[TECH REPORT] 스퀴브 및 접촉기 드라이버가 HEV/EV 배터리 분리 시스템의 안전과 효율성을 개선하는 방법

[텍사스인스트루먼트=제니퍼 조던(Jennifer Jordan) 제품 마케팅 엔지니어] 하이브리드 전기 자동차(HEV) 및 전기 자동차(EV)를 위한 배터리 관리 시스템(BMS)의 전력 분배는 차량의 핵심 기능에 전력을 제공하는 동시에 고전압 또는 고전류 이벤트를 안전하게 분리하는 메커니즘을 제공한다.

전력 분배 시스템의 두 가지 핵심 구성 요소, 고전압 릴레이 및 분리 퓨즈는 더 높은 전압, 전류, 효율성 및 안정성을 지원해야 하는 늘어나는 요구 사항과 함께 설계 과제가 점점 더 커지고 있다.

<그림 1>은 고전압 릴레이 및 분리 퓨즈의 개요를 보여준다. 리셋할 수 없는 배터리 차단 퓨즈는 비상 상황에서 활성화되어 배터리와 차량 나머지 부분 사이의 연결을 끊는다. 접촉기라고도 하는 고전압 릴레이는 정상 작동 중 HEV 또는 EV 전반에 걸쳐 전원 공급 라인을 연결하고 분리한다. 이 문서에서는 BMS를 더 스마트하고, 더 안전하고, 더 효율적으로 만드는 데 도움이 되는 접촉기 및 퓨즈 드라이버를 분리하는 새로운 기술에 대해 설명한다.

▶빠르고 안정적인 배터리 분리 시스템 구현

충돌이 발생하는 경우 추가적인 복잡성이나 손상을 방지하기 위해 다운스트림 시스템에서 전력을 차단해야 한다. 오늘날 두 가지 일반적인 솔루션은 용융 퓨즈와 파이로 퓨즈다. 용융 퓨즈는 과전류 이벤트의 열 상태를 기반으로 트리거되며 이러한 퓨즈는 공장에서 미리 설정된다.

파이로 퓨즈는 연결을 끊기 위해 신호를 보내는 전자 드라이버가 필요하며 주로 개별 회로 또는 기존 에어백 스퀴브 드라이버에 의해 구동된다. HEV 및 EV 시스템이 더 높은 전력 쪽으로 전환됨에 따라 파이로 퓨즈는 더 높은 안정성과 더 빠른 배포를 제공한다. 하지만 빠른 반응 시간을 달성하기 위해 이러한 퓨즈를 구동하는 일반적인 솔루션은 빠르게 복잡해진다. 국제 표준화 기구(ISO) 요구 사항인 ISO26262를 충족해야 하기 때문에 이러한 설계는 점점 더 복잡해지고 있다.

응답 시간을 단축할 수 있도록 DRV3901-Q1 파이로 퓨즈 드라이버는 SPI(직렬 병렬 인터페이스)를 우회할 수 있는 직접 2핀 하드웨어 인터페이스를 구현한다. DRV3901-Q1 드라이버는 전압, 전류 및 저항(UIR) 센서와 페어링되어 훨씬 더 빠른 배포가 가능하다. BQ79631-Q1 장치와 같은 UIR 센서는 하드웨어 핀을 통해 DRV3901-Q1 드라이버와 직접 통신할 수 있어 MCU가 필요하지 않다.

파이로 퓨즈의 가장 중요한 기능 중 하나는 충돌 또는 기타 심각한 고장이 발생한 경우 시스템의 나머지 부분에서 배터리를 분리하는 것이다. 시스템 설계자는 파이로 퓨즈 기능을 안정적으로 활성화할 수 있는지 확인해야 한다. DRV3901-Q1의 내장 진단 기능이 드라이버 상태, 파이로 퓨즈 상태 및 백업 전력 가용성을 모니터링한다. 백업 전원 공급 장치의 가용성을 모니터링하기 위해 탱크 커패시터가 측정된다.

이 커패시터는 배터리의 주 전원을 더이상 사용할 수 없는 경우 파이로 퓨즈 시스템의 백업 전원 역할을 한다. 이 커패시터의 방전 전압을 주기적으로 확인함으로써 DRV3901-Q1 드라이버와 MCU가 이 백업 전원 공급 장치의 고장을 미리 감지하여 차량에 경고할 수 있다.

