2021년 9월 20일 월요일

S 솔루션 - Automotive

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전기자동차 정션박스 설계의 효율화

새로운 전기자동차(EV)용 정전식 절연 데이지 체인 데이터 획득 IC가 배터리 셀 전압 및 온도 측정에 시간 정렬된 정션박스를 효율화하는 과정에 대해 알아본다. 이 설계 솔루션에서는 일반적인 전기자동차(EV) 배터리 시스템을 살펴보고 절연, 전류 감지 및 처리 측면에서 이 시스템의 복잡성에 대해 중점을 두었다. 본문에서는 저소음, 높은 비용 효율의 정전식 절연 데이지 체인 통신 IC를 소개한다. 이 IC는 정션박스 효율화를 통해 전용 마이크로프로세서에 대한 의존도를 낮춘다. 션트 센서 또는 홀 센서를 사용하는 통합 전류 센싱으로 여러 컴포넌트가 필요 없고 차지하는 공간도 축소된다. 섀시 접지와 배터리 모듈 사이의 절연 저항은 간단한 저항 네트워크로 측정되며 그 결과는 처리를 위해 IC로 전송된다. 

테이머 키라(Tamer Kira) 맥심인터그레이티드 오토모티브 사업부의 경영 관리 이사 
나짜레노 로세티(Nazzareno (Reno) Rossetti) 맥심인터그레이티드 아날로그 전력 관리 전문가

전기자동차(EV)는 여러 개의 긴 스트링 배터리가 직렬로 연결되어 작동 전압이 800V 이상이며 평균 전류가 40A인 거대한 배터리 팩으로부터 전원을 공급받는다[그림 1]. 각각의 셀 전압은 컨트롤 모듈에 의해 모니터링 되며 필요 시 적절한 제어 방법을 적용해 셀 사이의 전압 델타가 엄격한 공차를 유지하도록 한다. 정션박스는 충전 시스템, 인버터/모터, 배터리팩에 대한 고전압 결선을 제어한다. 고전압 결선, 전류 및 절연 저항은 이 모듈에서 측정되어 SOC 및 전력 계산을 위해 메인 ECU로 전송되어 차량 상태를 모니터링하고 다양한 차량 상태에서 안전을 유지하는데 사용된다. 

 
[그림 1] EV 차량 배터리 팩 및 배선

이 설계 솔루션에서는 먼저 해당 정션박스가 탑재된 일반적 EV 배터리 시스템의 구조에 대해 살펴본다. 또한 효율이 향상되어 시스템에 더 원활하게 통합되며, 나머지 시스템과 시간 정렬된 측정치를 보고하는 기능을 갖춘 새로운 정션박스 설계에 대해 소개한다. 

분산형 배터리 시스템 아키텍처
[그림 2]는 전형적인 분산형 배터리 시스템을 나타낸다. 배터리 팩의 좌측에는 8개의 수퍼바이저 모듈(N=8)이 고전압 보드에 탑재되어 각각 직렬로 연결된 셀의 14개 열(K=14)을 제어하며 각 열은 70개의 배터리가 병렬로 연결되어 총 7840개의 Li+ 배터리로 구성된다. 마이크로프로세스와 첫번째 모듈, 그리고 다음 모듈 간에는 절연이 필요하다. 데이터는 저전압 보드에 탑재된 마이크로컨트롤러를 통해 전송된다.

배터리 팩의 우측에 있는 정션박스는 6개의 임계 전압 노드(컨택터 X 및 절연 ISO_RES)를 감지하고 홀 센서는 전류를 측정한다. 이 데이터는 두 번째 마이크로프로세서로 전달된다. 

컨택터 전압 노드 모니터링은 컨택터가 폐쇄 및 개방 시 배터리의 상태를 점검하는데 중요하며, 컨택터가 올바른 상태에 있는 시기를 시스템에 통보하기 때문에 안전관리에도 필수적이다.

 
[그림 2] 일반적인 시스템 아키텍처

효율화된 시스템 아키텍처
[그림 3]의 효율적인 설계에서 DC 차단용 커패시터(또는 트랜스포머)는 여러 공통 모드 전압에서 작동하는 데이지 체인 디바이스를 절연하는데 사용한다. 모듈 사이의 데이지 체인에 저가 커패시터를 사용할 수 있어 시스템 비용을 절감한다. 또한 데이지의 간편한 확장으로 정션박스 데이터 획득 IC와 통합이 가능해 로컬 마이크로프로세서가 필요 없고, 정션박스 및 배터리 모듈의 측정치 간의 시간 정렬이 가능하다. 시간 정렬은 상관관계 수립을 개선하므로 매우 중요하다. 마지막으로 정션박스 고전압 데이터 획득 IC는 전류 감지 기능이 있어 션트 저항기 또는 홀 효과 전류 센서, 다중화를 위해 둘 다 사용할 수 있는 유연성을 제공한다.

