동작할 수 있다. 즉, 증폭 회로(23)가 직접 센서 신호(41)를 증폭하여 스위치 제어 회로(25)로 전달하면, 전자기 간섭 등과 같이 마이크로컨트롤러(24)의 고장이 프론트 엔드 회로(22)의 고장에도 영향을 미치는 원인에 기인한 것인 경우, 프론트 엔드 회로(22) 주위에 또 다른 바이패스를 제공할 수 있다. 또한, 증폭 회로(23)의 사용으로 스위치 제어 회로(25)는 추가적인 증폭 없이 입력되는 상태 신호(41) 또는 증폭된 센서 신호(41')를 직접 이용하여 제2제어 신호(44)를 도출할 수 있다. 증폭 회로(23)에서의 신호 증폭은, 증폭 회로(23)의 후속단에서 프로그래머블 집적 회로들을 이용할 필요 없이 간단한 하드웨어 구성 요소만을 이용하게 하는 이점이 있다.
또한, 제2실시 예의 제어 유닛(20)은 마이크로컨트롤러(24) 및 스위치 제어 회로(25)에 접속된 시스템 기반 칩(26)을 포함한다는 점에서 제1실시 예에서의 제어 유닛(20)과 다를 수 있다. 시스템 기반 칩(26)은 마이크로컨트롤러(24)의 동작 상태를 모니터하도록 구성되고, 마이크로컨트롤러(24)의 정상 작동 여부을 나타내는 폴트 신호(43)를 생성하여 출력할 수 있다. 시스템 기반 칩(26)은 통상적인 SBC(System Basis Chip)의 기능들을 추가로 포함할 수 있다. 심각한 오작동을 일으키는 마이크로컨트롤러(24)는 신뢰성 있는 폴트 신호(43)를 제공할 수 없으므로, 시스템 기반 칩(26)은 마이크로컨트롤러(24) 대신 폴트 신호(43)를 생성함으로써 제어 유닛(20)의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 전지 시스템(100)의 스위치 제어 회로(25)의 일 예를 개략적으로 도시한 것이다. 여기서, 스위치 제어 회로(25)는 제1실시 예 또는 제2실시 예에 따른 제어 유닛(20)의 일부일 수 있다. 도 3에 도시된 스위치 제어 회로(25)의 코어 기능들은 매우 간단한 회로 설계로 구현될 수 있다.
도 3을 참조하면, 스위치 제어 회로(25)는 멀티플렉서(36) 및 비교기(31)를 포함할 수 있다. 비교기(31)는 상태 신호(41)(또는 증폭된 센서 신호(41'))를 소정의 임계값과 비교하도록 구성된다. 여기서, 비교기(31)는 상태 신호(41)(또는 증폭된 센서 신호(41'))와의 비교 대상이 되는 임계값을 수신하기 위한 추가의 입력(미도시)을 포함할 수 있다. 비교기(31)는 상태 신호(41)(또는 증폭된 센서 신호(41'))가 소정의 임계값을 초과하는지 여부가 반영된 제2제어 신호(44)를 출력한다.
멀티플렉서(36)는 2개의 데이터 신호 입력 및 1개의 제어 신호 입력을 포함할 수 있다. 제1제어 신호(42)는 멀티플렉서(36)의 제1데이터 신호 입력으로 입력되고, 비교기(31)의 출력은 멀티플렉서(36)의 제2데이터 신호 입력으로 입력된다. 폴트 신호(43)는 멀티플렉서(36)의 제어 신호 입력으로 입력된다. 멀티플렉서(36)는 수신되는 폴트 신호(43)의 값에 기초하여 제1 및 제2 제어 신호(42, 44) 중 하나를 선택적으로 출력한다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 전지 시스템(100)의 스위치 제어 회로(25)의 다른 예를 도시한 것이다. 여기서, 스위치 제어 회로(25)는 제1실시 예 또는 제2실시 예에 따른 제어 유닛(20)의 일부일 수 있다. 도 4의 스위치 제어 회로(25)는 도 3의 스위치 제어 회로(25)가 수행하는 코어 기능 외에 후술하는 제1기간(도 5의 T1 참조) 및 제2기간(도 5의 T2 참조)과 관련된 기능을 추가로 수행할 수 있다. 도 4의 스위치 제어 회로(25)의 동작은, 도 5에 도시된 바와 같은 전지 시스템(100)의 출력 전류의 타임 라인을 참조하여 설명될 수 있다.
도 4를 참조하면, 스위치 제어 회로(25)는 상태 신호(41)(또는 증폭 된 센서 신호(41')), 제1제어 신호(42) 및 폴트 신호(43)를 입력으로 수신할 수 있다.
