KR102555492B1 - 전지 시스템용 제어 시스템, 전지 시스템 및 이를 포함하는 차량 - Google Patents

전지 시스템용 제어 시스템, 전지 시스템 및 이를 포함하는 차량 Download PDF

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Abstract

본 발명은 N개의 단상 DC-DC 컨버터들(50)을 갖는 N-상 DC-DC 컨버터(80)를 포함하는 전지 시스템(200)용 제어 시스템(100)에 관한 것이다. 상기 제어 시스템(100)은 상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들(50)의 제1 부분(60)을 제어하도록 구성된 제1 마이크로컨트롤러(10), 및 상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들(50)의 나머지 제2 부분(70)을 제어하도록 구성된 제2 마이크로컨트롤러(20)를 포함한다. 여기서, 상기 제1 마이크로컨트롤러(10) 및 상기 제2 마이크로컨트롤러(20)는 데이터 라인(30)을 통해 연결된다. 상기 제어 시스템(100)은 제1 동작 모드에서 동작하도록 구성되며, 상기 제1 동작 모드에서, 상기 제1 마이크로컨트롤러(10) 및 상기 제2 마이크로컨트롤러(20)의 제어 동작은, 상기 N 단상 DC-DC컨버터들을 공통으로 제어하기 위해 상기 데이터 라인(30)을 통해 동기화된다. 상기 제어 시스템(100)은 제2 동작 모드에서 동작하도록 구성되며, 상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 마이크로컨트롤러(10)는 상기 제1 부분(60)을 독립적으로 제어하고, 상기 제2 마이크로컨트롤러(20)는 상기 제2 부분(70)을 독립적으로 제어한다. 본 발명은 또한 이러한 제어 시스템(100)을 갖는 전지 시스템(200), 및 상기 전지 시스템(200)을 갖는 차량에 관한 것이다.

Description

전지 시스템용 제어 시스템, 전지 시스템 및 이를 포함하는 차량{CONTROL SYSTEM FOR BATTERY SYSTEM, BATTERY SYSTEM AND VEHICLE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 시스템용 제어 시스템, 특히 높은 안전성 표준을 충족시키기 위해 개선된 리던던시를 갖는 제어 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 고전압 전지 시스템과 같은 제어 시스템을 갖는 전지 시스템에 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 다수의 전지 서브모듈들로 구성된 전지 모듈일 수 있으며, 각 전지 서브모듈은 예를 들어, 하이 브리드 차량 용과 같이 높은 에너지 밀도를 제공하기 위해, 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 전지셀들을 포함한다. 이러한 전지 모듈들은 전지 시스템을 형성하기 위해 서로 기계적 및 전기적으로 통합되며, 열 관리 시스템을 장착하고, 하나 이상의 전기 소비자와 통신하도록 설정될 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.
전지 시스템은 통상적으로 전술한 파라미터들의 모니터링, 제어 또는 설정을 위해 전지 관리 유닛(Battery management Unit, BMU) 또는 전지 시스템 관리자(Battery System Manager, BSM)를 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
전기 차량의 전기 엔진은, 예를 들어 48V 전지 시스템과 같은, 고전압 전지 시스템에 의해 전력이 공급될 수 있다. 48V 전지 시스템은, 48V 전지 시스템에 의해 구동되는 전자 제어 장치(electronic control unit, ECU)을 포함하는 48V 보드넷(board net)에 연결된다. 48V 전지 시스템은 일반적으로 발전기(시동 발전기(starter generator)가 결합된)에 의해 충전된다. 전기 차량은 안전 관련 기능들과 관련될 수 있는 12 V 보드넷을 더 포함할 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.
따라서 종래 기술에 따른 전기 차량은 일반적으로 12 전지 시스템, DC-DC 컨버터 및 48 전지 시스템을 포함한다. 이러한 전기 시스템들이 차량의 작동에서 더욱 중요해짐에 따라, 전지 시스템의 구성 요소들의 가용성(availability)이 더욱 중요해지고 있다. 예를 들어, 고전압 전지 시스템 또는 DC-DC 컨버터(DC-DC converter)에서 고장이 발생하더라도, 사용자는 제한된 기능으로 차량을 작동할 수 있어야 한다. 또한, 앞서 설명한 안전 관련 기능들은 ASIL B와 같은 특정 가용성 표준을 충족해야 한다.
전기 시스템의 이러한 가용성 요구 사항을 고려한 대부분의 공지된 솔루션들은 주로 고전압 전지의 가용성에 중점을 둔다. 그러나, 공지된 솔루션들은 가용성 측면에서 DC-DC 컨버터의 기능적 안전성을 고려하고 있지 않다.
본 발명의 실시 예를 통해 해결하고자 하는 과제는, 전지 시스템의 기능적 가용성에 기여하고 ASIL B 요건을 충족시킬 수 있는, 전지 시스템용 제어 시스템, 전지 시스템 및 이를 포함하는 차량을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 일 양태는 전지 시스템용 제어 시스템, 즉, 전지 시스템용 DC-DC 컨버터를 위한 제어 시스템에 관한 것이다. 상기 제어 시스템은 N개의 단상(single phase) DC-DC 컨버터들을 갖는 N-상(N-phase) DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 즉, 상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들을 연결하여 상기 N-상 DC-DC 컨버터를 구성하여, 상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들이 N개의 위상을 가지는 다상 DC-DC 컨버터로서 동작할 수 있다. 따라서, 상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들은, 상기 N-상 DC-DC 컨버터의 입력 노드와 상기 N-상 DC-DC 컨버터의 출력 노드 사이에 병렬로 설정(연결)될 수 있다. 상기 N 개의 단상 DC-DC 컨버터들 각각은, 스위칭 기간 동안 360°/N의 위상 간격으로 활성화되도록 구성될 수 있다.
상기 제어 시스템은 상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들 중 N1개의 단상 DC-DC 컨버터로 구성된 제1 부분(fraction)을 제어하도록 구성된 제1 마이크로컨트롤러(μC1)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)는 상기 제1 부분에 해당하는 상기 N1개의 단상 DC-DC 컨버터들 각각의 듀티 사이클을 제어하도록, 상기 N1개의 단상 DC-DC컨버터의 스위칭 소자를 제어하도록 구성된다. 상기 제어 시스템은 상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들 중 나머지 N2 개의 단상 DC-DC 컨버터로 구성된 제2 부분를 제어하도록 구성된 제2 마이크로컨트롤러(μC2)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분을 구성하는 단상 DC-DC 컨버터들의 개수를 합하면, 상기 N 개의 단상 DC-DC 컨버터의 총합이 된다, 즉 N1+ N2 = N이 된다. 여기서, N, N1, N2는 모두 1보다 큰 정수이다. 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)는 상기 제2 부분을 구성하는 상기 N2개의 단상 DC-DC 컨버터들 각각의 듀티 사이클을 제어하도록, 즉 상기 N2개의 단상 DC-DC 컨버터 각각의 스위칭 소자를 제어하도록 구성된다. 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1) 및 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2) 각각은, 후술하는 바와 같이 추가 기능들을 갖는 N-상 DC-DC 컨버터의 제어용으로 알려진 종래기술에 따른 마이크로컨트롤러들의 설정을 포함할 수 있다. 상기 제어 시스템은, 상기 제1 및 제2 마이크로컨트롤러 외에 마이크로컨트롤러를 더 포함하여, 3개 이상의 마이크로컨트롤러로 구현될 수도 있다.
