KR102586100B1 - 전지 시스템, 그리고 전지 시스템을 위한 제어 유닛 및 dc-dc 컨버터 - Google Patents

전지 시스템, 그리고 전지 시스템을 위한 제어 유닛 및 dc-dc 컨버터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른, 전지 시스템을 위한 제어 유닛은, 상기 전지 시스템의 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 셀의 상태를 나타내는 센서 신호를 수신하도록 구성된 입력 노드; 상기 적어도 하나의 전지 셀의 상태에 기초하여 제1 제어 신호를 생성하도록 구성된 제1 마이크로컨트롤러; 제2 마이크로컨트롤러의 동작 상태를 나타내는 제2 상태 신호를 수신하도록 구성된 제1 통신 인터페이스; 및 스위치 제어 회로를 포함하며, 상기 스위치 제어 회로는, 상기 제1 제어 신호를 수신하고, 상기 적어도 하나의 전지 셀의 상태에 기초하여 제2 제어 신호를 생성하며, 상기 제1 마이크로컨트롤러의 동작 상태 및 상기 제2 마이크로컨트롤러의 동작 상태를 나타내는 적어도 하나의 상태 신호를 수신하고, 상기 적어도 하나의 상태 신호에 기초하여 상기 제1 및 제2 제어 신호 중 하나를 상기 전지 시스템의 전력 스위치로 전송할 수 있다.

Description

전지 시스템, 그리고 전지 시스템을 위한 제어 유닛 및 DC-DC 컨버터 {BATTERY SYSTEM, CONTROL UNIT AND DC-DC CONVERTER FOR BATTERY SYSTEM}
본 발명은 전지 시스템, 특히 높은 안전성 표준을 충족시키기 위해 개선된 리던던시를 갖는 전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 전지 시스템을 위한 제어 유닛 및 DC-DC 컨버터에 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), 전지 관리 시스템(Battery management System, BMS) 및/또는 전지 시스템 관리자(Battery System Manager, BSM)를 포함한다. 이들 제어 유닛들 각각은 집적 회로(integrated circuit, IC), 마이크로컨트롤러(microcontroller, μC), 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit, ASIC) 등으로 구현될 수 있다. 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.
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)를 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, 전기 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, 개선된 기능적 가용성을 가지며 바람직하게는 ASIL B를 충족시키는 DC-DC 컨버터를 갖는 전지 시스템, 그리고 전지 시스템을 위한 제어 유닛 및 DC-DC 컨버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태는 전지 시스템을 위한 제어 유닛에 관한 것으로, 상기 제어 유닛은 적어도 하나의 센서 신호를 수신하도록 구성되는 적어도 하나의 입력 노드를 포함하고, 상기 적어도 하나의 센서 신호는 상기 전지 시스템의 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 전지 셀의 상태를 나타낸다. 즉, 상기 제어 유닛은, 상기 전지 시스템의 전지 셀들 중 적어도 일부를 모니터링함으로써 상기 전지 시스템의 상태를 모니터링하도록 구성된다. 상기 적어도 하나의 센서 신호를 공급하는 적어도 하나의 센서는 상기 제어 유닛 또는 상기 전지 시스템의 일부일 수 있다. 상기 입력 노드는 단일 종단 또는 차동 입력으로 구성된다. 상기 센서 신호는 상기 전지 시스템의 전지 셀들 중 적어도 하나의 전압 신호 및/또는 전류 신호이다.
상기 제어 유닛은 상기 적어도 하나의 전지 셀의 상태에 기초하여 제1 제어 신호를 생성하도록 구성된 제1 마이크로컨트롤러를 더 포함한다. 즉, 상기 제1 마이크로컨트롤러는 상기 적어도 하나의 입력 노드에 연결되고 상기 센서 신호에 기초하여 상기 제1 제어 신호를 생성하도록 구성된다. 상기 제1 제어 신호는 상기 제어 시스템, 또는 상기 제어 시스템이 사용되는 상기 전지 시스템의 전력 스위치(예를 들어, 릴레이)를 제어하기에 적합하다. 상기 제1 제어 신호는, 예를 들어, 두 값 중 하나를 취하여, 상기 전력 스위치를 도통 또는 비도통 상태로 설정하는데 적합하다. 상기 제1 마이크로컨트롤러는 상기 전지 시스템의 보호 시스템, 예를 들어 상기 전지 시스템의 과전류 보호를 제어하도록 구성된다. 상기 적어도 하나의 센서 신호는 전류 신호를 포함할 수 있다.
상기 제1 마이크로컨트롤러는 상기 전지 시스템에 대해 적어도 하나의 제어 기능을 수행하도록 추가로 구성된다. 상기 적어도 하나의 제어 기능은 셀 전압, 셀 전류, 셀 저항 또는 셀 용량의 측정을 포함한다. 상기 적어도 하나의 제어 기능은 또한 상기 복수의 전지 셀의 셀 전압 또는 셀 전류의 능동 또는 수동 밸런싱을 포함한다. 상기 제어 유닛은 상기 적어도 하나의 전지 셀의 전압을 검출하기 위한 수단들 및/또는 상기 복수의 전지 셀의 전압을 밸런싱하는 수단을 더 포함한다. 상기 제1 마이크로컨트롤러는, 전지 관리 시스템(battery management system, BMS), 전지 시스템 관리자(battery system manager, BSM) 또는 셀 감시 회로(cell supervision circuit, CSC) 중 하나로 구성된다. 상기 적어도 하나의 제어 기능은 상기 전지 시스템의 전지 셀들 또는 전지 서브 모듈들의 CSC, 및/또는 상기 전지 시스템에 연결된 전기 소비자들과의 데이터 통신에 관한 것일 수 있다.
상기 제1 마이크로컨트롤러는 제2 상태 신호를 수신하도록 구성된 제1 통신 인터페이스를 더 포함한다. 상기 제1 통신 인터페이스는 상기 제1 마이크로컨트롤러의 데이터 입력 핀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 데이터 라인이 상기 제2 상태 신호를 제공하기 위해 상기 제1 통신 인터페이스에 연결된다. 상기 제1 통신 인터페이스를 통해 수신될 수 있는 상기 제2 상태 신호는, 제2 마이크로컨트롤러의 동작 상태를 나타낸다. 즉, 상기 제1 마이크로컨트롤러는 상기 제2 마이크로컨트롤러, 즉, DC-DC 컨버터에 포함된 상기 제2 마이크로컨트롤러가 정상적으로 동작하는지 또는 고장 상태인지를 나타내는 상기 제2 상태 신호를 수신하도록 구성된다. 상기 제1 마이크로컨트롤러는 또한 상기 제2 상태 신호를 처리하도록 구성된다.
상기 제어 유닛은 상기 전지 시스템의 상기 전력 스위치를 제어하도록 구성된 스위치 제어 회로를 더 포함한다. 상기 제어 유닛은 적어도 하나의 스위치 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전송하도록 구성된다. 상기 스위치 제어 신호는 상기 전력 스위치를 도통 또는 비도통으로 설정하거나, 상기 전력 스위치의 전도성을 자유롭게 설정하기에 적합하다.
상기 스위치 제어 회로는 또한 상기 제1 마이크로컨트롤러로부터 직접 또는 간접적으로 상기 제1 제어 신호를 수신하도록 구성된다. 상기 스위치 제어 회로는 또한 상기 적어도 하나의 전지 셀의 상태를 나타내는 신호, 예를 들어 전술한 바와 같이 상기 입력 노드로부터 수신된 센서 신호를 수신하도록 구성된다. 상기 스위치 제어 회로는 또한 상기 적어도 하나의 상태 신호(예를 들어, 상기 제1 상태 신호, 상기 제2 상태 신호 및/또는 결합 상태 신호)를 수신하도록 구성되며, 이 상태 신호(들)는 상기 제1 마이크로컨트롤러의 동작 상태 및/또는 상기 제2 마이크로컨트롤러의 동작 상태를 가리킨다. 상기 스위치 제어 회로는 다음에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 이들 입력 신호들에 기초하여 동작한다.
상기 스위치 제어 회로는, 상기 적어도 하나의 전지 셀의 상태를 나타내는 신호(예를 들어, 상기 입력 노드로부터 수신된 센서 신호)에 기초하여 제2 제어 신호를 생성하도록 구성된다. 여기에서, 상기 제2 제어 신호는 상기 제어 유닛이 사용되는 상기 전지 시스템의 상기 전력 스위치(예를 들어, 릴레이)를 제어하기에 적합하다. 상기 제2 제어 신호는, 예를 들어 두 가지 값 중 하나를 취함으로써, 상기 전력 스위치를 도통 또는 비도통으로 설정하거나, 상기 전력 스위치의 전도성을 자유롭게 설정하기에 적합하다.
일 실시 예에서, 상기 제2 제어 신호는 수신된 센서 신호를 기 설정된 임계값과 비교함으로써 생성될 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는 또한 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호 중 하나를 상기 전지 시스템의 상기 전력 스위치에 선택적으로 전송하도록 구성되며, 상기 제1 및 제2 제어 신호 중 하나를 선택하는 것은, 적어도 하나의 수신된 상태 신호 즉, 상기 제1 마이크로컨트롤러의 동작 상태 및 상기 제2 마이크로컨트롤러의 동작 상태에 기초하여 이루어진다. 상기 제1 상태 신호는 상기 제1 마이크로컨트롤러로부터 수신된다. 상기 제2 상태 신호는 상기 제1 마이크로컨트롤러로부터 수신되거나, 상기 제2 마이크로컨트롤러로부터 상기 통신 인터페이스를 통해 수신된다. 상기 제1 상태 신호 및/또는 상기 제2 상태 신호는, 제1 시스템 기반 칩(system basis chip)과 같이, 상기 제1 및/또는 제2 마이크로컨트롤러를 모니터링하도록 구성된 추가 회로 구성 요소에 의해 생성 및/또는 수신될 수도 있다.
