차량 전기 시스템 내 에너지 흐름 및 전력 소비량 분석
최신 하이브리드 및 전기 자동차는 에너지 흐름을 정밀하게 제어하고 최적화하기 위해 복잡한 전력 관리 기능을 사용합니다. 대부분의 사람들은 전기 드라이브 트레인에 대해 생각하지만, 차량이 정지한 상태에서도 인포테인먼트 시스템, 액추에이터 및 ECU 제어 장치에도 전원이 공급되어야 합니다. 따라서 특히 차량 주행 거리를 최적화하려면 차량 전기 시스템 내의 에너지 흐름과 전력 소비에 대한 종합적인 평가를 수행하는 것이 중요합니다. 모든 작동 시나리오에서 전력을 분석하려면 유휴 전류와 작동 전류 사이의 극심한 역학 관계에 따라 매우 넓은 측정 범위가 필요합니다.
차량 내 전기 소비량 증가를 어떻게 관리할 수 있을까요?
차량 내 여러 ECU의 에너지 소비는 다양한 주행 상황에서 전기 에너지(피크 전력)의 필요성 증가와 관련이 있습니다. 일반적으로 차량의 전력 소비량은 두 배 이상 증가했습니다. 이는 스티어링 시스템이나 냉각수 컴프레서와 같이 전통적으로 내연 기관의 소비자였던 차량 시스템이 점점 더 많이 분리되면서 발생했습니다. 이러한 시스템은 전기 자동차의 전기 시스템으로 직접 대체되었습니다. 또한 복잡한 인포테인먼트 시스템과 같은 수많은 새로운 전기 소비자가 차량에 설치되어 편의성과 안전성을 높이고 있습니다.
전기 시스템 관리를 위한 과제
전기 자동차의 온보드 전기 시스템 구조가 2배터리 아키텍처로 바뀌면서 문제는 더욱 어려워졌습니다. 이 아키텍처는 DC/DC 컨버터를 통해 연결되는 두 가지 전압 레벨을 가지며, 제동 시 높은 회생 에너지 공급도 통합해야 합니다. 따라서 이러한 요구 사항을 관리하고 장시간의 패시브 주차 시에도 차량의 안전과 완전한 기능을 보장하기 위해서는 복잡한 에너지 관리 시스템이 필요합니다. 온보드 전기 시스템의 안정적인 동작은 주행 주기, 부하 시나리오 또는 외부 온도와 같은 다양한 교란 변수를 통해 유지되어야 합니다.
차량 프로토타입 테스트
이러한 이유로 차량의 에너지 관리 시스템은 차량 개발의 프로토타입 단계에서 이미 시뮬레이션되며, 이후 개발 단계에서 측정을 통해 시뮬레이션 모델의 정확성을 검증합니다. 이러한 측정을 위해 차량 유형의 모든 전기 소비기는 소위 "브레드보드"에 조립되며, 이 브레드보드는 전체 개발 및 생산 기간 동안 계속 존재하고 사용할 수 있습니다.
이를 통해 예를 들어 구성 요소 및 소프트웨어 업데이트의 오류를 재현할 수 있습니다. 에너지 관리 시스템을 완벽하게 평가하고 결과 데이터를 캡처하려면 이러한 테스트 스탠드에서 최대 100개의 전류 채널을 모니터링해야 합니다.
차량 전기 시스템의 부하 전류를 측정할 때, 특히 광범위한 전류 레벨을 다룰 때는 몇 가지 도전 과제가 있습니다. 이러한 과제는 매우 큰 전류와 매우 작은 전류를 동시에 정확하고 안전하게 측정해야 하기 때문에 발생합니다. 다음은 몇 가지 주요 과제입니다:
- 넓은 전류 범위: 차량 전기 시스템은 일반적으로 전자 제어 장치(ECU)의 매우 작은 전류인 나노 암페어부터 모터 및 헤드라이트와 같은 전력 소모가 많은 구성 요소의 매우 큰 전류인 수십 암페어에 이르기까지 광범위한 전류 수준을 가지고 있습니다. 단일 디바이스로 이렇게 넓은 범위를 측정하는 것은 어려울 수 있습니다.
- 정확성과 정밀도: 전체 전류 범위에서 높은 정확도와 정밀도를 유지하는 것은 필수적입니다. 부정확한 측정은 부적절한 진단 및 유지보수로 이어져 차량 성능과 안전에 영향을 미칠 수 있습니다.