상기 제어 시스템에서, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)와 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)는 데이터 라인을 통해 서로 연결될 수 있다. 즉, 이들은 서로 데이터 통신을 수행하도록 구성 및 설정된다. 특히, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)는 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)와 신호를 송수신하도록 구성되며, 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)는 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)와 신호를 송수신하도록 구성된다. 따라서, 상기 데이터 라인은 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)와 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2) 사이의 데이터 통신, 즉, 아날로그 또는 디지털 데이터 통신을 가능하게 한다.
상기 제어 시스템은 제1 동작 모드에서 동작하도록 구성되며, 상기 제1 동작 모드에서, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1) 및 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)의 제어 동작은 상기 N 개의 단상 DC-DC 컨버터를 공통으로 제어하기 위해 상기 데이터 라인을 통해 동기화될 수 있다. 즉, 상기 제1 동작 모드에서, 상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들은 상기 N-상 DC-DC 컨버터로서 동작하며, 이 때 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)와 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2) 사이, 즉 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제1 및 제2 부분들의 사이의 동기화, 특히 위상 동기화는, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1) 및 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2) 사이의 상기 데이터 라인을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 제어 시스템은 또한 제2 동작 모드에서 동작하도록 구성되며, 상기 제2 동작 모드에서, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)는 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제1 부분을 독립적으로 제어하고, 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)는 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제2 부분을 독립적으로 제어할 수 있다. 즉, 상기 제2 동작 모드에서, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1) 및 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)는 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제1 및 제2 부분을 서로 독립적으로, 즉 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)와 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2) 사이의 동기화 없이, 특히 위상 동기화 없이 제어할 수 있다.
따라서, 상기 제어 시스템은 특히 상기 제어 시스템의 상기 제2 동작 모드에서 개선된 리던던시를 제공할 수 있다. 즉, 상기 제어 시스템은 상기 제1 동작 모드에서 동작되고, 상기 제1 동작 모드에서 상기 N-상 DC-DC 컨버터는 완전하게 작동한다(즉, 고장 상태가 아님). 즉, 상기 제1 동작 모드에서, 상기 N-상 DC-DC 컨버터는 최대 성능, 즉, 모든 입력 전압(VI)에 기초하여 N개의 단상 DC-DC 컨버터들의 공통 동작에 의해 변환된 최소 리플 전류를 갖는 출력 전압(VO)을 출력하도록, 동작한다. 상기 제1 동작 모드에서는, 상기 N-상 DC-DC 컨버터에 연결된 부하의 전력 요구에 대해, 개선된 적응성과 같이 상기 N-상 DC-DC 컨버터(즉, 다상 컨버터)를 사용하는 장점과 이점이 모두 달성될 수 있다.
상기 제어 시스템은 고장이 발생하면, 상기 제2 동작 모드에서 동작할 수 있다. 상기 제2 동작 모드에서, 상기 제1 및 제2 마이크로컨트롤러(μC1, μC2), 이에 대응하는 상기 DC-DC 컨버터들의 상기 제1 및 제2 부분 사이에는 동기화가 수행되지 않는다. 즉, 상기 제2 동작 모드에서, 상기 N1개의 단상 DC-DC 컨버터들로 구성된 상기 제1 부분은, 다른 다상 DC-DC 컨버터로서 작동되는 상기 N2개의 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제2 부분과는 독립적으로 다상 DC-DC 컨버터로서 작동할 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 부분 각각에 의해 구성된 다상 DC-DC 컨버터들 각각은, 입력 전압(VI)을 리플 전류가 감소된 각각의 출력 전압(VO1, VO2)으로 변환할 수 있다. 그러나, 각 다상 DC-DC 컨버터를 구성하는 단상 DC-DC 컨버터들의 개수가 N-상 DC-DC 컨버터에 비해 감소하여, 상기 제1 및 제2 부분들의 최대 전력 출력은 감소될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 부분은 N1(= N/2)개의 단상 DC-DC 컨버터들을 포함하고, 상기 제2 부분은 N2(= N/2) 개의 단상 DC-DC 컨버터들을 포함할 수 있다. 이 실시 예에서, 상기 제어 시스템의 상기 제1 동작 모드에서, 상기 N-상 DC-DC 컨버터의 출력 전압(VO)은, 전력 출력(P1)으로 이어지는 전압(V1)과 동일할 수 있다. 그리고, 상기 제어 시스템의 상기 제2 동작 모드에서, 상기 제1 및 제2 부분(N1, N2)에 의해 형성된 다상 DC-DC 컨버터들의 출력 전압들(VO1, VO2)은 각각, P1/2의 전력 출력을 낼 수 있으며, 이들 다상 DC-DC 컨버터들 중 정상적으로 가동되는 다상 DC-DC 컨버터에 의해 전력 출력(P1/2)이 출력될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 단상 DC-DC 컨버터들 각각은 한 쌍의 스위치를 포함할 수 있다. 상기 단상 DC-DC 컨버터들 각각은 인덕턴스를 더 포함할 수 있다. 상기 단상 DC-DC 컨버터의 레벨 또는 상기 N-상 DC-DC 컨버터의 레벨에서 커패시터가 제공될 수도 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 단상 DC-DC 컨버터들 각각은 벅 컨버터(buck converter)로서 구성될 수 있다. 즉, 단체로 동작하는 상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들에 의해 형성된 상기 N-상 DC-DC 컨버터뿐만 아니라, 단체로 동작하는 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제1 및 제2 부분에 의해 각각 형성된 다상(N1-상, N2-상) DC-DC 컨버터들 또한, 다상 벅 컨버터로 구성될 수 있다. 다상 벅 컨버터들, 특히 이들의 설정 및 동작은 당업자에게 공지된 기술이다. 다상 벅 컨버터에 대한 자세한 설명은 2017년 4월 공지된 Texas Instruments사의 애플리케이션 보고서(SLVA882)의 "Multiphase Buck Design From Start to Finish(Part 1)"에서 확인할 수 있으며, 이의 전체 내용은 본 문서에서 참조로 사용된다. 다상 벅 컨버터 사용과 관련된 장점에 대한 자세한 내용은 2015 년에 발행된 Texas Instruments사(Kae Wong, David Evans)의 "Merits of multiphase buck DC-DC converters in small form factor applications"에서 확인할 수 있으며, 이의 전체 내용은 본 문서에서 참조로 사용된다.