전지 시스템(100) 및 제어 유닛(20)의 작동 모드 중, 마이크로컨트롤러(24)가 고장 없이 작동하는 노멀 작동 작동 모드(도 5의 A 구간 참조) 동안에, 전지 시스템(100)은 과전류 판단 기준이 되는 최대 전류를 IImax로 허용할 수 있다. 노멀 작동 모드에서, 폴트 신호(43)는 마이크로컨트롤러(24)의 정상 작동을 나타내는 이진값(예를 들어, "1")으로 출력될 수 있다. 마이크로컨트롤러(24)의 정상 작동을 나타내는 폴트 신호(43) "1"이 멀티플렉서(36)의 제어 신호 입력으로 입력되면, 멀티플렉서(36)는 마이크로컨트롤러(24)로부터 제1제어 신호(42)가 입력되는 제1데이터 신호 입력(1)을 출력으로 선택한다. 따라서, 노멀 작동 모드에서, 마이크로컨트롤러(24)로부터 출력된 제1제어 신호(42)는 멀티플렉서(36) 및 출력 노드(27)를 통해 릴레이(13)로 출력되며, 릴레이(13)는 마이크로컨트롤러(24)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 상태 신호(41)가 IImax를 초과하는 전류를 나타내는 경우, 마이크로컨트롤러(24)는 제1제어 신호(42)를 통해 릴레이(13)를 비도통 상태로 설정할 수 있다.
도 5에 도시된 바에 따르면, B 시점에서 마이크로컨트롤러(24)에 장애가 발생하고, 이러한 장애는 도 1에 도시된 마이크로컨트롤러(24) 또는 도 2에 도시된 마이크로컨트롤러(24)에 연결된 시스템 기반 칩(26)에 의해 즉시 인지될 수 있다. 따라서, 마이크로컨트롤러(24) 또는 시스템 기반 칩(26)에 의해, 폴트 신호(43)는 B 시점부터 마이크로컨트롤러(24)의 오동작을 나타내는 이진값(예를 들어, "0")으로 설정되고, 이에 따라 멀티플렉서(36)는 제2데이터 신호 입력(0)을 출력으로 선택할 수 있다.
또한, B 시점에서, 전지 시스템(100)에 의해 전력을 공급받고 있는 차량(미도시)의 전기 소비자들 중 안전성과 관련 없는 적어도 하나의 전기 소비자, 특히 고부하의 소비자(예를 들어, 차량의 전기 모터 등)는, 전력 스위치(13)는 도통 상태를 유지한 상태에서 제어 유닛(예를 들어, 시스템 기반 칩(26))에 의해 전지 시스템(100)과 연결이 해제될 수 있다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 전지 시스템(100)으로부터 차량의 전기 소비자들로 공급되는 전류 I(곡선)는, 차량의 안전성을 증가시키기 위해 시점 B부터 신속하게 떨어지기 시작한다.
멀티플렉서(36)의 제2데이터 신호 입력(0)은 이하에서 보다 상세하게 설명되는 하드웨어 경로에 의해 상태 신호(41)(또는 증폭된 센서 신호(41 '))에 연결될 수 있다. 아래에서는 제어 유닛(20)이 출력 노드(27)를 통해 하이 신호 "1"을 출력하면 릴레이(13)가 도통 상태로 설정되고, 로우 신호 "0"를 출력하면 릴레이(13)가 비도통 상태로 설정되는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 4를 참조하면, 멀티플렉서(36)의 제2데이터 신호 입력(0)과 연결되는 하드웨어 경로는, 멀티플렉서(36)의 제2데이터 신호 입력(0)에 폴트 신호(43)를 연결하는 OR 게이트(35) 및 제1래칭 소자(32)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1래칭 소자(32)는 폴트 신호(43)를 입력으로 수신하고, 출력을 OR 게이트(35)로 전송할 수 있다. 제1래칭 소자(32)는 전술한 제2기간(T2) 동안 공급되는 하이 입력 신호를 래치시킬 수 있다. 도 5의 시점 B에서 폴트 신호(43)가 마이크로컨트롤러(24)의 정상 작동을 가리키는 하이(이진값 "1")에서 마이크로컨트롤러(24)의 오작동을 가리키는 로우(이진값 "0")로 변화함에 따라, 제1래칭 소자(32)는 시점 B를 시작으로 하는 제2기간(T2) 동안 하이 값 "1"을 OR 게이트(35)의 제1입력으로 출력한다. OR 게이트(35)는 OR 게이트(35)의 입력들 중 어느 하나라도 하이 값 "1"이 입력되면 하이 값 "1"을 출력한다. 따라서, OR 게이트(35)는 제1래칭 소자(32)로부터 하이 값"1"이 입력되는 제2기간(T2) 동안에는 멀티플렉서(36)의 제2데이터 신호 입력(0)에 하이 값 "1"을 제공한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제2기간(T2) 즉, 초기 모드(initial mode)(도 5의 C 구간 참조) 동안, 차량의 안전성과 관련된 제2전기 소비자는 전지 시스템(100)으로부터의 연결이 끊어지지 않기 때문에, 전류 I는 완전히 차단되지 않고 제2전류 임계값(IIImax) 아래로 떨어진다. 초기 모드(도 5의 C 구간 참조) 동안에는, 릴레이(13)를 통한 전지 시스템(100)의 조기 셧다운을 방지하면서 전류 소모를 IIImax 이하로 감소시키기 위해, 릴레이(13)의 임계값 기반 제어가 수행되지 않는다.
