새로운 다축 전류 센싱 방식으로 하이브리드 및 전기차 트랙션 인버터의 정확도 높여
텍사스 인스트루먼트(TI)가 하이브리드 전기차(HEV) 및 전기차(EV)의 트랙션 인버터를 위한 업계 최초의 다축 코어리스 홀 효과 전류 센서인 TMCS2100-Q1을 공개했다고 밝혔다. TMCS2100-Q1은 다축 측정과 독자적인 알고리즘을 결합해 높은 수준의 전류 측정 정확도를 구현하며, 트랙션 인버터 설계에서 정확도와 시스템 크기 간의 상충 관계를 줄이는 데 기여한다는 설명이다.
업체 측에 따르면, 기존 코어리스 솔루션은 주로 단일 축의 자기장을 측정하는 반면, TMCS2100-Q1은 수평 및 수직 방향의 자기장을 동시에 측정한다. 이를 통해 기존 단일 축 측정 방식 대비 최대 20배 높은 정확도를 구현하며, 0.4mm 변위에서 1% 미만, 0.1mm 변위에서 0.25% 수준의 변위 오차를 달성한다. 이러한 정밀한 전류 측정은 전기차 파워트레인의 토크 제어를 개선해 다양한 부하 및 온도 조건에서 모터 구동 효율과 전력 공급을 최적화하는 데 기여할 수 있다는 것이다.
제이슨 콜(Jason Cole) TI 센싱 제품 부문 부사장 겸 총괄 매니저는 "800V 아키텍처가 적용되면서 트랙션 인버터의 정확도에 대한 요구 수준도 높아지고 있다. 이런 상황에서 엔지니어들이 기존 홀 효과 전류 센싱의 한계를 극복할 수 있는 새로운 솔루션을 활용할 수 있게 됐다는 점에서 TMCS2100-Q1은 의미가 크다"며, “TI의 선도적인 R&D 조직인 킬비 랩스(Kilby Labs)의 선행 연구를 기반으로 개발된 TMCS2100-Q1은 자동차 제조업체가 보다 정밀한 전류 측정을 바탕으로 효율적인 모터 제어와 향상된 주행 성능을 구현할 수 있도록 지원한다”라고 말했다.
정확도와 소형화를 동시에 구현하는 다축 전류 센싱
자동차 제조업체들은 주행거리를 늘리고 차량 성능을 향상시키기 위해 트랙션 인버터의 크기와 무게를 줄이는 동시에 효율을 높이는 방법을 지속적으로 모색하고 있다. 기존 전류 측정 방식에서는 정확도와 시스템 크기 사이의 상충 관계가 존재했다. 자기 코어를 사용하는 C 코어 방식은 높은 정확도를 제공하지만, 상대적으로 크기와 무게가 증가할 수 있다. 반면 코어리스 방식은 시스템 소형화에 유리하지만, 센서와 컨덕터 간 변위 및 자기 크로스토크로 인해 측정 정확도가 저하될 수 있다고 업체 측은 전했다.
TMCS2100-Q1은 이러한 상충 관계를 줄일 수 있도록 설계됐다. 차량 주행 중 발생하는 진동은 센서와 컨덕터 사이에 미세한 움직임을 발생시켜 단일 축 코어리스 센서의 정확도를 떨어뜨릴 수 있다. TMCS2100-Q1은 수평 및 수직 방향의 자기장을 동시에 측정함으로써 이러한 변위로 인한 오차를 줄이고 높은 측정 정확도를 유지하도록 지원한다.
정확한 전류 측정은 트랙션 인버터의 토크 제어 성능을 높이는 데도 중요한 역할을 한다. 전류 측정의 오차를 줄이면 자기 크로스토크의 영향을 최소화하고 토크 리플을 줄일 수 있다. 토크 리플은 가속 과정에서 차량의 울컥거림이나 모터 소음을 유발하고, 모터의 비효율적인 구동으로 이어질 수 있다. 따라서 보다 정밀한 전류 측정은 차량의 부드러운 가속과 효율적인 모터 제어를 구현하는 데 기여할 수 있다는 것이다.
TMCS2100-Q1은 자기 코어 없이도 높은 수준의 측정 정확도를 구현함으로써 자동차 제조업체가 보다 작고 높은 전력 밀도를 갖춘 트랙션 인버터를 설계할 수 있도록 지원한다. 또한 0.4mm 변위에서 1% 미만, 0.1mm 변위에서 0.25% 수준의 변위 오차를 달성하며, 기존 단일 축 방식 대비 최대 20배 높은 정확도를 제공한다.
버스바 개조 없이 설계 유연성 향상
홀 효과 전류 센서는 일반적으로 트랙션 인버터와 모터를 연결하는 버스바에 전류가 흐를 때 발생하는 자기장을 감지한다. 기존 차동 코어리스 센서는 정확한 전류 측정을 위해 노치, 슬라이스 또는 홀과 같은 버스바 개조가 필요한 경우가 있어 열 관리와 기계 설계를 복잡하게 만들 수 있다고 업체 측은 밝혔다.
TMCS2100-Q1은 버스바를 개조하지 않고도 센서를 배치할 수 있는 방식을 제공한다. 버스바를 기준으로 다축 센서를 배치해 수평 및 수직 방향의 자기장 성분을 측정함으로써, 엔지니어는 기존 버스바 구조를 변경하지 않고도 전류 센싱을 구현할 수 있다. 이를 통해 기계적 설계에 보다 유연하게 대응하고 PCB 공간을 효율적으로 활용할 수 있으며, 전체 트랙션 인버터의 크기를 줄이는 데 기여할 수 있다.
TMCS2100-Q1 홀 효과 전류 센서는 TI.com에서 구입할 수 있다. TI는 제품과 함께 TMCS2100 평가 모듈과 특성 평가 모듈, TIDM-02014 레퍼런스 설계 등 개발에 필요한 다양한 리소스도 제공한다는 설명이다.
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