상기 단상 DC-DC 컨버터들 각각은, 적어도 2개의 스위치로 구현되며, 상기 스위치는 트랜지스터, 예를 들어, 2개의 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET) 스위치로 구현될 수 있다. 상기 단상 DC-DC 컨버터들은 입력 전압의 상향 및 하향 변환을 허용하는 푸시-풀 컨버터(push-pull converter)들, 예를 들어, 하프 브리지(half bridge) 푸시-풀 컨버터로서 동작할 수 있다.
상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들이 단체로 상기 N-상 DC-DC 컨버터로서 동작되는 상기 제1 동작 모드 동안, 상기 단상 DC-DC 컨버터들 모두는 순차적으로 동작할 수 있다. 다시 말해서, 상기 단상DC-DC 컨버터들 각각은, 상기 N-상 DC-DC 컨버터의 스위칭 기간 동안 Ti = 360 °/N의 간격(Ti)으로 스위치 온 될 수 있다. 여기서, 상기 단상DC-DC 컨버터들 각각에 대응하는 간격(Ti)들은 서로 중첩되지 않도록 설정될 수 있다.
상기 제2 동작 모드 동안에는, 상기 제1 부분에 의해 형성된 다상 DC-DC컨버터의 N1개의 단상 DC-DC컨버터들이 위상들이 순차적이도록 동작하거나, 상기 제2 부분에 의해 형성된 다상 DC-DC 컨버터의 N2개의 단상 DC-DC 컨버터들이 위상들이 순차적이도록 동작할 수 있다. 상기 제2 동작 모드에서는, 위상들이 순차적인 N1/ N2 개의 단상 DC-DC 컨버터들로 구성된, 상기 제1 및 제2 부분 중 하나만이 활성화될 수 있다, 상기 제1 동작 모드에서는, 상기 제1 부분의 다상 DC-DC 컨버터를 형성하는 단상 DC-DC 컨버터들의 위상들이 순차적이고, 상기 제2 부분의 다상 DC-DC 컨버터를 형성하는 단상 DC-DC 컨버터들의 위상들이 순차적이며, 상기 제1 및 제2 부분을 구성하는 단상 DC-DC 컨버터들의 위상들이 동기화될 수 있다. 따라서, 상기 제1 동작 모드에서는, 더 높은 출력 전압(VO)이 얻어지지만 풀 N-상 DC-DC 컨버터의 것보다 더 높은 리플 전류를 갖는다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제어 시스템은 또한 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)와 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2) 사이의 통신 고장에 응답하여 상기 제1 동작 모드에서 상기 제2 동작 모드로 전환하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 및 제 2마이크로컨트롤러들 사이의 통신은, 예를 들어 신호 타이밍, 검사합(check sum), CRC(cyclical redundancy check) 등에 기초하여 정기적으로 체크될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1) 또는 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)가, 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2) 또는 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)로부터 기 설정된 시간 이상 신호를 수신하지 못하면, 통신 고장이 검출될 수 있다. 또한, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)와 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2) 사이의 통신은, 공통 클록 신호, 및/또는 상기 제1 또는 제2 부분에서 각각 정상 작동하는 단상 DC-DC 컨버터의 수를 포함할 수 있다. 상기 통신 고장은 통신 내용, 예를 들어, 잘못된 클록 신호, 또는 상기 제1 및 제2 부분 중 어느 하나에서 임계값을 초과하는 비동작 단상 DC-DC 컨버터들의 수에 기초하여 검출될 수 있다. 상기 제1 및 제2 마이크로컨트롤러(μC1, μC2) 각각은, 주기적인 자기 제어 동작들을 수행하고, 내부 결함 상태를 검출하는 경우 고장 신호(fault signal)를 출력할 수 있다. 그리고, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1) 또는 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)에 의해 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC2) 또는 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)로부터의 폴트 신호가 수신됨으로써 각각의 통신 고장이 검출될 수도 있다. 상기 제1 및 제2 마이크로컨트롤러 중 적어도 하나에 대한 제어 동작은, 다른 유닛, 예를 들어, 상기 제1 및 제2 마이크로컨트롤러 중 적어도 하나에 연결된 시스템 기반 칩(system basis chip)에 의해 수행될 수 있다. 또한, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)가 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)에 대한 제어 동작을 수행하도록 구성되거나, 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)가 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)에 대한 제어 동작을 수행하도록 구성될 수도 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 부분의 출력은 제1 출력 스위치에 의해 제어되고, 상기 제2 부분의 출력은 제2 출력 스위치에 의해 제어될 수 있다. 즉, 상기 N1-상 DC-DC 컨버터의 출력 전압은 상기 제1 출력 스위치의 스위칭 상태에 따라 상기 제어 시스템의 외부 노드에 제공될 수 있다. 또한, 상기 N2-상 DC-DC 컨버터의 출력 전압은 상기 제2 출력 스위치의 스위칭 상태에 따라 상기 제어 시스템의 외부 노드에 제공될 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 부분 각각의 출력은, 예를 들어, 상기 제1 또는 제2 부분의 고장이 검출된 경우에, 상기 제어 시스템의 후단(downstream)의 구성 요소로부터 분리될 수 있다.
상기 제1 및 제2 출력 스위치는 각각 상기 제2 및 제1 마이크로컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 즉, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)는 상기 제2 출력 스위치의 전도성을 설정하도록 구성되고, 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)는 상기 제1 출력 스위치의 전도성을 설정하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)는 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)로부터 고장 신호를 수신하는 것에 응답하여, 상기 제2 출력 스위치를 비전도성으로 설정하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)는 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)로부터 고장 신호를 수신하는 것에 응답하여, 상기 제1 출력 스위치를 비전도성으로 설정하도록 구성될 수 있다. 따라서, 상기 제1 및 제2 마이크로컨트롤러들 중 하나가 다른 마이크로컨트롤러의 고장 상태를 검출하면, 고장난 마이크로컨트롤러에 의해 제어되는 단상 DC-DC 컨버터들을 후단의 부하로부터 분리할 수 있다.