시점 B 에서 시작된 제2기간(T2)이 지난 이후, 제1래칭 소자(32)는 OR 게이트(35)의 제1입력에 하이 신호 "1"을 더 이상 제공하지 않게 된다. 따라서, OR 게이트(35)가 멀티플렉서(36)로 하이 신호를 출력하는지 여부는 OR 게이트(35)의 제2입력에 인가되는 신호에 의존한다. OR 게이트(35)의 제2입력은 AND 게이트(34)의 출력 신호를 수신하며, 그 입력은 아래에서 설명한다.
AND 게이트(34)의 제2입력은 제2래칭 소자(33)를 통해 폴트 신호(43)에 연결될 수 있다. 제2래칭 소자(33)는 전술한 제1기간(T1) 동안 공급되는 하이 입력 신호를 래치시킬 수 있다. 도 5의 시점 B에서 폴트 신호(43)의 값이 하이에서 로우로 변화함에 따라, 제2래칭 소자(33)는 시점 B에서 시작된 제1기간(T1) 동안 하이 값 "1"을 출력한다. 이후, 제1기간(T1)의 종료 시, 즉, 도 5에 도시된 시점 G에서, 제2래칭 소자(33)는 로우 신호 "0"을 AND 게이트(34)에 출력하고, AND 게이트(34)는 로우 신호 "0"을 멀티플렉서(36)에 출력한다. 따라서, 시점 B에서의 고장으로 시작된 전지 시스템(100)의 가용 모드(availability mode)가 종료되고, 전지 시스템(100)은 릴레이(13)를 비 도통으로 설정함으로써 셧다운된다.
AND 게이트(34)의 제1입력은, 상태 신호(41)(또는 증폭된 센서 신호(41'))를 수신하고 상태 신호(41)(또는 증폭된 센서 신호(41 '))와 임계값 사이의 비교 결과에 기초하여 제2제어 신호(44)를 출력하는 비교기(31)(도 3과 관련된 설명 참조)에 연결된다. 여기서, 비교기(31)는 도 5에 도시된 바와 같이 상태 신호(41)(또는 증폭된 센서 신호(41'))가 제2전류 임계값(IIImax) 이하의 전류를 지시하면 하이 신호 "1"을 출력하고, 상태 신호(41)(또는 증폭된 센서 신호(41'))가 제2전류 임계값(IIImax)을 초과하는 전류를 나타내는 경우 로우 신호 "0"를 출력한다.
따라서, 도 5에 도시 된 바와 같이, 제1기간(T1) 내에서 제2기간(T2) 이 후의 기간, 즉, 도 5에 도시된 시점 D 및 G 사이, 또는 저 성능 모드(low performance mode)(도 5의 E 구간 참조) 동안에는 과전류 보호를 실현하기 위한 릴레이(13)의 센서 기반 제어가 수행되는 반면, 과전류 임계값은 II max 에서 III max로 낮아진다. 즉, 저 성능 모드 동안, 전지 시스템(100)은 상태 신호(41)(또는 증폭된 센서 신호(41'))가 제2전류 임계값(IIImax)을 초과하는 전류를 나타내는 경우, 릴레이(13)를 통해 셧다운된다.
래칭 회로들(32, 33)의 래칭 시간 즉, 제1기간(T1) 및 제2기간(T2)은 타이머에 의해 카운팅 될 수 있다. 제1기간(T1) 및 제2기간(T2)을 카운팅하기 위한 카운터들은, 마이크로컨트롤러(24)의 고장이 인지된 시점에 시동될 수 있다.
