EV 무접점 전류 센싱 향상: 실용적 설계 솔루션

자동차 산업은 소형 전기 통근용 자동차를 넘어 가족 수송부터 스포츠 및 레저까지 점점 더 다양한 요구를 충족하는 다양한 모델을 제공하고 있습니다. 이러한 차량은 일반적으로 초기 EV 모델보다 크고, 결과적으로 더 무겁습니다. 더 큰 전기 모터가 필요하며, 이는 더 많은 전력을 소비합니다. 완전 전기차, 플러그인 하이브리드, 마일드 하이브리드 중 어느 것이든 관여하는 전압과 전류 수준은 상당합니다. 대부분의 경우 배터리는 전기차를 차세대 성능 수준으로 끌어올리는 데 필요한 주행 경험을 달성하기 위해 수백 볼트를 공급해야 합니다. 따라서 모터로 흐르는 전류량을 면밀히 모니터링하는 것이 자동차 제조업체에게 매우 중요한 기능이 되고 있습니다.

EV 환경에서 정확한 전류 측정의 과제

내연 기관에서 전기 구동계로의 전환은 여러 분야의 엔지니어에게 많은 새로운 과제를 제기합니다. 시스템 엔지니어에게는 중량 대비 출력 비율의 균형이 과제이고, 전기/전자 엔지니어는 전력 관리에 집중해야 합니다. 더 많은 전력은 더 빠르고 반응성이 좋은 차량을 의미하지만, 너무 많은 전력을 너무 빨리 사용하면 전원이 급격히 고갈되고 주행 거리가 줄어듭니다. 따라서 설계의 모든 부분이 최적화되어야 합니다.

전력 관리의 열쇠는 정확한 측정입니다. 전류 센서는 기존 차량의 연료 유량 센서에 해당합니다. 전류 측정은 션트(저저항 저항기)를 사용하여 쉽게 달성할 수 있습니다. 전류가 높을수록 션트도 커지므로, 강력한 전기 모터에 필요한 크기의 전류를 측정하려면 물리적으로 크고 무겁고 비싼 션트가 필요합니다.

무접점 전류 센싱은 션트 저항기의 매력적인 대안을 제공합니다. 자기저항 효과 또는 홀 효과를 기반으로 하며, 전류가 도체를 통과할 때 생성되는 전자기장을 이용합니다. 크기가 작고 비침습적이며 본질적인 갈바닉 절연 특성 덕분에 무접점 전류 센싱은 전기차 제조업체들 사이에서 선호되는 전류 측정 방식으로 급부상하고 있습니다.

자동차 애플리케이션을 위한 무접점 센서 유형

도체 주변 자기장의 크기는 전류에 비례하지만, 큰 전류라도 자기장 강도는 여전히 상대적으로 작습니다. 홀 센싱 소자가 매우 민감할 수 있지만, 이 민감성은 외부 또는 배경 전자기장을 읽기 쉽게 만듭니다. 다행히 이 왜곡은 차폐 또는 보상 기술을 통해 줄일 수 있습니다.

그러나 모든 유형의杂散 EMI를 보상하려면 다양한 간섭원에 대한 깊은 이해가 필요하며, 이는 어려울 것입니다. 가장 단순하고 더 견고한 접근 방식은杂散 필드에 대한 본질적인 면역성을 제공하는 무접점 전류 센서를 선택하는 것입니다.

일반적으로 무접점 전류 센싱에는 그림 1과 같이 세 가지 접근 방식이 있습니다. 코어 기반 센서, U자형 센서, 대칭 '샌드위치' 차폐 센서입니다. 고유한 애플리케이션이 제시하는 변수의 수 때문에 세 가지 모두를 비교하기는 어렵지만, 일반적인 시나리오를 기준으로 성능을 측정하는 것은 유용합니다. 이 경우, 폭 20mm, 두께 2.5mm의 직사각형 단면 버스바에 1000A가 흐르는 조건에서 센서를 평가했습니다.