상기 스위치 제어 회로는 상기 적어도 하나의 수신된 상태 신호에 기초하여, 즉, 상기 제1 및 제2 마이크로컨트롤러의 동작 상태에 기초하여, 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호 중 하나를 상기 전력 스위치에 송신하도록 구성된다. 여기에서, 상기 스위치 제어 회로는 상기 전력 스위치를 도통 또는 비도통으로 설정하기에 적합한 상기 제1 제어 신호 또는 상기 제2 제어 신호를 전송함으로써 상기 전력 스위치를 제어하도록 구성된다. 즉, 상기 스위치 제어 회로는 두 개의 핵심 기능들을 제공하며, 이들은 (a) 상기 제1 마이크로컨트롤러에 의해 생성된 것에 추가적으로 상기 제2 제어 신호를 생성, 및 (b) 상기 수신된 상태 신호들에 기초하여 상기 제1 및 제2 제어 신호를 멀티플렉싱(multiplexing)하는 것이다.
상기 제어 유닛은 상기 전지 시스템의 비상 셧다운을 위해 상기 전력 스위치를 제어하는데 일반적으로 사용되는 마이크로컨트롤러에 대한 바이패스(bypass)를 제공한다. 여기서, 안전 관련 센서 값과 상기 전력 스위치 사이에 대안적인 신호 경로를 제공함으로써, 상기 전지 시스템, 특히 상기 전지 시스템의 보호 시스템의 FIT(Failure In Time)율를 감소시켜, 상기 전지 시스템의 가용성이 개선된다. 따라서 상기 제어 유닛은 전지 시스템의 ASIL B 분류(ASIL B classification)를 허용한다. 또한, 상기 제어 유닛은, 상기 제어 유닛에 연결된 상기 제2 마이크로컨트롤러가 고장 상태, 즉 오작동인 경우에, 상기 제1 마이크로컨트롤러의 용량을 해제하도록 허용한다. 상기 제2 마이크로컨트롤러의 고장 상태를 나타내는 상기 제2 상태 신호가 수신되면, 상기 제어 유닛은 상기 전력 스위치의 제어 권한을 상기 스위치 제어 회로로 전달한다. 그런 다음, 상기 제1 마이크로컨트롤러가 상기 제2 마이크로컨트롤러의 대체품으로 사용될 수 있다. 본 문서에서, 상기 제1 마이크로컨트롤러의 용량을 해제함은, 기존에 상기 제1 마이크로컨트롤러에서 수행되던 특정 기능(예를 들어, 전력 스위치의 제어 기능)을 다른 구성 요소로 인계함으로써, 해당 기능을 수행하기 위해 할당되었던 상기 제1 마이크로컨트롤러의 자원(resource)을 할당 해제하여, 상기 제1 마이크로컨트롤러의 처리용량을 마련하는 것을 의미한다.
상기 제어 유닛에서, 상기 적어도 하나의 상태 신호가 상기 제1 마이크로컨트롤러 및 상기 제2 마이크로컨트롤러의 정상작동(operability)을 나타내는 경우, 상기 스위치 제어 회로는 상기 제1 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전송하도록 구성된다. 즉, 상기 제1 마이크로컨트롤러의 정상 모드 즉, 상기 제1 마이크로컨트롤러에 고장이 발생하지 않은 기간 동안에는, 상기 제1 마이크로컨트롤러가 상기 전지 시스템의 상기 전력 스위치를 제어한다. 그러나, 상기 제1 제어 신호가 상기 스위치 제어 회로로부터 상기 전력 스위치로 전송되기 위해서는, 상기 제2 마이크로컨트롤러도 정상 동작 상태에 있어야만 한다. 따라서, 상기 제1 및 제2 마이크로컨트롤러가 모두 정상적으로 작동하면, 예를 들어, 복수의 상이한 센서 값들(온도, 전류, 전압, 가스 조성)에 대한, 모든 기능들과 안전 메커니즘들이 상기 전지 시스템의 비상 셧다운을 제어하는데 사용될 수 있다.
상기 제어 유닛에서, 수신된 상기 적어도 하나의 상태 신호가 상기 제1 마이크로컨트롤러 또는 상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 경우, 상기 스위치 제어 회로는 상기 제2 제어 신호를 상기 전력 스위치에 전송하도록 구성된다. 즉, 상기 제1 또는 제2 마이크로컨트롤러에서 고장이 발생하면, 상기 제1 마이크로컨트롤러를 통한 상기 전력 스위치의 제어가 중단되고, 상기 전력 스위치는 상기 스위치 제어 회로에 의해 제어된다. 이에 따라, 상기 제1 상태 신호 또는 상기 결합 상태 신호에 기초하여 결정된 상기 제1 마이크로컨트롤러의 고장 상황에서, 상기 전지 시스템의 신뢰성 있는 비상 셧다운이 보장 될 수 있다. 또한, 상기 제2 마이크로컨트롤러의 고장 상황에서, 예를 들어 상기 제2 상태 신호 또는 상기 결합 상태 신호에 기초하여, 상기 제2 마이크로컨트롤러의 기능들은 상기 제1 마이크로컨트롤러로 인계될 수 있다. 따라서, 상기 제1 마이크로컨트롤러 대신에 상기 전력 스위치가 상기 스위치 제어 회로에 의해 제어된다는 점에서, 상기 제1 마이크로컨트롤러의 처리용량이 확보된다. 상기 스위치 제어 회로를 통해 상기 전력 스위치를 제어하는 경우, 상기 전력 스위치의 제어는 상기 제1 마이크로컨트롤러에 의해 상기 전력 스위치가 제어되는 경우보다 더 적은 센서 신호에 기초할 수도 있다.
상기 스위치 제어 회로는 하드웨어 경로(hardware path)로서 구성된다. 즉, 상기 스위치 제어 회로는, ASIC(application-specific integrated circuit) 또는 MCU(micro controller unit)와 같이 소정의 복잡성을 가지는 임의의 프로그램 가능한 구성요소들 및/또는 집적 회로는 포함하지 않으며, 예를 들어, 전압 분배기, 트랜지스터, 저항, 커패시터, 연산 증폭기 및/또는 이들과 유사한 기능을 갖거나 유사하게 형성된, 간단한 전자 하드웨어 구성 요소들로만 구성된다. 따라서, 상기 스위치 제어 회로는 높은 신뢰성을 가지고 빠른 반응 및 스위칭 시간을 실현한다. 상기 스위치 제어 회로는 100 이하의 FIT율을 갖는다. 상기 전력 스위치에 연결된 상기 제어 유닛의 상기 입력 노드와 출력 노드 사이의 전체 하드웨어 경로는 100 이하의 FIT율을 갖는 하드웨어 경로로서 구성된다. 하드웨어 경로의 구성 요소들의 FIT에 기초하여, 하드웨어 경로의 FIT율을 결정하는 방법은 다양한 방법으로 이미 알려져 있다.
상기 제어 유닛의 다른 실시 예에서, 상기 제2 상태 신호가 상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 경우, 상기 제1 마이크로컨트롤러는 상기 제2 마이크로컨트롤러의 소프트웨어를 로드(load)하도록 구성된다. 상기 제1 통신 인터페이스를 통해 수신된 상기 제2 상태 신호는 또한 상기 제1 마이크로컨트롤러로 제공된다. 상기 제2 마이크로컨트롤러의 고장을 나타내는 상기 제2 상태 신호를 수신하면, 상기 제1 마이크로컨트롤러는 상기 제2 마이크로컨트롤러에 의해 일반적으로 수행되는 동작들을 수행하기 위해 필요한 소프트웨어를 내부 또는 외부 메모리, 능동 메모리(RAM)로 로드한다.
또한, 상기 제2 상태 신호가 상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 경우, 상기 제1 마이크로컨트롤러는 상기 제2 마이크로컨트롤러의 기능들을 수행하도록 구성된다. 즉, 상기 제1 마이크로컨트롤러가 상기 제2 상태 신호에 기초하여 상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 검출하면, 상기 제2 마이크로컨트롤러의 소프트웨어를 로드하고 마치 상기 제2 마이크로컨트롤러인 것처럼 동작한다. 이러한 작업에 필요한 자원들은, 전력 스위치 제어를 상기 스위치 제어 회로로 전달함으로써 확보된다. 상기 제1 마이크로컨트롤러가 상기 제2 마이크로컨트롤러의 기능을 대신 수행하는 것은, 제1 DC-DC 제어 신호를 생성하는 것을 포함하며, 상기 제1 DC-DC 제어 신호는, DC-DC 컨버터, 상기 DC-DC 컨버터의 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터를 구성하는 스위칭 소자들의 듀티 사이클을 제어하기에 적합한 신호이다. 상기 제1 마이크로컨트롤러가 상기 제2 마이크로컨트롤러의 동작을 수행하는 것은, 생성된 상기 제1 DC-DC 제어 신호를, 상기 DC-DC 컨버터의 제2 통신 인터페이스를 통해, 상기 DC-DC 컨버터로 전송하 것을 더 포함한다. 상기 제1 마이크로컨트롤러가 상기 제2 마이크로컨트롤러의 동작을 수행하는 것은, 상기 제1 마이크로컨트롤러가 상기 DC-DC 컨버터를 동작시키기 위해 필요한 입력, 예컨대 입력 전압 값, 부하 요구 신호 등을 수신하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 제어 유닛의 또 다른 실시 예에서, 상기 제1 마이크로컨트롤러는 자신의 동작 상태에 기초한 상기 제1 상태 신호를 생성하도록 구성된다. 즉, 상기 제1 마이크로컨트롤러는 규칙적으로 자가 점검(self-check) 동작을 수행한다. 이러한 자가 점검 동작의 결과, 정상작동 또는 오작동 판정 결과는, 상기 제1 상태 신호의 적어도 하나의 값에 반영된다. 상기 제1 마이크로컨트롤러는, 수신된 상기 제2 상태 신호에 기초해, 결합 상태 신호를 생성할 수도 있다. 여기에서, 상기 제2 상태 신호의 내용, 즉, 상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동 여부가 상기 제1 마이크로컨트롤러에 의해 생성된 상기 결합 상태 신호의 적어도 하나의 값에 의해 반영된다. 이러한 상기 결합 상태 신호는, 상기 제1 및 제2 상태 신호의 병치(juxtaposition)일 수 있는데, 즉 하나의 값은 상기 제1 상태 신호를 나타내고 다른 값은 다른 상태 신호 즉, 상기 제1 상태 신호를 나타낸다. 그러나, 상기 제1 마이크로컨트롤러는 또한 예를 들어, 상기 제1 및 제2 마이크로컨트롤러 모두 정상적으로 작동하면 제1 값을 취하고, 상기 제1 및 제2 마이크로컨트롤러들 중 하나가 오작동하면 제2 값을 취함으로써, 상기 제1 및 제2 상태 신호에 기초하여 조합된 단일값의 상기 결합 상태 신호를 생성할 수 있다.
