역사적으로 설계자들은 센서 또는 액추에이터에 더 많은 지능을 필요로 하는 차량 설계에 MCU를 추가하여 더 복잡한 제어나 통신이 필요했습니다. 그러나 다양한 차량 플랫폼 내에서 옵션의 추가 복잡성을 결합하면 차량 시스템 설명이 복잡해지고 개발 노력이 많이 들고 유지 관리가 어려워졌습니다. 예를 들어 무선 업데이트에 모든 구성에 대한 테스트가 필요하므로 프로세스에 상당한 시간과 복잡성이 더해집니다.

복잡성, 무게 및 비용의 문제를 해결하기 위해 도메인 및 영역 제어 아키텍처 개념이 등장했습니다. 이러한 다양한 아키텍처에서 차량 내 서브시스템에 필요한 내용을 살펴보세요.

도메인 아키텍처에서 각 도메인은 관련 기능을 기반으로 특정 ECU(전자 제어 장치)를 누적합니다. 예를 들어, 온보드 충전기, DC/DC 컨버터, 트랙션 인버터 및 BMS는 HEV/EV 제어 도메인을 포함하며 그림 1에 표시된 것처럼 단일 중앙 집중식 MCU를 공유합니다. 이는 분산된 MCU의 수를 줄이고, 기능을 근접하게 배치하여 인터페이스를 단순화하며, 동일한 기능을 단일 MCU에 집중시켜 컴퓨팅 리소스를 공유할 수 있게 해줍니다. 예를 들어 OBC와 인버터는 동시에 작동하지 않고 대신 컴퓨팅 용량을 공유합니다.

영역 아키텍처는 도메인 제어의 개념을 한 단계 더 발전시킵니다. 이 아이디어는 그림 1에서와 같이 차량의 위치를 기반으로 기능이 영역별로 그룹화되고 MCU에 의해 제어됩니다. 영역 간의 분산 센서와 액추에이터는 시기적절한 통신을 필요로 하기 때문에 이 영역은 고대역폭 통신 백본을 통해 연결됩니다. 영역 아키텍처는 필요한 MCU의 수를 줄이면서 와이어링 하니스의 복잡성과 무게를 줄여 비용 절감 및 주행 범위를 확대합니다. 하드웨어 및 소프트웨어 업데이트 주기가 분리되고 자동차 제조업체는 서비스 기반 소프트웨어 구조로 이동할 수 있습니다.

도메인 및 영역 아키텍처는 서로 다른 장점과 과제를 가지고 있지만 크로스오버 아키텍처 내에서 동일한 차량에 공존할 수도 있습니다. 예를 들어, BMS는 도메인 제어 접근 방식을 사용할 수 있으며, ADAS(자동 운전자 보조 시스템)는 동시에 영역을 활용할 수 있습니다. 파워트레인을 도메인 또는 영역 제어 아키텍처로 전환하는 작업은 기능 안전 및 시스템 민첩성 분야의 애플리케이션별 문제를 해결한 후 나중에 발생하는 경우가 많습니다. MCU 기능을 최대한 중앙 집중화한다는 원래 철학을 따르면 BMS는 에지에 MCU 인텔리전스가 없는 정교하거나 표준화된 인터페이스를 통해 통신해야 합니다. 이러한 구현 유형은 MCU 수를 줄이려는 목표를 달성했습니다.

그러나 그런 다음 셀 또는 팩 고전압 칩셋 데이터(전압, 전류 및 온도 판독값 및 관련 안전 조치)가 원시 데이터로 전송된다는 기술적 문제가 발생합니다. 고장 감지 시간 간격, 고장 반응 시간 간격 및 안전 상태가 엄격하게 정의되기 때문에 인터페이스의 사용 가능한 대역폭은 긴밀한 관찰과 최적화가 필요하며, 영역 또는 도메인 제어 MCU는 지정된 시간 간격 내에서 처리하기 위해 엄격한 시간 슬롯이 필요합니다. 그림 3에서는 BMS 내 임베디드 시스템 아키텍처를 비교합니다.

고전압 칩셋을 장착하거나 스마트 배터리 정션 박스와 같은 BMS의 가장자리에 더 작은 안전 MCU를 추가하면 이 과제를 간소화할 수 있습니다. 기능 안전 조치를 로컬로 해결함으로써 작업 이외의 데이터가 BMS 내에서 전송되지 않습니다. 에지의 로컬 안전 MCU가 기본 원시 데이터 대신 중앙 MCU로 OK/nOK 데이터를 전송하고 로컬에서 얻은 데이터를 전송함으로써 타이밍 및 대역폭 문제를 크게 줄입니다.