- 션트 저항: 전류를 측정하기 위해 션트 저항이 자주 사용됩니다. 그러나 과열 없이 고전류를 처리하면서도 작은 전류에 대해 우수한 분해능을 제공하는 적절한 션트 저항기를 선택하는 것은 어려운 일입니다.
- 전압 강하: 션트 저항에서 큰 전류를 측정하면 전압 강하가 크게 발생할 수 있습니다. 이는 공급 전압 임계값이 낮은 민감한 전자 제품이나 디바이스의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 전압 강하를 완화하는 것이 중요합니다.
- 열 방출: 큰 전류는 열을 발생시켜 측정 정확도에 영향을 미치고 잠재적으로 구성 요소를 손상시킬 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하려면 효과적인 방열 솔루션을 사용해야 합니다.
- 전기 노이즈: 동일한 시스템에 고전류 및 저전류 신호가 모두 존재하면 전기 노이즈가 발생할 수 있습니다. 이러한 노이즈는 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있으며 추가적인 차폐 또는 필터링이 필요할 수 있습니다.
- 안전: 고전류를 다룰 때는 안전이 가장 중요합니다. 퓨즈나 회로 차단기와 같은 적절한 보호 메커니즘을 갖추어 과전류 조건으로부터 보호해야 합니다. 정확한 측정을 하면서 안전을 보장하는 것은 균형 잡힌 행동이지만 항상 측정을 하는 사람의 안전이 우선시되어야 합니다.
- 센서 보정: 전류 센서를 넓은 범위에서 정확하게 보정하는 것은 어려울 수 있습니다. 작은 전류에 대한 보정에는 큰 전류에 대한 보정과는 다른 기술과 장비가 필요할 수 있습니다.
- 비용: 정확도를 유지하면서 넓은 전류 범위를 처리할 수 있는 센서 또는 측정 시스템을 개발하는 것은 비용이 많이 들 수 있으며, 이는 제조업체와 소비자 모두의 관심사입니다.
- 크기와 포장: 차량의 전기 시스템 내의 제한된 공간에 맞는 측정 장치를 만드는 것은 특히 매우 작은 전류와 매우 큰 전류를 모두 처리할 때 어려울 수 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 자동차 엔지니어와 제조업체는 다양한 전류 범위에 여러 센서를 사용하거나, 자동 범위 측정기를 사용하거나, 고급 교정 기술을 사용하거나, 온도 및 전압 보상 메커니즘을 통합하는 등 다양한 전략을 사용할 수 있습니다. 궁극적으로 차량 전기 부하에 대한 측정 시스템을 설계할 때는 정확성, 안전성, 비용 간의 균형을 맞추는 것이 중요합니다.
'자동 범위 지정' 방식처럼 션트를 동적으로 전환하는 것은 어떨까요?
'자동 범위 지정' 방식처럼 션트를 동적으로 전환하는 것은 어떨까요? 그게 가능할까요? 스마트하지 않을까요?
"자동 범위 지정" 방식과 유사하게 션트를 동적으로 전환하는 것은 넓은 범위의 부하 전류를 측정하는 문제를 해결하기 위한 실현 가능하고 스마트한 접근 방식입니다. 이 개념은 정밀 측정 기기에 일반적으로 사용되며 자동차 전기 시스템에도 적용될 수 있습니다. 작동 방식은 다음과 같습니다:
- 자동 범위 지정 원리: 측정 기기는 전류를 지속적으로 모니터링하고, 큰 폭의 변화를 감지하면 해당 전류 수준에 더 적합한 션트 저항 또는 범위로 자동으로 전환합니다. 따라서 수동으로 조정할 필요 없이 전체 전류 범위에서 정확한 측정을 보장합니다.
- 사용자 친화적: 자동 범위 지정 시스템은 작업자가 수동으로 다른 전류 측정 범위를 선택할 필요가 없으므로 사용자 친화적입니다. 따라서 측정 프로세스가 간소화되고 오류의 위험이 줄어듭니다.
- 효율성: 자동 거리 측정은 션트 저항에서 열로 손실되는 에너지를 최소화하고 차량의 전기 시스템에 미치는 영향을 줄이므로 전류 측정의 효율성을 향상시킬 수 있습니다.
자동 거리 측정은 동적 차량 전기 시스템에서 광범위한 전류를 측정해야 하는 문제를 해결하는 데 유용한 기술입니다.