상기 제어 유닛의 또 다른 실시 예에서, 상기 제어 유닛은 상기 제1 상태 신호 및/또는 상기 제2 상태 신호를 수신하도록 구성된 제1 시스템 기반 칩을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 시스템 기반 칩은 상기 제1 마이크로컨트롤러를 모니터링하여 상기 제1 상태 신호를 생성하고, 이를 상기 스위치 제어 회로로 전송하도록 구성된다. 상기 제1 시스템 기반 칩은 상기 제1 마이크로컨트롤러의 오작동을 검출하는 것에 응답하여 상기 제1 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 제1 상태 신호를 생성하고, 그렇지 않으면 상기 제1 마이크로컨트롤러의 정상작동을 나타내는 제1 상태 신호를 생성하도록 구성된다. 상기 제1 시스템 기반 칩은 상기 제2 상태 신호를 모니터링하고, 이를 상기 제1 마이크로컨트롤러 및/또는 상기 스위치 제어 회로로 전달하거나, 그로부터 상기 결합 상태 신호를 생성하도록 구성된다. 상기 제1 시스템 기반 칩은, 예를 들어 감시 기능, 리셋 발생기, 워치 독 기능, 버스 인터페이스(LIN(local interconnect network), CAN(controller area network) 등), 웨이크 업 로직 및/또는 전력 스위치들과 같이, 기능들을 추가로 수행하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 유닛의 또 다른 실시 예에서, 상기 제어 유닛은, 상기 입력 노드에 연결되고 상기 센서 신호에 기초하여 전지 신호(battery signal)를 생성하도록 구성된, 프론트 엔드 회로(front end circuit)(예를 들어, 아날로그 프론트 엔드(analog frond end, AFE))를 더 포함한다. 상기 전지 신호는, 멀티플렉서에 의해 선택될 수 있는 적어도 하나의 센서 신호 중 하나와 동일할 수 있다. 상기 프론트 엔드 회로는 하나 이상의 아날로그 증폭기(analog amplifier), 연산 증폭기(operation amplifier), 필터들, 및 아날로그-디지털 컨버터(analog to digital converter)를 포함한다. 따라서, 상기 전지 신호는 예를 들어, 향상된 신호대 잡음비(S/N비), 감소된 교란(disturbance), 기 설정된 기준 전압(베이스라인 전압(baseline voltage))에 대해 증폭되거나, 이미 디지털 신호로 변환된, 처리된 신호일 수 있다. 상기 프론트 엔드 회로가 상기 제어 유닛의 일부인 경우, 상기 센서 신호는 상기 프론트 엔드 회로의 후단(downstream)의 상기 전지 신호에 의해 대체될 수 있다.
상기 제어 유닛의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 제어 유닛은 상기 프론트 엔드 회로와 상기 스위치 제어 회로 사이에 상호 연결된 증폭 회로를 더 포함한다. 상기 증폭 회로는 상기 제어 유닛의 상기 적어도 하나의 입력 노드와 상기 스위치 제어 회로 사이에 상호 연결된다. 이들 실시 예에 따르면, 상기 스위치 제어 회로는 증폭된 센서 신호에 기초하여 상기 제2 제어 신호를 생성하도록 추가로 구성된다. 이들 실시 예들은, 상기 스위치 제어 회로에서 어떠한 추가 증폭도 필요 없이, 상기 제2 제어 신호를 유도하기 위해 상기 전지 신호 또는 상기 센서 신호를 직접 이용하는 것을 허용한다. 여기서, 상기 증폭 회로에서 신호를 증폭시키는 것은, 상기 증폭 회로의 후단에 프로그래밍 가능한 집적 회로의 추가 없이, 하드웨어 구성 요소들만을 사용하는 것을 허용한다. 상기 센서 신호가 증폭되면, 이 실시 예는, 예를 들어, 전자기 간섭(electro-magnetic interference)과 같이, 상기 마이크로컨트롤러의 고장이 상기 프론트 엔드 회로에도 영향을 미치는 원인에 기인한 것인 경우, 상기 프론트 엔드 회로 주위에 또 다른 바이 패스를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 상기 제어 유닛을 갖는 전지 시스템에 관한 것이다. 상기 전지 시스템은 제1 동작 전압을 제1 출력 노드에 제공하도록 구성된 전지 셀 스택을 포함한다. 특히, 상기 전지 시스템 즉, 상기 전지 셀 스택은 제1 스택 노드와 제2 스택 노드 사이에 병렬 및/또는 직렬로 전기적으로 연결된 복수의 전지 셀을 포함한다. 여기에서, 상기 제1 스택 노드는 상기 전지 시스템의 상기 제1 출력 노드에 연결되고, 상기 제2 스택 노드는 상기 전지 시스템의 상기 제3 출력 노드에 연결된다. 상기 전지 시스템은 상기 제1 출력 노드로부터 상기 전지 셀 스택을 선택적으로 분리하도록 구성된 전력 스위치를 더 포함한다. 즉, 상기 전력 스위치는 상기 제1 스택 노드와 상기 제1 출력 노드 사이에 상호 연결된다. 상기 전지 시스템에서, 상기 제어 유닛은 상기 전력 스위치의 전도성을 제어하기 위해 상기 전력 스위치에 연결된다.
상기 전지 시스템은 상기 제1 동작 전압을 입력 전압으로서 수신하고, 상기 입력 전압에 대해 전압 변환 동작을 수행하하여 제2 동작 전압을 상기 전지 시스템의 제2 출력 노드에 출력하도록 구성된 DC-DC 컨버터를 더 포함한다. 상기 DC-DC 컨버터는 적어도 하나의 단상(single phase) DC-DC 컨버터를 포함하며, 각각의 단상 DC-DC 컨버터는 각 단상 DC-DC 컨버터가 푸시-풀 모드(push-pull mode)로 동작시키도록 허용하는 적어도 2 개의 스위칭 소자를 포함한다. 상기 단상 DC-DC 컨버터는 벅(buck) 타입 푸시-풀 DC-DC 컨버터로서 구성된다. 상기 DC-DC 컨버터는 상기 DC-DC 컨버터를 동작 시키도록 구성된 상기 제2 마이크로컨트롤러를 더 포함한다.
상기 전지 시스템은 전술한 바와 같이 상기 제어 유닛의 상기 제1 통신 인터페이스 및 상기 DC-DC 컨버터의 상기 제2 통신 인터페이스에 연결된 데이터 라인을 더 포함한다. 여기에서, 상기 데이터 라인은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 상기 제어 유닛과 상기 DC-DC 컨버터 사이의 데이터 통신을 제공한다. 상기 DC-DC 컨버터는 상기 제2 통신 인터페이스, 상기 데이터 라인 및 상기 제1 통신 인터페이스를 통해, 상기 제2 마이크로컨트롤러의 동작 상태를 나타내는 제2 상태 신호를 상기 제어 유닛으로 전송하도록 구성된다. 여기서 상기 제2 상태 신호는 상기 제어 유닛과 관련하여 전술한 바와 같이 처리된다. 상기 제2 상태 신호는 상기 제2 마이크로컨트롤러의 정상작동 또는 오작동을 나타낸다.
상기 전지 시스템의 제1 동작 모드에서, 상기 전력 스위치는 상기 제1 마이크로컨트롤러에 의해 제어되고, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 제2 마이크로컨트롤러에 의해 제어된다. 즉, 상기 제어 유닛과 상기 DC-DC 컨버터는 실질적으로 서로 독립적으로 작동한다. 그러나, 상기 제1 동작 모드에서도, 상기 DC-DC 컨버터의 오작동 여부를 나타내는 상기 제2 상태 신호는 상기 제어 유닛으로 지속적으로 전송될 수 있다. 또한, 상기 전지 시스템의 제2 동작 모드에서, 상기 전력 스위치는 상기 제어 유닛의 스위치 제어 회로에 의해 제어되고, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 데이터 라인을 통해 상기 제1 마이크로컨트롤러에 의해 제어된다. 즉, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 데이터 라인을 통해 제1 DC-DC 제어 신호를 수신하고, 상기 제1 DC-DC 제어 신호는 상기 제1 마이크로컨트롤러에 의해 생성된다. 따라서 상기 제1 마이크로컨트롤러는, 일반적으로는 상기 전력 스위치를 제어하는데 사용되는 자원을 상기 DC-DC 컨버터의 제어에 사용한다.
