KR20200086621A

KR20200086621A - 전지 시스템용 제어 시스템, 전지 시스템, 차량, 및 전지 시스템의 동작 방법

Info

Publication number: KR20200086621A
Application number: KR1020190174371A
Authority: KR
Inventors: 막시밀리안 호퍼; 위르겐 프리츠
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2020-07-17
Also published as: EP3680955A1; HUE063527T2; KR102327001B1; PL3680955T3; EP3680955B1

Abstract

본 발명은 전지 시스템용 제어 시스템에 관한 것으로서, 상기 전지 시스템용 제어 시스템은, 제어 신호에 응답하여 상기 전지 시스템을 외부 부하로부터 분리하도록 구성된 전력 스위치, 상기 전지 시스템에 대해 적어도 하나의 제어 기능을 수행하고, 제1 제어 신호를 통해 상기 전력 스위치를 제어하도록 구성된 제1 마이크로컨트롤러(microcontroller), 상기 전지 시스템의 출력 전류를 검출하도록 구성되고, 검출된 상기 출력 전류를 나타내는 전류 신호를 상기 전지 시스템 관리자로 출력하고, 제2 제어 신호를 통해 상기 전력 스위치를 제어하도록 구성된 제2 마이크로컨트롤러, 및 상기 제1 마이크로컨트롤러로부터 상기 제1 제어 신호를 수신하고, 상기 제2 마이크로컨트롤러로부터 상기 제2 제어 신호를 수신하며, 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호 중 하나를 상기 전력 스위치의 상기 제어 신호로 출력하도록 구성된 멀티플렉서를 포함할 수 있다.

Description

전지 시스템용 제어 시스템, 전지 시스템, 차량, 및 전지 시스템의 동작 방법{CONTROL SYSTEM FOR BATTERY SYSTEM, BATTERY SYSTEM, VEHICLE AND OPERATION METHOD OF BATTERY SYSTEM}

본 발명은 전지 시스템용 제어 시스템, 전지 시스템, 차량, 및 전지 시스템의 동작 방법에 관한 것이다.

이차 전지(rechargeable/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(controller network area), SPI(serial peripheral interface) 인터페이스 등의 통신 버스를 통해 전기 소비자와 통신 할 수 있다.

BSM/BMU는 각 전지 서브모듈, 특히 각 전지 서브모듈의 셀 감시 회로(Cell Supervision Circuit, CSC)와 통신할 수 있다. CSC는 각 전지 서브모듈의 전지셀들을 상호 연결할 수 있는 하나 이상의 전지 서브모듈의 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 BSM/BMU의 일부일 수 있다. 이는 전지 시스템의 추가적인 집적화를 제공하며, 이로 인해 전지 시스템의 재료 비용 및 제조 공간 요건이 효과적으로 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, 충분한 신뢰성을 가지는 안전 관련 기능을 제공하기 위해 고전압 전지의 가용성이 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 BSM/BMU에 사용된 MCU는 2000 FIT(Failure In Time)까지의 FIT율을 가질 수 있으며, 이로 인해 ASIL B의 요구 사항을 충족한 것으로 승인되지 않을 수 있다.

본 발명의 실시 예는, 개선된 가용성, 즉 감소된 FIT율을 가지며, 안전 관련 기능들을 신뢰성 있게 제공하는 전지 시스템용 제어 시스템, 전지 시스템, 차량 및 전지 시스템의 동작 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 양태에 따르면, 전지 시스템용 제어 시스템이 제공되며, 여기서 상기 제어 시스템은 제어 신호에 응답하여 상기 전지 시스템을 외부 부하로부터 분리하도록 구성된 전력 스위치(power switch)를 포함한다. 상기 전력 스위치는 상기 제어 신호를 통해 도통 또는 비도통 상태로 설정된다. 상기 전력 스위치의 전도성(conductivity)은 상기 제어 신호에 기초하여 방해없이(freely) 설정된다. 즉, 상기 전력 스위치의 전도성은 상기 제어 신호에 의해 직접 제어될 수 있다. 상기 전력 스위치는 릴레이 또는 전력 트랜지스터(예를 들어, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor, MOSFET))를 포함할 수 있다.

상기 제어 시스템은 전지 시스템 관리자(battery system manager, BSM)를 더 포함하며, 상기 BSM은 적어도 제1 마이크로컨트롤러(microcontroller, MCU)를 포함한다. 상기 BSM은 다른 구성 요소들(예를 들어, 다른 마이크로컨트롤러들, 입력 노드들, 출력 노드들, 메모리 등)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 MCU는 상기 전지 시스템에 대해 적어도 하나의 제어 기능을 수행하도록 구성된다. 상기 적어도 하나의 제어 기능은 셀 전압들, 전류들, 저항들 또는 용량들의 측정을 수행, 수신 및/또는 처리하는 것과 관련될 수 있다. 상기 적어도 하나의 제어 기능은 복수의 전지 셀의 셀 전압들 또는 셀 전류들의 능동 또는 수동 밸런싱을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 제어 기능은 상기 전지 시스템의 전지 셀들 또는 전지 서브모듈들의 셀 감시 회로(cell supervision circuit, CSC)들 및/또는 전기 소비자들과의 데이터 통신에 추가로 관련될 수 있다.

상기 제1 MCU는 제1 제어 신호를 통해 상기 전력 스위치를 제어하도록 추가로 구성된다. 즉, 상기 제1 제어 신호는 상기 제어 시스템, 또는 상기 제어 시스템이 사용되는 상기 전지 시스템의 상기 전력 스위치(예를 들어, 릴레이)를 제어하기에 적합한 신호이다. 바람직하게는, 상기 제1 제어 신호는, 예를 들어, 두 값 중 하나를 취해서, 상기 전력 스위치의 전도성을 도통 또는 비도통 상태로 설정할 수 있다. 따라서, 상기 제1 MCU는 상기 전지 시스템의 보호 시스템을 제어하도록 구성되며, 상기 전지 시스템의 상기 보호 시스템은 상기 전지 시스템의 과전류 보호 시스템일 수 있다.

상기 제어 시스템은 제2 MCU를 포함하는 전지 분리 유닛(battery disconnect unit, BDU) 또는 전지 분리 유닛 전자장치(battery disconnect unit electronics, BDUe)를 더 포함한다. 상기 BDUe는 다른 구성 요소들, 예를 들어 다른 마이크로컨트롤러들, 입력 노드들, 출력 노드들, 메모리 등을 더 포함할 수 있다. 상기 BDUe는 상기 전지 시스템의 출력 전류를 검출하도록 추가로 구성된다. 따라서, 상기 BDUe는 전류 센서를 포함하거나, 적절한 입력 노드를 통해 전류 센서에 연결될 수 있다. 상기 BDUe는, 예를 들어, 션트 저항에 대해 측정된 전압 강하에 기초하여 출력 전류를 계산하고, 상기 측정 또는 계산된 출력 전류를 나타내는 전류 신호를 상기 BSM으로 전송함으로써, 측정 값들을 처리하도록 추가로 구성된다. 상기 BDUe는 상기 전지 시스템의 출력 전압을 검출하도록 추가로 구성될 수 있다.

