January 24th, 2025

[4] 차단회로 설계 및 관련 센서

14S 7P 세그먼트 제작 중. 우여곡절이 많았으나 잘 버텨줬다

다음은 차단회로이다. 차단회로는 BMS, IMD, BSPD의 에러 신호를 래칭 릴레이에 보내, 에러 상황 발생 시 차량의 전력을 끊는 역할을 한다. 이게 어떻게 끊는 지 어려울 수 있으니 규정에 나와있는 차단회로 예시를 보고 설명하겠다.

규정에 나오는 차단회로 예시. 어려워 보이지만 생각보단 쉬우니 걱정 말자.

위의 시스템 다이어그램은 차량의 차단 회로를 단순하게 구현한 것이다. 처음에는 어떤 내용인지 모르니 위 숫자대로 따라가면서 얘기하겠다.

처음 시작은 LV 배터리팩(1)이다. 우리가 LV 스위치(2)를 키면 저전압을 사용하는 전기적 시스템이 동작한다. 회로의 전원을 넣어주거나 콕핏의 LED 등을 킬 것이다. 마치 차량의 시동을 거는 것처럼 말이다. 다만 우리는 차량 구동을 위해 추가로 구동 시스템 키(4)도 켜야 한다.

LV 스위치를 키면 전류는 (3)~(5)번을 통해 흘러 다시 LV 배터리팩의 GND로 돌아올 것이다. (3)~(5)의 과정 중 전류가 끊기지 않는다면 HV 배터리박스(5)의 AIR가 닫혀 차량은 주행 준비 상태가 된다. 이 과정 중 차량의 안전 유무를 판단하는 시스템(BMS, BSPD, IMD)에서 에러 신호를 출력하면 차단 회로(3)가 끊어져 에러를 복구하기 전까지 주행 상태가 될 수 없다.

차량 주행 준비가 되어 AIR가 닫히고, HV 배터리박스에서 출력되는 전압이 증가할 것이다. 이 증가하는 전압은 구동 시스템 측정 포인트(6)를 통해 확인할 수 있다.

결론적으로 LV, 구동 시스템 키를 둘 다 작동하고 안전 시스템(차단 회로, 비상 버튼 등)이 정상이라면 HV 배터리박스에서 출력되는 전압이 상승할 것이다. 과정 중에 위의 파란 박스로 표시된 3개에서 에러 신호가 출력되면 안전 시스템을 끊어주는 PCB를 만드는 게 우리의 이번 목표이다.

(1) 차단회로 규정 읽기

※ 차단회로에는 스위치, 회로, AIR, Master Switch 등 여러 부품이 연결되어있어 규정이 좀 많다. 이번 챕터의 목표는 회로를 만드는 것이니 회로 관련된 부분만 찾아서 보겠다.

[규정] Formula 차량기술규정(2024년도)의 p.40의 제 55조

① BMS, IMD, BSPD의 에러 발생으로 구동 시스템이 비활성화되는 상황을 제외하고, 운전석 내에서 구동시스템을 활성화할 수 있어야 한다. 여기서 얘기하는 '구동시스템의 활성화'란 LV Master Switch와 TS Master Switch가 둘 다 On 되어있는 상황을 얘기한다.

② HV 릴레이(AIR)는 차단 회로를 모두 거쳐야만 동작이 가능하도록 만들어야 한다.(차단 회로를 통해 직접 이동한다) 차단 회로의 구성 중 하나라도 개방되어있다면 AIR는 동작할 수 없다.

③ 차단 회로의 구성은 다음과 같다. LVMS, TSMS(2개의 주 비상 정지 스위치), 3개의 보조 비상 정지 스위치, BOTS(제동장치 미작동 감지 장치), BMS, IMD, BSPD 및 인터락으로 구성된다. 여기서 BMS, IMD, BSPD가 직접 전류를 끊는 게 아니기에 출력된 에러 신호에 따라 전류를 차단하는 회로를 만들어야 한다.

〔요약〕차단회로를 지난 전류는 AIR를 작동시킨다. 차단 회로의 구성은 위와 같다.

[규정] Formula 차량기술규정(2024년도)의 p.40의 제 55조

④ 전원이 차단된다는 얘기는 LVMS를 Off로 변경한다는 뜻이다. 차단회로 예시로 보여준 회로에서 LVMS를 Off시키면 회로에 주는 전원과 차단회로를 거치는 전류가 자동적으로 끊어질 것이다.