상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 상기 제2 상태 신호가 상기 데이터 라인을 통해 상기 제어 유닛으로 전송되면, 상기 전지 시스템의 상기 제1 동작 모드는 상기 전지 시스템의 상기 제2 동작 모드로 전환된다. 상기 제2 상태 신호가 상기 제어 유닛으로 지속적으로 전송되는 상태에서는, 상기 제2 상태 신호의 신호 내용의 변경, 즉, 상기 제2 상태 신호가 상기 제2 마이크로컨트롤러의 정상작동을 나타내는 대신에 상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내도록 변경된 것에 응답하여, 상기 제2 동작 모드가 개시될 수 있다. 상기 제2 상태 신호는, 상기 제2 마이크로컨트롤러가 오작동하는 경우에만 상기 전지 시스템을 상기 제2 동작 모드로 전환하기 위해 상기 제어 유닛으로 전송될 수 있다. 즉, 상기 전지 시스템의 레벨에서 상기 제1 동작 모드에서 상기 제2 동작 모드로의 변경은 상기 제2 마이크로컨트롤러의 동작 상태에만 의존한다.
상기 DC-DC 컨버터는 상기 전지 시스템의 상기 제1 동작 전압을 입력 전압으로서 수신한다. 따라서, 상기 제어 유닛의 레벨에서, 상기 제1 마이크로컨트롤러의 고장으로 인해 상기 전력 스위치의 제어권이 상기 스위치 제어 회로로 전달되면, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 전력 스위치가 도통으로 설정되어 있는 한 정상 작동 상태를 유지한다. 상기 전력 스위치는 상기 전지 셀 스택과 상기 DC-DC 컨버터 사이에 상호 연결된다. 즉, 상기 제1 마이크로컨트롤러의 고장으로 인해 상기 전력 스위치가 비도통으로 설정되면, 상기 DC-DC 컨버터 또한 상기 전지 스택으로부터 분리되어 안전한 상태가 된다. 상기 스위치 제어 회로에 의한 상기 전력 스위치의 동작은 아래에서 상세하게 설명된다.
상기 전지 시스템의 다른 실시 예에서, 상기 제어 유닛은 예를 들어, 제1 인쇄회로기판(printed circuit board)과 같은 제1 회로 캐리어(circuit carrier) 상에 형성되고, 상기 DC-DC 컨버터는 예를 들어, 제2 인쇄회로기판과 같은, 제2회로 캐리어 상에 형성된다. 즉, 상기 제어 유닛과 상기 DC-DC 컨버터는 각각 독립형 구성 요소들로 구축된다. 즉, 상기 제어 유닛 및 상기 DC-DC 컨버터 각각은, 다른 구성 요소 없이 동작될 수 있다. 또한, 상기 데이터 라인은 상기 제1 회로 캐리어와 상기 제2 회로 캐리어 사이의 데이터 연결을 제공한다. 즉, 상기 데이터 라인은 상기 회로 캐리어들에 연결되도록 구성되고, 또한 각각의 회로 캐리어는 상기 데이터 라인에 연결하기에 적합한 소켓(socke)을 포함한다.
상기 전지 시스템의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 스위치 제어 회로는 상기 제1 또는 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 적어도 하나의 상태 신호를 수신하고 나서 제1 기간 후에, 상기 전력 스위치를 비도통으로 설정하도록 구성된다. 즉, 상기 스위치 제어 회로는, 상기 제1 또는 제2 마이크로컨트롤러의 오류가 검출되고 나서 상기 제1 기간이 경과된 후에, 임의의 외부 부하로부터 상기 전지 시스템을 차단한다. 여기에서, 상기 전력 스위치를 통한 차단은 상기 스위치 제어 회로에 대한 임의의 다른 신호 입력에 상관없이 발생한다. 따라서, 상기 스위치 제어 회로가 상기 제1 마이크로컨트롤러 또는 상기 제2 마이크로컨트롤러의 고장을 인식하면, 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 전환하기 위해 상기 제1 기간을 카운팅하기 위한 제1 타이머가 개시된다. 이러한 기능은 상기 제1 또는 제2 마이크로컨트롤러가 고장인 경우, 신뢰성 있는 셧다운을 제공하고, 이에 따라 상기 제어 유닛의 낮은 FIT율 및 높은 ASIL 등급(예를 들어, ASIL B)을 허용한다. 상기 스위치 제어 회로는 상기 제1 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 적어도 하나의 상태 신호를 수신한 후에만 상기 제1 기간 후에 상기 전력 스위치를 비도통으로 설정하도록 구성될 수도 있다. 여기서 단지 상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 상태 신호를 수신하는 것으로는, 상기 스위치 제어 회로에 의한 상기 전력 스위치 제어 및 상기 제1 마이크로컨트롤러에 의한 장기적인 방식의 DC-DC 컨버터 제어로 이어진다.
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. 여기서, 임계값은 외부 신호 또는 내부 메모리에 의해 제2 입력으로서 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 셧다운을 유리하게 구현할 수 있다. 이러한 비상 셧다운은 타이머-기반 셧다운, 즉 상기 제1 기간 동안만 구현될 수 있다.
상기 스위치 제어 회로는 상기 제1 및/또는 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 적어도 하나의 상태 신호를 수신하고 나서 제2 기간 동안은, 상기 전력 스위치를 도통으로 설정하도록 구성된다. 즉, 상기 스위치 제어 회로는 상기 제1 및/또는 제2 마이크로컨트롤러 중 하나의 오류 검출을 시작으로 고정된 상기 제2 기간 동안 상기 전력 스위치를 도통으로 설정하기 위한 (제3) 제어 신호를 생성하고, 이를 상기 전력 스위치로 전송한다. 상기 전력 스위치는 상기 제2 기간 동안 상기 스위치 제어 회로에 대한 임의의 다른 신호 입력에 관계 없이 도통 상태로 설정될 수 있다. 따라서, 상기 스위치 제어 회로의 센서 기반 셧다운이 상기 제2 기간 동안은 방지되어, 상기 전력 스위치, 즉 상기 전지 시스템의 셧다운이 지연될 수 있다. 또한, 상기 스위치 제어 회로는 상기 제1 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 상태 신호를 수신한 후에만 상기 제2 기간 동안 상기 전력 스위치를 도통으로 설정하도록 구성될 수 있다.
이러한 특징들은, 상기 전지 시스템의 상기 제1 동작 모드와 상기 전지 시스템의 상기 제2 동작 모드 사이에, 전이 단계를 허용한다. 또한, 상기 제1 동작 모드 동안, 이들 특징은 상기 제1 마이크로컨트롤러에 의한 상기 전력 스위치 제어와 상기 스위치 제어 회로에 의한 상기 전력 스위치 제어 사이의 전이 단계를 허용한다. 이러한 전이 단계는 상기 스위치 제어 회로에 의해 센서 기반 비상 셧다운이 실현되기 전에 적용된다. 상기 제2 기간은 복수의 전지 셀의 FTII 미만이거나, 상기 제1 기간보다 짧을 수 있다. 이를 통해 FTTI(fault tolerant time interval) 시간 내에 상기 스위치 제어 회로에 의한 하드웨어 제어 센서 기반 긴급 셧다운이 적용되어 상기 전지 시스템이 안전 상태에 도달할 수 있다.
상기 전지 시스템의 또 다른 실시 예에 따르면, 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 적어도 하나의 상태 신호는 상기 복수의 전지 셀들 중 적어도 하나의 전지 셀의 전압, 온도 및 전류 중 적어도 하나에 기초한다. 상기 적어도 하나의 센서는 상기 제1 스택 노드 및 상기 제2 스택 노드 중 하나와 직렬로 연결된 션트 저항을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제어 유닛은 상기 션트 저항을 통한 전압 강하에 대응하는 입력을 상기 전지 셀들의 전류를 가리키는 센서 신호로서 수신하기 위한 두 개의 입력 노드들을 포함할 수 있다. 상기 두 개의 입력 노드들은, 상기 프론트 엔드 회로와 상기 스위치 제어 회로에 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 전지 시스템의 전지 셀 스택에 의해 제공되는 제1 동작 전압을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터를 포함하는, 전지 시스템을 위한 DC-DC 컨버터에 관한 것이다. 즉, 상기 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터는 상기 DC-DC 컨버터의 입력 노드에 연결되고, 상기 입력 노드는 상기 전지 셀 스택의 상기 제1 스택 노드에 연결된다. 상기 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터 각각은, 적어도 두 개의 스위칭 소자를 포함하고, 푸시-풀 컨버터로서 구성될 수 있다. 상기 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터는 벅 타입 컨버터로서 구성될 수도 있다. 상기 DC-DC 컨버터는 다상 DC-DC로서 동작하는 다수의 단상 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터는 또한 상기 제1 동작 전압에 기초하여 제2 동작 전압을 출력하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 출력 전압은 상기 DC-DC 컨버터의 출력 노드를 통해 상기 전지 시스템의 제2 출력 노드로 출력된다. 본 발명의 상기 DC-DC 컨버터는 상기 DC-DC 컨버터를 동작 시키도록 구성된 상기 제2 마이크로컨트롤러를 더 포함한다. 상기 제2 마이크로컨트롤러는 상기 단상 DC-DC 컨버터의 스위칭 소자들의 듀티 사이클 또는 상기 다상 DC-DC 컨버터의 위상들을 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 마이크로컨트롤러에 의해 상기 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터를 동작시키는 것은, 제2 DC-DC 제어 신호를 생성하고, 상기 제2 DC-DC 제어 신호를 상기 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터로 전송하는 것을 포함한다. 상기 제2 마이크로컨트롤러는 상기 DC-DC 컨버터의 동작을 제어하는데 필요한 입력, 예를 들어, 상기 DC-DC 컨버터의 입력 또는 출력 전압들을 추가로 검출할 수 있다.