상기 BDUe는 제2 제어 신호를 통해 상기 전력 스위치를 제어하도록 구성된다. 여기서, 상기 제2 제어 신호는 또한 상기 제어 시스템 또는 상기 제어 시스템이 사용된 전지 시스템의 상기 전력 스위치(예를 들어, 릴레이)를 제어하기에 적합한 신호이다. 상기 제2 제어 신호는 또한 예를 들어, 두 값 중 하나를 취해, 상기 전력 스위치의 전도성을 도통 또는 비도통 상태로 설정할 수 있다. 따라서, 상기 제2 MCU는 상기 전지 시스템의 상기 보호 시스템을 제어하도록 구성되며, 상기 전지 시스템의 상기 보호 시스템은 상기 전지 시스템의 과전류 보호 시스템일 수 있다.

상기 제어 시스템은 멀티플렉서를 더 포함하며, 상기 멀티플렉서는 제1 입력 노드를 통해 상기 제1 MCU로부터 상기 제1 제어 신호를 수신하고, 제2 입력 노드를 통해 상기 제2 MCU로부터 상기 제2 제어 신호를 수신하도록 구성된다. 상기 멀티플렉서는 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호 중 하나를 상기 전력 스위치에 출력하도록 추가로 구성된다. 따라서, 상기 제어 시스템은 상기 전지 시스템을 외부 부하로부터 분리하기 위한 상기 전력 스위치에 대한 중복 제어(redundant control)를 제공한다. 즉, 상기 전지 시스템의 비상 셧다운용인 상기 전력 스위치는, 상기 제1 MCU 외에, 대안적으로 상기 제2 MCU에 의해서도 제어될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 MCU와 상기 전력 스위치 사이에 대안적인 신호 경로가 제공되어, 상기 전지 시스템, 특히 상기 전지 시스템의 상기 보호 시스템의 FIT율이 감소될 수 있으며, 상기 전지 시스템의 가용성이 개선될 수 있다. 따라서, 상기 전지 시스템의 ASIL B 분류(ASIL B classification)가 허용될 수 있다. 일반적인 전지 시스템들은 통상적으로 상기 BSM 및 상기 BDUe를 포함한다. 따라서, 상기 제어 시스템은 이미 존재하는 구성 요소들을 이용하여 구현될 수 있으며, 이에 따라 상기 보호 시스템의 중복 제어를 림프 홈(limp home) 기능으로 구현함에 있어, 비용 효율적인 구현이 가능하다.

상기 제2 MCU는 상기 제1 MCU의 고장 상태를 검출하고, 상기 제1 MCU의 고장 상태를 검출하는 것에 응답하여 상기 제2 제어 신호를 출력하도록 추가로 구성된다. 상기 제2 MCU는 상기 제1 MCU의 고장 상태가 검출되면 상기 제2 제어 신호를 출력하고, 상기 제1 MCU의 고장 상태가 검출되지 않으면, 즉, 상기 제1 MCU가 정상 동작 중이면, 상기 제2 제어 신호를 출력하지 않도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 MCU는 항상 상기 제2 제어 신호를 제공할 필요가 없으므로 에너지 소비가 감소될 수 있다.

상기 제2 MCU는, 예를 들어, 상기 전류 신호에 관한 수신 확인을 상기 제1 MCU로부터 수신함으로써, 상기 제1 MCU와의 양방향 통신을 수행하도록 추가로 구성된다. 상기 제2 MCU는 상기 제1 MCU와의 통신 실패에 응답하여 상기 제1 MCU의 고장 상태를 검출하도록 구성된다. 여기서, 양방향 통신에서 상기 제1 MCU에 의해 메시지가 수신되지 않으면, 통신 실패가 검출될 수 있다. 그러나 이러한 방법 외에도, 통신 실패를 검출하기 위한 다양한 방법들, 예를 들어, CAN 버스의 전압 레벨을 측정하거나 상기 제1 MCU의 에러 메시지를 수신하는 등의 방법이 사용될 수 있다.

상기 제2 MCU는 CAN 버스를 통해 상기 제1 MCU에 연결되고, 별도의 데이터 라인(예를 들어, 단선 연결)을 통해 상기 멀티플렉서에 연결된다. 상기 제2 MCU와 상기 멀티플렉서 사이에, CAN 버스와 물리적으로 분리된 데이터 라인을 제공하는 것은 상기 제어 시스템의 FIT율을 높일 수 있다. 특히, 상기 제1 MCU의 고장 또는 상기 제1 및 제2 MCU 사이의 통신 경로가, 상기 제2 MCU에 의한 상기 전력 스위치의 제어에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 상기 제어 시스템은 빠른 반응 및 스위칭 시간을 높은 신뢰성으로 구현한다. 상기 제어 시스템은 전체적으로 100 이하의 FIT율을 가진다.

상기 멀티플렉서는 상기 제1 MCU의 동작 상태를 나타내는 고장 신호(fault signal)를 수신하고, 수신된 상기 고장 신호에 기초하여 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호 중 하나를 상기 전력 스위치에 전송하도록 구성된다. 다시 말해, 상기 멀티플렉서는 선택 신호로서 사용되는 상기 고장 신호를 수신하기 위한 추가 입력 노드(선택기 핀(selector pin))를 포함할 수 있다. 즉, 상기 멀티플렉서는, 상기 제1 및 제2 제어 신호와 상기 고장 신호를 수신하기 위해, 적어도 3개의 입력 노드들을 가진다.

상기 고장 신호는 상기 제1 MCU에 의해 생성되고 상기 제1 MCU로부터 상기 멀티플렉서로 입력될 수 있다. 상기 고장 신호는, 예를 들어, 시스템 기반 칩(System Basis chip, SBC)과 같이, 상기 제1 MCU를 모니터링하도록 구성된 추가 회로 또는 구성 요소에 의해 생성되고, 상기 멀티플렉서로 전달될 수 있다. 상기 추가 회로 또는 구성 요소는 상기 BSM의 일부일 수 있다. 상기 고장 신호는, 상기 제2 MCU가 상기 제1 MCU의 고장 상태를 검출하여 상기 제2 제어 신호를 통해 상기 전력 스위치의 제어를 시작하도록 하기 위해, 상기 제2 MCU로 추가 전송될 수 있다. 따라서, 상기 고장 신호는 동시에 두 가지 목적을 위해 사용될 수도 있다.