코어 기반 무접점 전류 센서

코어 기반 센서에서는 측정할 전류를 흐르는 재료 주위에 플럭스 집중기가 위치합니다. 집중기의 원형 모양은 작은 공기 갭으로 중단되며, 여기에 자기장 센서가 배치됩니다. 코어는 버스바를 흐르는 전류에 의해 유도된 플럭스를 센서로 집중시키는 역할을 합니다.

전류 흐름에 의해 생성된 플럭스에 대한 센서의 민감도는 여러 요인에 따라 달라집니다. 첫 번째는 공기 갭의 크기로, 더 작은 공기 갭은 더 많은 플럭스가 센서에 도달하도록 합니다. 따라서 더 작은 센서는 더 작은 공기 갭을 허용합니다. 그림 2에서 보는 바와 같이, 이 실험에서 1000A 전류는 센서에 200mT의 플럭스 밀도를 등록시켰습니다. 비교하자면, 코어가 없는 경우 동일한 센서는 20mT의 플럭스 밀도만 등록합니다. 이 구성에 적합한 센서로는 TDK의 HAL 24xy가 있습니다.

이 구성의杂散 필드에 대한 면역성을 측정하기 위해, 5mT의 플럭스 밀도를 가진 외부 필드를 가정하고 시뮬레이션을 수행했습니다. 결과는 그림 2에서 볼 수 있으며, 자기장이 코어의 모양에 의해 센서를 통해 흐르도록 유도되는 것을 보여줍니다. 외부 필드가 존재할 때, 센서가 전류 흐름에 의해 생성된 필드를 정확하게 감지하는 능력이 40배 감소합니다. 결론적으로 코어 기반 센서는 다른 EMI 소스로부터 양호한 수준의 차폐를 제공하며, 적절한 신호 조절을 통해 그 영향을 더욱 완화할 수 있습니다. 이 경우 0.06% 풀 스케일의 오프셋 오차만 예상할 수 있습니다.

그러나 코어 기반 접근 방식은 버스바가 코어를 통과해야 하고 센서가 공기 갭에 위치해야 하므로 장착이 상대적으로 어렵다는 단점이 있습니다. 또한 큰 전류 흐름으로 인한 포화를 피하기 위해 코어도 물리적으로 커야 합니다. 게다가 코어 자체에 사용되는 자기 민감 물질의 양이 히스테리시스 오차와 간섭의 원인이 될 수 있습니다.

U자형 전류 센서는 이러한 단점의 많은 부분을 해결합니다.

U자형 차폐 전류 센서

이름에서 알 수 있듯이 U자형 센서는 더 큰 공기 갭을 특징으로 하지만, 여전히杂散 EMI로부터 어느 정도의 차폐를 제공합니다. 센서는 연자성 재료의 사용 덕분에 세 면에서 차폐 혜택을 받습니다. 집중기의 모양 덕분에 코어 기반 구성보다 조립이 더 쉽습니다. 센서 자체를 버스바 위에 위치시키고 작은 인쇄 회로 기판에 장착할 수 있습니다.

이 스타일의 차폐 센서는 코어 기반 접근 방식보다 민감도가 낮으며, 이는 엔지니어가 애플리케이션에 가장 적합한 설계를 선택할 때 고려해야 할 트레이드오프 중 하나입니다. 그림 3에서 보는 바와 같이, 버스바에 1000A가 흐를 때 센서는 50mT의 자기 플럭스 밀도를 감지했으며, 이는 이득 2에 해당합니다.

낮은 이득에도 이점이 있습니다. 거의 모든 센서를 사용할 수 있습니다. 예를 들어 HAL 24xy나 TDK의 터널 자기저항(TMR) 기반 CUR 423x 폐루프 센서 등이 있습니다. 또한 자기장의 집중이 적기 때문에 차폐 재료의 두께를 공간, 무게, 비용 측면에서 최적화할 수 있습니다.

그림 3에서 보는 바와 같이, 필드는 다시 차폐 주위로 유도됩니다. 그러나 이 구성에서는杂散 필드에 의한 오프셋 오차가 0.55% 풀 스케일입니다. 차폐의 모양과 센서 주변 공간을 조정하면 이 오프셋 오차를 개선할 수 있습니다.