상기 DC-DC 컨버터는 상기 제2 마이크로컨트롤러의 동작 상태를 나타내는 제2 상태 신호를 전달하도록 구성된 제2 통신 인터페이스를 더 포함한다. 여기에서, 상기 제2 상태 신호는 상기 제2 마이크로컨트롤러 또는 상기 DC-DC 컨버터의 다른 회로 요소, 예를 들어 상기 DC-DC 컨버터의 제2 시스템 기반 칩에 의해 생성될 수 있다. 상기 제2 통신 인터페이스는 상기 제2 상태 신호를 상기 제어 유닛으로 전달하기 위해 상기 제어 유닛의 상기 제1 통신 인터페이스와 연결된 데이터 라인에 연결되도록 구성된다. 즉, 상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동의 경우, 이 오작동을 나타내는 상기 제2 상태 신호가 상기 제2 통신 인터페이스를 통해 상기 제어 유닛으로 전송된다. 따라서, 상기 전지 시스템은 특히 상기 스위치 제어 회로에 의해 상기 전력 스위치 제어를 수행함으로써 전술한 바와 같이 상기 제2 동작 모드로 전환될 수 있다.
또한, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 제2 통신 인터페이스를 통해 상기 제1 DC-DC 제어 신호를 수신하도록 구성된다. 여기에서, 상기 제1 DC-DC 제어 신호는 전술한 바와 같이 상기 전지 시스템의 상기 제2 동작 모드에서 상기 제2 마이크로컨트롤러의 기능들을 수행하는 상기 제1 마이크로컨트롤러로부터 수신된다. 즉, 상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 상기 제2 상태 신호가 상기 제2 통신 인터페이스를 통해 상기 제어 유닛으로 전송된 후에만, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 제어 유닛으로부터 상기 제1 DC-DC 제어 신호를 수신할 수 있다. 상기 DC-DC 컨버터는, 상기 제1 DC-DC 제어 신호에 기초하여, (오작동하는) 상기 제2 마이크로컨트롤러를 바이패스하여, 상기 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터를 동작 시키도록 구성된다. 따라서, 상기 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터의 동작은, 상기 제2 마이크로컨트롤러가 오작동하더라도 상기 제1 마이크로컨트롤러에 의해 재개되어 상기 DC-DC 컨버터의 가용성이 증대된다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 마이크로컨트롤러의 고장 상황에서도, DC-DC 컨버터의 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 일 실시 예에 따른 전지 시스템의 개략적인 회로도를 도시한다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 전지 시스템의 개략적인 회로도를 도시한다.
도 3은 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터의 동작을 개략적으로 도시한다.
도 4는 일 실시 예에 따른 제어 유닛의 동작을 개략적으로 도시한다.
도 5는 일 실시 예에 따른 스위치 제어 회로의 개략도를 도시한다.
도 6은 다른 실시 예에 따른 스위치 제어 회로의 개략도를 도시한다.
도 7은 일 실시 예에 따른 전지 시스템의 전류 타임 라인을 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 일 실시 예에 따른 전지 시스템(100)을 개략적으로 도시한다.
전지 시스템(100)은 제1 스택 노드(11)와 제2 스택 노드(12) 사이에 상호 연결된 전지 셀 스택(150)을 형성하는 복수의 전지 셀(10)을 포함한다. 제1 동작 전압(VDD)(예를 들어, 48 V(VDD48V))이 제1 스택 노드(11)에 인가되고, 제2 스택 노드(12)는 접지 전위에 연결된다. 제1 스택 노드(11)는 전지 시스템(100)의 제1 출력 노드(111)에 연결되고, 제2 스택 노드(12)는 전지 시스템(100)의 제3 출력 노드(113)에 연결된다. 전력 스위치(13)는 제1 스택 노드(11)와 제1 출력 노드(111) 사이에 상호 연결된다. 전력 스위치(13)는 예를 드어, 릴레이로 구성되며, 제어 신호(42, 44)에 기초하여 도통 또는 비도통으로 설정될 수 있다. 이하, 설명에서는, 전력 스위치(13)가 릴레이인 경우를 예로 들어 설명하나, 전력 스위치는 콘택터(concontor) 등 다른 종류의 스위치로 구현될 수도 있다.
전력 스위치(13)의 제어는, 제1 회로 캐리어(27) 상에 배치되며 독립형 구성 요소로서 구성된 제어 유닛(20)에 의해 수행된다. 제어 유닛(20)은 전지 시스템(100)에 대한 추가적인 제어 동작들을 수행할 수 있으며, 예를 들어, 측정, 밸런싱 및 통신을 위한 전지 관리 시스템(BMS)으로서 구성된다.
전지 시스템(100)은 또한, 제2 회로 캐리어(87) 상에 배치되고 독립형 구성 요소로서 구성되는 DC-DC 컨버터(80)를 포함한다. DC-DC 컨버터(80)는 제2 마이크로컨트롤러(84) 및 적어도 하나의 단상(single phase) DC-DC 컨버터(81)를 포함한다. 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터(81)는 제1 스택 노드(11)와 제1 출력 노드(111) 사이에서 전력 스위치(13)의 후단(downstream)에 연결된 DC-DC 입력 노드(82)를 통해 전지 셀 스택(150)의 제1 동작 전압(VDD)을 수신한다. 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터(81)는 벅 컨버터(buck converter)로 구성될 수 있고, 제2 마이크로컨트롤러(84)에 의해 제2 DC-DC 제어 신호(55)를 통해 제어되는 스위칭 소자들(미도시)의 듀티 사이클에 기초하여 입력 전압을 출력 전압으로 변환할 수 있다. 적어도 하나의 DC-DC 컨버터(81)에 의해 변환된 전압은 DC-DC 출력 노드(85)를 통해 전지 시스템(100)의 제2 출력 노드(112)로 출력된다.
DC-DC 컨버터(80)는 데이터 라인(70)을 통해 신호를 송수신하기 위한 제2 통신 인터페이스(83)를 더 포함한다. 데이터 라인(70)은 또한 제어 유닛(20)의 제1 통신 인터페이스(23)에 연결되며, 제1 통신 인터페이스(23)는 또한 데이터 라인(70)을 통해 신호를 송수신하도록 구성된다.
제어 유닛(20)은, 차동 입력을 수신하도록 구성되어 실제로는 2 개의 입력 노드들을 포함하는 입력 노드(21)를 더 포함한다. 이들 입력 노드들은 각각 제2 스택 노드(12)와 제3 출력 노드(113) 사이에 상호 연결된 션트 저항(15)의 전단(upstream) 및 후단(downstream)에 연결된다. 따라서, 입력 노드(21)는 션트 저항(15)을 통한 전압 강하를 센서 신호(40)로서 수신한다.
제어 유닛(20)은 센서 신호(40)에 기초하여 전지 신호(41)를 생성하기 위해 센서 신호(40)를 수신 및 처리하기 위한 프론트 엔드 회로(front end circuit, 22)를 더 포함한다. 이 경우에, 전지 신호(41)는 복수의 전지 셀(10)에 의해 제공되는 전류에 대응되고, 미리 알고 있는 션트 저항(15)의 저항값(R)을 이용하여 생성(결정)될 수 있다.
제어 유닛(20)은, 프론트 엔드 회로(22)에 접속되고 프론트 엔드 회로(22)로부터 전지 신호(41)를 수신하는 제1 마이크로컨트롤러(24)를 더 포함할 수 있다. 제1 마이크로컨트롤러(24)는 또한 전지 신호(41)에 기초하여 제1 제어 신호(42)를 생성하도록 구성될 수 있다. 여기서, 제1 제어 신호(42)는 전력 스위치(예를 들어, 릴레이(13))를 도통 또는 비도통으로 설정하기 위해 사용될 수 있다. 제1 마이크로컨트롤러(24)는 전지 신호(41)가 전지 시스템(100)의 표준 동작 조건 내의 전류를 나타내는 경우 릴레이(13)를 도통 상태로 설정하도록 제1 제어 신호(42)를 생성할 수 있고, 전지 신호(41)가 과전류를 나타내는 경우 즉, 전지 신호(41)가 기 설정된 제1 임계값을 초과하는 과전류를 나타내는 경우에는, 릴레이(13)를 비도통 상태로 설정하도록 제1 제어 신호(42)를 생성한다.
제1 마이크로컨트롤러(24)는 제1 마이크로컨트롤러(24)의 제1 통신 인터페이스(23)를 통해 DC-DC 컨버터(80)의 제2 마이크로컨트롤러(84)로부터 제2 상태 신호(53)를 더 수신한다. 여기에서, 제2 상태 신호(53)는 제2 마이크로컨트롤러(84)의 정상작동 또는 오작동을 나타낸다. 제1 마이크로컨트롤러(24)는 제1 마이크로컨트롤러(24) 내에서 고장이 존재하는지 여부를 결정하기 위해 자가 점검 절차(self-check procedure)를 수행하도록 추가로 구성된다. 이러한 자가 점검 절차의 결과 및 수신된 제2 상태 신호(53)에 기초하여, 제1 마이크로컨트롤러(24)는 제1 마이크로컨트롤러(24) 및 제2 마이크로컨트롤러(84)의 동작 상태를 나타내는 결합 상태 신호(63)를 추가로 생성 및 출력한다. 결합 상태 신호(63)는, 제1 및 제2 마이크로컨트롤러(24, 84) 모두의 정상작동을 나타내거나, 제1 및 제2 마이크로컨트롤러(24, 84) 중 어느 하나의 오작동을 나타내며, 즉, 2 개의 가능한 값(예를 들어, "0"또는 "1") 중 하나를 취한다. 또한, 제2 상태 신호(53)가 전혀 수신되지 않거나 제2 마이크로컨트롤러(84)의 정상작동을 나타내는 제2 상태 신호(53)가 수신되는 경우, 제1 마이크로컨트롤러(24)는 또한 제1 상태 신호(43)만을 스위치 제어 회로(25)에 출력할 수 있다.