퓨즈가 필요할 때 작동하는 것도 중요하지만 퓨즈가 오작동하지 않는 것도 그에 못지않게 중요하다. DRV3901-Q1 드라이버에는 의도하지 않은 파이로 퓨즈 작동을 방지하는 안전 진단 기능이 통합되어 있다. 이는 별도의 고압측 및 저압측 드라이버, 직접 하드웨어 오작동을 위한 중복 핀, 직렬 주변 기기 인터페이스의 CRC(순환 중복 검사) 보호를 비롯한 다양한 기능을 통해 구현된다.

▶차량 전체의 전력 분배 개선

HEV 또는 EV의 전원 공급 라인에서 가장 일반적인 연결은 고전압 배터리 시스템을 트랙션 인버터에 연결하는 기본 접촉기다. 충전 스테이션에서 배터리로의 연결인 AC/DC 충전 접촉기 및 실내등 또는 히터와 같은 다른 전기 부하를 연결하는 보조 접촉기와 같은 다른 전원 레일이 있을 수 있다.

접촉기는 고전압에서 고전류를 공급할 수 있는 기계식 릴레이 스위치를 제어하는 저전압 솔레노이드다. HEV 및 EV 차량의 접촉기는 더 높은 전력 시스템을 처리하기 위해 진화하고 있다. 접촉기의 저전압 솔레노이드 요소는 종종 이코노마이저라고 하는 제어 회로에 의해 구동된다. 효율, 안정성 및 안전에 대한 요구 사항을 충족하고 고전력 조건에서 전력 효율을 개선하는 데 도움이 되는 이코노마이저 회로의 중요성과 복잡성이 점차 높아지고 있다.

이 회로는 접촉기를 닫는 데 필요한 전류 소비량을 줄이는 데 도움이 된다. 이 이코노마이저는 접촉기에 직접 통합되거나 외부에 추가될 수 있다. 외부 이코노마이저가 필요한 접촉기는 시스템 수준의 안전 목표를 달성하려고 할 때 빠르게 복잡해질 수 있다.

DRV3946-Q1 드라이버와 같은 완전히 통합된 고전력 접촉기 드라이버를 통해 복잡한 이코노마이저 설계를 대체할 수 있다. DRV3946-Q1 드라이버는 효율적인 턴오프와 접촉기의 안전한 턴오프를 지원한다. 더 효율적인 턴온을 달성하기 위해 DRV3946-Q1 드라이버는 프로그래밍 가능한 피크 앤 홀드 전류 제어를 제공한다. <그림 2>에서는 이 기능이 작동 중인 것을 보여준다.

초기 연결을 위해 시동 시 더 많은 전류를 공급할 수 있다. 연결이 완료되면 전류를 ‘홀드’ 단계에서 더 낮은 수준으로 줄일 수 있다. 통합 피크 앤 홀드 위상을 프로그래밍할 수 있어 더 견고하고 효율적인 접촉기 회전을 제공한다.

접촉기를 빠르게 분리할 수 있는 기능이 있어 접촉 용접을 방지하고 문제가 발생할 경우 나머지 차량 시스템에 대한 1차 방어선을 제공한다. 빠른 방전 기능을 사용하여 피크 앤 홀드 전류 제어를 구현하기 위한 일반적인 솔루션은 회로를 복잡하게 만든다. DRV3946-Q1 드라이버는 이 두 기능을 단일 칩에 결합하여 시스템 복잡성을 줄이고 효율성 및 안전성을 향상한다.

▶마무리

접촉기의 효율성과 안정성을 향상하면 주행 가능 거리를 늘리고 HEV 및 EV의 일상적인 작동에서 안전성을 향상시키는 데 도움이 된다. 파이로 퓨즈 드라이버를 단일 칩 솔루션에 통합하면 배터리 연결을 끊을 경우에 대한 더 스마트하고 빠른 의사 결정이 가능하다. DRV3901-Q1 파이로 퓨즈 드라이버와 DRV3946-Q1 접촉기 드라이버는 시스템 설계자가 더 스마트하고 안전한 차량을 엔지니어링할 수 있는 옵션을 제공한다.