상기 제어 시스템은 상기 제1 MCU의 고장 상태를 검출하고 상기 고장 신호를 상기 멀티플렉서에 출력하도록 구성된 시스템 기반 칩(SBC)을 더 포함한다. 여기서, 상기 SBC는 상기 제1 MCU의 고장 상태를 검출한 것에 응답해서만 상기 고장 신호를 출력하고, 그렇지 않으면 상기 고장 신호를 출력하지 않을 수 있다.

상기 멀티플렉서는 수신된 상기 고장 신호가 상기 제1 MCU의 정상 상태를 나타내면, 상기 제1 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전송하도록 구성된다. 즉, 상기 제1 MCU가 고장 없이 정상적으로 동작하는 동안에는, 상기 제1 MCU가 상기 전지 시스템의 상기 전력 스위치를 제어한다. 따라서, 예를 들어, 상기 제1 MCU에 의해 수신되고 처리되는 복수의 상이한 센서 값들(예를 들어, 온도, 전류, 전압, 또는 가스 조성)에 대한, 모든 기능들과 안전 메커니즘들이 상기 전지 시스템의 비상 셧다운을 제어하는데 사용될 수 있다.

또한, 상기 멀티플렉서는 상기 고장 신호가 상기 제1 MCU의 오작동(malfunction)을 나타내면, 상기 제2 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전송하도록 구성된다. 즉, 상기 제1 MCU에서 고장이 발생하면, 상기 제1 MCU를 통한 상기 전력 스위치의 제어가 중단되고, 상기 제2 MCU에 의해 상기 전력 스위치가 제어된다. 따라서, 상기 제1 MCU의 고장 상황에서도 상기 전지 시스템의 안정적인 비상 셧다운이 보장될 수 있다. 상기 제2 MCU를 통한 비상 셧다운의 제어는, 더 적은 센서 신호, 예를 들어 상기 전지 시스템의 출력 전류에만 기초할 수도 있다.

이들 실시 예들은 상기 제2 MCU를 통해 상기 전력 스위치를 제어하는 것으로부터, 상기 제1 MCU를 통해 상기 전력 스위치 제어하는 것을 분리하기 위한 기본적인 솔루션을 나타낸다. 여기서, 상기 제2 MCU는 또한 예를 들어, 차량 또는 상기 전지 시스템의 동작 상태를 나타내거나, 환경 상태를 나타내거나, 또는 상기 제2 MCU의 동작 상태를 나타내는, 추가 입력 신호들을 고려하도록 구성될 수도 있다. 또한, 상기 제2 MCU는 상기 전력 스위치의 전도성을 설정하기 전에 시상수(time constants)를 적용할 수도 있다.

상기 제2 MCU는 상기 제1 MCU의 오작동을 나타내는 상기 고장 신호를 수신한 후 제1 기간 후에 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 설정하도록 구성된다. 즉, 상기 제2 MCU는 상기 제1 MCU의 오류가 검출된 이후 설정된 상기 제1 기간이 경과한 후에 임의의 외부 부하로부터 상기 전지 시스템을 차단한다. 여기서, 상기 제1 기간이 경과한 후의 상기 전력 스위치를 통한 차단(타이머 기반 셧다운)은 상기 제2 MCU에 대한 임의의 다른 신호 입력들에 상관없이 발생한다. 따라서, 상기 제2 MCU가 상기 제1 MCU의 고장을 인식하면, 상기 전력 스위치를 불가피하게 비도통 상태로 전환시키기 위한 상기 제1 기간을 카운팅하기 위해 제1 타이머를 시동시킨다. 이 기능은 상기 제1 MCU가 고장인 경우에 안정적인 셧다운을 제공할 수 있으며, 따라서 상기 제어 시스템의 낮은 FIT율 및 높은 ASIL 등급을 허용한다. 상기 제1 기간은 전기 차량에 사용되는 상기 전지 시스템의 림프 홈(limp home) 기능을 허용할 수 있다.

상기 제1 MCU는 상기 전지 시스템의 출력 전류가 제1 임계 값을 초과하는 경우 상기 전력 스위치가 비도통 상태로 설정되게 하는 상기 제1 제어 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제2 MCU는 상기 전지 시스템의 출력 전류가 상기 제1 임계 값보다 낮은 제2 임계 값을 초과하는 경우 상기 전력 스위치가 비도통 상태로 설정되게 하는 상기 제2 제어 신호를 생성하도록 구성된다. 상기 제2 MCU는 상기 출력 전류를 제1 입력으로서 수신하고 상기 제2 제어 신호를 출력하는 적어도 하나의 비교기 회로 또는 연산 증폭기를 포함한다. 상기 제2 임계값은, 외부 신호에 의해 또는 내부 메모리로부터 상기 적어도 하나의 비교기 또는 연산 증폭기의 제2 입력으로서 공급될 수 있다. 따라서, 상기 제2 MCU는 또한 상기 전력 스위치, 즉 상기 전지 시스템의 센서 기반 비상 셧다운을 효과적으로 구현할 수도 있다. 이러한 센서 기반 비상 셧다운은 상기 타이머 기반 셧다운에 추가로, 즉, 상기 제1 기간 동안에만, 구현된다. 다시 말해, 상기 제2 MCU에 의한 상기 센서 기반 셧다운은, 상기 제1 MCU의 고장이 발생하고 상기 제1 기간이 경과한 후 상기 타이머 기반 셧다운에 의해 상기 전력 스위치가 비도통 상태로 설정되기 전까지만 실행된다.

상기 제2 MCU는 상기 제1 MCU의 오작동을 나타내는 상기 고장 신호를 수신한 후 제2 기간 동안 상기 전력 스위치를 도통 상태로 설정하도록 구성된다. 즉, 상기 제2 MCU는 상기 제1 MCU의 오작동 검출을 시작으로 설정된 상기 제2 기간 동안 상기 전력 스위치를 도통 상태로 설정하기 위한 상기 제2 제어 신호를 생성 및 전송한다. 이에 따라, 상기 전력 스위치는 상기 제2 기간 동안은 상기 제2 MCU에 대한 임의의 다른 신호 입력들에 상관없이 도통 상태로 설정된다. 따라서, 상기 전지 시스템의 상기 센서 기반 비상 셧다운은, 상기 전력 스위치, 즉 상기 전지 시스템의 셧다운이 방지되는, 상기 제2 기간 동안 연기된다.