코어 기반 솔루션은 감도 측면에서 대칭적이지만, U자형 구성은 비대칭적입니다. 이는 U자형이 수직 방향 필드에 수평 필드보다 더 민감하다는 것을 의미합니다. 이는 무접점 전류 센서를 선택하고 배치할 때 고려해야 할 또 다른 요소입니다. 반면 이 구성은 코어 기반 센서보다 히스테리시스 오차가 낮습니다. 자기 재료가 적게 사용되기 때문입니다. 반대로 센서의 크기와 모양은 여전히 필요한 차폐 수준에 크게 좌우됩니다.

대칭 차폐 센서는 크기와 차폐 능력 모두에서 이점을 제공하는 또 다른 옵션입니다.

대칭 차폐 전류 센서

민감도를 희생하더라도 더 높은 수준의 차폐가 필요한 애플리케이션에는 대칭 차폐(샌드위치) 구성이 가장 적절할 수 있습니다. 이 접근 방식에서는 U자형 접근 방식과 마찬가지로 센서가 버스바 중앙 위에 위치합니다. 그러나 이 구성에서는 센서가 연자성 재료 두 조각으로 차폐됩니다. 한 조각은 센서 위에, 두 번째 조각은 버스바 아래에 배치됩니다. 이렇게 하면 버스바에서 생성된 필드와杂散 EMI가 모두 센서의 측정 평면을 가로지르도록 유도됩니다.

그림 4의 시뮬레이션 결과에서 보는 바와 같이, 이는 이득 0.3을 초래합니다. 즉, 동일한 1000A 전류에 대해 센서는 7.8mT만 측정합니다. 이는 70%의 감쇠를 나타냅니다. 따라서 TDK의 CUR 423x TMR 센서와 같은 높은 감도 수준의 센서만 사용할 수 있습니다.

이 구성의 주요 이점은 코어 기반 및 U자형 구성에 비해 상대적으로 높은 수준의 차폐를 제공한다는 것입니다. 또한 신호가 감쇠되고杂散 EMI와 결합되지만, 결과적으로 0.51% FS의 오프셋 오차만 발생하며, 이는 U자형 접근 방식과 비슷하지만 그 구성의 단점은 없습니다.

대칭 차폐 구성의 가장 큰 장점은 히스테리시스 오차를 완전히 보상할 수 있다는 것입니다. 차폐에 사용된 두 연자성 재료의 필드가 반대 방향을 가지기 때문입니다. 신중한 설계를 통해 두 차폐는 전류 흐름에 의해 생성된 잔류 자기장을 효과적으로 상쇄할 수 있습니다.

이 접근 방식의 또 다른 주요 이점은 크기입니다. 전체 센서 구현의 크기가 더 이상 플럭스 집중기나 차폐의 크기에 의해 좌우되지 않습니다. 따라서 대칭 차폐 접근 방식은 버스바의 크기나 측정되는 전류에 관계없이 크기, 무게, 비용 측면에서 최적화할 수 있습니다.

결론

여기서 제시된 세 가지 솔루션 모두 각각의 장점이 있지만, 애플리케이션이 궁극적으로 선택에 영향을 미칩니다. 높은 수준의 면역성이 필요하다면 코어 기반 설계가 뛰어납니다. 낮은 히스테리시스 오차와 작은 크기가 결정적인 요소라면 대칭 차폐 센서 구성이 선호될 것입니다. 표 1의 결과는 이 논의를 잘 요약해 줍니다.

전기차에서 견고하고 비용 효율적이며 신뢰할 수 있는 무접점 전류 센싱에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 더 많은 제조업체가 이 분야에서 제품 제공을 확장함에 따라 소비자는 완전 또는 부분 전기 구동계가 제공하는 혜택을 누릴 수 있습니다.

이 기사는 TDK Micronas의 응용 엔지니어 Lukas Klar가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.