⑤ 차단회로의 구성 중 하나라도 끊어지는 경우를 가정한다. 3개의 조건을 만족해야 되는데, 사실 1번의 HV 릴레이 개방만 만족해도 자동적으로 2, 3번을 만족하게 된다. 중요한 것은 차단회로 개방 시 HV 릴레이를 개방하는 것이다.

〔요약〕LVMS를 Off하면 구동 시스템은 비활성화된다. 차단회로 개방 시 HV 릴레이가 개방된다.

⑥ BMS, IMD, BSPD의 에러 신호를 받아 차단회로를 끊는 PCB는 위의 조건을 갖고 있어야 한다. 먼저 수동 Reset 버튼이 필요하며 이를 누르기 전까지 비활성화되어야 한다.(수동으로 재설정하기 전까지 비활성화 상태를 유지해야 한다) 이 Reset 버튼은 차량 외부에 있어야 하며(차량 내부에서 구동시스템을 재활성화 할 수 없어야 한다), 다른 비상정지 스위치로 Reset이 되면 안된다.

⑦ 차단회로에 연결되는 회로는 전원이 없을 때 개방되게 만들어서(전원이 차단된 상태에서 개방되도록 설계) 전원이 없을 때 HV 릴레이가 닫히는 일이 없도록 한다

⑧ 차단회로가 잘 동작하는 지 입증해야 한다. 스위치를 개방했을 때 HV릴레이가 끊어지는 지, 에러 신호를 받았을 때 스위치가 끊어지는 지, 에러 신호를 어떻게 줄 지 등을 고려해야 한다. 검차관은 모든 차량의 회로를 알지 못하기에, 회로의 동작 여부를 논리적이고 분명하게 확인해줄 방법들이 필요하다. 이는 개별 팀마다 생각해봐야 할 문제이다.

〔요약〕BMS, IMD, BSPD의 에러 신호로 차단회로가 끊어졌을 때 재활성화할 Reset버튼이 있어야 하며, 이는 차량 외부에 있어야 한다. 전원이 없을 때 모든 차단 회로 부 품 및 회로는 개방된 상태여야 한다. 차단 회로 동작 입증 방법을 고려해야 한다.

위의 규정들의 요약을 모아보았다.

차단회로를 지난 전류는 AIR를 작동시킨다. 차단 회로의 구성은 LVMS, TSMS, 3개의 보조 비상 정지 스위치, BOTS, BMS, IMD, BSPD 및 인터락으로 구성된다.

LVMS를 Off하면 구동 시스템은 비활성화된다. 차단회로 개방 시 HV 릴레이가 개방된다

BMS, IMD, BSPD의 에러 신호로 차단회로가 끊어졌을 때 재활성화할 Reset버튼이 있어야 하며, 이는 차량 외부에 있어야 한다. 전원이 없을 때 모든 차단 회로 부품 및 회로는 개방된 상태여야 한다. 차단 회로 동작 입증 방법을 고려해야 한다.

(2) BMS, IMD, BSPD의 에러 신호

위의 규정을 보면 회로적인 규정은 많이 없다. 한 줄로 요약하면 BMS, IMD, BSPD의 에러 신호가 들어오면 차단 회로를 개방하는 회로를 만드는 게 전부이다. 그렇다면 각 부품의 에러 신호가 무엇인지 알면 된다.

(신호에 대한 정보는 많이 주관, 경험적인 내용이니 이론적으로는 아닐 수 있다. 허나 이렇게 알아도 회로 설계에는 지장이 없었다.)

신호는 3가지가 있다. High, Low, Floating이 있는데 전류가 흐르는 High, Low와 전류가 흐르지 않는 Floating 두 가지로 나눌 수 있다.

High와 Low는 전원 전압에 대한 기준 영역이다. 예시로 전원 전압이 5V라면 4.4V ~ 5V는 High 범위이고, 0V ~ 0.5V는 Low 범위로 정해질 수 있다. (범위는 소자의 설계 방식인 TTS, CMOS마다 다른데 이는 여기서 중요한 내용은 아니니 궁금하면 이 사이트를 찾아보자)

Floating은 전류가 흐르지 않는 상태로 High인지 Low인지 모른다(Hi-Z라고도 한다). 선이 끊어져 있으니 전류는 흐를 수 없다. 이는 0V로 착각할 수 있지만 완전히 다른 개념이다. 0V로는 전류가 흐를 수 있지만 floating으론 전류가 흐를 수 없다. 아래 예시 회로를 보자.