상기 제2 기간은 상기 전력 스위치가 상기 제1 MCU에 의해 제어되는 정상 동작 모드와, 상기 전략 스위치가 상기 제2 MCU의 상기 센서 기반 비상 셧다운에 의해 제어되는 가용성 모드 사이에 천이(transition) 단계를 허용할 수 있다. 상기 제1 MCU의 고장 후 및 상기 제2 MCU에 의해 상기 센서 기반 비상 셧다운이 실현되기 이전 즉, 상기 제2 기간에는, 상기 전력 스위치가 상기 제2 MCU에 의해 제어된다. 상기 제2 기간은 상기 복수의 전지 셀의 FTTI(fault tolerant time interval) 미만이고, 상기 제1 기간보다 짧을 수 있다. 따라서, 상기 복수의 전지 셀의 FTTI 시간 내에, 상기 제2 MCU에 의한 상기 센서 기반 비상 셧다운이 실행되어 상기 전지 시스템이 안전 상태에 도달할 수 있다.

본 발명의 제2 양태는 제1 노드와 제2 노드 사이에 전기적으로 직렬 연결된 복수의 전지 셀, 상기 제1 노드 또는 상기 제2 노드와 적어도 하나의 외부 부하 사이에 상호 연결된 전력 스위치, 및 전술한 본 발명의 제1 양태에 따른 제어 시스템을 포함하는 전지 시스템에 관한 것이다. 여기서, 상기 제어 시스템의 상기 멀티플렉서의 출력 노드는 상기 전력 스위치의 전도성을 제어하기 위해 상기 전력 스위치에 연결된다.

상기 전지 시스템은 상기 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 전압 및/또는 온도를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 셀 감시 회로(cell supervision circuit, CSC)를 더 포함한다. 예를 들어, 상기 전지 시스템은, 각각 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 전지 셀을 포함하는 복수의 전지 모듈 또는 복수의 전지 서브모듈, 및 상기 전지 모듈들 또는 상기 전지 서브모듈들 각각에 대한 CSC를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 CSC는 각 전지 모듈 또는 각 전지 서브모듈의 적어도 하나의 셀 전압 및/또는 셀 온도를 검출하도록 구성된다. 상기 BSM은 상기 적어도 하나의 CSC에 의해 측정된 셀 전압들 및/또는 셀 온도들을 나타내는 신호들을 수신하기 위해 상기 적어도 하나의 CSC와 통신하도록 구성된다. 상기 BSM은 복수의 CSC와 예를 들어, 데이지 체인을 통해, 통신할 수 있다.

본 발명의 제3 양태는 전술한 본 발명의 제2 양태에 따른 전지 시스템에 외부 부하로서 연결된 적어도 하나의 제1 전기 소비자를 포함하는 차량, 특히 전기 차량 또는 하이브리드 차량에 관한 것이다. 이에 따라, 상기 전지 시스템의 상기 제1 MCU에 오류가 발생하면, 상기 적어도 하나의 제1 전기 소비자의 비상 셧다운은 상기 제2 MCU에 의해 제어된다. 따라서, 상기 전지 시스템, 특히 상기 전지 시스템의 비상 셧다운의 신뢰성이 향상된다.

상기 차량은 상기 전지 시스템에 전기적으로 연결되고 상기 차량의 안전과 관련 없는 적어도 하나의 제2 전기 소비자를 추가로 포함한다. 이 실시 예의 상기 차량은 상기 제1 MCU의 오작동을 나타내는 고장 신호를 수신하는 것에 응답하여 상기 적어도 하나의 제2 전기 소비자를 차단하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함한다. 상기 제어 유닛은 상기 전지 시스템의 상기 시스템 기반 칩(SBC)으로부터 상기 제1 MCU의 오작동을 나타내는 고장 신호를 수신할 수 있다.

이 실시 예에 따르면, 상기 차량은 상기 전지 시스템의 상기 제1 MCU의 고장을 인식하여 상기 적어도 하나의 제2 전기 소비자를 즉시 차단할 수 있다. 예를 들어, 상기 차량의 전기 모터와 같은 고부하 소비자들은 상기 제2 전기 소비자로서, 상기 제1 MCU의 오작동을 나타내는 고장 신호를 수신하는 것에 응답하여 차단된다. 따라서, 상기 제1 MCU가 오작동하면 상기 차량이 상기 전지 시스템에서 가져오는 전류는 안전상의 이유로 신속하게 감소될 수 있다. 또한, 상기 차량의 안전과 관련된 상기 적어도 하나의 제1 전기 소비자는, 상기 제1 MCU가 오작동하더라도 소정 시간 동안은 상기 제2 MCU에 의해 상기 전지 시스템으로부터의 에너지 공급이 제어되므로, 상기 적어도 하나의 제1 소비자의 안전 관련 기능들의 가용성을 장기간 보장할 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 제1 기간, 상기 제2 기간 및 상기 센서 기반 비상 셧다운은 상기 제1 MCU의 고장 인식 이후에 상기 적어도 하나의 제1 전기 소비자를 제어하는데 적용된다. 따라서, 상기 적어도 하나의 제1 전기 소비자의 안전 관련 기능은 기 설정된 상기 제1 기간 동안 보장되며, 반면에 상기 제2 MCU에 의한 상기 센서 기반 비상 셧다운은 또한 안전한 상태로 전환을 허용하기 위해 상기 제2 기간 이후 소정 기간 동안(상기 제1 기간 중 상기 제2 기간을 제외한 나머지 기간 동안) 제공된다.

본 발명의 제4 양태는 전지 시스템을 동작시키는 방법에 관한 것으로, 여기서 상기 전지 시스템은 제1 노드와 제2 노드 사이에 전기적으로 직렬 연결된 복수의 전지 셀, 상기 제1 노드 또는 상기 제2 노드와 적어도 하나의 외부 부하 사이에 상호 연결된 전력 스위치, 및 상기 전력 스위치를 제어하도록 구성된 전술한 본 발명의 제1 양태에 따른 제어 시스템을 적어도 포함한다.

상기 방법은, 상기 제어 시스템의 제1 MCU의 정상 동작 상태에서, 상기 제1 MCU가 멀티플렉서를 통해 제1 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전달하여 상기 전력 스위치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은, 상기 제어 시스템의 제2 MCU가 상기 제1 및 제2 MCU 사이의 통신 실패를 검출하거나 상기 제1 MCU의 고장을 나타내는 신호를 수신함으로써, 상기 제1 MCU의 고장 상태를 검출하는 단계, 및 상기 제1 MCU의 고장 상태가 검출되는 경우, 상기 제2 MCU가 상기 멀티플렉서를 통해 제2 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전달하여 상기 전력 스위치를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법에서, 상기 멀티플렉서는 상기 제1 제어 신호, 상기 제2 제어 신호 및 상기 제1 MCU의 고장을 나타내는 고장 신호를 수신하고, 수신된 상기 고장 신호에 기초하여 상기 제1 및 제2 제어 신호 중 하나를 상기 전력 스위치에 전송한다. 여기서, 상기 제1 MCU의 고장 상태를 나타내는 상기 고장 신호는 상기 제1 MCU를 감독하는 시스템 기반 칩(SBC)에 의해 생성될 수 있고, 또한 상기 제2 MCU로 전송될 수 있다.