제어 유닛(20)은 프론트 엔드 회로(22) 및 제1 마이크로컨트롤러(24)에 연결된 스위치 제어 회로(25)를 더 포함한다. 스위치 제어 회로(25)는 프론트 엔드 회로(22)로부터 전지 신호(41)를 입력으로서 수신한다. 스위치 제어 회로(25)는 제1 마이크로컨트롤러(24)로부터 제1 상태 신호(43) 및 결합 상태 신호(63)를 추가 입력들로서 수신한다.
스위치 제어 회로(25)는 수신된 전지 신호(41)에 기초하여 제2 제어 신호(44)를 생성하도록 구성된다. 여기서, 제2 제어 신호(44)는 릴레이(13)를 도통 또는 비도통으로 설정하는데 적합하다. 스위치 제어 회로(25)는 전지 신호(41)가 전지 시스템(100)의 표준 동작 조건 내의 전류를 나타내는 경우 릴레이(13)를 도통으로 설정하는 제2 제어 신호(44)를 생성한다. 또한, 전지 신호(41)가 과전류를 나타내는 경우. 특히, 스위치 제어 회로(25)는 전지 신호(41)가 기 설정된 제2 임계값을 초과하는 과전류를 나타내는 경우, 릴레이(13)를 비도통으로 설정하는 제2 제어 신호(44)를 생성할 수 있고, 제2 임계값은 전술한 제1 임계값과 동일하거나 상이할 수 있다.
스위치 제어 회로(25)는 제1 제어 신호(42) 또는 제2 제어 신호(44)를 릴레이(13)에 출력한다. 스위치 제어 회로(25)는 제1 마이크로컨트롤러(24)로부터 수신되는 상태 신호(43, 63)에 기초하여 이들 제어 신호들(42, 44) 중 하나를 전력 스위치(13)에 출력한다. 즉, 상태 신호(43, 63)의 값, 즉, 상태 신호(43, 63)가 제1 및 제2 마이크로컨트롤러(24, 84)의 정상작동을 나타내는지 또는 제1 및 제2 마이크로컨트롤러들(24, 84) 중 하나의 오작동을 나타내는지 여부에 따라, 스위치 제어 회로(25)는 제1 및 제2 제어 신호(42, 44) 중 하나를 선택하고, 선택된 제어 신호를 릴레이(13)에 출력한다. 따라서, 제어 유닛(20)은 제1 마이크로컨트롤러(24)가 오작동을 하고 더 이상 릴레이(13)를 안정적으로 제어할 수 없는 경우, 제어 유닛(20)의 가용성을 향상시키기 위해, 스위치 제어 회로(25)를 통해 센서 신호(40)에 기초하여 릴레이(13)의 지속적인 제어를 허용한다. 또한, 제어 유닛(20)은 제2 마이크로컨트롤러(84)가 오작동하는 경우, 스위치 제어 회로(25)를 통해 릴레이(13)를 제어할 수 있게 하여, 전력 스위치 제어에 사용되던 제1 마이크로컨트롤러(24)의 용량(자원들)을 해제한다.
특히, 제2 마이크로컨트롤러(84)의 오작동을 나타내는 제2 상태 신호(53)를 수신한 것에 응답하여, 제1 마이크로컨트롤러(24)는 스위치 제어 회로(25)를 통한 릴레이(13) 제어를 활성화시키기 위해 결합 상태 신호(63)의 값을 변경하도록 구성된다. 또한, 제2 마이크로컨트롤러(84)의 오작동을 나타내는 제2 상태 신호(53)를 수신하면, 제1 마이크로컨트롤러(24)는 메모리(미도시)로부터 제2 마이크로컨트롤러(84)의 소프트웨어를 추가로 로드하고 제2 마이크로컨트롤러(84)의 동작을 수행하기 시작한다. 특히, 제1 마이크로컨트롤러(24)는 적어도 하나의 제1 DC-DC 제어 신호(45)를 생성하고, 단상 DC-DC 컨버터(81)를 제어하기 위해, 이를 제1 통신 인터페이스(23), 데이터 라인(70) 및 제2 통신 인터페이스(83)를 통해 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터(81)로 전송한다. 따라서, 제1 마이크로컨트롤러(24)는 제2 마이크로컨트롤러(84)의 오작동에 응답하여 DC-DC 컨버터(80)의 가용성을 향상 시키도록 추가로 구성된다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 전지 시스템(100)의 개략적인 회로도를 도시한다. 도 2의 전지 시스템(100)에서 도 1의 전지 시스템과 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호로 표시되고, 이들에 대한 반복되는 설명은 생략된다.
도 2의 전지 시스템(100)은 DC-DC 컨버터(80)가 제2 마이크로컨트롤러(84)의 동작 상태를 점검하고, 오작동이 발생하 경우 제2 마이크로컨트롤러(84)의 오작동을 가리키도록 제2 상태 신호(53)를 생성 및 전송하도록 구성된 제2 시스템 기반 칩(system basis chip, SBC)(86)을 포함한다는 점에서, 도 1의 전지 시스템(100)과 상이하다. 제2 시스템 기반 칩(86)은 또한 제1 마이크로컨트롤러(24)로부터 제1 DC-DC 제어 신호(45)를 수신하고, 제1 DC-DC 제어 신호(45)를 단상 DC-DC 컨버터(81)로 전달하도록 구성된다.
도 2의 전지 시스템(100)은 제어 유닛(20)이 제1 시스템 기반 칩(26)을 포함한다는 점에서 도 1의 전지 시스템과 더 상이하다. 제1 시스템 기반 칩(26)은 제1 마이크로컨트롤러(24)로부터의 제1 상태 신호(43)와, 제2 마이크로컨트롤러(84)의 제2 상태 신호(53)를 수신하고, 전술한 바와 같이 결합 상태 신호(63)를 생성하도록 구성된다. 제1 시스템 기반 칩(26)은 또한 결합 상태 신호(63)를 스위치 제어 회로(25)로 전송하도록 구성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DC-DC 컨버터(80)의 기본 동작 단계들을 개략적으로 도시한다.
도 3을 참보하면, S310 단계 동안, DC-DC 컨버터(80)는 정상적으로, 즉 어떤 구성 요소의 결함도 없이 작동한다. 이에 따라, 전지 시스템(100)은 제1 동작 모드로 동작한다. S320 단계에서, 제2 마이크로컨트롤러(84)의 오작동이 존재하는지 여부가 검사된다. 그리고, 검사 결과 제2 마이크로컨트롤러(84)가 정상 작동 중이면, 통상적인 제2 마이크로컨트롤러(84)의 동작들(S310)이 지속된다(제1 동작 모드). S320 단계에서의 검사 결과, 제2 마이크로컨트롤러(84)가 오작동 중이면, S330 단계로 진행되어, 제2 마이크로컨트롤러(84)의 오작동을 나타내는 제2 상태 신호(53)가 제2 통신 인터페이스(83) 및 데이터 라인(70)을 통해 제어 유닛(20)으로 전송된다. 또한, S330 단계에 이어서, 단상 DC-DC 컨버터(81)를 제어하기 위한 제1 DC-DC 제어 신호(45)가 데이터 라인(70) 및 제2 통신 인터페이스(83)를 통해 제1 마이크로컨트롤러(24)로부터 수신된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어 유닛(20)의 기본 동작 단계들을 개략적으로 도시한다.
도 4를 참조하면, S410 단계 동안, 제어 유닛(20)은 정상적으로, 즉 어떠한 구성 요소의 결함도 없이 동작한다. 전지 시스템(100)은 따라서 제1 동작 모드로 동작한다. S420 단계에서, 상태 신호(43, 53)가 제어 유닛(20)에 고장이 존재하는 것을 가리키는지 여부를 검사한다. 검사 결과 제어 유닛(20)이 오작동 중이면, 통상적인 제어 유닛(20)의 동작(S410)이 지속된다(제1 동작 모드). S420단계에서의 검사 결과, 제2 마이크로컨트롤러(84)가 오작동 중이면, S430 단계 에서 제1 상태 신호(43)가 제1 마이크로컨트롤러(24)의 오작동을 나타내는지, 그리고 제2 상태 신호(53)가 제2 마이크로컨트롤러(84)의 오작동을 나타내는 지 여부가 결정된다.
제1 상태 신호(43)가 제1 마이크로컨트롤러(24)의 오작동을 나타내는 경우, 동작은 제2 마이크로컨트롤러(84)의 상태에 관계없이 항상 S440 단계로 진행된다. S440 단계에서, 전력 스위치(13)의 제어는 제2 제어 신호(44)로 전달된다. 즉, 스위치 제어 신호(25)는 제1 제어 신호(42) 대신에 제2 제어 신호(44)를 전력 스위치(13)로 전달하기 시작한다. 따라서, 제1 마이크로컨트롤러(24)의 고장은 전력 스위치(13)의 동작에 부정적인 영향을 주지 않는다.
S450 단계에서, 제1 마이크로컨트롤러(24)는 도 7과 관련하여 상세히 설명되는 바와 같이 비활성화된다.