좌측은 0V, 오른쪽은 Floating 상황이다

위처럼 회로를 그렸을 때 전류는 어디 쪽에 흐르는가? 어디 LED가 켜지나? 바로 0V 쪽 LED이다. 전압은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 성질이 있어, 0V가 다른 양의 전압과 연결되었을 때는 모든 전류가 0V 쪽으로 흐르게 된다. 하지만 Floating은 물리적으로 끊어져 있기에 전류가 흐를 수 없다. 이 전류 흐름의 유무를 이용해 차단회로를 만들 것이다.

그럼 각 부품에서 오는 에러 신호가 High인지, Low인지, Floating인지는 어떻게 알까? 이는 데이터시트를 참고하면 된다.

우리가 사용한 BMS는 Orion BMS2를 사용했다. 이유는 여러가지가 있다. 1) 이전 팀에서 Orion BMS를 사용했고 2) 많은 대학교 팀에서 Orion BMS를 사용해서 안정성이 확실해 검차관도 잘 넘어갔고 3) 우리가 사용했던 충전기 브랜드인 TC charger와 호환이 됐다.

Orion BMS2는 BMS 자체 기능도 많고, 데이터시트 양도 많고, 통 영어로 되어있어 필요한 정보를 찾기 매우 어렵다. Orion BMS 와이어링 메뉴얼의 p.27의 Discharge Enable Output (pin 7)을 보자.

여러 입출력 선 중에서 에러 선을 사용할 출력 선이다.

위의 내용을 요약하면 다음과 같다.

1) BMS의 자가 검진, 배터리가 방전 가능한 상황이라면 Turn On된다 (Pulled low) = 정상 상태
2) 배터리가 더 이상 방전이 불가능하거나, 최대 방전 암페어를 초과할 때 Turn Off된다 (Float High) = 오류 상태
3) BMS 내 소프트웨어에서 정한 기준에 자동으로 출력이 조절된다
4) BMS가 리셋되기 전까지 fault code가 출력되고 모든 충방전이 불가능하다

우리는 신호를 보고 있으니 1, 2번에 집중하면 된다. 정상 상태일 때 Low, 오류 상태일 때 Floating 상태임을 데이터시트를 통해 확인했다.

IMD(절연감시장치)는 Bender사의 IR155-3204 (Custom Version)를 사용했다. 아래의 Download 링크를 통해 데이터시트를 다운받을 수 있다.

IR155-32xx Datasheet P.5의 Status output(OK_HS)를 참고하자

IMD 기판의 출력 중 8번 핀으로 출력되는 Status Ouptut 신호는 우리가 사용할 에러 신호이다. 이 신호에 대한 정보는 데이터시트 P.5에 잘 나와있는데, 요약하자면 High = 정상 상태, Low = 오류 상태이다.

BSPD는 우리가 직접 만드는 회로이기에 마음대로 설정하면 된다. 나 같은 경우 신호를 BMS와 같이 만들었고 정상 상태일 때 Low, 오류 상태일 때 Floating으로 설정하였다.

(3) Shutdown 회로 설계

차단회로를 설계하기 이전에 중요하게 사용되는 소자가 있다. 바로 래칭 릴레이다. 위 규정 목록 중에서 아래와 같은 항목이 있었다.

차단회로가 에러 신호로 릴레이가 끊어졌다고 가정하자. 일반적인 릴레이를 사용했다면 우리가 주 비상정지 스위치, LVMS를 껐다 키면 회로가 초기화되어 에러 신호가 발생했음에도 다시 동작할 것이다. 이를 막기 위해 회로의 전원이 끊어져도 접점의 위치가 유지되는 래칭 릴레이를 사용했다.

래칭 릴레이에 관련된 내용은 나의 사이트의 [1] 소자 사용법에 정리해놓았다. 이를 참고하여 아래의 회로를 따라가보자.

※ 내가 만든 회로의 이름은 Shutdown 회로라 하고, 차량의 안전 시스템을 차단 회로라 명하겠다. 이름이 같으니 너무 헷갈릴 듯 하다

내가 설계한 차단회로이다. BMS와 BSPD는 신호 종류가 같아 회로가 거의 똑같고, IMD만 살짝 다르다

BMS 신호를 받아 차단하는 블럭

위의 회로는 에러 신호의 출처에 따라 3개의 블럭으로 나누고, 이를 A, B Net으로 이어 차단회로를 만들었다. 에러 신호가 Signal Net으로 전달되면 해당되는 릴레이는 차단회로에 흐르는 전류를 끊고 에러 등을 점등하도록 만들었다.