전술한 바에 따르면, 차량의 안전성과 관련된 전기 소비자들은, 마이크로컨트롤러(24)의 고장 시 하드웨어 경로로 이루어진 스위치 제어 회로(25)에 의해 제어되어, 전지 시스템(100)의 셧다운 전 가용성을 소정 기간 보장할 수 있다.
도 3 및 도 4에 예를 들어 도시한 바와 같이, 스위치 제어 회로(25)는 하드웨어 경로로서 구성될 수 있다. 즉, 스위치 제어 회로(25)는, ASIC 또는 MCU와 같이 복잡성(complexity)을 가지는 프로그래머블 컴포넌트 및/또는 집적 회로들을 포함하지 않고, 이와 유사한 기능을 가지는 전압 분배기(voltage divider), 트랜지스터들, 저항들, 캐패시터들, 연산 증폭기들 및/또는 전자 하드웨어 구성 요소들로만 구성될 수 있다. 따라서, 스위치 제어 회로(25)는, 신속한 반응 및 스위칭 시간이 높은 신뢰성을 가지도록 구현될 수 있다. 스위치 제어 회로(25)는 FIT율이 100 이하일 수 있다. 제어 유닛(20)의 입력 노드(21)와 출력 노드(27) 사이의 전체 하드웨어 경로는, 100 이하의 FIT 율을 갖는 하드웨어 경로로서 구성될 수 있다. 각 구성 요소의 FIT에 기초하여 하드웨어 경로의 FIT율를 결정하는 방법은 당업자에게는 주지된 기술이다.
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 형성 될 수있다. 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 수있다. 또한, 전기 에너지는 예를 들어, 전자기 방사 및/또는 빛을 사용한 무선 접속을 통해 전송될 수도 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 전지 셀
11: 전지 시스템의 제1노드
12: 전지 시스템의 제2노드
13: 전력 스위치 (릴레이)
14: 외부 부하
15: 센서 (션트 저항)
20: 제어 유닛
21: 입력 노드
22: 프론트 엔드 회로
23: 증폭 회로
24: 마이크로컨트롤러
24: 스위치 제어 회로
26: 시스템 기반 칩
27: 출력 노드
31: 비교기
32: 제1래칭 소자
33: 제2래칭 소자
34: AND 게이트
35: OR 게이트
36: 멀티플렉서
40: 센서 신호
41: 상태 신호
42: 제1제어 신호
43: 폴트 신호
44: 제2제어 신호

Claims (15)

  1. 전지 시스템용 제어 유닛에 있어서,
    상기 전지 시스템의 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 상태를 나타내는 센서 신호를 수신하는 입력 노드,
    상기 센서 신호에 대응하여 제1제어 신호를 생성하는 마이크로컨트롤러, 및
    상기 제1제어 신호 및 상기 마이크로컨트롤러의 작동 상태를 나타내는 폴트 신호를 수신하며, 상기 센서 신호에 대응하여 상기 제1제어 신호와는 다른 제2제어 신호를 생성하고, 상기 폴트 신호에 기초하여 상기 제1제어 신호 및 상기 제2제어 신호 중 하나를 상기 제어 유닛의 출력 노드에 선택적으로 전달함으로써, 상기 전지 시스템의 전력 스위치를 제어하는 스위치 제어 회로를 포함하며,
    상기 폴트 신호는 상기 마이크로컨트롤러의 오작동 여부를 나타내는 신호인, 제어 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로는, 상기 폴트 신호가 상기 마이크로컨트롤러의 정상 작동을 나타내는 경우 상기 제1제어 신호를 상기 출력 노드로 전송하고, 상기 폴트 신호가 상기 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 경우 상기 제2제어 신호를 상기 출력 노드로 전송하는 제어 유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입력 노드와 상기 마이크로컨트롤러 사이에 상호 연결되며, 상기 센서 신호에 기초하여 상태 신호를 생성하는 프론트 엔드 회로를 더 포함하며,
    상기 마이크로컨트롤러는 상기 상태 신호에 기초하여 상기 제1제어 신호를 생성하며,
    상기 스위치 제어 회로는, 상기 상태 신호를 수신하고, 상기 상태 신호에 기초하여 상기 제2제어 신호를 생성하는 제어 유닛.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입력 노드 및 상기 프론트 엔드 회로 중 하나와 상기 스위치 제어 회로 사이에 상호 연결된 증폭 회로를 더 포함하며,
    상기 스위치 제어 회로는 상기 증폭 회로에 의해 증폭된 상기 상태 신호에 기초하여 상기 제2제어 신호를 생성하는 제어 유닛.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로는 100 이하의 FIT(Failure In Time)율을 갖는 하드웨어 경로인 제어 유닛.