상기 제어 시스템은 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터의 고장 출력에 응답하여 상기 제1 동작 모드에서 상기 제2 동작 모드로 전환하도록 구성될 수도 있다. 즉, 상기 제어 시스템은 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중 하나의 고장 출력에 응답하여, 상기 제1 동작 모드에서 상기 제2 동작 모드로 전환하도록 구성될 수 있다. 여기서, 상기 단상 또는 다상 DC-DC 컨버터들 각각의 출력은 기준 전압과 비교되고, 각 단상 또는 다상 DC-DC 컨버터의 실제 출력 전압과 기준 전압 사이의 차이가 기 설정된 임계값을 초과하는지 여부에 기초하여 각각의 단상 또는 다상 DC-DC 컨버터(들)의 고장 상태가 검출될 수 있다. 이 실시 예에 따르면, 상기 제어 시스템의 작동성이 제어 레벨에서 검사되지 않고 DC-DC 컨버터의 출력 레벨에서 검사되므로 추가적인 리던던시가 제공될 수 있다.
상기 제어 시스템은 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 검출하도록 구성된 하나 이상의 션트 저항을 포함할 수 있다. 상기 제1 또는 제2 마이크로컨트롤러(μC1 및/또는 μC2)는, 검출된 출력 전압(들)을 수신(즉, 판독)하도록 구성될 수도 있다. 여기에서, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)는 상기 제2 부분에 포함된 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 검출(판독)하도록 구성되고, 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)는 상기 제1 부분에 포함된 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 검출(판독)하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 또는 제2 마이크로컨트롤러(μC1/μC2)는, 이들 판독 값에 기초하여 상기 제2 부분 또는 상기 제1 부분의 고장 상태를 검출하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 제1 또는 제2 마이크로컨트롤러(μC1/μC2)는 전술한 바와 같은 고장 상태의 검출에 응답하여, 상기 제2 출력 스위치 또는 상기 제1 출력 스위치를 비전도성으로 설정하도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제어 시스템에서, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1) 및 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2) 중 적어도 하나는 상기 전지 시스템에 대해 적어도 하나의 제어 기능을 수행하도록 추가로 구성될 수 있다. 상기 적어도 하나의 제어 기능은 셀 전압, 셀 전류, 셀 저항 또는 셀 용량의 측정을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 제어 기능은 또한 복수의 전지 셀의 셀 전압 또는 셀 전류의 능동 또는 수동 밸런싱을 포함할 수 있다. 상기 제어 시스템은 적어도 하나의 전지 셀의 전압을 검출하기 위한 수단들 및/또는 복수의 전지 셀의 전압을 밸런싱하는 수단들을 더 포함할 수도 있다. 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1) 및/또는 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)는 전지 관리 시스템(battery management system, BMS), 전지 시스템 관리자(battery system manager, BSM) 또는 셀 감시 회로(cell supervision circuit, CSC) 중 하나로 구성될 수 있다. 설정을 단순화하고 상기 제어 시스템 및 상기 전지 시스템의 구성 비용을 감소시키기 위해, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1) 및 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2) 중 하나만이 상기 적어도 하나의 제어 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 마이크로컨트롤러(μC1)는 제1 게이트 드라이버단(driver stage)을 통해 상기 제1 부분에 연결되고, 상기 제2 마이크로컨트롤러(μC2)는 제2 게이트 드라이버단을 통해 상기 제2 부분에 연결될 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 마이크로컨트롤러 각각은, 자체 게이트 드라이버단(상기 제1 및 제2 게이트 드라이버단)을 통해 대응하는 단상 DC-DC 컨버터들에 연결될 수 있다. 한편, 상기 게이트 드라이버단 레벨에서도 오류가 발생할 수 있다. 따라서, 단일 게이트 드라이버단만을 이용하는 것은 결국 DC-DC 컨버터 동작의 원하는 리던던시를 방해할 수 있고, 따라서 이 실시 예에서는 최대 리던던시를 제공하기 위해 상기 제1 및 제2 마이크로컨트롤러 각각에 대해 개별 게이트 드라이버단(상기 제1 및 제2 게이트 드라이버단)을 제공할 수 있다. 따라서, 상기 제어 시스템은 DC-DC 컨버터들의 출력 레벨뿐만 아니라 제어 레벨에서도 고장 상태를 검출하고, 상기 게이트 드라이버단 레벨에서의 오류가 예를 들어 출력 레벨에서에서 확실하게 검출될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 전기 차량용 전지 시스템, 특히 전기 차량의 모터 구동을 위한 고전압 전지 시스템에 관한 것이다. 상기 전지 시스템은 제1 동작 전압을 제1 출력 노드에 제공하도록 구성된 전지 셀 스택을 포함할 수 있다. 상기 제1 동작 전압은 상기 전기 차량의 모터 구동에 필요한 고전압일 수 있다. 상기 전지 시스템은 전술한 상기 제어 시스템을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전지 셀 스택에 의해 제공되는 상기 제1 동작 전압은 상기 N-상 DC-DC 컨버터에 입력 전압으로서 제공될 수 있다. 상기 제1 동작 전압은 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제1 부분뿐만 아니라, 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제2 부분에도 입력 전압으로서 제공될 수 있다. 상기 제1 동작 전압은 상기 N 개의 단상 DC-DC 컨버터들 각각에 대해 입력 전압으로서 인가될 수도 있다. 상기 전지 시스템에서, 상기 N-상 DC-DC 컨버터의 출력 전압은 제2 출력 노드로 출력될 수 있다. 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제1 부분의 출력 전압이 상기 제2 출력 노드에 제공되며, 상기 DC-DC 컨버터들의 상기 제2 부분의 출력 전압이 상기 제2 출력 노드에 제공될 수도 있다. 상기 단상 DC-DC 컨버터들 각각의 출력 전압이 상기 제2 출력 노드에 제공될 수도 있다.
상기 전지 시스템에서는, 신뢰할 수 있은 방식으로 상기 제2 출력 노드에 전압이 제공될 수 있다. 특히, 개선된 리던던시가 제공됨에 따라, 상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들의 일부에서 오작동이 발생하더라도 출력 전압이 상기 제2 출력 노드에 제공될 수 있다. 상기 데이터 라인을 통해 서로 통신하는 상기 제1 마이크로컨트롤러와 상기 제2 마이크로컨트롤러에 의해, 제어 레벨에서의 향상된 리던던시가 제공될 수 있다. 또한 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제1 부분과 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제2 부분에 의해, 상기 DC-DC 컨버터들 레벨에서 향상된 리던던시가 제공될 수 있다. 즉, 상기 제어 시스템을 이용함으로써, 전술한 장점들이 상기 전지 시스템에서 구현될 수 있다.