상기 제1 MCU가 상기 전력 스위치를 제어하는 단계에서, 상기 멀티플렉서는 수신된 상기 고장 신호가 상기 제1 MCU의 정상 동작 상태를 나타내는 경우, 상기 제1 제어 신호를 상기 전력 스위치에 전송할 수 있다. 또한, 상기 제2 MCU가 상기 전력 스위치를 제어하는 단계에서, 상기 멀티플렉서는 상기 고장 신호가 상기 제1 MCU의 오작동을 나타내는 경우, 상기 제2 제어 신호를 상기 전력 스위치에 전송할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 MCU에서 고장이 발생하지 않은 정상 동작 모드에서는 상기 제1 MCU가 상기 전지 시스템의 상기 전력 스위치를 제어하고, 상기 제1 MCU에서 고장이 발생하면 상기 제1 MCU를 통한 상기 전력 스위치의 제어가 중단되고 상기 전력 스위치는 상기 제2 MCU에 의해서만 제어된다.

따라서 상기 정상 동작 모드에서는, 상기 제1 MCU를 통해 측정 또는 계산되는 센서 값들(예를 들어, 온도, 전류, 전압, 또는 가스 조성)에 대한, 모든 기능들과 안전 메커니즘들이 상기 전지 시스템의 비상 셧다운을 제어하는데 사용될 수 있다.

그리고, 상기 제1 MCU의 오류 상황에서도, 더 적은 센서 신호, 예를 들어 상기 전지 시스템의 출력 전류에만 기초해서라도 상기 전지 시스템의 긴급 셧다운 구현이 보장된다.

상기 방법은 상기 제2 MCU에 의해 수행되는 다음 단계 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다.

상기 방법은, 상기 제2 MCU가 상기 제1 MCU의 고장 상태를 검출한 후 제1 기간 후에 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 MCU에 오류가 발생하면 안정적인 비상 셧다운이 제공된다. 상기 방법은, 상기 제2 MCU가 상기 제1 MCU의 고장 상태를 검출한 후 기 설정된 제2 기간 동안 상기 전력 스위치 도통 상태로 설정하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이에 따라, 상기 제1 MCU로부터 상기 제2 MCU로 셧다운 제어를 전달하기 위한 천이 기간이 제공될 수 있다. 또한, 상기 방법은, 상기 제2 MCU가 상기 제1 기간 중 상기 제2 기간을 제외한 나머지 기간 동안, 상기 전지 시스템의 출력 전류가 기 설정된 임계 값을 초과하는 경우, 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 설정하는 상기 제2 제어 신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제1 MCU의 고장이 발생한 후 상기 전력 스위치의 제어가 상기 제2 MCU에 의해 단독으로 수행되는 동안에도 센서 기반 비상 셧다운이 효과적으로 제공될 수 있다.

본 발명의 실시 예들에 따르면, 개선된 가용성, 즉 감소된 FIT율을 가지며, 안전 관련 기능들을 신뢰성 있게 제공하는 전지 시스템용 제어 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 일 예에 따른 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 제어 시스템의 전자적인 개략도를 도시한다.
도 3은도 2의 제어 시스템의 2 가지 동작 모드를 도시한다.
도 4는 일 실시 예에 따른 전지 시스템의 전자적인 개략도를 도시한다.
도 5는 일 실시 예에 따른 전지 시스템의 전류 스케줄 및 모드 전환을 위해 수행된 단계들을 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 "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.

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 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 일 예에 따른 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한다. 전지 시스템은 전기 차량(미도시)의 일부일 수 있고 전기 차량의 모터로 에너지를 공급하도록 구성될 수 있다. 전지 시스템은 복수의 전지 모듈(미도시)을 포함하고, 각 전지 모듈은 직렬로 연결된 복수의 전지 셀을 포함한다. 복수의 셀 감시 회로(cell supervision circuit, CSC)(60) 중 하나가 각각의 전지 모듈에 할당되고, 각각의 전지 모듈을 구성하는 전지 셀들의 셀 전압 및 온도를 검출하도록 구성된다. CSC(60)들은 데이지 체인(daisy chain) 구성을 통해 즉, 단일 데이터 라인을 통해 직렬로 연결되어, 서로 그리고 전지 시스템 관리자(battery system manager, BSM)(20)에 연결된다. BSM(20)은 CSC들(60)의 전압 및 온도 판독 값들을 수신하고, 이 판독 값들을 분석하고, 이 판독 값들에 기초하여 전지 모듈들을 제어하도록 구성된다.

추가적으로, BSM(20)은 도 1의 BSM(20)의 오른쪽으로 연장되는 CAN 버스를 통해 차량(미도시)과 통신하고, CAN 버스를 통해 차량으로부터 명령을 수신하며, 이러한 부하 요청들에 기초하여 전지 모듈을 제어하도록 구성된다. BSM(20)은 또한, 전지 분리 유닛 전자장치(battery disconnect unit electronics, BDUe)(30)와 통신하도록 구성되며, BDUe(30)는 전지 시스템의 출력 전압을 검출하고, 전지 시스템의 출력 전류에 대응하는 시스템 전류 판독 값을 BSM(20)에 전송하도록 구성된다. 이 시스템 전류 판독 값에 기초하여, BSM(20)은 전지 시스템과 전지 시스템으로부터 전력을 공급받는 전기 차량의 부하 사이에 연결된 전력 스위치(13)의 전도성을 설정한다. 여기서, 전력 스위치(13)는 전지 시스템의 내부 또는 외부에 있을 수 있다. 도 1의 전지 시스템에서, BSM(20)이 고장 상태에 있으면, 전력 스위치(13)의 제어가 실패할 가능성이 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어 시스템(90)의 개략도를 도시한다. 제어 시스템(90)은, 전지 시스템과 전지 시스템에 의해 전력이 공급되는 적어도 하나의 외부 부하 사이에 상호 연결된 전력 스위치(13)(예를 들어, 릴레이)를 포함한다. 도 2에서, 전력 스위치(13)는 도 1의 전력 스위치(13)에 대응한다. 전력 스위치(13)는 멀티플렉서(35)로부터 제어 신호를 수신하고, 전력 스위치(13)의 전도성은 제어 신호에 기초하여 설정된다. 멀티플렉서(35)는 제1 마이크로컨트롤러(microcontroller, MCU)(21)를 더 포함하는 BSM(20)의 일부이다. 제1 MCU(21)는 멀티플렉서(35)에 제1 제어 신호(41)를 출력하고, 제1 제어 신호(41)는 전력 스위치(13)의 전도성을 설정하도록 구성된다. BSM(20)은 또한 전지 시스템과 관련하여 적어도 하나의 제어 기능을 수행하고, 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 차량과 통신하도록 구성된다. 제어 시스템(90)은, 제2 MCU(31)를 포함하고 전지 시스템의 출력 전류를 검출하도록 구성된 BDUe(30)를 더 포함한다. BDUe(30)은 또한 검출된 전지 시스템의 출력 전류를 나타내는 전류 신호(44)를 CAN 버스(51)를 통해 BSM(20)에 전송하도록 구성된다. BDUe(30)는 데이터 라인(52)을 통해 제2 제어 신호(42)를 멀티플렉서(35)로 전송하도록 추가로 구성되고, 여기서 제2 제어 신호(42)는 또한 전력 스위치(13)의 전도성을 설정하도록 구성되며, 데이터 라인(52)은 CAN 버스(51)와 물리적으로 분리된다.