이러한 접근 방식은 MCU 수를 줄이려는 본래의 의도와 모순되지만, 추가적인 이점을 제공합니다. 로컬 MCU는 CAN-FD(컨트롤러 영역 네트워크-유연한 데이터 속도) 또는 이더넷 10BASE-T1S와 같은 표준화된 인터페이스를 지원하고, 추가로 팩 다중 소싱과 차량 간, 플랫폼 및 크로스 세대 호환성을 지원하는 균일한 추상화 계층을 구현할 수 있습니다.

이러한 아키텍처를 지원하고 보다 지능적인 시스템을 구현할 수 있는 BMS 내의 몇 가지 기술에 대해 알아보겠습니다.

가장 기본적인 수준에서 MCU는 BMS 내에서 센서를 연결하여 데이터를 수신하고 차량 네트워크에 해당 정보를 다시 전달하는 두 가지 주요 역할을 합니다. 이 두 기능은 충전 상태와 같은 기능 안전과 중요한 진단 정보를 BMS에 제공하는 데 도움이 됩니다. 오늘날 MCU 발전 추세는 더욱 발전된 감지 및 계산과 더욱 발전된 네트워킹이 요구됨에 따라 이 두 가지 주요 기능 모두에서 더욱 높아지고 있습니다. 고급 MCU를 사용하면 더 높은 품질의 데이터를 배터리에서 다른 차량의 나머지 부분까지 전송할 수 있어 차량 내에서 어떤 일이 일어나고 있는지 보다 정확하게 파악할 수 있습니다.

BMS 내 MCU 작동에 대한 고급 시나리오를 살펴보십시오. 배터리의 유용성을 극대화하는 데 필요한 지능을 처리하기 위한 복잡한 알고리즘이 필요하기 때문에 컴퓨팅 성능이 향상되고 있습니다. 배터리의 크기가 증가함에 따라 측정이 필요한 개별 셀의 수도 증가합니다. 배터리 내에 더 높은 전압 수준과 더 높은 전체 전력이 저장됩니다. 즉, 이전보다 더 많은 신호가 들어오고 있으므로 MCU 패키지 크기를 늘리고 차량 아키텍처가 도메인에서 영역 제어로 전환함에 따라 입력/출력 수를 모두 늘려야 합니다.

이러한 고급 알고리즘 및 감지 요구 사항을 충족하기 위한 한 가지 접근 방식은 코어 컴퓨팅 성능을 높이는 것입니다. 기존의 MCU는 간단한 전류 및 전압 측정과 100MHz의 온도 측정을 단일 코어에서 수행하는 BMS에서 작동할 수 있었습니다. 이제 시스템 내에서 계산하고 작동할 수 있는 최대 1GHz까지 실행되는 멀티 코어 장치가 있습니다. 설계자는 디지털 신호 프로세서와 현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이를 활용하여 훨씬 더 빠른 속도로 실행할 수 있는 컴퓨팅 엔진을 구축할 수 있습니다. TI의 Arm® Cortex® 기반 32비트 MCU 포트폴리오는 시스템 요구 사항을 충족하는 데 도움이 되는 고성능 및 전원 효율적인 장치가 포함되어 있습니다.

배터리 ECU와 차량의 다른 부분과의 통신 역시 점점 더 복잡해지고 있습니다. 시스템은 진단을 수행하거나 배터리 부하에 따라 예측 기능과 같은 동적 변경을 구현하거나 작업 유형 간에 전환해야 할 수 있습니다. 예를 들어 차량이 고속으로 주행하는 경우 배터리의 최대 부하가 있기 때문에 진단 또는 셀 업데이트와 같은 작업을 수행하는 것은 비효율적입니다. 그러나 차량이 충전하는 동안에는 이러한 작업을 수행하고 차량 네트워크와 무선 또는 유선으로 통신하는 데 더 많은 시간과 시스템 대역폭이 필요하며, 이더넷과 같은 프로토콜을 통해 과거 CAN 또는 CAN-FD 버스보다 훨씬 빠른 데이터 전송률을 제공합니다. 배터리 내 모듈화 수준에 따라 BMS 자체에서 통신이 필요할 수도 있습니다.

BMS 내에서 MCU의 가장 중요한 기준은 기능 안전 기능입니다. 네트워킹 수준이 계속 높아짐에 따라 보안도 점점 더 중요해지고 있습니다. MCU는 ASIL(Automotive Safety Integrity Level) D를 지원해야 하며 시스템의 안전 및 보안 요구 사항을 충족하는 데 도움이 되는 하드웨어 보안 모듈이 내장되어 있습니다. AM263P4-Q1 MCU와 같은 장치는 멀티 코어이며 네트워킹 및 감지 및 작동 IP의 품질을 위한 고급 주변 장치를 사용한 컴퓨팅에 대해 훨씬 더 높은 작동 주파수를 가집니다. 또한 MCU는 안전을 개선하고 개발 시간을 단축하기 위해 AUTOSAR(차량용 오픈 시스템 아키텍처)와 같은 개방형 및 표준화된 차량용 소프트웨어 아키텍처를 지원해야 합니다.