상기 전지 시스템의 일 실시 예에서, 상기 제1 부분을 구성하는 단상 D-DC 컨버터의 개수는 N1 = N/2이고, 상기 제2 부분을 구성하는 단상 D-DC 컨버터의 개수는 N2 = N/2이며, 또한, 상기 전지 시스템의 동작 동안, 상기 제어 시스템의 상기 제1 동작 모드에서 전력 출력 P1이 상기 제2 출력 노드에 인가되고, 상기 제어 시스템의 상기 제2 동작 모드에서 전력 출력 P2 = P1/2가 상기 제2 출력 노드에 인가될 수 있다. 상기 제어 시스템에서, 상기 단상 DC-DC 컨버터들은 2개보다 더 많은 부분으로 구분될 수도 있다.
상기 전지 시스템의 다른 실시 예에서, 상기 전지 시스템은, 상기 N-상 DC-DC 컨버터뿐만 아니라 상기 전지 셀 스택과 상기 제1 출력 노드 사이에 상호 연결된 스위칭 유닛을 더 포함할 수 있다. 상기 스위칭 유닛은 상기 전지 셀 스택과 상기 제1 출력 노드 사이에 상호 연결된 제1 유닛 스위치를 포함하고, 상기 제1 유닛 스위치는 상기 전지 셀 스택과 상기 제1 출력 노드 사이의 경로를 전도성 또는 비-전도성으로 설정할 수 있다. 상기 스위칭 유닛은 상기 전지 셀 스택과 상기 N-상 DC-DC 컨버터, 특히 상기 N-상 DC-DC 컨버터의 입력 노드 사이에 상호 연결된 제2 유닛 스위치를 더 포함하며, 여기서 상기 제2 유닛 스위치는 상기 전지 셀 스택과 상기 N-상 DC-DC 컨버터 사이의 경로를 전도성 또는 비전도성으로 설정할 수 있다. 상기 스위칭 유닛은 상기 제1 출력 노드와 상기 N-상 DC-DC 컨버터, 특히 상기 N-상 DC-DC 컨버터의 입력 노드 사이에 상호 연결된 제3 유닛 스위치를 더 포함하며, 여기서 상기 제3 유닛 스위치는 상기 제1 출력 노드와 상기 N-상 DC-DC 컨버터 사이의 경로를 전도성 또는 비전도 성으로 설정할 수 있다. 상기 스위칭 유닛은, 상기 제1 출력 노드, 또는 상기 N-상 DC-DC 컨버터 및 상기 제2 출력 노드를 통해 연결된 임의의 부하로부터 상기 전지 셀 스택을 분리할 수 있게 함으로써 상기 전지 시스템의 작동 안전성을 증가시시킬 수 있다. 상기 스위칭 유닛은 상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들을 다양한 방식으로 푸시-풀 컨버터로서 사용할 ㅅ 있도록 하여, 사용자의 자유도를 증가시킨다는 점에서 추가적인 이점을 제공할 수 있다.
상기 전지 시스템의 또 다른 실시 예에서, 차량의 시동 발전기가 상기 제1 출력 노드에 연결되고, 저전압 전지가 상기 제2 출력 노드에 연결될 수 있다. 이 실시 예에서, 상기 차량이 하이브리드 차량이고 부분적으로 화석 연료로 작동되는 경우, 상기 시동 발전기가 상기 전지 셀 스택을 충전하는데 사용될 수 있다. 또한, 상기 저전압 전지는 납 전지(lead acid battery)일 수 있다. 상기 전지 셀 스택과 상기 시동 발전기 사이에는, 즉 상기 제1 유닛 스위치를 통해 직접적인 전도성 연결이 존재하고, 상기 전지 셀 스택과 상기 저전압 전지 사이에는, 상기 N1-상 DC-DC 컨버터 및 상기 N2-상 DCD 컨버터를 통해, 두 개의 간접적인 전도성 연결이 존재하며, 위에서 언급된 DC-DC 컨버터들 중 적어도 하나를 통해 상기 시동 발전기와 상기 저전압 전지 사이에 적어도 하나의 간접 연결이 존재할 수 있다. 이러한 직접 및 간접적인 전기 연결들은 아래 설명과 같이 상기 전지 시스템이 다양한 동작 모드로 동작할 수 있도록 허용한다.
상기 제1 유닛 스위치를 비전도성으로 그리고 상기 제2 유닛 스위치을 전도성으로 설정함으로써, 상기 저전압 전지는 상기 전지 셀 스택에 의해 충전될 수 있다. 상기 제1 유닛 스위치를 비전도성으로 그리고 상기 제3 유닛 스위치를 전도성으로 설정함으로써, 상기 저전압 전지는 상기 시동 발전기에 의해 충전될 수 있다. 즉, 상기 저전압 전지를 포함하는 저전압 전지 시스템은 상기 N-상 DC-DC 컨버터(제1 동작 모드), 또는 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제1 및 제2 부분 중 하나를 통해(제2 동작 모드), 상기 전지 셀 스택 및/또는 상기 시동 발전기에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 여기에서, 상기 저전압 전지 시스템에 전력을 공급하는 것은, 버퍼로 동작하는 상기 저전압 전지를 가지는 상기 저전압 전지 시스템, 즉 저전압 부하에 직접 전력을 공급하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 유닛 스위치 및 상기 제2 유닛 스위치를 비전도성으로, 그리고 상기 제3 유닛 스위치를 전도성으로 설정함으로써, 상기 저전압 전지는 상기 제1 출력 노드에 연결된 고전압 부하에 전력을 공급할 수도 있다. 즉, 고전압 보드넷에 연결된 부하라도, 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제1 및/또는 제2 부분을 통해 제한된 시간 동안 상기 저전압 전지에 의해 작동될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 전술한 상기 전지 시스템, 즉 전술한 바와 같은 상기 제어 시스템을 구비한 차량에 관한 것이다. 상기 차량은 상기 전지 시스템의 상기 제1 출력 노드와 접지 노드 사이에 상호 연결된 시동 발전기를 더 포함할 수 있다. 상기 차량은 상기 제1 출력 노드와 상기 접지 노드 사이에 상호 연결된 고전압 보드넷을 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 고전압 부하가, 상기 고전압 보드넷에 연결될 수 있고, 상기 시동 발전기 또는 상기 전지 셀 스택에 의해 직접 전력을 공급받을 수 있다. 또한, 상기 차량은 상기 제2 출력 노드와 상기 전지 시스템의 접지 노드 사이에 상호 연결된 저전압 전지 또는 저전압 보드넷을 포함수 있다. 적어도 하나의 저전압 부하가, 상기 저전압 보드넷에 연결될 수 있고, 상기 저전압 전지에 의해 또는 상기 단상 DC-DC 컨버터들의 상기 제1 및/또는 제2 부분을 통해 직접 전력을 공급받을 수 있다. 상기 고전압 보드넷은 약 48V의 동작 전압에서 동작하며, 상기 저전압 보드넷은 약 12 V의 동작 전압에서 동작할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 전지 시스템의 가용성을 개선할 수 있으며, ASIL B 요건을 충족시킬 수 있다.