  6. 전지 시스템으로서,
    제1노드 및 제2노드 사이에 전기적으로 직렬 연결되는 복수의 전지 셀,
    상기 제1노드 또는 상기 제2노드와, 적어도 하나의 외부 부하 사이에 상호 접속된 전력 스위치, 및
    상기 전력 스위치의 제어를 위해 상기 전력 스위치에 연결되는 출력 노드를 가지는 제어 유닛을 포함하며,
    상기 제어 유닛은,
    상기 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 상태를 나타내는 센서 신호를 수신하는 입력 노드,
    상기 센서 신호에 기초하여 제1제어 신호를 생성하는 마이크로컨트롤러, 및
    상기 제1제어 신호 및 상기 마이크로컨트롤러의 작동 상태를 나타내는 폴트 신호를 수신하며, 상기 센서 신호에 대응하여 상기 제1제어 신호와는 다른 제2제어 신호를 생성하고, 상기 폴트 신호에 기초하여 상기 제1제어 신호 및 상기 제2제어 신호 중 하나를 상기 제어 유닛의 출력 노드에 선택적으로 전달함으로써, 상기 전지 시스템의 전력 스위치를 제어하는 스위치 제어 회로를 포함하며,
    상기 폴트 신호는 상기 마이크로컨트롤러의 오작동 여부를 나타내는 신호인, 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로는, 상기 마이크로컨트롤러의 오작동을 가리키는 상기 폴트 신호를 수신하고 제1기간 후에, 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 설정하는 전지 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로는, 상기 센서 신호가 기 설정된 임계값을 초과하면 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 설정하도록 상기 제2제어 신호를 생성하는 전지 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로는 상기 마이크로컨트롤러의 오작동을 가리키는 상기 폴트 신호를 수신하고 제2기간 동안 상기 전력 스위치를 도통 상태로 설정하도록 구성되는 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2기간은 상기 복수의 전지 셀의 FTTI(Fault Tolerant Time Interval)보다 작은 전지 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 전지 셀의 전류, 전압, 및 온도 중 적어도 하나를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 더 포함하는 전지 시스템.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 전지 시스템에 외부 부하로서 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제1전기 소비자를 포함하는 차량.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전지 시스템에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제2전기 소비자, 및
    상기 전지 시스템의 고장을 나타내는 상기 폴트 신호의 수신에 응답하여 상기 적어도 하나의 제2전기 소비자를 차단하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 제2전기 소비자는 상기 차량의 안전성과 관련 없는 것을 특징으로 하는 차량.
  14. 제1노드 및 제2노드 사이에 전기적으로 직렬 연결된 복수의 전지 셀, 상기 제1노드 또는 상기 제2노드와 적어도 하나의 외부 부하 사이에 연결되는 전력 스위치, 및 상기 전력 스위치를 제어하는 제어 유닛을 포함하는 전지 시스템의 동작 방법에 있어서,
    센서를 통해, 상기 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 상태를 가리키는 센서 신호를 검출하는 단계,
    상기 제어 유닛의 마이크로컨트롤러가, 상기 센서 신호에 대응하여 상기 전력 스위치를 제어하기 위한 제1제어 신호를 결정하는 단계,
    상기 제어 유닛의 스위치 제어 회로가, 상기 제1제어 신호, 및 상기 마이크로컨트롤러의 작동 상태를 가리키는 폴트 신호를 수신하는 단계,
    상기 스위치 제어 회로가, 상기 센서 신호에 대응하여 상기 제1제어 신호와는 다른 제2제어 신호를 생성하는 단계, 및
    상기 스위치 제어 회로가, 상기 폴트 신호에 기초하여 상기 제1제어 신호 및 상기 제2제어 신호 중 하나를 상기 전력 스위치로 선택적으로 전달하는 단계를 포함하며,
    상기 폴트 신호는 상기 마이크로컨트롤러의 오작동 여부를 나타내는 신호인, 동작 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전력 스위치로 전달하는 단계는,
    상기 마이크로컨트롤러의 오작동을 가리키는 상기 폴트 신호를 수신하고 제1기간 동안 제1모드로 동작하는 단계, 및
    상기 제1모드가 종료되면, 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 설정하는 단계를 포함하며,
    상기 제1모드로 동작하는 단계는,
    상기 폴트 신호를 수신하고 제2기간 동안 상기 전력 스위치를 도통 상태로 설정하는 제2모드로 동작하는 단계, 및
    상기 제2모드가 종료되면, 상기 센서 신호에 기초하여 생성된 상기 제2제어 신호를 상기 전력 스위치로 전달하는 단계를 포함하는 동작 방법.
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