제2 상태 신호(53)가 제2 마이크로컨트롤러(84)의 오작동을 나타내는 경우에도, 제1 마이크로컨트롤러(24)의 오작동이 없으면, S460 단계로 동작이 진행된다. 또한 S460 단계에서는, 제2 제어 신호(44)를 전력 스위치(13)로 전달하여 전력 스위치(13)가 제어된다. 즉, 스위치 제어 신호(25)는 제1 제어 신호(42) 대신에 제2 제어 신호(44)를 전력 스위치(13)로 전달하기 시작한다. 따라서, 제1 제어 신호(42)를 생성하기 위해 이전에 사용된 제1 마이크로컨트롤러(24)의 자원들(용량들)이 해제된다. S470 단계에서, 제2 마이크로컨트롤러(84)의 소프트웨어는 내부 또는 외부 메모리로부터 제1 마이크로컨트롤러(24)로 로드되고, 제1 마이크로컨트롤러(24)는 제2 마이크로컨트롤러(84)의 소프트웨어를 실행하기 시작한다. 특히, 제1 마이크로컨트롤러(24)는 S480 단계에서 제1 DC-DC 제어 신호(45)를 생성하고, 이를 인터페이스들(23, 83) 및 데이터 라인(70)을 통해, 단상 DC-DC 컨버터(81)로 전송한다.
도 5는 일 실시 예에 따른 스위치 제어 회로(25)의 개략도를 도시한다.
도 5에 도시된 실시 예의 스위치 제어 회로(25)는 멀티플렉서(36) 및 비교기(31)를 포함할 수 있다. 비교기(31)는 전지 신호(41)를 기 설정된 임계값(전술한 제2 임계값)과 비교하도록 구성된다. 여기서, 비교기(31)는 소정의 임계값을 수신하기 위한 추가의 입력(미도시)을 포함할 수 있다. 비교기(31)는 전지 신호(41)가 기 설정된 임계값을 초과하는지 여부가 반영된 제2 제어 신호(44)를 출력한다. 멀티플렉서(36)는 2개의 데이터 신호 입력 및 1개의 제어 신호 입력을 포함한다. 제1 제어 신호(42)는 제1 데이터 신호 입력으로 입력되고, 비교기(31)의 출력은 제2 데이터 신호 출력으로 입력된다. 전술한 바와 같이 제1 시스템 기반 칩(26)(도 2 참조) 또는 제1 마이크로컨트롤러(24)(도 1 참조)에 의해 생성된 결합 상태 신호(63)가 제어 신호 입력에 공급된다. 멀티플렉서(36)는 수신된 결합 상태 신호(63)의 값에 기초하여 제1 및 제2 제어 신호(42, 44) 중 하나를 출력한다.
도 6은 다른 실시 예에 따른 스위치 제어 회로(25)의 개략도를 도시것이고, 도 7은 일 실시 예에 따른 전지 시스템의 전류 타임 라인을 도시한다.
도 6에 도시된 실시 예의 스위치 제어 회로(25)는 전지 시스템(100)의 전력 스위치(13)의 제어 기능을 구현하며, 도 7의 타임 라인에 도시된 제1 기간 및 제2 기간과 관련된 추가 기능들을 제공한다.
도 6의 스위치 제어 회로(25)는 전지 신호(41), 제1 제어 신호(42) 및 제1 시스템 기반 칩(26)(도 2 참조) 또는 제1 마이크로컨트롤러(24)(도 1 참조)에 의해 생성된 결합 상태 신호(63)를 입력으로서 수신한다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 전지 시스템(100)의 제1 마이크로컨트롤러(24)가 고장 없이 작동하는 정상 동작 모드 A 동안, 전지 시스템(100)은 과전류 판단 기준이 되는 최대 전류를 II max로 허용할 수 있다. 정상 동작 모드 A 동안, 결합 상태 신호(63)는 제1 마이크로컨트롤러(24) 및 제2 마이크로컨트롤러(84)의 정상작동을 나타내며 이진값 "1"을 취한다. 이러한 결합 상태 신호(63)는 멀티플렉서(36)에 제어 신호 입력으로서 공급되고, 정상 동작 모드 A에서는, 제1 마이크로컨트롤러(24)로부터 공급되는 제1 제어 신호(42)를 멀티플렉서(36)의 신호 출력으로 선택하기 위해, 제1 데이터 신호 입력(1)을 선택하도록 멀티플렉서(36)를 설정한다. 따라서, 정상 동작 모드 A 동안, 제1 제어 신호(42)는 멀티플렉서(36)를 통해 릴레이(13)에 출력되고, 이에 따라, 릴레이(13)는 제1 마이크로컨트롤러(24)에 의해 제어된다. 특히, 정상 동작 모드 A에서, 전지 신호(41)가 II max를 초과하는 전류를 나타내는 경우, 제1 마이크로컨트롤러(24)는 제1 제어 신호(42)를 통해 릴레이(13)를 비도통으로 설정한다.
도 7에 도시된 시점 B에, 제1 및 제2 마이크로컨트롤러(24, 84) 중 어느 하나에 고장이 발생한 시점을 나타낸다. 예를 들어, 시점 B에서, 제1 마이크로컨트롤러(24)에서 고장이 발생하면, 제1 마이크로컨트롤러(24)(도 1 참조) 또는 제1 마이크로컨트롤러(24)에 연결된 제1 시스템 기반 칩(26)(도 2 참조)에 의해 고장 발생이 즉시 인지될 수 있다. 또한 예를 들어, 시점 B에서 제2 마이크로컨트롤러(84)에서 고장이 발생하면, 제2 마이크로컨트롤러(84) 또는 제2 시스템 기반 칩(86)에 의해 인지될 수도 있다. 따라서, B 시점으로부터 제1 시스템 기반 칩(26)(도 2 참조) 또는 제1 마이크로컨트롤러(24)(도 1 참조)에 의해 생성된 결합 상태 신호(63)는 이진값 "0"을 취함으로써 제1 또는 제2 마이크로컨트롤러(24, 84)의 오작동을 나타낸다. 따라서, 결합 상태 신호(63)에 의해 멀티플렉서(36)의 제어 신호 입력들 중, 제2 데이터 신호 입력(0)이 멀티플렉서(36)의 신호 출력으로 설정된다.
또한, 시점 B에서 전지 시스템(100)에 의해 전력이 공급되는 전기 차량(미도시)의 전기 소비자들 중, 안전과 관련되지 않은 적어도 하나의 제2 전기 소비자, 특히, 고부하의 전기 소비자(예를 들어, 차량의 전기 모터 등)는, 릴레이(13)가 도통 상태를 유지한 상태에서 제어 유닛(미도시)(예를 들어, 도 2의 시스템 기반 칩(26))에 의해 전지 시스템(100)과 연결이 해제된다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 전지 시스템(100)으로부터 차량의 전기 소비자들로 공급되는 전류 I(곡선)는 차량의 안전성을 증가시키기 위해 시점 B부터 급격히 떨어지기 시작한다.
멀티플렉서(36)의 제2 데이터 신호 입력(0)은 이하에서 보다 상세하게 설명되는 하드웨어 경로에 의해 전지 신호(41)에 연결된다. 적어도 도 1 및 도 2에 도시된 제어 유닛(20)의 실시 예와 관련하여, 릴레이(13)는 하이 신호 "1"을 수신하는 동안에는 도통으로 설정되고, 로우 신호 "0"을 수신하면 비도통으로 설정될 수 있다.
도 7을 참조하면, 멀티플렉서(36)의 제2 데이터 신호 입력(10)과 연결되는 하드웨어 경로는, 멀티플렉서(36)의 제2 데이터 신호 입력(0)에 상태 신호(63)를 전달하는 OR 게이트(35) 및 제1 래칭 소자(32)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 래칭 소자(32)는 상태 신호(63)를 입력으로 수신하고, 출력을 OR 게이트(35)로 전송한다. 제1 래칭 소자(32)는 소정의 제2 기간(T2) 동안 공급되는 하이 입력 신호를 래치시킨다. 도 7의 시점 B에서, 상태 신호(63)의 값이 하이에서 로우로 변화함에 따라, 제1 래칭 소자(32)는 시점 B에서 시작된 제2 기간(T2) 동안 하이 값 "1"을 OR 게이트(35)의 제1 입력으로 출력한다. OR 게이트(35)는 OR 게이트(35)의 입력들 중 하나의 입력이라도 하이(high)이면 하이 값 "1"을 출력한다. 따라서, OR 게이트(35)는 래칭 소자(32)로부터 하이 값 "1"이 입력되는 제2 기간(T2) 동안에는, 멀티플렉서(36)의 제2 데이터 신호 입력(0)에 하이 값 "1"을 제공한다.
제2 기간(T2) 즉, 초기 모드 C(initial mode C) 동안, 전지 시스템(100)과 차량의 안전 관련 제2 전기 소비자 간의 연결을 끊지 않기 때문에, 전류 I는 완전히 차단되지 않고 제2 전류 임계값(III max) 아래로 떨어진다. 초기 모드 C 동안, 릴레이(13)를 통한 전지 시스템(100)의 조기 셧 다운을 방지하면서, 전류 소모를 III max 이하로 감소시키기 위해, 릴레이(13)의 임계값 기반 제어가 발생하지 않는다.
시점 B 에서 시작된 제2 기간(T2)이 지난 이후, 제1 래칭 소자(32)는 OR 게이트(35)의 제1 입력에 하이 신호 "1"을 더 이상 제공하지 않는다. 따라서, OR 게이트(35)가 멀티플렉서(36)로 하이 신호를 출력하는지 여부는 OR 게이트(35)의 제2 입력에 인가되는 신호에 의존한다. OR 게이트(35)의 제2 입력은 AND 게이트(34)의 출력 신호를 수신하며, 그 입력은 아래에서 설명한다.