도 1은 제1 실시 예에 따른 제어 시스템을 갖는 전지 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 제2 실시 예에 따른 제어 시스템을 갖는 전지 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3은 제3 실시 예에 따른 제어 시스템을 갖는 전지 시스템의 개략도를 도시한다.
도 4는 도 2 및 도 3의 전지 시스템의 스위치 유닛의 구성들을 도시한다.
이하, 첨부한 도면들을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 이하 첨부된 도면들을 참조하여 실시 예들의 효과 및 특징, 그리고 그 구현 방법을 상세히 설명하며, 특별히 언급되지 않는 한, 첨부 도면 및 상세한 설명 전반에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 그에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 본 발명은 다양한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 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. 본 발명의 실시 예들에 대한 다음의 설명에서, 단수 형태의 용어는 문맥에 달리 명시되지 않는 한 복수 형태를 포함할 수 있다.
본 문서에서 "제1", "제2", "제3" 등의 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 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 구성 요소들의 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 본 발명의 제1 실시 예에 따른 제어 시스템(100)을 갖는 전기 차량의 전지 시스템(200)의 도면을 개략적으로 도시한다.
전지 시스템(200)은 제1 스택 노드와 제2 스택 노드 사이에 직렬 및/또는 병렬로 상호 연결된 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 셀 스택(150)을 포함한다. 제1 스택 노드는 전지 시스템(200)의 제1 출력 노드(111)에 연결되고, 제2 스택 노드는 전지 시스템(200)의 접지 노드(113)에 연결된다.
N-상(N-phase) DC-DC 컨버터(80)는 전지 셀 스택(150)과 노드들(111, 113) 사이에 상호 연결되며, 복수의(N 개)의 단상(single phase) DC-DC 컨버터(50)들을 포함한다. 이들 단상 DC-DC 컨버터(50)들 각각은, 제1 스택 노드에 연결된 제1 입력 노드 및 제2 스택 노드에 연결된 제2 입력 노드를 각각 포함한다. 단상 DC-DC 컨버터(50)들은, 제1 출력 스위치(61) 및 제2 출력 스위치(71) 중 하나를 통해 전지 시스템(200)의 제2 출력 노드(112)에 연결되는 출력 노드를 포함한다. N개의 단상 DC-DC 컨버터(50)들은, 각각 N1개의 단상 DC-DC 컨버터(50)들과 N2개의 단상 DC-DC 컨버터들로 구성되는 제1 부분(60) 및 제2 부분(70)으로 분할된다. N1개의 단상 DC-DC 컨버터(50)들로 구성된 제1 부분(60)은 제1 출력 스위치(61)를 통해 제2 출력 노드(112)에 연결되고, N2개의 단상 DC-DC 컨버터(50)들로 구성된 제2 부분(N2)(70)은 제2 출력 스위치(71)를 통해 제2 출력 노드(112)에 연결된다.
단상 DC-DC 컨버터(50)들의 제1 부분(60)은 제1 게이트 드라이버단(gate driver stage, 11)을 통해 연결된 제1 마이크로컨트롤러(μC1, 10)에 의해 제어된다. 단상 DC-DC 컨버터(50)들의 제2 부분(70)은 제2 게이트 드라이버단(21)을 통해 연결된 제2 마이크로컨트롤러(μC2, 20)에 의해 제어된다. 제1 마이크로컨트롤러(10)와 제2 마이크로컨트롤러(20)는 데이터 라인(30)을 통해 서로 연결되며, 데이터 라인(30)을 통해 서로 데이터 통신한다. 데이터 라인(30)은 제1 마이크로컨트롤러(10)와 제2 마이크로컨트롤러(20) 간의 디지털 또는 아날로그 데이터 통신이 가능하도록 구성된다.
제어 시스템(100)의 제1 동작 모드에서, 제1 및 제2 마이크로컨트롤러(10, 20)의 동작은 데이터 라인(30)을 통해 동기화되며, 2 개의 마이크로컨트롤러들(10, 20)이 N-상 DC-DC 컨버터(80)를 형성하는 N개의 단상 DC-DC 컨버터들(50)을 공통으로 제어하기 위해 함께 동작한다. 따라서, 전지 셀 스택(150)에 의해 제공된 입력 전압(VI)으로부터 최소 리플 전류를 갖는 출력 전압(Vo)이 생성된다.
제어 시스템(100)의 제2 동작 모드에서, 제1 마이크로컨트롤러(10) 및 제2 마이크로컨트롤러(20)는 데이터 라인(30)을 통해 서로 동기화되지 않고, 독립적으로, 즉 서로 독자적으로 동작한다. 그리고, 제1 마이크로컨트롤러(10)는 제1 부분(60)에 포함된 N1개의 단상 DC-DC 컨버터(50)들을 N1-상 DC-DC 컨버터로서 동작 하도록 공통 제어하고, 제2 마이크로컨트롤러(20)는 제2 부분(70)에 포함된 N2개의 단상 DC-DC 컨버터(50)들을 N2-상 DC-DC 컨버터로 동작하도록 공통 제어한다. 그러나, 제2 동작 모드에서는, 주로 단상 DC-DC 컨버터(50)들의 제1 및 제2 부분(60, 70) 중 하나가 동작하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 마이크로컨트롤러(10, 20) 중 하나의 고장, 제1 및 제2 게이트 드라이버단(11, 21) 중 하나의 고장, 또는 단상 DC-DC 컨버터(50)들의 제1 및 제2 부분(60, 70) 중 하나의 고장으로 인해, 단상 DC-DC 컨버터(50)들의 제1 및 제2 부분(60, 70) 중 하나가 전혀 동작하지 않을 수 있다. 이 경우, 단상 DC-DC 컨버터(50)들의 제1 및 제2 부분(60, 70) 중 정상 동작 하는 나머지 부분이 출력 전압을 제공하여, 전지 시스템(200)에서 DC-DC 컨버터 동작의 리던던시가 안정적으로 제공된다.
도 2는 제2 실시 예에 따른 제어 시스템(100)을 갖는 전지 시스템(200)의 개략도를 도시한다.