멀티플렉서(35)는 제1 MCU(21)를 감시하는 시스템 기반 칩(system basis chip, SBC)(22)의 고장 신호(fault signal)(43)를 더 수신한다. 여기서, 고장 신호(43)는 제1 MCU(21)의 동작 상태를 나타낸다. 예시적으로, 고장 신호(43)는 제1 MCU(21)의 자가 테스트에 기초하거나, 제1 MCU(21)의 내부 에러 코드들이 산발적보다 더 자주 발생하면 출력된다. 고장 신호(43)는 제1 MCU(21)의 동작 가능(operability) 상태 즉, 정상 상태를 나타내거나 제1 MCU(21)의 고장 상태를 나타내므로, 2개의 가능한 값(예를 들어, "0" 또는 "1") 중 하나를 취할 수 있다. 멀티플렉서(35)는 수신된 고장 신호(43)에 기초하여 제1 제어 신호(41) 또는 제2 제어 신호(42)를 전력 스위치(13)로 출력한다. 다시 말해, 고장 신호(43)의 값, 즉 고장 신호(43)가 제1 MCU(21)의 동작 가능 상태 또는 고장 상태를 나타내는지 여부에 따라서, 멀티플렉서(35)는 제1 및 제2 제어 신호(41, 42) 중 하나를 선택하고, 선택된 제어 신호를 전력 스위치(13)로 출력한다. 따라서, 제어 시스템(90)은 제1 MCU(21)가 오작동하여 전력 스위치(13)를 제어할 수 없는 경우에도, 제2 MCU(31)를 통해 전력 스위치(13)의 지속적인 제어를 허용한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 도 2의 제어 시스템(90)은 2개의 동작 모드를 갖는다. 여기에서, 제1 동작 모드, 즉 정상 동작 모드에서는, 도 3의 (A)에 도시된 바와 같이, 멀티플렉서(35)에 의해 수신된 고장 신호(43)는, 예를 들어, "1"의 값으로, 제1 MCU(21)의 동작 가능 상태를 나타낸다. 이에 응답하여, 멀티플렉서(35)는 전력 스위치(13)의 전도성을 제어하기 위해 제1 제어 신호(41)를 전력 스위치(13)로 전송한다. 도 3의 (B)에 도시 된 바와 같이, 제2 동작 모드, 즉 고장 모드(fault mode)에서, 멀티플렉서(35)에 의해 수신된 고장 신호(43)는 예를 들어, "0"의 값으로, 제1 MCU(21)의 고장 상태를 나타낸다. 이에 응답하여, 멀티플렉서(35)는 전력 스위치(13)의 전도성을 제어하기 위해 제2 제어 신호(42)를 전력 스위치(13)에 전송한다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 시스템(100)의 전자적인 개략도를 도시한다. 여기서, 복수의 전지 셀(10)은 제1 노드(11)와 제2 노드(12) 사이에 직렬로 연결된다. 그러나, 본 발명이 이로 한정되는 것은 아니어서, 추가로 전지 셀들(10)이 제1 노드(11)와 제2 노드(12) 사이에 병렬로 연결되어 이들 노드(11, 12) 사이에 XsYp 구성을 형성할 수도 있다. 또한, 이들 노드들(11, 12) 사이에 직렬 또는 병렬 연결된 복수의 셀로 구성된 전지 서브모듈들(미도시)이 연결될 수도 있다.

도 4에서, 12개의 전지 셀들(10) 각각이 대략 4V의 전압을 제공한다고 가정하면, 대략 48V의 전압(VDD)이 제1 노드(11)와 제2 노드(12) 사이에 인가된다. 외부 부하(14)는 전지 셀들(10)의 이러한 전압을 공급받는다. 외부 부하(14)에 대한 전지 셀(10)들의 전력 공급을 제어하기 위해 릴레이(13)가 제1 노드(11)와 외부 부하(14) 사이의 전력 스위치로서 상호 연결된다. 여기에서, 릴레이(13)는 도 1 및 도 2에서의 전력 스위치(13)에 대응되며, 릴레이(13)의 전도성 상태는 그것의 출력 노드(미도시)를 통해 제어 시스템(90)에 의해 제어된다. 도 4에서 제어 시스템(90)은 도 2를 참조하여 설명한 제어 시스템(90)에 대응하며, 도 4는 도 3의 (B)와 관련해 설명된 바와 같이 제어 시스템(90)의 제1 MCU(21)가 고장 상태인 경우를 예로 들어 도시한다. 이 동작 상태에서, BDUe(30)의 제2 MCU(31)는 전지 시스템(100)의 출력 전류가 기 설정된 임계 값 미만인 경우 제2 제어 신호(42)를 통해 릴레이(13)를 도통 상태로 설정하고, BDUe(30)가 전지 시스템(100)에 의해 출력된 과전류를 검출하면 릴레이(13)를 비도통 상태로 설정한다. 또한, BDUe(30)는 후술하는 바와 같이 릴레이(13)를 제어 시 시정수(time constants)를 적용한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 시스템(100)의 전류 타임라인(timeline)을 개략적으로 도시한다. 전지 시스템(100) 및 제어 시스템(90)의 정상 동작 모드(A) 동안 제1 MCU(21)는 고장 없이 작동하고, 전지 시스템(100)에 의해 최대 전류(I^I _max)가 제공될 수 있다. 정상 동작 모드(A) 동안, 고장 신호(43)는 제1 MCU(21)의 동작 가능 상태 즉, 정상 상태를 나타내며, 예를 들어, 이진 값 "1"을 취한다. 고장 신호(43)는 제어 신호 입력으로서 멀티플렉서(35)에 공급되고, 멀티플렉서(35)의 출력과 연결되는 데이터 신호 입력을 제1 MCU(21)로부터 제1 제어 신호(41)가 공급되는 제1 데이터 신호 입력으로 설정한다. 따라서, 정상 동작 모드(A) 동안, 제1 제어 신호(41)는 멀티플렉서(35)를 통해 전력 스위치(13)에 출력되고, 따라서 전력 스위치(13)는 제1 MCU(21)에 의해 제어된다. 예를 들어, BDUe(30)로부터 수신된 전류 신호(44)가 I^I _max를 초과하는 전류를 나타내는 경우, 제1 MCU(21)는 제1 제어 신호(41)를 통해 전력 스위치(13)를 비도통 상태로 설정한다.

