전기차 테스트-고효율 프로젝트: eDrive 테스팅

Better Results Lead To Increased Efficiency

2019년 09월호 지면기사  /  글│김성좌, 조용수, HBK Korea



Better Results Lead To Increased Efficiency
전기차 테스트-고효율 프로젝트: eDrive 테스팅
 
전기차 구동의 핵심 시스템은 모터와 인버터다. 구동 모터는 기존 자동차의 엔진 역할을 하며, 인버터는 모터 속도를 제어하는 전력변환 장치다. 인버터와 모터는 전기차의 핵심 부품으로, 두 제품의 효율성은 배터리 수명과 자동차의 가속 및 감속 특성에 곧바로 영향을 미친다. 자동차 시장은 이러한 효율성을 측정할 수 있는 첨단기술을 주목하고 있으며, 그 선두 그룹에 HBK가 있다.

글│김성좌, 조용수, HBK Korea



난 120년 동안 자동차는 엔진의 힘을 최적화하기 위해 끊임없이 개발됐다.
전기차로 전환하고 있는 지금, 고용량 배터리로 과도하게 모터를 사용하게 되면 비효율적인 에너지 소모와 과열 문제에 직면하게 된다.

전기차의 배터리 에너지가 이전 시스템보다 단순해져 유지비용이나 내구성이 올라가지만, 에너지 전달 과정이 무리하게 운용되는 경향이 있어 효율성을 지속적으로 재고해야 한다.

인버터는 전력변환과 제어가 일어나는 곳이면 어디든 존재하기에 시스템에서 매우 중요한 부품이다. 인버터의 핵심 역할은 효율적인 동력 분배로, 고전압 AC 주파수와 전압을 모터에서 충분히 운용될 수 있도록 제어한다. 적절한 모터 회전속도는 주행에 안정감을 주며, 인버터의 모터 속도와 토크 제어기능은 전기차의 완성도를 높인다.





전기차 테스트의 어려움

인버터와 전기모터 간의 효율은 전기차의 경쟁력을 높이는 데 중요한 역할을 한다.
따라서 전기차 업체들은 인버터와 전기모터간의 구동 효율을 확인하기 위한 테스트를 꾸준히 진행하고 있다. 하지만 여전히 불확실한 기존 방법으로 전기차 효율을 측정하고 있다.

전력분석기를 모터의 입력에, 토크센서를 모터의 출력에 각각 연결해 에너지 손실을 모니터링하고 있기 때문이다. 이 방법은 어디에서 에너지가 손실되는지 정확히 알 수 없을 뿐 아니라 복잡하고 번거롭기까지 하다. 또한 전력분석기와 토크 측정기 제조사가 달라 동기화가 힘들고 기본 값이 다르기 때문에 측정 오류가 자주 발생할 수 있다. 결국 측정에서 얻은 데이터만으로는 전기차의 효율을 정확하게 분석하고 적용하는데 한계가 있다.


새로운 시스템의 역할

HBM은 전기차의 효율 테스트를 위해 오랫동안 기술을 개발해 온 결과, eDrive 솔루션을 선보였다(그림 1).
전기차의 인버터와 모터 등의 운동 에너지효율 테스트에 가장 기본적으로 요구되는 것은 구동 시스템의 데이터다. 즉 전류, 전압, 토크, 회전속도, 모터 온도, CAN, 진동 등 시스템의 세부적인 데이터를 도출하는 것이다.

모듈식 구조로 되어 있는 eDrive 솔루션은 연속적으로 측정할 뿐만 아니라 자동 저장이 되기 때문에 테스트를 위한 모든 데이터를 충분히 축적해 기계적 신호와 전기적 신호, 온도 정보를 동시에 측정할 수 있다. 또한 에너지 전환 효율과 유효전력(active power), 무효전력(reactive power)측정이 가능해 Fundamental and switching frequency, Air-gap moment, Slip, Iron loss, Control behavior 같은 세부사항도 지원한다. 즉 오실로스코프, 전력분석기, 토크 측정기 등 3가지 기능을 eDrive 솔루션 한 대로 실현했다.

모든 신호와 데이터는 높은 샘플 속도로 측정되고 고해상도로 전 채널 동시에 샘플링된다.
무엇보다 다양한 데이터를 얻기 위해 여러 장비를 사용해야 하는 번거로움을 줄이고자 통합된 측정시스템을 제공한다. 데이터 값은 실시간 수집, 저장되고 스냅 샷으로 동시에 분석할 수 있어 가속화된 accelerate 모터 맵핑이 가능하다. 또한 트레이스와 FFT도 실시간으로 계산되는 장점이 있다.

CAN 버스(CAN FD) 통신 지원이 가능한 eDrive 솔루션의 특징 중 하나는 사용자 정의에 따른 수식을 만들어 사용할 수 있기에 다른 전력분석기가 할 수 없는 다양한 용도로 시스템을 활용할 수 있다는 것이다. 실시간으로 사용자가 지정한 수식이 실행되기 때문에 어떠한 복잡한 애플리케이션에도 시스템을 적용할 수 있다. 결과 값의 분석은 다음과 같은 주요한 방법으로 진행될 뿐만 아니라, 포뮬라 데이터베이스를 기반으로 자체 분석을 수행한다.