AND 게이트(34)의 제2 입력은 제2 래칭 소자(33)를 통해 상태 신호(63)에 연결된다. 제2 래칭 소자(33)는 소정의 제1 기간(T1) 동안 공급되는 하이 입력 신호를 래치시킨다. 도 7의 시점 B에서 상태 신호(63)의 값이 하이에서 로우로 변화함에 따라, 제2 래칭 소자(33)는 시점 B에서 시작된 제1 기간(T1) 동안 하이 값 "1"을 출력한다. 따라서, 제1 기간(T1)의 종료 시, 즉, 도 7에 도시된 시점 G에서, 제2 래칭 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 B에서 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 제1 입력은, 전지 신호(41)를 수신하고, 전지 신호(41)와 기 설정된 임계값의 비교 결과에 기초하여, 제2 제어 신호(44)를 출력하는 비교기(31)(도 5 및 도 6과 관련된 설명 참조)에 연결된다. 여기서, 비교기(31)는 도 7에 도시된 바와 같이 전지 신호(41)가 제2 전류 임계값(III max) 미만의 전류를 나타내면 하이 신호 "1"을 출력하고, 전지 신호(41)가 제2 전류 임계값(III max)을 초과하는 전류를 나타내는 경우 로우 신호 "0"을 출력한다.
따라서, 도 7에 도시 된 바와 같이, 제1 기간(T1) 내에서 제2 기간(T2)이 경과한 후의 기간, 즉, 도 7에 도시된 시점 D 및 G 사이, 또는 저 성능 모드 E(low performance mode E) 동안, 과전류 보호를 실현하기 위한 릴레이(13)의 센서 기반 제어가 수행되는 반면, 과전류 임계값은 II max 에서 III max로 낮아진다. 즉, 저 성능 모드 E 동안, 전지 시스템(100)은 전지 신호(41)가 제2 전류 임계값(III max)을 초과하는 전류를 나타내는 경우, 릴레이(13)를 통해 셧다운된다. 상태 신호(63)가 제2 마이크로컨트롤러(84)의 오작동을 나타내는 경우("0"), 제1 마이크로컨트롤러(24)는 제1 기간(T1) 동안, 결국에는 제2 기간(T2) 동안 제2 마이크로컨트롤러의 소프트웨어를 로딩 및 실행하는 동안, DC-DC 컨버터의 동작들을 제어할 수 있다.
래칭 소자들(32 및 33)의 래칭 시간, 즉, 제1 기간(T1) 및 제2 기간(T2)은 타이머에 의해 카운트될 수 있다. 제1 기간(T1) 및 제2 기간(T2)을 카운트하기 위한 타이머들은 스위치 제어 회로(25)가 제1 마이크로컨트롤러(24) 또는 제2 마이크로컨트롤러(84)의 고장을 인지한 시점에 시동될 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: 전지 셀
11: 제1 스택 노드
12: 제2 스택 노드
13: 전력 스위치(릴레이)
15: 센서(션트 저항)
20: 제어 유닛
21: 입력 노드
22: 프론트 엔드 회로
23: 제1 통신 인터페이스
24: 제1 마이크로컨트롤러
25: 스위치 제어 회로
26: 제1 시스템 기반 칩
27: 제1 회로 캐리어
31: 비교기
32: 제1 래칭 소자
33: 제2 래칭 소자
34: AND 게이트
35: OR 게이트
36: 멀티플렉서
40: 센서 신호
41: 전지 신호
42: 제1 제어 신호
43: 제1 상태 신호
44: 제2 제어 신호
45: 제1 DC-DC 제어 신호
53: 제2 상태 신호
55: 제2 DC-DC 제어 신호
63: 결합 상태 신호
70: 데이터 라인
80: DC-DC 컨버터
81: 단상 DC-DC 컨버터
82: DC-DC 입력 노드
83: 제2 통신 인터페이스
84: 제2 마이크로컨트롤러
85: DC-DC 출력 노드
86: 제2 시스템 기반 칩
87: 제2 회로 캐리어
88: DC-DC 접지 노드
100: 전지 시스템
111: 제1 출력 노드
112: 제2 출력 노드
113: 접지 노드
150: 전지 셀 스택

Claims (15)

  1. 전지 시스템을 위한 제어 유닛으로서,
    상기 전지 시스템의 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 셀의 상태를 나타내는 신호를 수신하며, 상기 적어도 하나의 전지 셀의 상태를 나타내는 신호에 기초하여 전력 스위치를 제어하기 위한 제1 제어 신호를 생성하도록 구성된 제1 마이크로컨트롤러;
    제2 마이크로컨트롤러의 동작 상태를 나타내는 제2 상태 신호를 수신하도록 구성된 제1 통신 인터페이스; 및
    스위치 제어 회로를 포함하며,
    상기 스위치 제어 회로는, 상기 제1 마이크로컨트롤러로부터 상기 제1 제어 신호를 수신하고, 상기 적어도 하나의 전지 셀의 상태를 나타내는 신호를 수신하며, 상기 적어도 하나의 전지 셀의 상태를 나타내는 신호에 기초하여 상기 제1 마이크로컨트롤러와는 독립적으로 상기 전력 스위치를 제어하기 위한 제2 제어 신호를 생성하며, 상기 제1 마이크로컨트롤러의 동작 상태 및 상기 제2 마이크로컨트롤러의 동작 상태를 나타내는 적어도 하나의 상태 신호를 수신하고, 상기 적어도 하나의 상태 신호에 기초하여 상기 제1 및 제2 제어 신호 중 하나를 상기 전지 시스템의 전력 스위치로 전송하는, 제어 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로는, 상기 적어도 하나의 상태 신호가 상기 제1 및 제2 마이크로컨트롤러의 정상작동을 나타내는 경우, 상기 제1 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전송하고, 상기 적어도 하나의 상태 신호가 상기 제1 또는 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 경우, 상기 제2 제어 신호를 전력 스위치로 전송하는, 제어 유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 상태 신호가 상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 경우, 상기 제1 마이크로컨트롤러는 상기 제2 마이크로컨트롤러의 소프트웨어를 로딩하도록 구성되는, 제어 유닛.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 상태 신호가 상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 경우, 상기 제1 마이크로컨트롤러는 상기 제2 마이크로컨트롤러의 기능들을 수행하도록 추가로 구성되는, 제어 유닛.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로컨트롤러는 상기 제1 마이크로컨트롤러의 동작 상태에 기초하여 제1 상태 신호를 생성하고, 상기 제1 마이크로컨트롤러의 동작 상태 및 수신된 상기 제2 상태 신호에 기초하여 결합 상태 신호를 생성하도록 구성되는, 제어 유닛.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로컨트롤러의 동작 상태를 나타내는 제1 상태 신호, 및 상기 제2 상태 신호를 수신하고, 상기 제1 및 제2 상태 신호에 기초하여 상기 스위치 제어 회로로 결합 상태 신호를 전송하도록 구성된 시스템 기반 칩을 더 포함하는 제어 유닛.
  7. 전지 시스템으로서,
    제1 동작 전압을 제1 출력 노드에 제공하도록 구성된 전지 셀 스택;
    상기 전지 셀 스택을 상기 제1 출력 노드로부터 선택적으로 분리하도록 구성된 전력 스위치;
    상기 제1 동작 전압을 입력 전압으로서 수신하고, 제2 동작 전압을 제2 출력 노드에 출력하도록 구성된 DC-DC 컨버터;
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 제어 유닛; 및
    상기 제어 유닛의 제1 통신 인터페이스 및 상기 DC-DC 컨버터의 제2 통신 인터페이스에 연결된 데이터 라인을 포함하고,
    상기 DC-DC 컨버터는 상기 제2 통신 인터페이스를 통해 상기 DC-DC 컨버터의 상기 제2 마이크로컨트롤러의 동작 상태를 나타내는 상기 제2 상태 신호를 전송하도록 구성되는, 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전지 시스템의 제1 동작 모드에서, 상기 전력 스위치는 상기 제1 마이크로컨트롤러에 의해 제어되고, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 제2 마이크로컨트롤러에 의해 제어되며,
    상기 전지 시스템의 제2 동작 모드에서, 상기 전력 스위치는 상기 스위치 제어 회로에 의해 제어되고, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 데이터 라인을 통해 상기 제1 마이크로컨트롤러에 의해 제어되는, 전지 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 상기 제2 상태 신호가 상기 데이터 라인을 통해 상기 제어 유닛으로 전달되면, 상기 제1 동작 모드에서 상기 제2 동작 모드로 전환되는, 전지 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전력 스위치는 상기 전지 셀 스택과 상기 DC-DC 컨버터 사이에 상호 연결되는, 전지 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 제1 회로 캐리어 상에 형성되고,
    상기 DC-DC 컨버터는 제2 회로 캐리어 상에 형성되며,
    상기 데이터 라인은 상기 제1 회로 캐리어와 상기 제2 회로 캐리어 사이의 데이터 연결을 제공하는, 전지 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는,
    상기 전지 셀 스택에 의해 제공된 상기 제1 동작 전압을 수신하고, 상기 제2 동작 전압을 출력하도록 구성된 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터;
    상기 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터를 동작 시키도록 구성된 상기 제2 마이크로컨트롤러; 및
    상기 제2 마이크로컨트롤러의 동작 상태를 나타내는 상기 제2 상태 신호를 전달하도록 구성된 상기 제2 통신 인터페이스를 포함하는, 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 통신 인터페이스를 통해 제1 DC-DC 제어 신호를 수신하고, 상기 제1 DC-DC 제어 신호에 기초하여 상기 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터를 동작시키도록 추가로 구성된, 전지 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터는 적어도 두 개의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 적어도 하나의 단상 DC-DC 컨버터를 동작시키는 것은, 상기 적어도 두 개의 스위칭 소자의 듀티 사이클을 설정하는 것을 포함하는, 전지 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제2 마이크로컨트롤러의 오작동을 검출하고, 상기 제2 통신 인터페이스를 통해 상기 제2 상태 신호를 전송하도록 구성된 시스템 기반 칩을 더 포함하는 전지 시스템.
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