BMS와 BSPD는 신호 형태가 같아 같은 구조이니, 구조가 다른 BMS와 IMD만 설명하겠다.

각 구역을 좌측 사진과 같이 4개로 나눠봤다. 해당되는 구역에 대해 설명을 첨부하였다

(1) 신호 감지부 :
래칭 릴레이는 A2를 GND로 연결하면 접점이 바뀐다. 따라서 에러 신호가 발생할 때 A2를 GND로 연결하도록 만들어야 한다. OK일때는 BMS 신호가 Low라서 ShutDown_In에서 나온 전류가 저항 R1을 거쳐 바로 BMS_Signal로 흐른다. 하지만 Fail일때는 BMS 신호가 Floating이라 전류는 릴레이를 통해 흐르고, 릴레이가 작동해 A2를 GND로 연결하게 된다.
※ 여기를 Mosfet으로도 수정할 수 있는데, 이는 자작자동차 포럼의 9. 차단회로를 참고하자. 나도 이를 기반으로 만들었다가 잘 못해서 릴레이로 수정했다

(2) 릴레이 Free Wheeling Diode와 스파크 킬러용 커패시터
릴레이가 여러 번 접점이 바뀌면 그 기판의 소자에도 영향을 줄 수 있다. 가끔 릴레이 코일에 전원을 인가하고 푸는 동작을 반복하면 그 PCB에 같이 있는 LED의 밝기가 어두워지기도 했다. 그래서 나는 이를 막고자 환류 다이오드와 커패시터를 달았다.
※ 아날로그 특성 상 내가 만든 회로가 역서지전압과 스파크 킬러 역할을 잘 하고 있는 지 힘들다. 다이오드랑 커패시터가 없는 상태로 수차례 해도 잘 되는데? 라면 이 부분은 없애도 된다

(3) 릴레이 Reset 버튼
래칭 릴레이의 A1을 GND로 연결하면 릴레이가 초기화된다. 따라서 나는 Reset(+), Reset(-)를 외부로 뺀 뒤 스위치를 연결하였다. 따라서 스위치를 누르면 A1 핀이 GND와 연결되어 초기화가 진행되었다.

(4) 에러 등 표시
에러가 발생해 릴레이의 접점이 바뀌는데, 에러 상황일 때는 [21 - 24], [11 - 14] 접점이 연결되게 된다. 따라서 ShutDown In에서 나오는 전원이 릴레이를 거쳐 BMS Latch Net으로 연결되고, 이는 LED와 연결되어 등이 켜지게 된다. 이 Latch 등은 다른 구역에도 있어 에러 신호 종류에 따라 다른 LED가 켜지도록 만들었다. LED는 12V로 사이트에서 원하는 것을 골라 사용하면 된다.

IMD 신호를 받아 차단하는 블럭

IMD 부분도 다를 건 없다. 다만 신호 감지부가 살짝 다르다.

(1) 신호 감지부 :
IMD는 정상 상태일 때 12V가 출력되고 에러 상태일 때 0V가 출력된다. 따라서 정상 상태일 때 IRD 릴레이를 켜서 A2를 Floating으로 만들고, 오류 상태일 때 IRD 릴레이를 꺼 A2가 GND에 연결되도록 만들었다.

여기서 참고할 점은, 회로에 전원이 초기에 들어가면서 IRD 릴레이가 켜지기 전에, 아주 짧은 시간동안 A2가 GND에 연결된다는 점이다. 그러면 회로에 전원을 주면 IMD 신호에 상관없이 래칭 릴레이가 차단 회로를 끊을 것이다. 하지만 이는 상관 없다. IMD 자체에서 초기 신호로 에러 신호를 주기 때문이다.

IMD에 전원이 인가되면 최대 2초 동안 초기 절연 테스트를 진행하게 된다. 따라서 처음에 IMD에서 에러 신호가 발생하고, 절연이 정상이라면 최대 2초 뒤에 정상 신호를 출력하게 된다.

ISOMETER IR155-32xx의 P.2 초기 절연 테스트 관련 내용

자, 이런 식으로 차단회로도 끝이 났다. 다음에는 RTD 회로를 같이 얘기해보겠다.

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