- Cycle detection and formulas
- Space vector transformation(Clarke)
- dq0 transformation(Park)
- Accelerated efficiency mapping
- Advanced loss mapping

따라서 eDrive 솔루션의 활용은 테스트 시간 단축은 물론 사용자의 업무 효율성까지 고려돼, 무엇보다 갖춰진 데이터를 활용해 전기 구동률의 측정 분석을 빠르게 진행할 수 있다.


eDrive 솔루션 구성

1. 토크센서(T12HP)
전기차에 사용하는 모터는 토크센서를 통해 그 성능 테스트를 진행한다. 모터의 값에 따라 안정성과 품질 등 제품의 성능 자체가 달라질 수 있다. 기존 자동차에서 전기차와 자율주행차로 넘어오면서 자동차 소비 기준은 적은 연료소비, 안정감이 느껴지는 승차감, 지속가능한 신뢰성 강화로 이동하고 있다. 따라서 높아진 소비 기준, 새로운 전기차에 대한 테스트의 정밀성으로 인해 토크센서의 중요성은 더욱 강화되고 있다. 또한 앞으로 감속기, 변속기 등의 다양한 부품의 성능과 품질 요구도 계속되고 있어 토크센서는 그 영역이 확대될 것이다. 이로 인해 eDrive 솔루션의 토크센서는 가장 정밀하고 높은 해상도를 가진 T12HP로 구성됐다.





FlexRange™ 기능이 탑재된 T12HP는 측정 범위를 변경할 필요 없고 최대 22,000 rmp까지 지원하기 때문에 전기차 테스트와 같은 높은 회전 속도를 요구하는 경우 가장 적합한 제품이다. 특히 6 kHz의 넓은 주파수 대역폭을 가지고 있고 자체 모니터링 장치를 통해 측정 과정을 진단할 수 있어 안전성을 보장한다. 토크센서는 무엇보다 정밀성과 정확도가 중요하다. T12HP는 히스테리시스 0.007%의 최소 선형 편차를 보유하고 있으며 TC0가 ≤ 0.005%/10K로 우수한 온도 안정성을 갖추고 있다.

센서는 다양한 활용성으로 인해 측정 범위, 지원 범위를 고려해야 한다. T12HP는 CAN, PROFIBUS, EtherCAT, PROFINET 등 다양한 통신 프로토콜로 적용 가능하며 100 Nm에서 10 kNm까지 측정할 수 있어 사용자의 측정 범위를 넓혀준다. 특히 올 7월부터 토크센서 T12HP에 대한 교정성적서(Working Standard Calibration)가 함께 발행되고 있어, 제품에 대한 신뢰성과 안정성을 더욱 높였을 뿐만 아니라 타 제품과 차별화에 성공했다.

2. Genesis High Speed (GEN3i)
전기차의 효율 관련 데이터는 테스트를 따른 경험치 데이터로 축적한다. 차량의 실시간 데이터 수집과 통합 분석으로 이어지는 시스템은 효율과 안정성을 높임으로써 미래 자동차 시장을 설계, 예측할 수 있다.

HBM의 Genesis High Speed 시리즈는 고속 데이터 수집 시스템으로 데이터를 실시간으로 수집하고 전력을 산출해 출력한다. 추가 전력분석기가 필요 없는 단일 시스템으로 채널 당 2 MS/s의 샘플링 속도로 데이터를 수집하고 실시간으로 전력량을 계산한다. 시스템의 함수와 기능으로 직접 전력량이 도식화되므로 연속적으로 데이터를 계산할 수 있다. 또한 다중 레벨 인버터와 같은 특수 애플리케이션에 적용 가능한 포뮬라 기반의 데이터 분석이 가능해 사용자의 편의를 도모한다.





단일 장비로 수집된 데이터는 단일 파일에 보관되므로 다른 장치의 동기화가 필요하지 않다. 또한 계산된 양은 EtherCAT®과 같은 실시간 인터페이스를 통해 추가 처리되고 자동화 환경으로 출력된다. 이때 초당 1,000개의 값이 출력되며 대기 시간은 1 ms이다. eDrive 시스템에서는 GEN3i 데이터 레코더가 사용된다. 최대 96채널까지 입력하고, 최대 200 MB/s의 연속 레코딩이 가능한 GEN3i는 면밀하고 세밀한 데이터를 기록하고 확인할 수 있다.

전기차 효율의 비밀은 배터리 관리이다. 또한 배터리 효율의 비밀은 모터와 인버터 관리이다. 이를 위해 많은 기업이 자동차 핵심 부품의 효율을 테스트하고 있다. 가장 기본적인 시스템에서부터 효율을 끌어내야 하기 때문이다.

전기차에 이어 자율주행차로 이어지는 자동차 산업 발전에 많은 에너지가 자동차 시스템 구축에 쏟아지는 지금, 기술 경쟁력이 또 하나의 시험대로 올랐다. 토크센서와 데이터 수집장치의 70년 측정 경험을 바탕으로 만들어진 eDrive는 HBM을 또 한 번 글로벌 리더로 이끌 차세대 시스템이다.


 

HBM에서 HBK로

영국 스펙트리스(Spectris plc) 산하 HBM(Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH)과 브뤼엘앤드케아(Bru¨el&Kjær Sound and Vibration) 사가 사업을 통합, 올 1월 1일부터 통합 사업을 개시했다. 통합에 앞서 2018년 말까지 통합 준비를 위한 활동을 해왔다. 브뤼엘앤드케아와 HBM은 각각의 분야에서 세계 시장을 이끌어왔다. HBM은 70년간 축적한 스트레인 게이지와 계측 기술에 관한 전문지식을 바탕으로 신뢰성, 내구성, 전기 특성, 산업 공정 관리, 계량에 주력하고 있으며, 브뤼엘앤드케아는 1942년 설립 이후 소음, 진동 측정 및 분석을 위한 통합 솔루션을 제공하는 글로벌 선두 기업이다. 이번 통합은 양사의 강점과 각각의 가능성을 기반으로 진행됐고 HBK라는 새로운 회사명을 확정짓고 기술 영역과 서비스를 점차 확대 시행할 예정이다.
 

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