 
[그림 3] 효율화된 시스템 아키텍처]

전류 감지를 통한 HV 데이터 획득
MAX17852는 고전압 및 저전압 배터리 모듈 관리를 위한 유연한 데이터 획득 시스템이다. 이 시스템은 14개 셀 전압 노드 (또는 7개의 접지 레퍼런스 고전압 노드)와 하나의 전류 및 4개의 온도 조합 또는 시스템 전압 측정 조합을 완벽히 이중화된 측정 엔진으로 263μs 내에 측정할 수 있다. 고속의 ADC SAR 측정 엔진만으로도 모든 입력 값을 156μs 안에 획득할 수 있다.

이 고집적 배터리 센서는 최대의 잡음 내성을 위해 설계한 탄탄한 데이지 체인 직렬 통신을 위해 고속 차등 UART 버스를 통합하고 있다. 최대 32개 디바이스를 데이지 체인 방식으로 연결할 수 있다. 단일 데이지 체인은 정션박스와 배터리 수퍼바이저 측정 간의 시간 정렬을 가능하게 해 셀 전압, 버스바 측정, 팩 전압, 팩 전류, 컨택터 전압, 온도 측정이 10µs 내로 정렬된다.

이 시스템은 맥심의 배터리 관리 UART 또는 안정적인 통신을 위해 SPI 프로토콜을 사용하고 외부 디바이스 제어를 위한 I2C 마스터 인터페이스를 지원한다. 내부 진단 및 신속 경보 통신의 축소된 기능 구성을 임베디드 통신 및 하드웨어 경보 인터페이스로 지원하도록 최적화되어 ASIL D와 FMEA 요구사항을 충족한다.

배터리 전기 절연 측정
미 운수부(TP-305-01)는 배터리 전기 절연 측정에 대해 SAE 1766당 차량의 공칭 작동 전압(볼트 단위) 약 500배, 즉 추진체 배터리의 음극(양극) 측과 차량 섀시 사이의 저항(400V의 경우 200KΩ)으로 규정한다. 이에 따라 섀시와 배터리 양극(음극) 사이의 절연 저항 RLEAK- (RLEAK+)은 [그림 4]의 네트워크로 감지되어 그 결과값이 전압의 형태로 데이터 획득 IC의 AUX(보조) 핀에 전달된다. 
 

[그림 4] 배터리 절연 저항 측정

[그림 4]의 네트워크를 기반으로 도출한 RLEAK- 케이스에 대한 VAUX 수식:







아래 그래프는 RLEAK+ 및 RLEAK- 모두에 해당하는 것으로 200kΩ RLEAK- 절연 저항은 2.18V의 감지 전압 VAUX를 생성하고 200kΩ RLEAK+ 절연 저항은 1.08V의 감지 전압을 생성한다.


[그림 5] 절형 저항 커브

전기자동차는 높은 전압과 전류를 취급한다. 따라서 안전한 작동을 보장하기 위해 고전압과 저전압 보드 간의 전기적 결선 접점 저항, 전류, 절연 저항을 반드시 모니터링해야 한다. 일반적 EV 배터리와 정션박스 시스템을 살펴보며 복잡성에 대해 부각했다. 새로운 데이터 획득 IC는 저잡음, 고비용효율, 정전용량 절연 데이지 체인 통신 아키텍처로 정션박스 전용 마이크로프로세스가 필요 없다. 또한, 정션박스와 셀 전압 측전 간의 시간 정렬도 가능하게 한다. 통합된 전류 감지 기능으로 홀 효과 전류 센서를 없앴다. 빠른 속도의 SAR ADC 아키텍처 덕분에 최소한의 시간 동안 여러 측정을 수행할 수 있다.

저자 소개
테이머 키라(Tamer Kira)는 맥심인터그레이티드 오토모티브 사업부의 경영 관리 이사다. 그는 전기공학을 전공한 그는 전기 자동차, 하이브리드, 플러그인 하이브리드 등 분야의 배터리 및 전력 관리 전문가다. 

나짜레노 로세티(Nazzareno (Reno) Rossetti)는 맥심인터그레이티드 아날로그 전력 관리 전문가다. 이탈리아  Politecnico di Torino 대학교에서 전기공학 박사 학위를 받은 그는 이 분야에서 특허권을 보유했다.