도 5에 도시된 시점 B에서, 제1 MCU(21) 또는 전자 장치들의 다른 부분에서 고장이 발생하고, 고장은 제1 MCU(21) 자체 또는 제1 MCU(21)에 연결된 시스템 기반 칩(SBC)(22)에 의해 즉시 인식된다. 따라서, 시점 B부터 고장 신호(43)는 예를 들어서, "0"의 값을 취함으로써, 제1 MCU(21)의 고장을 나타낸다. 따라서, 멀티플렉서(35)의 출력과 연결되는 데이터 신호 입력은 제2 MCU(31)로부터 제2 제어 신호(42)가 공급되는 제2 데이터 신호 입력으로 설정된다.

도 5에 도시 된 바와 같이, 제2 기간(T₂) 동안, 즉 초기 모드(C) 동안, 부하(예를 들어, 차량)의 안전 관련 제2 전기 소비자들은 전지 시스템(100)으로부터 차단되지 않기 때문에, 전지 시스템(100)의 출력 전류는 완전히 차단되지 않고 제2 전류 임계치(I^II _max) 아래로 떨어진다. 초기 모드(C) 동안에는, 전력 스위치(13)를 통한 전지 시스템(100)의 조기 셧다운을 방지하면서 I^II _max 미만으로 전류 소비를 감소시키기 위해 전력 스위치(13)의 임계 값 기반 제어(또는 센서 기반 긴급 셧다운)가 수행되지 않는다. 즉, BDUe(30)는 시점 B에서 시작된 제2 기간(T₂)이 경과할 때까지 전력 스위치(13)를 도통 상태로 설정하는 제2 제어 신호(42)를 출력하도록 구성된다.

제1 기간(T₁)이 시작되고 나서 제2 기간(T₂)이 경과한 후, 즉 시점 D와 G 사이 또는 도 5에 도시된 바와 같이 저 성능 모드(low performance mode)(E) 동안에는, 과전류 보호를 구현하기 위해 BDUe(30)에 의해 전력 스위치(13)의 센서 기반 제어(또는 센서 기반 긴급 셧다운 제어)가 수행된다. 이 때, 과전류를 검출하는 기준이 되는 임계 값은 I^I _max에서 I^II _max로 낮아진다. 즉, 저 성능 모드(E) 동안에는, 전지 시스템(100)의 출력 전류가 임계 전류(I^II _max)를 초과하면 BDUe(30)는 전력 스위치(13)를 통해 전지 시스템(100)을 셧다운시킨다. 제1 기간(T₁)의 끝에서, 즉 도 5에 도시된 시점 G에서, 전력 스위치(13)는 제2 MCU(31)에 의해 제2 제어 신호(42)를 통해 비도통 상태로 설정된다. 따라서, 시점 B에서 제1 MCU(21)의 고장으로 시작된 전지 시스템(100)의 가용성 모드(availability mode)가 시점 G에서 종료된다. 제1 기간(T₁)은 전기 자동차의 림프 홈(limp home) 기능을 허용하도록 설정될 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 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.

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 저장 될 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: 전지 시스템의 제1 노드
12: 전지 시스템의 제2 노드
13: 전력 스위치
14: 외부 부하
20: 전지 시스템 관리자, BSM,
21: 제1 마이크로프로세서, 제1 MCU
22: 시스템 기반 칩, SBC
30: 전지 분리 장치 전자 장치, BDUe
31: 제2 마이크로컨트롤러, 제2 MCU
35: 멀티플렉서
41: 제1 제어 신호
42: 제2 제어 신호
43: 고장 신호
44: 전류 신호
51: CAN 버스
52: 데이터 라인
60: 셀 감시 회로, CSC
90: 제어 시스템
100: 전지 시스템