제2 실시 예에 따른 전지 시스템(200)의 구성 요소들 중 도 1에 도시된 제1 실시 예에 따른 전지 시스템과 동일한 구성 요소에 대해서는, 동일한 참조 번호로 표시하고 반복되는 설명은 생략한다. 도 2의 제어 시스템(100)에서는, DC-DC 컨버터(50)들의 제1 부분(60) 및 제2 부분(70)이 각각 하나의 단상 DC-DC 컨버터(50)만을 포함하도록 도시되어 있다. 그러나, 이는 하나의 실시 예로서, 다른 실시 예에 따르면, 제1 부분(60) 및 제2 부분(70)이 각각, 2개 이상의 단상 DC-DC 컨버터를 포함하도록 구현될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 단상 DC-DC 컨버터(50) 각각은, 한 쌍의 MOSFET 스위치(65, 66, 75, 76)를 포함하는, 푸시-풀 컨버터(push-pull converter)로서 구현된다. DC-DC 컨버터(50)들의 제1 부분(60)은 제1 출력 스위치(61), 제1 출력 인덕턴스(62) 및 제1 출력 커패시터(63)를 통해 제어 시스템(100)의 제2 출력 노드(112)에 연결된다. DC-DC 컨버터(50)들의 제2 부분(70)은 제2 출력 스위치(71), 제2 출력 인덕턴스(72) 및 제2 출력 커패시터(73)를 통해 제2 출력 노드(112)에 연결된다. 따라서, DC-DC 컨버터(50)들의 제1 및 제2 부분(60, 70) 각각은, 각각의 출력 스위치(61, 71)를 비전도성으로 설정함으로써 제2 출력 노드(112)로부터 쉽게 분리된다. 또한, DC-DC 컨버터(50)들의 제1 및 제2 부분(60, 70)의 조합에 의해 형성된 N-상 DC-DC 컨버터(80)는 메인 출력 스위치(81)를 통해 제2 출력 노드(112)에 연결된다. 따라서, N-상 DC-DC 컨버터(80) 전체가 제2 출력 노드(112)로부터 쉽게 분리된다. 제1 출력 스위치(61)는 적어도 제2 마이크로컨트롤러(20)에 의해 제어되고, 제2 출력 스위치(71)는 적어도 제1 마이크로컨트롤러(10)에 의해 제어되며, 메인 출력 스위치(81)는 마이크로컨트롤러들(10, 20) 중 하나 또는 둘 다에 의해 제어된다.
도 3은 제3 실시 예에 따른 제어 시스템(100)을 갖는 전지 시스템(200)의 개략도를 도시한다.
제3 실시 예에 따른 전지 시스템(200)의 구성 요소들 중 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 제1 또는 제2 실시 예에 따른 전지 시스템과 동일한 구성 요소는 동일한 참조 번호로 표시되고 반복되는 설명은 생략된다.
도 3을 참조하면, 제3 실시 예에 따른 제어 시스템(100)에서, 제1 부분(60)에 포함된 각각의 단상 DC-DC 컨버터(50)는 인덕턴스(62) 및 커패시터(63)를 포함하고, 제2 부분(70)에 포함된 각각의 단상 DC-DC 컨버터(50)는 인덕턴스(72) 및 커패시터(73)를 포함한다. 이들 단상 DC-DC 컨버터(50)들 각각은, 한 쌍의 MOSFET 스위치(65, 66, 75, 76)를 더 포함하며, 이에 따라 벅(buck) 타입 푸시-풀 컨버터로서 동작된다.
도 4는 도 2 및 3에 도시된 제2 및 제3 실시 예에 따른 전지 시스템(200)의 스위칭 유닛(90)의 구성들을 개략적으로 도시한다. 도 4의 (A), (B) 및 (C)에서 스위칭 유닛(90)은 상이한 구성들로 도시되며, 각각은 실시 예들에 따른 전지 시스템(200)에 적용될 수 있다.
도 4의 (A)에 도시된 제1 구성에 따르면, 제2 유닛 스위치(92)는 전도성으로 설정되고, 제1 유닛 스위치(91) 및 제3 유닛 스위치(93)는 비전도성으로 설정된다. 이 구성에서, 전지 셀 스택(150)의 제1 출력 전압은, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 N 개의 단상 DC-DC 컨버터들 각각에, 즉 N-상 DC-DC 컨버터(80)(제1 동작 모드), 또는 DC-DC 컨버터(50)들의 제1 또는 제2 부분(N1-상 DC-DC 컨버터(60) 또는 N2-상 DC-DC 컨버터(70))(제2 동작 모드)에 입력 전압으로 제공된다. 즉, 제1 전력 경로가, 우측 브리지, 즉 DC-DC 컨버터(50)들의 제2 부분(70)을 통해 그리고 제2 출력 스위치(71)를 통해, 전지 셀 스택(150)으로부터 제2 출력 노드(112)로 제공된다. 또한, 제2 전력 경로가, 좌측 브리지, 즉, DC-DC 컨버터(50)들의 제1 부분(60)을 통해 그리고 제1 출력 스위치(61)를 통해, 전지 셀 스택(150)으로부터 제2 출력 노드(112)로 제공된다. 여기서, 제1 출력 스위치(61)는 좌측 브리지를 제2 출력 노드(112)로부터 선택적으로 분리할 수 있고, 제2 출력 스위치(71)는 우측 브리지를 제2 출력 노드(112)로부터 선택적으로 분리할 수 있다.
도 4(B)에 도시된 제2 구성에 따르면, 제3 유닛 스위치(93)는 전도성으로 설정되고, 제1 유닛 스위치(91) 및 제2 유닛 스위치(92)는 비전도성으로 설정된다. 이 구성에서, 제1 출력 노드(111)와 접지 노드(113) 사이에 걸쳐있는 고전압 보드넷의 고전압 부하는 접지 노드(113)와 제2 출력 노드(112) 사이에 연결된 저전압 전지(미도시)를 통해 전력이 공급된다. 여기서, 저전압 전지로부터 출력된 저전압 출력은 N-상 DC-DC 컨버터(80), N1-상 DC-DC 컨버터(60) 또는 N2-상 DC-DC 컨버터(70)를 통해 고전압으로 변환된다. 이 구성을 사용하면, 저전압 도메인에 의해, 고전압 도메인에서의 ASIL B 가용성이 충족된다. 따라서, 제2 구성은, 예를 들어, 자율 주행 또는 엑스 바이 와이어(X-by-Wire)를 위한 중요 제어 유닛들이 고전압 도메인에 의해 전력을 공급받는 경우 사용될 수 있다.
도 4(C)에 도시된 제3 구성에 따르면, 제1 유닛 스위치(91)는 비전도성으로 설정되고, 제2 유닛 스위치(92) 및 제3 유닛 스위치(93)는 전도성으로 설정된다. 이 구성에 따르면, 제2 출력 노드(112)와 접지 노드(113) 사이에 상호 연결된 저전압 전지(미도시)는 전지 셀 스택(150)과, 제1 출력 노드(111)와 접지 노드(113)사이에 상호 연결된 고전압 보드넷(미도시)에 의해 충전된다. 따라서, 이 구성에 따르면, 전지 셀 스택(150) 및 고전압 보드넷을 이용함으로써 저전압 전지(또는 저전압 보드넷)에 연결되어 동작하는 부하에서의 리던던시가 제공된다.
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 마이크로컨트롤러(μC1)
11: 제1 게이트 드라이버단
20: 제2 마이크로컨트롤러(μC2)
21: 제2 게이트 드라이버단
30: 데이터 라인
40: 션트 저항
50: 단상 DC-DC 컨버터
60: DC-DC 컨버터들의 제1부분
61: 제1 출력 스위치
62: 제1 출력 인덕턴스
63: 제1 출력 커패시터
65, 66, 75, 76: MOSFET 스위치
70: DC-DC 컨버터들의 제2 부분
71: 제2 출력 스위치
72: 제2 출력 인덕턴스
73: 제2출력 커패시터
80: N-상 DC-DC 컨버터
81: 메인 출력 스위치
90: 스위치 유닛
91: 제1 유닛 스위치
92: 제2 유닛 스위치
93: 제3 유닛 스위치
100: 제어 시스템
111: 제1 출력 노드
112: 제2 출력 노드
113: 접지 노드
150: 전지 셀 스택
200: 전지 시스템

Claims (15)

  1. 전지 시스템용 제어 시스템으로서,
    N개의 단상 DC-DC 컨버터들을 갖는 N-상 DC-DC 컨버터;
    상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들의 제1 부분을 제어하도록 구성된 제1 마이크로컨트롤러; 및
    상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들의 나머지 제2 부분을 제어하도록 구성되고, 데이터 라인을 통해 상기 제1 마이크로컨트롤러에 연결된 제2 마이크로컨트롤러를 포함하고,
    상기 제어 시스템은 제1 동작 모드 또는 제2 동작 모드로 동작하도록 구성되며,
    상기 제1 동작 모드에서, 상기 제1 마이크로컨트롤러 및 상기 제2 마이크로컨트롤러의 제어 동작은 상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들을 공통으로 제어하기 위해 상기 데이터 라인을 통해 동기화되며,
    상기 제2 동작 모드에서, 상기 제1 마이크로컨트롤러는 상기 제1 부분를 독립적으로 제어하고, 상기 제2 마이크로컨트롤러는 상기 제2 부분을 독립적으로 제어하고,
    상기 제1 부분의 출력은 제1 출력 스위치에 의해 제어되고, 상기 제2 부분의 출력은 제2 출력 스위치에 의해 제어되며,
    상기 제1 마이크로컨트롤러는 상기 제2 마이크로컨트롤러의 고장 상태를 검출한 것에 응답하여, 상기 제2 출력 스위치를 비전도성으로 설정하도록 구성되고,
    상기 제2 마이크로컨트롤러는 상기 제1 마이크로컨트롤러의 고장 상태를 검출한 것에 응답하여, 상기 제1 출력 스위치를 비전도성으로 설정하고,
    상기 N은 2 보다 큰 정수인, 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 부분은 N/2개의 단상 DC-DC 컨버터들을 포함하고, 상기 제2 부분은 N/2개의 단상 DC-DC 컨버터들을 포함하는, 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단상 DC-DC 컨버터들 각각은 한 쌍의 스위치를 포함하는, 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 동작 모드에서, 상기 N 개의 단상 DC-DC 컨버터들은 순차적으로 동작하는, 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로컨트롤러 및 상기 제2 마이크로컨트롤러 사이의 통신 고장에 응답하여, 상기 제1 동작 모드에서 상기 제2 동작 모드로 전환하도록 추가로 구성되는, 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 N개의 단상 DC-DC 컨버터들 중 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터의 고장 출력에 응답하여, 상기 제1 동작 모드에서 상기 제2 동작 모드로 전환하도록 추가로 구성되는, 제어 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로컨트롤러 및 상기 제2 마이크로컨트롤러 중 하나는, 상기 전지 시스템에 대하여 적어도 하나의 제어 기능을 수행하도록 추가로 구성되는, 제어 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로컨트롤러는 제1 게이트 드라이버단를 통해 상기 제1 부분에 연결되고,
    상기 제2 마이크로컨트롤러는 제2 게이트 드라이버단를 통해 상기 제2 부분에 연결되는, 제어 시스템.
  11. 전기 차량용 전지 시스템에 있어서,
    제1 동작 전압을 제1 출력 노드에 제공하도록 구성된 전지 셀 스택; 및
    제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항, 제9항 및 제10항 중 어느 한 항에 따른 상기 제어 시스템을 포함하고,
    상기 제1 동작 전압은 상기 N-상 DC-DC 컨버터에 입력 전압으로서 제공되고,
    상기 N-상 DC-DC 컨버터의 출력 전압은, 제2 출력 노드에 제공되는, 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어 시스템의 상기 제1 동작 모드에서는 제1 전력 출력(P1)이 상기 제2 출력 노드에 인가되고,
    상기 제어 시스템의 상기 제2 동작 모드에서는 제2 전력 출력(P2)이 상기 제2 출력 노드로 인가되며, P2 = P1/2인, 전지 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전지 셀 스택과 상기 제1 출력 노드 사이에 상호 연결된 제1 유닛 스위치, 상기 전지 셀 스택과 상기 N-상 DC-DC 컨버터 사이에 상호 연결된 제2 유닛 스위치, 및 상기 제1 출력 노드와 상기 N-상 DC-DC 컨버터 사이에 상호 연결된 제3 유닛 스위치를 갖는 스위칭 유닛을 더 포함하는, 전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서
    고전압 보드넷이 상기 제1 출력 노드에 연결되고,
    저전압 보드넷이 상기 제2 출력 노드에 연결되며,
    상기 제1 유닛 스위치를 비전도성으로 설정하고, 상기 제2 유닛 스위치 또는 상기 제3 유닛 스위치를 전도성으로 설정하면, 상기 저전압 보드넷은 상기 전지 셀 스택 또는 상기 고전압 보드넷에 의해 전력을 공급받고,
    상기 제1 유닛 스위치 및 상기 제2 유닛 스위치를 비전도성으로, 상기 제3 유닛 스위치를 전도성으로 설정함으로써, 상기 고전압 보드넷은 상기 저전압 보드넷에 의해 전력을 공급 받는, 전지 시스템.
  15. 제11항에 따른 전지 시스템을 구비한 차량.
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