Claims

전지 시스템용 제어 시스템으로서,
제어 신호에 응답하여 상기 전지 시스템을 외부 부하로부터 분리하도록 구성된 전력 스위치;
상기 전지 시스템에 대해 적어도 하나의 제어 기능을 수행하고, 제1 제어 신호를 통해 상기 전력 스위치를 제어하도록 구성된 제1 마이크로컨트롤러(microcontroller);
상기 전지 시스템의 출력 전류를 검출하도록 구성되고, 검출된 상기 출력 전류를 나타내는 전류 신호를 상기 전지 시스템 관리자로 출력하고, 제2 제어 신호를 통해 상기 전력 스위치를 제어하도록 구성된 제2 마이크로컨트롤러; 및
상기 제1 마이크로컨트롤러로부터 상기 제1 제어 신호를 수신하고, 상기 제2 마이크로컨트롤러로부터 상기 제2 제어 신호를 수신하며, 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호 중 하나를 상기 전력 스위치의 상기 제어 신호로 출력하도록 구성된 멀티플렉서를 포함하는, 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2 마이크로컨트롤러는 상기 제1 마이크로컨트롤러의 고장 상태를 검출하고, 상기 제1 마이크로컨트롤러의 오작동을 검출하는 것에 응답하여 상기 제2 제어 신호를 출력하도록 추가로 구성되는, 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제2 마이크로컨트롤러는 상기 제1 마이크로컨트롤러와의 양방향 통신을 수행하고, 상기 제1 마이크로컨트롤러와의 통신 실패에 응답하여 상기 제1 마이크로컨트롤러의 오작동을 검출하도록 추가로 구성되는, 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2 마이크로컨트롤러는 CAN(controller area network) 버스를 통해 상기 제1 마이크로컨트롤러에 연결되고, 상기 CAN 버스와 분리된 데이터 라인을 통해 상기 멀티플렉서에 연결되는, 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 멀티플렉서는 상기 제1 마이크로컨트롤러의 동작 상태를 나타내는 고장 신호를 수신하고, 수신된 상기 고장 신호에 기초하여 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호 중 하나를 상기 전력 스위치로 전달하도록 추가로 구성되는, 제어 시스템.
제5항에 있어서,
상기 멀티플렉서는,
상기 고장 신호가 상기 제1 마이크로컨트롤러의 정상 상태를 나타내는 경우, 상기 제1 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전송하고,
상기 고장 신호가 상기 제1 마이크로컨트롤러의 오작동을 나타내는 경우, 상기 제2 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전송하도록 추가로 구성되는, 제어 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제1 마이크로컨트롤러는, 전지 시스템 관리자(battery system manager)의 일부이고,
상기 전지 시스템 관리자는 시스템 기반 칩(system basis chip)을 더 포함하며,
상기 시스템 기반 칩은 상기 제1 마이크로컨트롤러의 고장 상태를 검출하고, 상기 제1 마이크로컨트롤러의 고장 상태를 검출하는 것에 응답하여 상기 고장 신호를 상기 멀티플렉서로 출력하도록 구성되는, 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제2 마이크로컨트롤러는 상기 제1 마이크로컨트롤러의 고장 상태를 검출한 후 제1 기간 이후에 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 설정하도록 구성되는, 제어 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제1 마이크로컨트롤러는 상기 검출된 출력 전류가 제1 임계 값을 초과하는 경우 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 설정하는 상기 제1 제어 신호를 생성하도록 추가로 구성되고,
상기 제2 마이크로컨트롤러는 상기 검출된 출력 전류가 상기 제1 임계 값보다 낮은 제2 임계 값을 초과하는 경우 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 설정하는 상기 제2 제어 신호를 생성하도록 추가로 구성되는, 제어 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제2 마이크로컨트롤러는 상기 제1 마이크로컨트롤러의 오작동을 검출한 후 제2 기간 동안 상기 전력 스위치를 도통 상태로 설정하도록 추가로 구성되며, 상기 제2 기간은 상기 제1 기간보다 짧은, 제어 시스템.
전지 시스템으로서,
제1 노드와 제2 노드 사이에 전기적으로 연결된 복수의 전지 셀; 및
제어 시스템을 포함하며,
상기 제어 시스템은,
제어 신호에 응답하여 상기 전지 시스템을 외부 부하로부터 분리하도록 구성된 전력 스위치;
상기 전지 시스템에 대해 적어도 하나의 제어 기능을 수행하고, 제1 제어 신호를 통해 상기 전력 스위치를 제어하도록 구성된 제1 마이크로컨트롤러(microcontroller);
상기 전지 시스템의 출력 전류를 검출하도록 구성되고, 검출된 상기 출력 전류를 나타내는 전류 신호를 상기 전지 시스템 관리자로 출력하고, 제2 제어 신호를 통해 상기 전력 스위치를 제어하도록 구성된 제2 마이크로컨트롤러; 및
상기 제1 마이크로컨트롤러로부터 상기 제1 제어 신호를 수신하고, 상기 제2 마이크로컨트롤러로부터 상기 제2 제어 신호를 수신하며, 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호 중 하나를 상기 전력 스위치의 상기 제어 신호로 출력하도록 구성된 멀티플렉서를 포함하고,
상기 전력 스위치는, 상기 제1 노드 또는 상기 제2 노드와, 적어도 하나의 외부 부하 사이에 상호 연결되는, 전지 시스템.
제11항에 있어서,
상기 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 전압 및/또는 온도를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 셀 감시 회로(cell supervision circuit)를 더 포함하고,
상기 제1 마이크로컨트롤러를 포함하는 전지 시스템 관리자(battery system manager)는 상기 적어도 하나의 셀 감시 회로로부터 검출된 상기 셀 전압 및/또는 셀 온도를 수신하기 위해 상기 적어도 하나의 셀 감시 회로와 통신하도록 추가로 구성되는, 전지 시스템.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 전지 시스템에 외부 부하로서 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제1 전기 소비자를 포함하는 차량으로서,
상기 차량은 상기 전지 시스템 관리자와 통신하도록 추가로 구성되는, 차량.
제13항에 있어서,
상기 전지 시스템에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 제2 전기 소비자; 및
상기 제1 마이크로컨트롤러의 오작동을 가리키는 고장 신호의 수신에 응답하여 상기 적어도 하나의 제2 전기 소비자를 차단하도록 구성된 차량 제어 유닛을 더 포함하며,
상기 적어도 하나의 제2 전기 소비자는 상기 차량의 안전성과 비관련된, 차량.
제1 노드 및 제2 노드 사이에 전기적으로 연결된 복수의 전지 셀, 상기 제1 노드 또는 상기 제2 노드와 적어도 하나의 외부 부하 사이에 연결되는 전력 스위치, 및 상기 전력 스위치를 제어하는 제어 시스템을 포함하는 전지 시스템의 동작 방법으로서,
상기 제어 시스템의 제1 마이크로컨트롤러가 정상 상태이면, 상기 제1 마이크로컨트롤러가 멀티플렉서를 통해 제1 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전달하여 상기 전력 스위치를 제어하는 단계;
상기 제어 시스템의 제2 마이크로컨트롤러에 의해 상기 제1 마이크로컨트롤러의 오작동을 검출하는 단계;
상기 제1 마이크로컨트롤러의 오작동이 검출되면, 상기 제2 마이크로컨트롤러가 상기 멀티플렉서를 통해 제2 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전달하여 상기 전력 스위치를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
제15항에 있어서,
상기 제2 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전달하여 상기 전력 스위치를 제어하는 단계는,
상기 제1 마이크로컨트로러의 오작동이 검출된 후 제1 기간 후에, 상기 제2 마이크로컨트롤러가 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 설정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제16항에 있어서,
상기 제2 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전달하여 상기 전력 스위치를 제어하는 단계는,
상기 제1 마이크로컨트로러의 오작동이 검출된 후 제2 기간 동안, 상기 제2 마이크로컨트롤러가 상기 전력 스위치를 도통 상태로 설정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제17항에 있어서,
상기 제2 제어 신호를 상기 전력 스위치로 전달하여 상기 전력 스위치를 제어하는 단계는,
상기 제1 기간 중 상기 제2 기간을 제외한 나머지 기간 동안, 상기 전지 시스템의 출력 전류가 기 설정된 임계 값을 초과하는 경우, 상기 제2 마이크로컨트롤러가 상기 전력 스위치를 비도통 상태로 설정하도록 상기 제2 제어 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.